Centrale solaire photovoltaïque - © Laurent Mignaux / Terra
Le projet PROOF cherche à confronter des dispositifs de toitures et évaluer 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.
Contexte, enjeux de société

Le milieu (hyper-)urbain fait face actuellement à de forts enjeux de densification dans des zones contraintes. À l’échelle du quartier, les toitures apparaissent comme de rares opportunités de surfaces de renaturation d’un milieu très artificialisé avec des toitures végétalisées, mais elles peuvent aussi être mobilisées pour l’installation de panneaux photovoltaïques. Une compétition peut dès lors opposer ces deux technologies qui répondent à des enjeux globaux mais aussi locaux différents. Il est alors opportun de chercher à les associer afin d’optimiser leurs performances conjointes énergétique et environnementale.

Objectifs, problématique scientifique

Indiquez ici la/les problématique(s) scientifique(s) du projet Ce projet s’intéresse à l’étude d’un combiné innovant, associant toiture végétalisée extensive (TVE) et panneau photovoltaïque (PPV). 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 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.
Démarche, étapes

Pour adresser ces différentes hypothèses, PROOF est décomposé en quatre tâches scientifiques. La première à comme objectif de fournir toutes les données et caractérisations 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.

Résultats

Plusieurs résultats sot attendus en cours du projet et à sa conclusion :

  1. Un modèle physique représentant les échanges énergétiques entre une toiture végétalisée et un panneau photovoltaïque ;
  2. À partir de l’évaluation expérimentale à l’échelle du combiné puis de la modélisation à l’échelle du bâtiment, le projet PROOF propose de définir les critères de cohérence qui nous permettraient une comparaison objectivable de plusieurs configurations, qui permettront en particulier d’optimiser la production énergétique et les services écosystémiques rendus localement ;
  3. Formulation de recommandations et de critères d’intégration et de duplication des dispositifs couplés TVE/PPV en fonction des contraintes du projet à l’échelle du quartier afin d’appuyer les processus décisionnels.
Apport spécifique du Cerema

Le Cerema mobilisera la plateforme expérimentale Carnot (site de Nancy) de toitures végétalisées. Elle dispose de nombreux capteurs dont les mesures alimentent une base de données depuis 2011 et qui permet d’étudier les transferts hydriques et thermiques au sein d’une toiture végétalisée. Des relevés de biodiversité (faune et flore) sont aussi réalisés depuis 2016 et permettent d’étudier les évolutions de population.

Le Cerema apportera son expertise à la fois technique et scientifique.

Partenaires
  • LEMTA : Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée Mécanique
  • LSE : Laboratoire Sols et Environnement  
  • LMOPS : Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes  
  • CSTB : Centre Scientifique et Technique du Bâtiment  
  • Efficacity

Plus l’appui de l’INES (Institut National de l’énergie Solaire).

Partenaires projet PROOF

 

Défi R&I
Impacts environnementaux et sanitaires
Territoires et ville durables
Labellisation - Pôle de compétitivité
Advancity
DREAM
Projet
ANR
Année AAP
2019

Photovoltaic and greenROOF (PROOF)

Pour tout renseignement complémentaire sur ce projet de recherche, merci de compléter le formulaire suivant.
Nous reviendrons vers vous dans les plus brefs délais.

* Champs obligatoires

Civilité