Apport énergétique d'une toiture végétalisée sur le rendement électrique d'un panneau photovoltaïque – critères d’évaluations énergétique et environnementale de l’échelle du bâtiment à celle de l’îlot – PROOF

Le projet se base sur une confrontation de résultats expérimentaux et de simulation. La plateforme du Cerema de toitures végétalisées a été mobilisée pour installer les parcelles d’études. Chacune était pourvue d’un panneau photovoltaïque instrumenté (mesures des températures de surface des PV, de la production électrique et d’autres variables liées à la nature du sol (dont les températures de surface et les teneurs en eau dans le substrat). Les échanges PV / surface ont été modélisées par la technique de Monte-carlo qui permet des simulations rapides dans des scenarii complexes. En parallèle, des recensement de biodiversité (Flore) entre mai et septembre et sur la durée du projet, ont permis de suivre l’évolution de la végétation sous le panneau et de la comparer à une zone témoin (sans PV). Les résultats de la modélisation et de l’expérimentation ont permis d’alimenter l’outil COMETH pour le calcul des besoins de chauffage, de confort et d’autoconsommation d’un bâtiment. À cette échelle, l’évaluation environnementale par ACV a tenu compte du contributeur énergie. Un outil d’aide à la conception a été développé pour évaluer les fonctions écologiques et les services écosystémiques rendus. Cet outil, à destination des décideurs, intègre des variables descriptives du bâti et de la toiture.
Une approche méthodologique a été développée à l’échelle du quartier afin d’intégrer des bénéfices environnementaux multidisciplinaires (climatique, hydrologiques, écosystémiques) dans une démarche d’évaluation quantitative, réalisée avec l’outil UrbanPrint.

Les expérimentations menées ont permis de mettre en évidence que pour une toiture végétalisée extensive, la présence d’un panneau photovoltaïque modifiait le développement de la végétation. Au cours du projet, les différents recensement ont montré, que les panneaux photovoltaïques modifient la structure des communautés végétales initialement dominées par les sedum pour laisser place à des espèces supportant moins les conditions environnementales extrêmes des toitures végétalisées. La présence des panneaux créée une nouvelle niche écologique permettant le développement d’espèces déjà présentes sur les toitures. Nous avons aussi pu mettre en évidence un effet bénéfique de la présence des panneaux sur le fonctionnement du Sedum floriferum avec une augmentation significative de la photosynthèse et de l’absorption en azote par les plantes concomitante avec une diminution significative de leur niveau de stress. Contrairement aux hypothèses formulées, la présence de la végétation sous le PV, ne permet pas une augmentation significative de la production électrique. À cause de la quasi-disparition des Sedums. Au contraire, le revêtement coolroof a montré de meilleurs performances du PV. Ces deux résultats s’expliquent par des températures de surfaces différentes : celles du revêtement coolroof étaient plus basses que celles de la toiture végétalisée, diminuant ainsi les échanges radiatifs entre le sol et la face arrière du PV. C’est à l’échelle du bâtiment ont des impacts encore plus marqués. En effet, les simulations énergétiques de la production avec des toitures biosolaires, sont légèrement inférieures aux autres types de toitures (~1%). Même si les simulations ont pu montrer des différences de production entre les toitures, celle-ci sont trop limitées pour engendrer des différences significatives sur les résultats et donc sur un choix préférentiel.
L’étude par ACV de scenarii de construction a permis de confirmer que les toitures biosolaires ont un impact carbone supérieur aux autres scenarii : entre 6 et 65% à l’échelle de la toiture, entre 2 et 39% à l’échelle du macro-composant et sans bénéfice réel à l’échelle du bâtiment.
Cependant, les toitures biosolaires assurent trois fonctions : couverture du bâtiment, production d’énergie et support de biodiversité, ce que ne permet pas une toiture végétalisée seule ou la pose de PV seuls.

Plusieurs sujets ont été identifiés en perspective du projet PROOF. Le modèle d’échange thermique mériterait de mieux intégrer les transferts hydriques dans le substrat. Ce travail pourrait se faire dans le cadre d’une nouvelle thèse en collaboration entre le Cerema et le LEMTA.
Il parait cohérent de s’intéresser désormais à un (des) cas réel(s) que ce soit à l’échelle du complexe biosolaire ou du bâtiment. Ceci permettrait d’observer les évolutions floristiques dans une configuration multi-PVs et d’éprouver la robustesse du modèle thermique en instrumentant plusieurs PV avec les mêmes capteurs que ceux utilisés dans le projet PROOF. Nous pourrions aussi mieux intégrer la muti-fonctionnalité des toitures biosolaires dans les bilans carbone afin de relativiser les calculs. À l’échelle du quartier, la méthodologie développée pour évaluer les impacts et les bénéfices des toitures biosolaires dans des scenarii d’aménagement pourra être complétée pour intégrer les enjeux liés au climat urbain, par exemple.
Enfin, l’outil d’aide à la conception pourrait être développé en collaboration avec des professionnels de la toiture végétalisée afin d’être optimisé et être rendu plus ergonomique.

L. Garcia-Gutierrez, M. Aillerie, J.P. Sawicki, Z. Zheng, and R. Claverie. Evaluation of solar photovoltaic efficiency on green and flat roofs : Experimental and comprehensive numerical analysis. Solar Energy, 278 :112750, 2024

Thomas Villemin, Rémy Claverie, Jean-Paul Sawicki, and Gilles Parent. Thermal characterization of a photovoltaic panel under controlled conditions. Renewable Energy, 198 :28–40, 2022

Thomas Villemin, Olivier Farges, Gilles Parent, and R?y Claverie. Monte Carlo prediction of the energy performance of a photovoltaic panel using detailed meteorological input data. International Journal of Thermal Sciences, 2024

Thomas Villemin, Olivier Farges, Gilles Parent, and Rémy Claverie. Simulation of a rooftop photovoltaic system : a focus on the energy performance of the building. onférence IHTC-17, Cape Town, South Africa, August 2023

Thomas Villemin, Julien Bouyer, Rémy Claverie, Gilles Parent, and Maeva Sabre. Experimental study and numerical simulations of the airflow around a photovoltaic panel in urban configuration. ICUC11, Sydney (Australia), «August 28-Sept. 1st, 2023«

Thomas Villemin, Olivier Farges, Gilles Parent, and Rémy Claverie. Simulation of a rooftop photovoltaic system : a focus on the energy performance of the building. Conférence IHTC-17, Cape Town, South Africa, August 2023

Thomas Villemin, Julien Bouyer, Rémy Claverie, Gilles Parent, and Maeva Sabre. Experimental study and numerical simulations of the airflow around a photovolic panel in urban configuration. ICUC11, Sydney (Australia), «August 28-Sept. 1st, 2023«

R. Claverie, M. Aillerie, S. Boddaert, J. Bouyer, A. Brachet, M. Colombert, M. Dufournet, O. Farges, L. Garcia, D. Marzougui, G. Parent, E. Pichenot, L. Reynier, M. Sabre, J.-P Sawicki, C. Sirguey, J. Solano, T. Villemin, N. Schiopu, G. Séré, Z. Zheng, and K. Zibouche. PROOF : A collaborative project to assess the multi-scale benefits of biosolar roofs. ICUC11, Sydney (Australia), August 28-Sept. 1st, 2023

Le projet PROOF (Photovoltaic and Green ROOF cherche à confronter des dispositifs de toitures et leurs impacts et performances énergie-environnement à des scénarios contrastés d’aménagement urbain, en lien avec les enjeux territoriaux associés. Il s’intéresse plus particulièrement, à l’étude d’un combiné innovant, associant toiture végétalisée extensive et panneau photovoltaïque. Pour traiter cette problémétique, PROOF rassemble un consortium composé du Cerema, du LEMTA, du LMOPS, du LSE, du CSTB et de Efficacity. Il fonde sa démarche scientifique sur quatre hypothèses qu’il entend vérifier au cours du projet : 1) l’énergie solaire incidente en période estivale dissipée par une toiture végétalisée sous forme de flux de chaleur latente principalement, crée une diminution de la température d’air localisée fournie les conditions favorable à l’augmentation du rendement électrique d’un panneau photovoltaïque; 2) une toiture végétalisée extensive TVE avec une structure pouvant stocker les eaux pluviales, favorise les flux d’évapotranspiration et peut, dès lors encore améliorer le rendement du panneau; 3) à l’échelle du bâtiment, nous supposons que le bilan énergétique global (production/consommation énergétique à l’usage + énergie grise) est plus avantageux pour un système combiné que pour une toiture terrasse nue ou végétalisée standard; 4) par rapport à une configuration classique de toiture, un système combiné rend des services écosystémiques supplémentaires, évaluables et valorisables à l’échelle du quartier. Pour adresser ces différentes hypothèses, PROOF est décomposé en quatre tâches scientifiques. La première à comme objectif de fournir toutes les données et cratérisations nécessaires à une modélisation des échanges thermiques entre le panneau et la toiture végétalisée, ainsi qu’à une modélisation du transfert thermique dans le panneau et son impact sur le rendement. Cette tâche fournit aussi les données de comparaison d’autres configurations de toiture (standard, cool-roof et toiture végétalisée extensive avec stockage d’eau pluviale). Les deux modèles sont étudiés en détail dans la tâche 2 : contribution des flux radiatif, convectif et de chaleur latente; évaluation de la température à l’arrière du panneau sur la puissance délivrée. Le passage de l’échelle du système à l’échelle du bâtiment est traité par la tâche 3. Il s’agit ici, d’évaluer la performance thermique des différentes configurations à l’échelle du bâtiment, mais aussi la performance énergie-environnement et écologique aux deux échelles (dispositifs et bâtiment) sous différentes conditions climatiques. La finalité est de mettre en évidence à l’échelle du combiné, un rendement amélioré, une durée de vie augmentée et à l’échelle du bâti, les économies sur la consommation. Enfin, la tâche 4, cherche à connaître et évaluer les impacts et les bénéfices associés aux types de dispositifs testés et qui sont à mettre au regard des enjeux locaux des quartiers, des trames et des aires urbaines dans lesquels ils seront implantés.