Calcul du potentiel photovoltaïque intégré au bâti d’un territoire

Comment déterminer le potentiel de production d’électricité photovoltaïque sur un territoire donné à l’aide d’un SIG? C’est à cette question que nous avons essayé de répondre en développant une méthodologie propre basée sur des données spatiales accessibles et des logiciels libres (évidemment // QGIS, GRASS, les librairies spatiales gdal, geotools et opencarto).

Panneaux photovoltaïques

Installation photovoltaïque en Toscane

Nous ne traiterons pas ici des installations au sol mais seulement des installations intégrées en toiture des surfaces bâties. Par ailleurs, les intégrations PV en façade existent mais sont encore marginales.

Connaissances pré-requises

La production d’une installation PV est déterminée par plusieurs facteurs :

  • les radiations solaires annuelles reçues (qui varient géographiquement et localement) ;
  • l’orientation des panneaux (donc ici du toit) ;
  • la surface couverte ;
  • les technologies utilisées (silicium mono-cristallin, silicium poly-cristallin, silicium amorphe) aux rendements nuancés.

 La méthode

Remarque : Vous ne trouverez pas ici les détails techniques de la procédure complète mais les grandes lignes méthodologiques. Si vous souhaitez obtenir ces renseignements, contactez-nous.

1 – La préparation des données SIG

La première étape consiste à préparer sa couche de données du cadre bâti. La BD TOPO de l’IGN contient plusieurs couches qu’il convient de fusionner avant d’obtenir une couche d’ensemble et à laquelle il faut exclure les monuments classés et ses zones tampons de protection, le cas échéant. D’autres exclusions peuvent/doivent être effectuées notamment celles qui concernent certains sites remarquables.

2- Déterminer l’orientation générale des bâtiments

La seconde étape consiste à déterminer l’orientation générale de chaque bâtiment contenu dans la couche SIG. L’obtention d’un degré d’orientation nous permet de distribuer facilement chaque bâtiment en 5 classes : Est, Sud-Est, Sud, Sud-Ouest, Ouest pour déterminer un facteur de correction de production, comme illustré dans la figure ci-dessous (source : HESPUL).

Facteurs Photovoltaïque

Facteurs de correction de production photovoltaïque (source : HESPUL)

3 – Déterminer les zones d’exclusion des radiations globales – traitement spatial)

Nous souhaitons ici supprimer les surfaces de toit non rentable, c’est à dire où les radiations globales sont trop faibles (les zones d’ombres).

Deux options s’offrent à nous :

a) la première consiste à calculer les radiations globales reçues localement sur une année. Cette méthode est full-GIS. Elle est précise mais relativement coûteuse en traitement et en temps. Le résultat obtenu est le suivant :

Radiation globale annuelle

Ecarts de radiation globale annuelle sur cadre bâti

Il convient ensuite de fixer un seuil de radiation afin d’exclure les zones jugées trop faiblement productives pour obtenir les surfaces de toit utiles à l’exploitation PV.

 

b) La seconde méthode consiste à calculer les masques solaires les plus importants. Les calculs effectués sur 4 dates (et heures) bien choisies permettent d’identifier les masques solaires, l’objectif étant également de les soustraire.

Méthode des masques solaires

Identification des principaux masques solaires

Cette méthode fera ensuite appel à une valeur de radiation globale annuelle fournie en entrée – nous pouvons par exemple trouver ces valeurs sur le le site du Joint Research Center – Institute for Energy & Transport.

 

4 – Exploiter les résultats pour déterminer le potentiel et évaluer les réductions d’émission de gaz à effet de serre

La couche résultant de la différence entre les zones d’exclusion et le cadre bâti de départ nous servira de base au calcul de la surface utile à l’exploitation du PV.

Le calcul du résultat peut se poursuivre dans un tableur, ce qui permet de faire varier plusieurs hypothèses aisément.

Potentiel photovoltaïque - Résultats dans tableur

Calcul du potentiel de production photovoltaïque / tableur

Réduction des émissions de GES

Estimation des émissions de GES / tableur

Une exploitation cartographique des résultats est envisageable et même souhaitable.

 

Les limites connues

Cette méthodologie comporte inévitablement quelques limites :

  • La première concerne la non prise en compte des pentes de toit. Comme le montre la figure réalisée par HESPUL, le degré d’inclinaison du toit module la production des panneaux photovoltaïques. Cette donnée n’est pas connue des couches SIG standards et aucune information attributaire ne permet de la déduire. Afin de remédier à cela, la méthode que nous proposons permet une variation (globale) de la part des toits inclinés à 0° et 30°.
  • Les ombres des arbres ne sont pas prises en comptes, mais on peut estimer que peu d’entre elles ont un impact important sur les toitures.
  • La méthode de détermination de l’orientation générale des bâtiments fait l’objet de recherches académiques. Si l’algorithme utilisé est scientifiquement validé, il est également reconnu pour ne pas prendre en compte certains cas de figures complexes.

 

Collectivités, B.E., associations, …, vous êtes intéressé par cette prestation?

Vous souhaitez obtenir des renseignements complémentaires ou bien mettre en œuvre  cette méthode à l’échelle d’un territoire, contactez-nous! Nous définirons ensemble vos hypothèses de travail pour mieux satisfaire vos besoins.

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