Analyse du potentiel solaire. Toitures du Grand Paris

ANALYSE DE POTENTIEL SOLAIRE TOITURES DU GRAND PARIS

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Laccord de Paris, issu de la COP21, prvoit de contenir le rchauffement

climatique bien en dessous de 2C, confortant ainsi lambition des objectifs

inscrits au niveau rgional par le SRCAE (rnovation thermique, essor et diffu-

sion des ENR&R, mobilit).

La consommation nergtique du bti

reprsente 2/3 des consommations rgionales, ce qui confre au cadre bti

un rle de premier plan face aux enjeux climatiques et nergtiques dans la

mtropole: rduction des missions de GES (favoriser les nergies peu mis-

sives, rduire les consommations) et scurisation des systmes nergtiques

(prserver les infrastructures de trans-port et de distribution, mutualiser les

systmes et les ressources dans un souci dconomie globale, privilgier les

ressources locales, soulager la pointe lectrique).

Latelier parisien durbanisme (Apur) travaille depuis 2013 la mise en place

dun Plan Local nergie (PLE) lchelle de la Mtropole du Grand Paris, travaux

mens avec de nombreux partenaires dont Elioth particulirement mobilis

sur le volet des nergies solaires.

Parmi les ressources locales, lnergie

solaire constitue avec la gothermie de minime importance lun des principaux

gisements dENR&R identifis. Sur la base dun cadastre solaire largi au

territoire mtropolitain, un premier travail men par lApur a ainsi permis

dvaluer un potentiel de 6 TWh (btiments rsidentiels et centrales

solaires). Cest dans loptique daffiner cette valuation mais aussi de mettre

en lumire les spcificits de chaque typologie de btiment que lApur et

Elioth ont choisi daffiner ce premier travail autour de lintgration de pan-

neaux solaires sur 8 typologies de toi-tures assez reprsentatives de la diver-

sit de forme urbaine de la Mtropole.

Ces travaux illustrent la ncessit dac-tions menes de faon trs prcises pour assurer lessor de lnergie solaire comme pour les autres ressources en nergies renouvelables. Le PLE avec son ensemble de donnes cartogra-phies des ressources et consomma-tions dnergies territorialises lchelle du bti comme celle des ter-ritoires informe sur ce qui est l et opti-mise ladquation entre les ressources, les besoins, et les rseaux, vis--vis du stock bti. En intgrant la connais-sance de ces trois lments, le PLE per-met llaboration de stratgies territo-riales en matire de choix nergtique, de ressources, dintervention sur le bti toutes les chelles et une quantifica-tion des actions possibles dans le temps et dans lespace.

Un Plan Local Energie pour accompagner une stratgie mtropolitaine

Dominique Alba Directrice gnrale de lApur, architecte

www.apur.org

http://www.apur.org/etude/un-plan-

local-energie-metropole-paris

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Ce document prsente la contribution dElioth aux rflexions de lAPUR pour la mise en place dun Plan local de lEnergie : y sont prsents les enjeux, les opportunits et les contraintes de lintgration des panneaux

solaires photovoltaques et thermiques pour la mtropole du Grand Paris.

I. ENERGIE SOLAIRE (p. 5) Cette tude rappelle tout dabord les caractristiques des deux principales technologies de conversion de lnergie solaire, photovoltaque (lectricit) et thermique (chaleur basse temprature, ventuellement

froid), et compare leurs avantages et leurs inconvnients techniques et conomiques respectifs. Elle pr-sente galement les enjeux de lintgration de ces nergies renouvelables au rseau, avec les notions dautoconsommation et dautoproduction pour le photovoltaque.

II. INTEGRATION EN MILIEU URBAIN (p. 19) Ltude prsente ensuite les rsultats de tests dintgrations de panneaux sur les toitures de tissus typiques

de la mtropole, de lhaussmannien au pavillonnaire en passant par les toits terrasses : quel niveau dobs-truction cr par les chemines, les gaines techniques, les systmes dclairage znithaux ? quelle propor-tion de surface installable ? Quels rendements attendre des systmes installs ?

III. SYNTHESE DES RESULTATS (p. 25) Les rsultats de ces tests dintgration ainsi que toutes les hypothses prises sont regroups dans cette

partie, pour fournir un moyen de comparaison rapide entre les diffrentes typologies.

IV. INDEX (p. 70)

III. BIBLIOGRAPHIE (p. 71)

ENERGIE

SOLAIRE

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L'effet photovoltaque permet la production directe d'lectricit partir du rayonnement solaire.

Les technologies de cellules photovol-taques sont de plus en plus varies : les technologies de premire gnration, aujourdhui matures, et bases sur les proprits du silicium cristallin (mono ou poly), sont les plus rpandues sur le march. Les rendements associs sont de lordre de 14% 19%. Cela signifie que pour un rayonnement incident de 1000 W/m2, la puissance lectrique gnre par 1 m2 de PV est gnrale-ment comprise entre 140 190 Wc.

Paralllement, les couches minces, qui reprsentent la seconde gnration, sont encore dans une phase de dveloppement. Les rendements peuvent atteindre 16%.

Enfin, il existe des cellules actuellement en dveloppement, appeles cellules de troisime gnration, mais elles ne sont pas encore sur le march. Les cellules organiques en font partie.

Le rendement des cellules photovol-taques peut tre amlior en incorpo-rant des systmes de trackers aux modules photovoltaques (PV) : en

suivant la course du soleil, les panneaux sont toujours orients de manire optimale et produisent plus longtemps au cours dune journe. La structure de support est cependant plus complexe et demande plus de maintenance.

On peut aussi combiner les PV avec un systme de ventilation, pour rcuprer la chaleur perdue par les cellules. En refroidissant les modules, lefficacit augmente.

Technologies solaires

Photovoltaque

Efficacit de conversion du gisement solaire

Le rendement des panneaux photovol-taques dpend des conditions mto-rologiques, notamment lensoleillement, et la temprature : le rendement des panneaux sera dautant plus lev que lensoleillement sera lev (en W/m) et que la temprature sera basse. Surle-ver les panneaux pour viter leur sur-chauffe permet ainsi de garantir cette efficacit de conversion.

Ce rendement est garanti par les cons-tructeurs : au minimum 90% du rende-ment nominal lors des 10 premires annes, et au minimum 80% lors des 15 suivantes.

Diffrentes technologies et performances disposition

Evolution de lefficacit dun module PV au cours de lanne

Elioth, 2015

Halle Pajol, Paris Crdits photos Pascal Poggi

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Photovoltaque

Temps de retour nergtique des diffrentes technologies de

panneaux photovoltaque

Photovoltaics report, Fraunhofer Institute, 2015

Les deux technologies les plus rpandues compensent lnergie

utilise pour produire les panneaux en 2 3 ans. pour une irradiation

annuelle de 1000 kWh/m.

Emissions de gaz effet de serre

Parmi tous les moyens de production dlectricit du mix franais, les pan-neaux solaires photovoltaques font par-tie de ceux qui nmettent pas de dioxyde de carbone (CO2), avec le nu-claire, lolien et lhydraulique. Cette technologie contribue donc la baisse des missions de CO2 instantanes du rseau lectrique franais.

Il est important cependant de prendre en compte les missions tout au long du cycle de vie des moyens de production et non pas seulement au moment de leur utilisation : l aussi, le solaire photovol-taque est intressant, avec une em-preinte de 55 grammes en moyenne de CO2eq par kWh produit, contre 82 grammes de CO2eq par kWh pour le mix franais en 2014, daprs lADEME.

Plus prcisment, un panneau fabriqu en Chine install au Nord de la France atteint les 80 gCO2eq/kWh, contre 43 gCO2eq/kWh pour un panneau fabriqu en Allemagne, dans la mme situation.

Temps de retour nergtique

Un autre indicateur intressant pour valuer les bnfices environnementaux dune technologie de production est son temps de retour nergtique : combien de temps faut il aux panneaux pour pro-duire autant dnergie que celle consom-me tout au long de son cycle de vie (fabrication, transport) ?

LADEME et Hespul avanaient en 2008 un temps de retour de 2.6 ans pour des panneaux installs en rgion parisienne. Linstitut Fraunhofer avance en 2015 des temps de retour de lordre de 2 3 ans pour des panneaux construits et utiliss en Allemagne, suivant les technologies.

82 grammes de

CO2eq par kWh

55 grammes de

CO2eq par kWh

Rduire les missions de GES : Rseau ou photovoltaque ?

Rseau lectrique Solaire photovoltaque

Chiffres ADEME, 2015

Silicone mono-

cristallin

Silicone poly-

cristallin

Silicone amorphe

Silicone micro-

cristallin

Tellurure de cadmium

Cuivre Indium Gallium

Selenium

Le contenu carbone du kWh du rseau varie en fonction de la saison et du moment de la journe, autour de la valeur moyenne de 82 gCO2eq/kWh : les bnfices du solaire photovoltaque seront donc plus ou moins grands suivant lheure dusage de llectricit produite.

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Economie du photovoltaque

Rentabilit dun systme PV

Pour tudier la faisabilit d'un projet photovoltaque, on utilise la notion de LCOE (levelized cost of electricity), que lon dfinit comme le cot, actualis sur la dure de vie du produit, du kWh produit. Le LCOE prend en compte linvestissement initial, les couts de maintenance et lactualisation financire des flux montaires. (voir p.26 pour plus de dtails)

Depuis plusieurs annes, le LCOE du photovoltaque a fortement baiss et continue encore diminuer du fait de la baisse continue des prix des panneaux, diminuant dautant les cots dinvestis-sement. En parallle, le prix de llectrici-t du rseau augmente de manire continue depuis 2000 et devrait continuer augmenter du fait des cots croissants de production et dexploita-tion du rseau franais (la commission de rgulation de lnergie prconisait ainsi en 2012 une hausse de 30% en 5 ans).

La parit rseau se produira dans les annes venir : partir de ce moment, le prix de lnergie du rseau lectrique public dpasse le LCOE dun systme photovoltaque, qui devient ainsi intressant financirement, en dehors de toute considration sur le tarif de rachat. Toutes les rgions franaises ne sont pas galit de ce point de vue : le Sud de la France a dj atteint la parit par exemple, grce son fort ensoleille-ment (environ 1600 kWh/m.an Nice contre 1100 kWh/m.an Paris).

Evolution projete du LCOE pour les installations

rsidentielles

Rapport SOLER Juin 2014

Parit rseau pour

le Grand Paris aux

alentours de 2017

Evolution des prix des modules PV, de 1980 2014, en /Wc

Current and Future Cost of Photovoltaics, Fraunhofer Institute, 2015

Cot des modules en 2014 : 0.7 2014/Wc

Cot des modules en 1980 : 20 2014/Wc

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Economie du photovoltaque

En France, en attendant la parit rseau, l'conomie lie au solaire photovoltaque est soutenue par la puissance publique. Cela se traduit par des aides financires de certaines rgions et surtout par l'exis-tence de tarifs de rachat garantis pen-dant une dure de 20 ans, ce qui consti-tue un incitatif linvestissement. Les tarifs de rachat dpendent du type d'ins-tallation (intgration au bti, intgration simplifie au bti ou autres).

Les installations intgres au bti per-mettent d'obtenir des tarifs de rachat plus avantageux, mais les cots de mat-riel et d'installation sont aussi plus le-vs.

Les tarifs d'achat sont revus tous les tri-mestres, et voluent en fonction du nombre de nouveaux projets soumis approbation. Cela permet de rguler le nombre de projets dposs et donc la puissance supplmentaire installe sur le rseau.

Revente de la production

Evolution du tarif dachat de 2011 2015, par type

dintgration et puissance

Elioth, daprs http://www.developpement-durable.gouv.fr/

14 c / kWh

6 c / kWh

26 c / kWh

Intgration Au Bti (IAB) ou Intgration Simplifie au Bti (ISB) ?

IAB ISB

Position des panneaux

Toiture de btiments clos

Toiture de btiments

Orientation des panneaux

Dans le plan

de la toiture

Parallle au plan

de la toiture

Etanchit

Elment principal et

ncessaire dtan-chit de la toiture

Elment dtanchit de la toiture

Puissance 0 9 kWc 0 100 kWc

c /

kW

h

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Production et consommation dlectricit

Conso. / Prod. dlectricit dans le rsidentiel

Rapport SOLER Juin 2014

Lautoconsommation est dfinie par le fait que le producteur consomme lui-mme lnergie photovoltaque pro-duite ou bien encore rpond au besoin de sites dtermins dans le voisinage de linstallation. Lautoproduction se dfinit elle par le fait que le consomma-teur produit lui-mme lnergie quil consomme.

Les exemples de profils annuels pr-sents ci contre illustrent la compl-mentarit de ces deux indicateurs : en mars, 7% de la consommation a t produite sur place (taux dautoproduc-tion), et 100% de la production a t consomme sur place (taux dautocon-sommation).

A linverse en juillet, le taux dautopro-duction atteint 100% et celui dautocon-sommation seulement 70%, refltant le fait que lnergie produite en surplus par rapport la consommation est in-jecte sur le rseau.

Autoconsommation et autoproduction

L'autoconsommation l'chelle d'un lot urbain peut permettre de lisser les consommations, et de faire conci-der production et consommation. Ce-pendant une telle installation ncessite l'tude des consommations indivi-duelles pour viter de soutirer ou bien de rinjecter une puissance trop impor-tante au rseau.

Paralllement la mise en place de systmes de production d'nergies renouvelables, il faut compter sur la sensibilisation et l'ducation des utilisa-teurs, pour obtenir une meilleure r-partition des usages nergtiques.

Schmas de principe de lautoconsommation et lautoproduction

Extension lchelle urbaine

100% de la production est auto-consomme, mais le btiment

importe toujours 90% de sa consommation !

A linverse, quand la production dpasse la consommation, le taux dautoproduc-tion passe 100% : le btiment est alors nergie positive

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Stockage dlectricit

Le stockage d'lectricit est une tech-nologie clef pour les systmes de pro-duction dnergie dite renouvelable. Il existe plusieurs types de technologies, mais chacune correspond des appli-cations particulires.

Les batteries sont la technologie la plus approprie pour le stockage dlectrici-t des systmes photovoltaques rsi-dentiels et de taille rduite.

Aujourdhui, les prix restent importants pour une diffusion de masse. Cepen-dant, ils pourraient devenir comptitifs lavenir, notamment dans le contexte de la fin des tarifs rglements pour llectricit. Celle-ci doit prendre en effet pour les gros consommateurs partir du 31 dcembre 2015.

Tesla a rcemment annonc la mise sur le march dun nouveau produit, des-tination des particuliers, particulire-ment comptitif en terme de prix par kWh de stockage fourni : 350 $/kWh, dans un march situ aux alentours des 500 $/kWh.

Stockage sous forme lectrochimique

Evolution passe et estimation du prix des batteries lectriques de 2005 2030

Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicles Nykvist, Nilsson - Nature, 2015

Batteries PowerWall de Tesla

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Stockage dlectricit

Llectricit produite peut aussi tre transforme en chaleur pour tre stocke, de manire non rversible (sans possibilit de recrer de llectrici-t partir de l'nergie stocke). Les ballons deau chaude sanitaire thermo-dynamiques permettent cette conver-sion, avec plusieurs avantages :

Du fait du fonctionnement en pompe chaleur, chaque kWh lectrique solaire est converti en moyenne en 3 kWh thermiques stocks dans leau.

Ce type de stockage permet galement de maximiser lautoconsommation de llectricit solaire produite. Au lieu dinjecter lnergie sur le rseau lorsque la production dpasse la consomma-tion, ce qui dgrade le taux dautocon-sommation, lnergie est stocke pour tre utilise plus tard : le taux dauto-consommation instantan restera 100%, et le taux dautoproduction futur augmentera.

Stockage sous forme de chaleur

Schma de principe du ballon dECS thermodynamique

Les technologies de stockage de lner-gie lectrique sont nombreuses et se caractrisent principalement par la forme de lnergie stocke (mcanique, lectrochimique, thermique), le temps de stockage (secondes, heures, jours...) et le rendement (nergie resitue/nergie stocke) : hydraulique gravi-taire, air comprim, hydrogne

Autres types de stockage

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Schma de principe dun systme de production dECS laide de solaire thermique

EDF, Lnergie solaire thermique, 2006


Thermique Les systmes solaires thermiques per-met de produire de la chaleur, le vec-teur pouvant tre leau ou lair. Il passe dans les tuyaux du panneau et est chauff directement par le rayonne-ment solaire.

Les tempratures atteintes en sortie du systme (de l'ordre de 100 150C) permettent de l'utiliser pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire (ECS), et parfois de le combiner avec le chauffage des locaux. On parle alors de systme solaire combin (SSC).

Il existe plusieurs types de panneaux solaires thermiques : les panneaux plans vitrs, les tubes sous vide, et les capteurs solaires concentration. Si les deux premiers sont intressants pour tre intgrs sur toit, mais les capteurs solaires concentration ne sont pas adapts, car ils sont trs volumineux, ne sont pas plans. Ils ncessitent en outre un rayonnement solaire direct important (la rgion parisienne nest donc pas adapte).

Le systme ncessite la mise en place d'une boucle d'eau chaude. L'entretien de cette boucle est ncessaire, pour viter des baisses importantes de ren-dement, ou simplement la dgradation du systme.

Panneaux solaires thermiques Tubes sous vide Crdits photos Viessmann

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Communauts solaires

Il existe des communauts so-laires , o lnergie solaire ther-mique est mutualise pour rendre les systmes optimaux. Cependant, de telles communauts, comme celle de Drake Landing (cf. figure ci-contre) au Canada, sont situes en dehors des grandes villes, car les structures permettant de mutuali-ser et de stocker lnergie ther-mique sont trs imposantes.

Communaut solaire de Drake Landing, Okotoks, Canada

Efficacit de conversion du gisement solaire

Les rendements dpendent des condi-tions mtorologiques extrieures, de la temprature, de lensoleillement, mais aussi du vent.

Lefficacit de linstallation est la quanti-t de chaleur issue du rayonnement solaire incident transmise au fluide calo-porteur. Comme le graphe ci contre le montre, une partie de lnergie est dabord perdue par rflexion et absorp-tion , puis perdue en fonction de lcart de temprature entre le fluide et la tem-prature de lair extrieur.

Le rendement sera dautant plus lev que le rayonnement solaire sera impor-tant et que cet cart de temprature sera faible.

Inclinaison des panneaux

Linclinaison optimale des panneaux dpend de lquilibre entre production et consommation de chaleur, ainsi que de la capacit de stockage : une incli-naison 30 environ maximise lnergie incidente annuelle vue par les pan-neaux, mais une inclinaison de 40 50 permettra de maximiser la production dhiver, lorsque le besoin de chaleur est le plus important et le soleil le plus bas lhorizon.

Des panneaux inclins 30 auraient donc tendance ne pas produire assez en hiver, et trop en t, la chaleur ne pouvant tre valorise quen tant con-somme sur place.

Evolution de lefficacit dun capteur thermique (%) en fonction de la diffrence de temprature avec lextrieur (C) et du rayonnement solaire incident (W/m)

Elioth, 2015

Pertes optiques (rflexion et absorption)

Pertes thermiques (changes avec lair extrieur)

1000 W/m

800 W/m

600 W/m

400 W/m 200 W/m

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Economie du solaire thermique

Comme pour llectricit, on dtermine le cot de production du kWh, ou LCOE, en analysant lensemble des cots sur la dure de vie du systme, ainsi que lnergie produite sur cette mme dure de vie. Ce calcul tient aus-si compte des ventuelles aides linvestissement.

Dans le cas du solaire thermique, les aides linvestissement dpendent des rgions. De plus, le crdit dimpt tran-sition nergtique (CITE) permet de subventionner en partie le prix des installations, sous rserve de certaines conditions.

Dans le cas dun chauffe-eau solaire, le prix du kWh doit tre compar avec le prix du kWh produit avec les moyens conventionnels de chauffage de leau : llectricit (15 c/kWh), le gaz naturel (9 c/kWh) ou encore le fioul (7 c/kWh), en 2014. Ces trois sources dnergie ont des prix qui augmentent depuis 2000, avec parfois de fortes variations dans le cas des nergies fossiles.

Le prix dune installation dpend du type de capteurs utiliss, du type dutili-sation envisage, et aussi de sa taille. Les systmes SSC sont par exemple plus couteux que les systmes CES. De plus, les capteurs tubes sous vide sont plus chers que les capteurs plans vitrs, car leur fabrication est plus com-plexe.

Enfin, plus la surface installe est im-portante, plus les prix sont bas, et donc plus linstallation est rentable. Cela sex-plique notamment par la mutualisation des quipements tels que les ballons de stockage, ou encore les raccorde-ments effectuer. (voir graphe ci-contre.)

Par exemple, dans le cas dun systme de 4m de panneaux thermiques plans, on atteint un cout de 20 c/kWh utile produit, Paris (Mthode TEC, 1300/m2, 3% dactualisation).

Rentabilit dun systme thermique

Evolution des prix du kWh lectrique, gaz et fioul, de 2000 2014

Bilan prvisionnel de lquilibre offre-demande dlectricit en France, RTE, 2014

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Rgles de lArt Grenelle Environnement 2012 Installations deau chaude sanitaire, 2014

Contrairement au cas de llectricit, leau chaude produite ne peut pas tre injecte dans un rseau qui servirait de tampon. Il faut donc ncessairement inclure un systme de stockage ther-mique.

Celui-ci peut tre de diffrente taille, suivant le dphasage attendu entre production et consommation. La frac-tion solaire du systme entier repose sur son bon dimensionnement.

Pour la consommation deau chaude sanitaire, le profil dutilisation est jour-nalier. Le profil diffre aussi suivant le type de btiment, rsidentiel ou ter-tiaire. Dans le rsidentiel, on observe des pics dutilisation le matin et le soir, lors des priodes de prsence des ha-bitants.

Une autre possibilit dutilisation de lnergie thermique est le chauffage des btiments, avec un systme dit

combin : le profil du besoin est alors additionn entre besoins dECS et besoins de chauffage.

Production, consommation et stockage

Equilibre production / consommation

La question de lquilibre est impor-tante du point de vue de lautoconsom-mation, mais aussi parce que les instal-lations solaires thermiques prsentent des risques de surchauffe si elles ne disposent pas dun exutoire pour le surplus de production.

Ce problme est dautant plus impor-tant quil intervient au moment de pro-duction de chaleur maximale et de con-sommation minimale, lt (absences des occupants, forte chaleurs dimi-nuant les besoins de chaleur).

Plusieurs solutions existent pour pallier cette difficult : vidange automatique du fluide des panneaux, refroidisse-ment nocturne, dcharge des capteurs dans un changeur plac dans la terre

Un dimensionnement maximisant le rendement dhiver (avec une inclinaison plus forte) aura galement tendance diminuer le phnomne. Une solution passive existe galement : profiter de protections solaires dimensionnes pour masquer les panneaux pendant lt.

Surchauffe estivale

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Electricit ou chaleur ?

Lnergie finale produite par les pan-neaux solaires photovoltaques et ther-

miques peut tre diffrente. Dans un cas, il sagit dlectricit, dans lautre de

chaleur.

noter que les modules photovol-taques peuvent aussi fournir de la chaleur comme nergie finale, con-dition quils soient coupls un autre systme, soit une rsistance ther-mique (bien que ce soit trs inefficace thermodynamiquement), soit une pompe chaleur. Le schma ci-contre permet de rsumer ces considra-tions..


Comparaisons photovoltaque / thermique

Diffrents modes de conversion de lnergie solaire

Elioth, 2015

Panneaux solaires, San Francisco Tubes sous vide et PV mono-cristallin Crdits photos Solar Radiant Solution

Thermique

Photovoltaque

PAC Pompe Chaleur

Electricit

Chaleur (eau 60C pour ECS, eau 25-30C ou air

pour chauffage)

Froid (air pour climatisation)

Chaleur (eau 60C pour ECS, eau 25-30C ou air

pour chauffage)

INTEGRATION

EN MILIEU URBAIN

Paris Crdits photos Nicholas Jones

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La notion d'lot de chaleur fait rfrence l'augmentation de la temprature due l'urbanisation : les villes sont plus chaudes que leurs environs moins den-ses. Les consommations dnergie en chauffage sont diminues, mais les con-sommations pour la climatisation aug-mentent et le confort thermique en t se dgrade.

Un des paramtres importants de ce phnomne souvent mis en avant est lalbedo des matriaux de lespace ur-bain, cest--dire la proportion de rayon-nement rflchi. Les toits en zinc du centre historique rflchissent environ 60% du rayonnement et chauffent moins que les toits en tuile, qui en rfl-chissent environ 20%.

APUR : Les ilots de chaleur urbains Paris, Cahier #1

Intgration en milieu urbain

Effet sur les lots de chaleur urbain

Llot de chaleur urbain (ICU)

Les capteurs solaires ayant un albedo denviron 10%, leur mise en place grande chelle sur les toits parisiens a une influence sur la balance nergtique de la ville, mais pas dans le sens attendu par un raisonnement sur lalbedo seul. Daprs une tude de Mto-France et du CSTB, un quipement de 20% des toitures inclines et 50% des toitures plates aurait abaiss la temprature de lair pendant lt 2003 de 0.2C en jour-ne, et de 0.3C la nuit.

Ce rsultat sexplique par la modification de la surface de contact ville - atmos-phre ainsi que les masques crs par les panneaux, qui altrent les changes thermiques entre le bti et lair.

Ce changement de comportement inter-vient mme la nuit alors que lon atten-drait instinctivement un effet nul des panneaux, vu labsence de rayonnement solaire, du fait des effets inertiels et dun volume dair dchange actif au dessus

de la ville rduit pendant la nuit (ce qui amplifie les effets des changes ther-miques).

Impact des panneaux solaires

SunShip Program + Solar Settlement, Freiburg Crdits photos Gilgongo, Wikipedia

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Comme lexpose le document Habiter Durable - Panneaux Solaires de la Mairie de Paris, l'intgration de panneaux so-laires sur les toitures parisiennes est soumise rglementation, notamment celle du PLU de la ville de Paris : sur les toits terrasses, la pente des capteurs peut tre optimise, par contre, sur tous les autres types de toitures, la pente du panneau doit suivre celle du toit et les panneaux ne peuvent pas tre surlevs.

Lautorisation dinstallation de panneaux solaires peut tre refuse si l'installation, par sa situation, son vo-lume, son aspect, son rythme ou sa colo-ration est de nature porter atteinte au caractre ou lintrt des lieux avoisi-nants, aux sites, aux paysages, ainsi qu la conservation des perspectives monu-mentales . En plus des considrations de rendement lorsquun systme solaire ou thermique, il convient donc dtudier son intgration architecturale dans son environnement.

Les toits parisiens, futur patrimoine mondial de lUNESCO ?

Crdits photos AFP

Rglementation

Prconisations dintgration des panneaux solaires aux toitures, Paris

Habiter Durable - Panneaux Solaires, Mairie de Paris, 2014

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La performance des panneaux solaires est soumise l'ensoleillement. Celui-ci fluctue de manire naturelle, au cours de lanne et au fur et mesure de la jour-ne, mais on peut aussi noter l'influence des masques partiels, qui peuvent prove-nir de tous les btiments, arbres ou obs-tacles qui entourent le champ des pan-neaux.

En t, le soleil est haut dans le ciel, for-mant un angle denviron 60 en milieu de journe avec lhorizon : du point de vue du panneau, un masque situ 20 mtres dans la direction du soleil devrait faire 42 mtres de haut pour cacher le soleil. En hiver, avec un soleil 20, un masque de 7 mtres suffirait le cacher dans la mme configuration.

A Paris, notamment en haut des im-meubles, les masques potentiels sont nombreux (lucarnes, chemines, im-meubles voisins). Il est donc ncessaire de faire l'tude des masques partiels avant l'implantation, car ils peuvent en-trainer une perte d'nergie importante.

Masques

Effet des masques sur le rayonnement solaire autour de la tour Montparnasse

Cadastre solaire de la ville de Paris, APUR

Le gisement solaire annuel des surfaces

voisines, au Nord de la tour, est environ deux fois plus faible que celui au sommet de la tour

Diagramme solaire Elevation - Azimuth Paris

University of Oregon, Solar Radiation Monitoring Laboratory

Le soleil se lve lEst...

et se couche lOuest

et bas en hiver

Le soleil est haut en t...

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La vgtalisation du bti parisien s'est enclenche dans le but de favoriser la biodiversit en ville, mais aussi de profi-ter des vertus environnementales des plantes pour amliorer le cadre de vie, attnuer les effets dilots de chaleur

La ville de Paris comporte aujourd'hui 5.6 hectares de toitures vertes, et compte atteindre les 100 hectares d'ici 2020. Ltude de lAPUR sur le potentiel de v-gtalisation des toitures terrasses Paris identifie 460 ha de surfaces mobili-sables : le conflit dusage ne devrait donc pas tre un problme pour linstant, avec une surface de panneaux installe fin 2014 de 3.2 ha.

Un toit peut en outre supporter la fois une toiture vgtalise et des panneaux solaires. La vgtalisation peut gale-ment se faire sur dautres surfaces, avec lexemple des murs vgtaliss.

Un conflit dusage peut cependant mer-ger dans le cas ou la vgtation vient masquer les panneaux, avec des arbres plus hauts que les toitures par exemple. (ce qui est frquent dans lhabitat pavil-lonnaire mais beaucoup moins en milieu urbain dense).

Vgtalisation

Panneaux solaires photovoltaques mono-cristallins sur une toiture vgtalise, Londres

GreenRoofers

Mur vgtal, rue dAboukir, Paris

Un pignon vgtalis pourun immeuble dhabitation, Tendances & Habitat

Rsultats de

ltude typologique

Halles Pajol, Paris Crdits photos Pascal Poggi

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Mthode dtude de potentiel photovoltaque Outils : QGIS, R, solaR

1 / Extraction des zones

dimplantation potentielle

La premire tape consiste extraire

les pans de toitures qui sont libres dobstacles, partir du modle num-

rique de terrain. On dgage ainsi les zones directement disponibles, sans

quaucune surlvation ne soit nces-saire.

Lorsque celle-ci est envisage, les obstacles passent progressivement en

dessous des systmes, qui tendent alors vers le cas idal dinstallation sur

une toiture non obstrue dont nous connaissons les performances. Lap-

proche permet donc de quantifier ces deux extrmes.

2 / Filtrage et rgularisation

des zones dimplantation

Etant donn la prcision du modle

dlvation, les formes obtenues prc-demment ne correspondent pas des

formes rectangulaires adaptes la forme des panneaux et doivent tre

post-traites.

On obtient ainsi le positionnement

optimal de panneaux rectangulaires de 1x1.5m, qui maximise la surface de

panneaux en sadaptant la forme du toit tout en gardant une implantation

compacte. Les systmes sont filtrs pour ne retenir que ceux qui disposent

dun gisement solaire annuel de plus de 800 kWh/m (ce qui correspondrait au

gisement disponible au Nord du Royaume-Uni).

3 / Calcul du rendement des

systmes

Les productibles annuels et les rende-

ments de chaque systme sont ensuite estims et cartographis, partir dun

modle horaire prenant en compte

lorientation, la pente, ainsi que le

gisement solaire disponible au niveau des panneaux (en prenant en compte

les masques environnants).

Les panneaux avec les plus hauts

rendements et les cots par kWh (LCOE) les plus bas sont ainsi identifis,

et permettent de fournir une estimation de la surface de toiture installable et du

niveau de production dnergie attendre.

Emprise btiments

Zone non encombres

Emprise btiments

Zone non encombres

Panneaux installables

Panneaux installables

Emprise btiments

27

janv. dc. janv. dc. janv. dc. janv. dc. janv. dc.

Gisement solaire du Grand Paris Source : Meteonorm, Paris - Montsouris

Calculs dirradiation : solaR

Irradiation globale journalire moyenne par mois, de janvier dcembre kWh/m

Irradiation globale journalire par jour et par mois, de janvier dcembre kWh/m

Plan Sud

(incl. 30) Ouest

(incl. 30) Nord

(incl. 30) Est

(incl. 30)

Min. 0.1 1.4 0.1 0.1 0.1

Moyenne 3 3.4 3.1 2.1 2.6

Max. 8.2 8.2 8.6 6.4 6.7

Somme

annuelle 1080 1220 1150 780 930

0 9 kWh/m

Irradiation globale journalire moyenne kWh/m2

Lirradiation globale annuelle sur un plan horizontal Paris place la ville en

milieu de classement du gisement des capitales europennes : derrire

Madrid et Rome (-30 % environ), mais devant Londres et Berlin (+10 %

environ)1.

Les simulations dirradiation reue par

un plan inclin de 30 montrent une orientation privilgie sud-ouest pour

les toitures en pente, avec une irradiation moyenne journalire

suprieure 3 kWh/m2.

1 PVGIS European Communities 2001-2012

Plan Ouest

(incl. 30)

Sud

(incl. 30) Nord

(incl. 30) Est

(incl. 30)

Plan Ouest

(incl. 30)

Sud

(incl. 30) Nord

(incl. 30) Est

(incl. 30)

28

Les 8 typologies tudies

Du fait de ses poques de construc-

tion et de ses styles architecturaux trs divers, le Grand Paris possde

des typologies de toitures varies : toits la Mansard des quartiers

haussmanniens, toits terrasses des immeubles plus rcents, toits la

franaise des quartiers pavillon-naires Elles constituent autant de

contraintes diffrentes et donc dop-portunits variables pour le captage de lnergie solaire pour la production

dlectricit et de chaleur en milieu urbain.

Haussmannien Place Victor Hugo, Paris XVIme

p. 31

H.B.M. Place de la porte de Chatillon, Paris XIVme

Immeuble - 1950 Rue Saint Just, Ivry-sur-Seine

Marais Place du March Sainte Catherine, Paris IVme


Pavillonnaire Avenue du 8 mai 1945, Perreux-sur-Marne

Entrepts Rue Victor Hugo, Ivry-sur-Seine

Z.A.C. Place du Colonel Fabien, Paris Xme

Typologies tudies

p. 35

p. 39 p. 44 p. 48

p. 52 p. 56 p. 60

Crdits photos InterAtlas

29

Hypothses

LCOE

Le LCOE (levelized cost of electricity) est

le cot actualis sur la dure de vie du produit du kWh produit. On actualise

les quantits en jeu pour reflter la pr-frence des investisseurs pour le pr-

sent :

Pour le calculer, on somme en effet

donc tous les cots (ici investissement et maintenance) sur la dure de vie du

projet (ici prise 25 ans), pondrs par

un facteur plus faible chaque anne. On

somme ensuite le productible annuel pondr de la mme manire pour ob-

tenir le productible actualis sur la du-re de vie du projet.

Un cot ou un kWh produit la premire anne naura ainsi pas le mme poids

dans le LCOE quun cot ou un kWh produit la fin de vie du projet, plus

dimportance tant affects aux pre-miers par le biais de lactualisation.

Ce taux dactualisation est fix 3% (source : projet PVGIS), ce qui donne

deux fois plus de poids aux cots et productions dnergie des premires

annes par rapport aux dernires an-nes. Ce rapport passe 3 fois plus de poids avec un taux de 5%, et 6 fois plus

de poids avec un taux de 8%.

Dure de vie du projet

Facteur dactualisation

lanne t

Cots du systme lanne t

Production dnergie du systme lanne t

30

Hypothses

Gisement solaire

Calcul du gisement thorique disponible

Le gisement thorique correspond au cumul de lirradiation solaire sur toutes

les surfaces de toitures de la typologie tudie (sur lesquelles lirradiation est

suprieure 800 kWh/m).

Calcul du gisement pour chaque

installation

Un modle horaire de rayonnement

dans le plan des capteurs est utilis : chaque heure de lanne, la course du

soleil vue depuis chaque installation est analyse pour prendre en compte les

masques proches.

Les donnes mtorologiques sont

issues de Mtonorm : une anne typique mesure la station Paris-

Montsouris.

Solaire photovoltaque

Calcul du productible

Le productible est calcul en multipliant le gisement solaire vu par linstallation

par son rendement global (panneaux + onduleur).

Le rendement de linstallation est fix 15%, une valeur moyenne pour les pan-

neaux base de silicium cristallin (source : EDF ENR). Le rendement de

londuleur est fix 95% (source : pho-tovoltaique.info). Une dgradation de la

performance de 0.5% par an est int-gre au calcul (source : NREL).

Calcul des cots

Le cot dinvestissement est considr

3 /Wc, ce qui correspond au cot total constat pour des installations rsiden-

tielles infrieures 9 kWc (source : Quelle Energie). Le cot dexploitation

est fix 3 c/an/Wc (hypothse de 1% de cot dinvestissement initial comme

cot de maintenance annuel).

Solaire thermique

Calcul du productible

Le productible est calcul laide de lalgorithme boucle solaire de la

RT2012, pour des capteurs plans.

Le rendement optique de linstallation

est fix 70% (rendement du panneau pour une diffrence de temprature

entre fluide et air extrieur nulle), les pertes du premier ordre 4 W/m.K et

du second ordre 0.05 W/m.K (source : laboratoire Solartechnik

Prfung Forschung).

Calcul des cots

le cot dinvestissement de 1000 /m (source : INES) et dexploitation de 10

c/an/m (hypothse de 1% de cot dinvestissement initial comme cot de

maintenance annuel).

Influence sur le LCOE du prix de linstallation, en fonction du

gisement disponible

/kWhelec

4 /Wc

3 /Wc

2 /Wc

Influence sur le LCOE du taux dactualisation considr, en

fonction du gisement disponible

/kWhelec

8%

5%

3%

0%

Sensibilit

La sensibilit du LCOE ces hypothses,

pour un systme photovoltaque par exemple, peut tre visualise par les

graphes ci-dessous : chacun prsente limpact sur le LCOE des variables les

plus critiques, toutes choses gales par ailleurs, en fonction du gisement dispo-

nible.

31

Rsum des rsultats

Intgration des panneaux

Emprise de

toiture

installable (%)

Inclinaison des panneaux ()

Panneaux plat 90 % 0

Panneaux

inclins (vers le Sud) 45 %

(1 pan de toiture) 30

Panneaux

inclins (vers le Sud) 23 %

(en ranges) 30

Entrept 17 % 30

Z.A.C. 11 % 5 - 15

Pavillonnaire 10 % 25 - 35

Haussmannien 9 % 15 - 25

Immeuble - 1950 7 % 35 - 45

Immeuble - 1970 3 % 30

H.B.M. 3 % 30

Marais 3 % 30 - 45

Lapproche adopte par cette tude per-met destimer la surface de panneaux

installable par typologie du tissu pour obtenir des rendements intressants

Paris lorsque le gisement est suffisant (800 kWh/m), sans ncessit de surl-

vation.

On estime donc ici les potentiels mini-mums mobilisables sur chaque typologie,

potentiels qui pourront tre revus la hausse si les contraintes de rendement

et dintgration (par la surlvation no-tamment) sont assouplies.

Le potentiel maximum dintgration est rappel ci-dessous par 3 cas idaux sur

des toitures ou des surlvations non

obstrues, non masques et orientes au Sud :

Panneaux plat sur une terrasse.

Panneaux en pente de 30 sur un pan de toiture.

Panneaux inclins de 30 et en range sur une terrasse.

32

Rsum des rsultats

Rendements obtenus

Solaire

photovoltaque Solaire

thermique

Rendement

solaire PV (kWhelec/kWc)

Rendement solaire

thermique (kWhth/m)

Panneaux plat 1080 420

Panneaux

inclins (vers le Sud) 1200 470

Panneaux

inclins (vers le Sud) 1200 470

Entrept 1140 460

Z.A.C. 1080 410

Pavillonnaire 1060 420

Haussmannien 1060 400

Immeuble - 1950 1070 450

Immeuble - 1970 1140 450

H.B.M. 1160 470

Marais 960 370

Le rendement correspond lefficacit de conversion de lnergie solaire en

nergie utile, lectricit ou chaleur, pour une surface dinstallation donne.

La puissance crte est souvent utilise pour le photovoltaque, car elle est direc-

tement proportionnelle la surface dune installation par le biais du rende-

ment des panneaux (Pc = .S.PSTC avec PSTC la puissance dun mtre carr de

panneau dans les conditions standard de test).

33

Rsum des rsultats

Productible par unit de surface utile

Solaire

photovoltaque Solaire

thermique

Rendement

solaire PV

(kWhelec/mSU)

Rendement

solaire thermique (kWhth/mSU)

Entrept 36 96

Z.A.C. 2.4 5.9

Pavillonnaire 9.9 25

Haussmannien 2.9 7.1

Immeuble - 1950 2.9 7.3

Immeuble - 1970 1.8 4.7

H.B.M. 0.9 2.4

Marais 0.6 1.6

Mme si deux typologies donnent le mme rendement, elles ne prsentent

pas le mme potentiel de couverture des besoins dnergie des btiments : plus

un tissu est dense du point de vue de la surface construite par unit de toiture et

plus le ratio de lnergie produite et de la surface des btiments sera faible.

34

Haussmannien av. Poincar, rues de Sfax et de Sontay,

Paris XVIme

La typologie Haussmann , avec ses toitures la Mansard , comporte

des lments qui limitent les emplace-ments potentiels et la taille des

systmes installables : diffrences de hauteurs entre btiments, ruptures de

pente entre brisis et terrassons, chemines


Typologie Haussmann Crdits photos [email protected]

35


Paris XVIme

Surface de panneaux (m)

par secteur dorientation ()

Positionnement des panneaux et gisement solaire disponible

Caractristiques des installations :

290 m (proj. : 270 m) 9% de la toiture Surface de panneaux

Est + Sud Ouest Orientations majoritaires

28 Nombre dinstallations possibles

Positionnement des systmes en toiture

Surface de panneaux (m)

par inclinaison ()

15 - 25 Inclinaison majoritaire

100 1200 kWh/m

Les obstacles de la toiture

comme les chemines sont bien contourns par

la procdure.

Les zones mal exposes et de

formes irrgulires sont cartes lors du positionne-

ment, bien que des systmes de surlvation permettraient

daugmenter le potentiel

Les panneaux sont

implants sur les

terrassons des toitures.

Lorientation des btiments

de llot conditionne deux grandes orientations : Est

et Sud-Ouest

2 990 m Surface de toiture projete

-180 -90 0 90 180

1 670 MWh Gisement thorique disponible

36


Paris XVIme

Rendement des installations Energie produite / Puissance installe, kWhelec/kWc


Certains panneaux orients Est, produisant surtout le matin,

parviennent dpasser les 1000 kWh/kWc.

Les meilleurs rendements (> 1100 kWh/kWc) sont

logiquement obtenus pour

les panneaux orients vers le Sud, avec un LCOE atteignant

environ 0.2 /kWh.

Les panneaux orients Sud-Ouest, produisant surtout

laprs midi, ont des rendements compris entre

1000 et 1100 kWh/kWc.

LCOE (/kWhelec) en fonction

du rendement (kWh/m)

Rendement des installations (kWhelec/kWc) par orientation (-90 = Est, 0 = Sud, +90 =Ouest)

< 1000 kWh/kWc

1000 - 1100 kWh/kWc

1000 kWh/kWc

> 1100 kWh/kWc


Installations au gisement suprieur 800 kWh/m/an :

43 kWc Puissance installable

46 MWhelec/an Energie produite annuellement

1060 kWhelec/kWc Rendement

Couverture des usages :

16 000 mSU Surface utile estime

2.9 kWhelec/mSU Energie produite annuellement

Prix lec. rseau


37


Paris XVIme

Rendement des installations Energie produite / Surface installe, kWhth/m

Solaire thermique

< 300 kWh/m

300 - 400 kWh/m

300 kWh/m

> 400 kWh/m


LCOE (/kWhth) en fonction


Rendement des installations (kWhth/m) par orientation (-90 = Est, 0 = Sud, +90 =Ouest)

Comme pour le PV, les meilleurs rendements sont obtenus pour les panneaux

orients vers le Sud, avec un LCOE atteignant environ

0.16 /kWh.


114 MWhth/an Energie produite annuellement

400 kWhth/m/an Rendement



7.1 kWhth/mSU Energie produite annuellement

Prix lec. rseau

Prix gaz


38

Les btiments du Marais sont proches les uns des autres, ont des hauteurs

diffrentes et prsentent des toitures irrgulires, ce qui limite la fois le

nombre de zones dimplantation et le gisement solaire disponible.

Marais Place du March Sainte Catherine,

Paris IVme


Typologie Marais Crdits photos [email protected]

39


Paris IVme

Surface de panneaux (m) par secteur dorientation ()




Sud Orientation majoritaire



Surface de panneaux (m) par inclinaison ()


100 1200 kWh/m

Les btiments ont des hauteurs

variables et sont proches les uns des autres, crant de nom-breux masques limitant le gise-

ment solaire de certains pans

de toitures.


-180 -90 0 90 180


40


Paris IVme



< 1000 kWh/kWc

1000 - 1100 kWh/kWc

1000 kWh/kWc

> 1100 kWh/kWc









Prix lec. rseau





41


Paris IVme


Solaire thermique





< 300 kWh/m

300 - 400 kWh/m

300 kWh/m

> 400 kWh/m




Prix lec. rseau

Prix gaz





42

Immeuble - 1950 Rue Saint Just,

Ivry-sur-Seine

Les toitures des immeubles tudis disposent de toitures inclines

denviron 40 assez peu encombrs.

Un pan sur deux (celui orient vers le

secteur Sud, Sud Est ou Sud Ouest), permet ainsi une installation de pan-

neaux au rendement intressant, malgr la prsence de btiments voisins crant

des masques limitant le gisement solaire disponible (surtout en hiver quand le

soleil est bas). Crdits photos InterAtlas

Typologie 1950 Crdits photos [email protected]

43


Ivry-sur-Seine





Sud-Est + Sud-Ouest Orientation majoritaire





100 1200 kWh/m


-180 -90 0 90 180


44


Ivry-sur-Seine



< 1000 kWh/kWc

1000 - 1100 kWh/kWc

1000 kWh/kWc

> 1100 kWh/kWc









Prix lec. rseau





45


Ivry-sur-Seine


Solaire thermique





< 300 kWh/m

300 - 400 kWh/m

300 kWh/m

> 400 kWh/m




Prix lec. rseau

Prix gaz





46

Le btiment tudi dispose de toitures terrasses encombres par des sorties de

gaines techniques hautes (1 2 mtres), ce qui limite les surfaces des zones

dimplantation des panneaux et le gisement solaire disponible en crant de

nombreux masques.

Le recours des pergolas qui permet-

traient de saffranchir de ces obstacles augmenterait grandement le potentiel.


Ivry-sur-Seine


Typologie 1970 Crdits photos [email protected]

47


Ivry-sur-Seine





Sud-Est Orientation majoritaire




30 Inclinaison majoritaire

100 1200 kWh/m


-180 -90 0 90 180


48


Ivry-sur-Seine



< 1000 kWh/kWc

1000 - 1100 kWh/kWc

1000 kWh/kWc

> 1100 kWh/kWc









Prix lec. rseau





49


Ivry-sur-Seine


Solaire thermique





< 300 kWh/m

300 - 400 kWh/m

300 kWh/m

> 400 kWh/m




Prix lec. rseau

Prix gaz





50

La typologie HBM dispose de toitures terrasses dgages des

masques environnants (du fait de leur hauteur plus de 90 m, au dessus de

la cime des arbres).

Le gisement solaire disponible est

cependant trs variable, les terrasses tant satures d obstacles hauts de 1

2 mtres qui contraignent fortement le positionnement des panneaux,

comme pour la typologie immeuble - 1950 .

H.B.M. Place de la porte de Chatillon,

Paris XIVme


Typologie H.B.M. Crdits photos [email protected]

51


Paris XIVme





Sud Orientation majoritaire





100 1200 kWh/m


-180 -90 0 90 180


52


Paris XIVme



< 1000 kWh/kWc

1000 - 1100 kWh/kWc

1000 kWh/kWc

> 1100 kWh/kWc









Prix lec. rseau





53


Paris XIVme


Solaire thermique





< 300 kWh/m

300 - 400 kWh/m

300 kWh/m

> 400 kWh/m




Prix lec. rseau

Prix gaz





54

Les toitures des entrepts permettent dinstaller des systmes avec un grand

nombre de panneaux, malgr la prsence des chemines, des ouvrants

de dsenfumage et des systmes dclairage znithaux.

Ces lments sont en effet implants de manire rgulire, ce qui permet un

positionnement des ranges de panneaux galement rgulier tout en

contournant les obstacles. 17% de la surface demprise de toiture peut ainsi

tre couverte, ce qui se rapproche des

23% maximum installables sur des toitures terrasses parfaitement

dgages.

Limplantation des btiments donne

une orientation exclusivement Sud Est aux panneaux, pour une inclinaison de

30 (fixe pour les panneaux en ranges sur les toitures terrasses).

Entrepts Rue Victor Hugo,

Ivry-sur-Seine 7 350 m Surface de toiture projete


Typologie Entrepts Crdits photos [email protected]

55


Ivry-sur-Seine





Sud Est Orientation majoritaire





100 1200 kWh/m


-180 -90 0 90 180


56


Ivry-sur-Seine






< 1000 kWh/kWc

1000 - 1100 kWh/kWc

1000 kWh/kWc

> 1100 kWh/kWc






Prix lec. rseau



36 kWhelec/mSU Energie produite annuellement


57


Ivry-sur-Seine


Solaire thermique







< 300 kWh/m

300 - 400 kWh/m

300 kWh/m

> 400 kWh/m


Prix lec. rseau

Prix gaz



96 kWhth/mSU Energie produite annuellement


58

Les toitures de cette typologie ont la particularit dtre deux pans mais

dune inclinaison faible, de 5 15, proche donc dune toiture terrasse.

Lorientation des btiments est assez irrgulire, ce que lon retrouve dans

les orientations des systmes qui couvrent tous les secteurs angulaires.

Z.A.C. Place du Colonel Fabien,

Paris Xme


Typologie Z.A.C. Crdits photos [email protected]

59


Paris Xme





Sud + Sud Est Orientation majoritaire





100 1200 kWh/m



60


Paris Xme






< 1000 kWh/kWc

1000 - 1100 kWh/kWc

1000 kWh/kWc

> 1100 kWh/kWc






Prix lec. rseau





61


Paris Xme


Solaire thermique







< 300 kWh/m

300 - 400 kWh/m

300 kWh/m

> 400 kWh/m


Prix lec. rseau

Prix gaz





62

La typologie pavillonnaire comporte la fois des toitures 4 pans, 2 pans,

ainsi que quelques toitures plates.

Lalignement des btiments avec les

voiries donne des toitures quasiment alignes avec les points cardinaux et

donc des installations orientes surtout Est, Sud ou Ouest. De nom-

breux arbres aussi hauts que les btiments limitent le rayonnement

incident sur de nombreuses toitures.

Pavillonnaire Avenue du 8 mai 1945,

Perreux-sur-Marne 21 450 m Surface de toiture projete


Typologie pavillonaire Crdits photos [email protected]

63


Perreux-sur-Marne





Sud + Sud Ouest Orientations majoritaires





100 1200 kWh/m

Les toitures plates sont

quipes de panneaux inclins positionns en

ranges, espaces de 2.6 m.

Lorientation majoritaire des toitures la franaise

suit quasiment laxe Nord-Sud : les panneaux sont

donc majoritairement orientes Ouest et Est.


La prsence de

masques limite le gisement disponible

sur de nombreuses toitures.


64


Perreux-sur-Marne



Les toitures terrasses permettent dobtenir

des rendements proches du maximum

thorique Paris, environ 1200 kWh/kWc.

Les toitures la franaise donnant

des systmes Est Ouest obtiennent

des rendements aux alentours des 900 -

1000 kWh/kWc.

< 1000 kWh/kWc

1000 - 1100 kWh/kWc

1000 kWh/kWc

> 1100 kWh/kWc









Prix lec. rseau





65


Perreux-sur-Marne


Solaire thermique





< 300 kWh/m

300 - 400 kWh/m

300 kWh/m

> 400 kWh/m




Prix lec. rseau

Prix gaz



25 kWhth/mSU Energie produite annuellement


66

Analyse de potentiel solaire - Toitures du Grand Paris

Bilan des rsultats

Quelles implications lchelle du territoire ?

Les chiffres propres chaque tissu pourraient tre extrapols lensemble du territoire du Grand Paris, partir dune affectation de chaque btiment construit lune des typologies tu-dies (par similarit des morphologies et des priode de construction par exemple).

Lorsque le cadastre solaire de la ville de Paris a t produit en 2013, il avait t estim que 3 4 % de la surface de toiture pouvait tre quipe en pan-neaux solaires, soit 1.2 millions de m. Une application des rsultats de ltude prsente, en extrapolant la ville de Paris uniquement par rapprochement avec les dates de construction, montre un potentiel presque deux fois plus grand, 2.1 millions de m (soit 6 7 %). Ce rsultat sexplique notamment par la forte prsence du tissu hauss-mannien dans la ville et de ses 9 % de surface de toiture exploitable.

Il convient de noter que les rsultats sont obtenus dans le cadre de con-traintes dimplantation importantes : quel serait le potentiel libr par le recours des panneaux surlevs en toiture, par exemple ?

Les rsultats ne reprsentent enfin que le potentiel de solarisation des toitures, mais le potentiel des infras-tructures pourrait galement tre tudi : couvrir 10% des voies du priphrique ajouterait 140 000 m de panneaux, couvrir 10% de la Seine de barges flottantes ajouterait encore plus de 100 000 m ...

Quelles contraintes dintgration pour les panneaux?

Ltude des 8 typologies de tissu rvle des niveaux de contrainte lintgra-tion de panneaux solaires diffrents dans le cadre des rgles dimplantation actuelles : quand la surface exploitable des toits du Marais nest que de 3 %, elle dpasse les 15 % pour les entre-pts (se rapprochant ainsi du maxi-mum thorique denviron 20 - 25 % pour une toiture plate compltement dgage).

Quels rendements techniques et financiers ?

Les rendements moyens sont quasi-ment tous suprieurs 1000 kWh/kWc pour le photovoltaque et 400 kWh/m pour le thermique. Les installations atteindront donc la comptitivit avec le rseau dans les annes venir, sous leffet conjugu de la baisse du prix des systmes et de laugmentation atten-due des prix (notamment ceux de llectricit).

Vers lautoproduction de lnergie en ville ?

Ladquation production / consomma-tion est esquisse dans cette tude par le biais dun ratio dnergie produite par mtre carr de surface utile des btiments : les rsultats obtenus mon-trent la difficult de faire progresser actuellement les tissus trs denses vers plus dautoproduction, consomma-tion gale.

Potentiel solaire de la ville de Paris

Surfaces mobilisables (m)

+ 130 000 m

Couverture 10% de la Seine

1 200 000 m

Estimation 2013 (cadastre solaire)

+ 900 000 m

Estimation 2015 (Elioth)

+ 140 000 m

Couverture 10% priphrique

+ ? m

Rgles dintgration des panneaux

67


Les principaux rsultats de ltude

sont rsums ci contre : surface exploitable, rendements moyens et

production nergtique par mtre carr de surface utile.


p. 34








p. 38

p. 42 p. 46 p. 50

p. 54 p. 58 p. 62


Bilan des rsultats

9% Surface exploitable

2.9 kWhelec/mSU

7.1 kWhth/mSU


2.4 kWhelec/mSU

5.9 kWhth/mSU


5 kWhelec/mSU

9.9 kWhth/mSU


36 kWhelec/mSU

96 kWhth/mSU


0.9 kWhelec/mSU

2.4 kWhth/mSU


1.8 kWhelec/mSU

4.7 kWhth/mSU


2.9 kWhelec/mSU

7.3 kWhth/mSU


0.6 kWhelec/mSU

1.6 kWhth/mSU

68


La surface exploitable et la part

exploitable du gisement thorique (nergie totale disponible sur les

surfaces de toiture recevant plus de 800 kWh/m) sont prsents ci-contre.


p. 34








p. 38

p. 42 p. 46 p. 50

p. 54 p. 58 p. 62


Bilan des rsultats


2.8% du gisement th.










7% du gisement th.


1% du gisement th.











INDEX ET

BIBLIOGRAPHIE

Panneaux solaires photovoltaques monocristallins en toiture du Ministre de la Dfense Balard, Paris

Ralisation du groupement Opale Dfense Ingnierie fluides, structure, faade par Egis et Elioth

Crdits photos Laurent Zylberman-Graphix-Images

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Index

Solaire photovoltaque Panneaux mono-cristallins, poly-cristallins, couche mince, amorphe ..................................................................................................... 4

Rendement des panneaux .................................................................................................................................................................................... 4 Analyse de cycle de vie du kWh produit ............................................................................................................................................................ 5

Temps de retour nergtique des panneaux .................................................................................................................................................. 5 Levelized Cost Of Energy du photovoltaque.................................................................................................................................................... 6

Parit rseau ............................................................................................................................................................................................................ 6 Tarifs dachats garantis par lEtat ......................................................................................................................................................................... 7

Intgration Au Bti / Intgration Simplifie au Bti ......................................................................................................................................... 7 Autoconsommation et autoproduction ............................................................................................................................................................. 8

Stockage dlectricit sous forme chimique ..................................................................................................................................................... 9

Stockage dlectricit sous forme de chaleur ................................................................................................................................................... 10

Solaire thermique

Panneaux tubes sous vide, plans vitrs, concentration .......................................................................................................................... 11 Boucle solaire ........................................................................................................................................................................................................... 11

Rendement des panneaux .................................................................................................................................................................................... 12 Levelized Cost Of Energy du solaire thermique ............................................................................................................................................... 13

Surchauffe estivale .................................................................................................................................................................................................. 14

Intgration au milieu urbain Ilot de chaleur urbain et panneaux solaires ..................................................................................................................................................... 17

Rgles dimplantation des panneaux Paris ................................................................................................................................................... 18 Impact des masques proches .............................................................................................................................................................................. 19

Vgtalisation et panneaux solaires ................................................................................................................................................................... 20 Surchauffe estivale .................................................................................................................................................................................................. 14

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Bibliographie

Fraunhofer ISE (2015): Current and Future Cost of Photovoltaics.

Long-term Scenarios for Market Development, System Prices and LCOE of Utility-Scale PV Systems. Study on behalf of Agora Energiewende. ....................................................................................................................................................... 5/6

ADEME (2015):

Centre de ressources sur les bilans de gaz effet de serre. Electricit - 2014 - Mix moyen. .......................................................................................................................................................................... 5

Syndicat des Energies Renouvelables (2013):

Anticiper le dveloppement du solaire photovoltaque comptitif ...................................................................................... 6/8

Bjrn Nykvist & Mns Nilsson, in Nature Climate Change (2015): Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicles ....................................................................................................... 7

RTE (2015):

Bilan prvisionnel de lquilibre offre-demande dlectricit en France 2014 ................................................................. 13

Masson et al., in Frontiers in Environmental Science (2014):

Solar panels reduce both global warming and urban heat island .......................................................................................... 17

Mairie de Paris (2014): Habiter Durable - Panneaux Solaires .................................................................................................................................................... 18

Oscar Perpin, in Journal of Statistical Software (2012): solaR: Solar Radiation and Photovoltaic Systems with R ............................................................................................................ 22

D. C. Jordan et S. R. Kurtz, in Progress in Photovoltaics: Research and Applications (2012): Photovoltaic Degradation Rates An Analytical Review ......................................................................................................... 26

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Analyse de potentiel solaire

Toitures du Grand Paris

Etude ralise par Elioth

(dnomination juridique Egis Concept)

Groupe Egis

Septembre 2015

Tous droits rservs

Conception, rdaction, mise en page

Direction de l'tude : Raphal Mnard

Chef de projet : Felix Pouchain

Stagiaire : Estelle Rabiller

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