Evaluer les performances environnementale et énergétique de toitures combinant végétalisation et panneaux photovoltaïques

Des enjeux en toiture liés aux projets d’aménagement

Le milieu (hyper-)urbain fait face actuellement à de forts enjeux de densification dans des zones contraintes. Selon les enjeux locaux traités par un projet d’aménagement, les toitures apparaissent comme de réelles opportunités de surfaces de renaturation ou de support de panneaux photovoltaïques (PPV). Le maître d’ouvrage peut valoriser sa démarche par l'obtention de labels dont certains concernent la toiture :

1. Le label BEPOS (Bâtiment à Energie Positive), qui lui permet d’afficher son engagement pour la construction ou la rénovation de bâtiments avec de hautes performances énergétiques, réduisant ainsi l’empreinte carbone ; la toiture accueille alors des PPV.

2. Le label Biodivercity qui promeut la construction ou la rénovation d’une typologie de bâtiments en donnant une place importante à biodiversité et à la nature en ville. La toiture est couverte par une toiture végétalisée.

Dans ce contexte où les quartiers et bâtiments à énergie positive se multiplient en France, des toitures végétalisées équipées de panneaux photovoltaïques représentent un levier pour à la fois participer à l’efficacité énergétique et être un support de biodiversité.

Optimiser l’espace urbain : des toitures végétalisées avec des panneaux photovoltaïques

Le projet PROOF (Photovoltaic and green ROOF) cherche à confronter des dispositifs de toitures et leurs impacts, ainsi que les 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 (TVE) et panneau photovoltaïque.

Pour traiter cette problématique, PROOF rassemble un consortium composé du Cerema (Est et IdF), du Laboratoire d'Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA), du Laboratoire Matériaux optiques, photonique et systèmes (LMOPS), du Laboratoire Sols et Environnement (LSE), du Centre Scientifique et technique du Bâtiment (CSTB) et de Efficacity. Il bénéficiera aussi de l’appui de l’Institut National de l’Énergie Solaire (INES).

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 et fournit les conditions favorables à l’augmentation du rendement électrique d’un panneau photovoltaïque ;
2. Une toiture végétalisée extensive avec une structure pouvant stocker les eaux pluviales, favorise les flux d’évapotranspiration et peut, dès lors encore améliorer le rendement du panneau ;
3. A 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.

Quels bénéfices à l’échelle du bâtiment et du quartier ?

Les bénéfices du dispositif seront appréciés à deux échelles.

Les performances énergétiques et les co-bénéfices environnementaux du dispositif combiné, seront évalués à l’échelle du bâtiment puis à celle d’un quartier connecté à la trame verte et bleue. L’apport du système TVE/PPV à l‘échelle du quartier sera calculé en termes de production locale d’énergie, en analysant notamment le cycle de vie et le coût global du dispositif.

Les performances seront analysées en termes de services écosystémiques, selon différents scenarii d’aménagements de quartier qui intégreront plusieurs paramètres :

• la typologie urbaine des îlots bâtis,

• le type de projet (neuf ou réhabilitation),

• le mix énergétique possible (PPV, réseaux de chaleur…),

• les usages des bâtiments (résidentiel, commercial, tertiaire, mixte…)

• la demande de services écosystémiques en lien avec les enjeux de territoire (Trame Verte et Bleue, effet d’îlot de chaleur, ruissellement des eaux pluviales…)

• la configuration de toiture végétalisée.

Ces travaux permettront de valider le rôle que jouera le combiné TVE/PPV dans l’aménagement urbain en lien avec les évolutions de la réglementation thermique et des exigences environnementales, dont notamment la démarche E+C-.

À l’issue du projet, des recommandations et critères d’intégration et de duplication de ces dispositifs couplés en fonction des contraintes du projet seront définis, afin de permettre l’évaluation des performances attendues et ainsi d’alimenter le processus de prise de décision. Ces travaux permettront également de développer l’offre de toitures équipées du double système de végétalisation extensive et de panneaux photovoltaïques.

Le projet PROOF bénéficie du support de l’Agence Nationale de la Recherche (aide de 503k€).

La plateforme Carnot "toiture végétalisée" du Cerema sera mobilisée pour cette étude: