1

ESTIMATION DE LA PRODUCTION

D’ENERGIE PHOTOVOLTAÎQUE PAR

UNE AGGLOMERATION

Application à l’agglomération

Tourangelle

Souvestre Quentin 2014-2015

Directeurs de recherche :

MindjinMaïzia

2

3

ESTIMATION DE LA PRODUCTION

D’ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE PAR

UNE AGGLOMERATION

APPLICATION A L’AGGLOMERATION TOURANGELLE

Directeurs de recherche :

MindjidMaïzia

Souvestre Quentin

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AVERTISSEMENT

Cette recherche a fait appel à des lectures, enquêtes et interviews. Tout emprunt à des

contenus d’interviews, des écrits autres que strictement personnel, toute reproduction

et citation, font systématiquement l’objet d’un référencement.

L’auteur de cette recherche a signé une attestation sur l'honneur de non plagiat.

5

FORMATION PAR LA RECHERCHE ET PROJET DE FIN D’ETUDES

EN GENIE DE L’AMENAGEMENT

La formation au génie de l’aménagement, assurée par le département aménagement de l’Ecole

Polytechnique de l’Université de Tours, associe dans le champ de l’urbanisme et de l’aménagement,

l’acquisition de connaissances fondamentales, l’acquisition de techniques et de savoir faire, la

formation à la pratique professionnelle et la formation par la recherche. Cette dernière ne vise pas à

former les seuls futurs élèves désireux de prolonger leur formation par les études doctorales, mais tout

en ouvrant à cette voie, elle vise tout d’abord à favoriser la capacité des futurs ingénieurs à :

Accroître leurs compétences en matière de pratique professionnelle par la mobilisation de

connaissances et de techniques, dont les fondements et contenus ont été explorés le plus

finement possible afin d’en assurer une bonne maîtrise intellectuelle et pratique,

Accroître la capacité des ingénieurs en génie de l’aménagement à innover tant en matière de

méthodes que d’outils, mobilisables pour affronter et résoudre les problèmes complexes posés

par l’organisation et la gestion des espaces.

La formation par la recherche inclut un exercice individuel de recherche, le projet de fin d’études

(P.F.E.), situé en dernière année de formation des élèves ingénieurs. Cet exercice correspond à un

stage d’une durée minimum de trois mois, en laboratoire de recherche, principalement au sein de

l’équipe Ingénierie du Projet d’Aménagement, Paysage et Environnement de l’UMR 6173 CITERES à

laquelle appartiennent les enseignants-chercheurs du département aménagement.

Le travail de recherche, dont l’objectif de base est d’acquérir une compétence méthodologique en

matière de recherche, doit répondre à l’un des deux grands objectifs :

Développer toute ou partie d’une méthode ou d’un outil nouveau permettant le traitement

innovant d’un problème d’aménagement

Approfondir les connaissances de base pour mieux affronter une question complexe en

matière d’aménagement.

Afin de valoriser ce travail de recherche nous avons décidé de mettre en ligne les

mémoires à partir de la mention bien.

6

7

REMERCIEMENTS

Je remercie tout particulièrement Monsieur Mindjid MAIZIA, directeur de ce projet de recherche,

pour son soutien, sa disponibilité et les conseils qu’il a pu m’apporter tout au long de ce travail.

Je tiens aussi à remercier toutes les personnes qui nous ont soutenues pendant toute la durée de

ce projet.

8

SOMMAIRE Formation par la recherche et projet de fin d’études ......................................................................................... 5

Avertissement .............................................................................................................. Erreur ! Signet non défini.

Définitions : .......................................................................................................................................................................... 9

I) Introduction ............................................................................................................................................................. 11

A) Cadre du projet ............................................................................................................................................. 11

B) Etat de l’art .......................................................................................................................................................... 11

II) Objectif .................................................................................................................................................................. 14

III) Méthode ................................................................................................................................................................ 14

A) Sélection des bâtiments : .......................................................................................................................... 14

a) Zone de protection du patrimoine : ..................................................................................................... 14

b) Typologie des toits des bâtiments : ...................................................................................................... 16

c) Orientation des toits des bâtiments ..................................................................................................... 18

B) Estimer le rayonnement solaire sur un bâtiment ............................................................................... 22

a) Rayonnement brut ...................................................................................................................................... 22

b) Coefficient de constructibilité ................................................................................................................ 26

C) Vérifier que la production d’énergie aide sensiblement dans les objectifs du PCET : ......... 28

IV) Résultats et interprétations ......................................................................................................................... 29

V) Conclusion et limites de l’étude ....................................................................................................................... 29

VI) ANNEXE ................................................................................................................................................................ 29

A) Sélection des bâtiments ............................................................................................................................ 29

i) Création de la couche de base Bâti_agglo : ........................................................................................ 30

ii) Création de la zone protégée .................................................................................................................. 30

iii) Création de la typologie de bâtiments ............................................................................................ 31

iv) Corélation entre l’orientation des toitures et des routes ....................................................... 31

v) Sélection du Bâti bien orienté ................................................................................................................ 31

B) Méthode de calcul du masque solaire et du coefficient de constructibilité ............................. 33

i) Calcul du masque solaire .......................................................................................................................... 33

ii) Calcul du coefficient de constructibilité ............................................................................................. 35

9

DEFINITIONS :

Diagramme solaire : ensemble des positions angulaire du soleil au court d’une année, a

une latitude donnée.

Figure 1 : diagramme solaire

Masque solaire : pourcentage du diagramme solaire obstrué par des éléments

environnants.

Figure 2 : masque solaire

PLU : Plan local d’urbanisme

PCET :

ALE : Agence Locale de l'Energie d'Indre-et-Loire

POLIS : Identification and mobilisation of Solar Potentials via Local strategies. soutenu par la

commission Européenne sur le programme « Energie Intelligent Europe

10

Maillage : Un maillage est la discrétisation spatiale d’un milieu continu, ou aussi, une

modélisation géométrique d’un domaine par des éléments proportionnés finis et bien

définis.

11

I) INTRODUCTION

A) CADRE DU PROJET

Depuis quelques années les communes de plus de 50 000 habitants, contraintes

par les objectifs du « 3 fois 20 » 1, entre autres, ont dû mettre en place des Plans Climats

Energie Territoriaux. Dans ces plans se trouvent des objectifs visant à augmenter la part

d’énergie renouvelable dans la consommation d’énergie finale. L’une des pistes qui vient

le plus spontanément est l’utilisation du potentiel solaire, particulièrement aux endroits

où il est le plus simple à exploiter : les toitures.

Ce rapport présentera une méthode de travail générale et son application à

l’agglomération Tourangelle. D’ailleurs, cette dernière a rédigé un document 56 actions

du plan climat dans lequel figure : « Tour(s)plus, avec l’ALE2, soutient le développement

de la production d’eau chaude avec le solaire thermique et organise le déploiement de

l’électricité photovoltaïque en tenant compte des contraintes spécifiques ».

Afin de réaliser l’étude du potentiel solaire de l’agglomération de Tours, j’ai passé

en revue de nombreuses études sur le sujet. Sans aucune surprise, les pays européens du

Sud (comme l’Espagne et l’Italie) mais aussi, de façon plus inattendue et détruisant les

préjugés liés à la latitude, l’Allemagne (premier pays mondial en production d’électricité

photovoltaïque) sont en avance par rapport à la France sur le sujet, l’installation

systématique de panneaux solaires étant retranscrite dans leur code de l’urbanisme [1].

Enfin, il faut préciser qu’un programme appelé « POLIS »3a pour but d’organiser

des conférences et ateliers afin d’accroître les connaissances dans le domaine de

cadastre solaire principalement. Ce dernier recense les pratiques actuelles en Europe et

donne quelques éléments de méthodologie pour la création indépendante d’un cadastre

solaire.

B) ETAT DE L’ART

1- diminuer de 14% des émissions de gaz à effet de serre entre 2005 et 2020 ; - atteindre 23 % d’énergies renouvelables dans le mix énergétique européen ; - réaliser 20 % d’économies d’énergie.

2 Agence Locale de l'Energie d'Indre-et-Loire

3« Identification and mobilisation of Solar Potentials via Local strategies », soutenu par la commission

Européenne sur le programme « Energie Intelligent Europe »

12

Actuellement, il existe différents moyens d’estimer la production d’énergie

photovoltaïque à l’échelle urbaine. Si la commune n’a pas les données géographiques

suffisantes : il est possible de mettre en place une couverture photographique

permettant de faire une restitution stéréoscopique afin d’acquérir les données

géographiques d’une qualité suffisante acquise. Ensuite avec les données une

modélisation et une simulation des bâtiments (principalement des toitures) est réalisée.

Le projet avancé se fonde sur un certain nombre d’hypothèses assez fortes : tout en

restant le plus proche possible de la réalité observée et en exposant ses limites, il

présente un modèle simple mais pas simpliste, et efficace.

L’étude systématique des façades n’a pas été prise en compte pour différents

motifs : parfois en conflit avec les restrictions PLU, mais principalement comme le dit

Xinyan Yang [2], les bâtiments portent des ombres les uns sur les et bien souvent les

façades sont fortement impactées par ces ombrages. Par ailleurs, d’Elisabeth Gratia et

André De Herde [3], soulignent que la surface vitrée des bâtiments, donc non-utilisable

pour les panneaux, a largement variée au cours des années et donc est extrêmement

difficile à quantifier. Pour finir, sur les façades – même orientées plein Sud – le

rendement des panneaux solaires est réduit. Il faut appliquer un facteur de correction

inférieur ou égal à 0.68 . Cette valeur implique une dégradation trop importante de la

productivité du panneau. Au regard de ces différents éléments, uniquement à l’étude du

potentiel des toitures sera effectué.

Par ailleurs, les travaux [4] d’enseignants chercheurs, comme Benoit Beckers

professeur associé à l’UTC, portant sur le calcul de disque solaire considérant les

données géométriques des bâtiments proches ont été étudiés. L’avantage de cette

méthode est qu’elle est très précise, mais lourde en calculs et plus adaptée à l’étude d’un

bâtiment ou d’un ensemble restreint de bâtiments. Néanmoins, cette méthode pourra

être utilisée pour confirmer aposteriori les résultats, et affiner les études en vue d’une

pose concrète de panneaux.

Dans la littérature, les articles liés à la production d’énergie photovoltaïque sont, dans

leur grande majorité, des études portant sur des champs de panneaux solaires.

L’exploitation de l’énergie solaire n’en est plus à ses balbutiements, mais les calculs et

opportunités méritent d’être encore largement approfondis.

Concernant les calculs, les études susmentionnées ont été réalisées à l’aide de modèles

« simples » où la production d’un seul panneau est multipliée par le nombre de

panneaux (la surface totale); modèle « correct » car certaines variables à cette échelle

deviennent des constantes, comme le masque solaire, généralement nul.

13

Concernant les opportunités, il faut réfléchir le plus largement possible et ne pas se

bloquer là où les préjugés sont bien encrés (comme par exemple les préjugés sur

l’inutilité d’implanter des panneaux solaires dans le Nord de la France). Toute

dégradation de la surface disponible pour les panneaux solaires doit être justifiée.

C’est pourquoi l’étude menée ici porte sur les toitures des bâtiments déjà

construits : une opportunité nouvelle encore peu considérée à l’heure actuelle en France

avec des plus approfondie que pour les champs photovoltaïques.

14

II) OBJECTIF DE L’ÉTUDE

Compte tenu de l’état de l’art présenté au paragraphe précédent, cette étude traitera

principalement de l’installation de panneaux photovoltaïques sur les toitures déjà

construites afin d’apporter une estimation de la production d’énergie photovoltaïque à

l’échelle urbaine de façon plus précise qu’un calcul statistique (surface*ensoleillement)

en modélisant de façon efficace.

Cet objectif se décompose en trois étapes :

-sélectionner les zones éligibles à l’implantation de panneaux solaires ;

-estimer le rayonnement solaire sur un bâtiment ;

-vérifier que la production d’énergie aide sensiblement dans les objectifs du

PCET .

III) MÉTHODE

A) SÉLECTION DES BÂTIMENTS :

a) ZONE DE PROTECTION DU PATRIMOINE4 : En premier lieu, les zones dites « classées »ont été exclues. Elles correspondent à un

cercle de rayon de 500m autour de tous les bâtiments catégorisés « classés » par

l’architecte des bâtiments de France.

4Bases de données : patrimoine_bati( agence d’urbanisme de Tours)

15

carte 1 : influence des monuments classés par rapport a l'implantation de panneaux photovoltaïques

Figure 3 : proportion de surface protégée ou non

Suite à cette étape 27,5% de la totalité des bâtiments a été retiré.

Remarque : d’autre bâtiments catégorisés « remarquable, très intéressant…. » ainsi que

leurs environnements n’ont pas été pris en compte dans l’exclusion, car même si

l’implantation est délicate voir difficile, elle n’y est pas impossible.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Mill

ion

s d

e m

²

m² de surfaces utilisables et protégées

zone protégée

utilisable

'4 monuments classés

routes

limites du périmètre de 500m

bâtiments en zone protégée

autres batiments

µ0 150 30075 m

16

b) TYPOLOGIE DES TOITS DES BATIMENTS5 :

Etant donné que dans la base de données certains immeubles sont agrégés entre eux, il

est impossible de créer une typologie cohérente basée sur la surface des bâtiments. En

effet, aucune corrélation n’a pu être faite entre la surface ou la hauteur de façon

significative et utile.

Photo aérienne1: réalité de la place Jean Jaurès Carte 2 : modélisation de la place Jean Jaurès

Pour pallier à ce manque d’information, les zones du PLU ont été choisies pour

déterminer la nature des toits selon l’hypothèse :

-Les formes des toitures (plates ou inclinées) sont corrélées avec la zone PLU

dans laquelle elles se trouvent.

5 Bases de données : -Bd_topo (département aménagement polytech)

-GEOPLU (Agence d’urbanisme de Tours)

17

carte 3 : type de bâtiment en fonction de la zone PLU où ils se trouvent

En effet, les zones PLU découpent en général le tissu urbain en quartiers globalement

morphologiquement homogène. On y retrouve les quartiers industriels, les nouveaux

quartiers présentant une « mixité fonctionnelle » (avec principalement des toitures

plates), les anciens quartiers, les nouveaux quartiers d’habitat en périphérie de

l’agglomération (maisons à toitures inclinées)…

routes

bâtiments à toits plats

bâtiments à toits inclinés

zones PLU a toits plats

bâtiments non-éligible µ0 150 30075 m

18

Figure 4 : proportion de surface inclinée ou plate

La répartition suivante est obtenue : 68% de la surface des toits est inclinée (soit 49%

du total), 32% de la surface est plate (soit 23% du total).

c) ORIENTATION DES TOITS DES BATIMENTS6

Il n’y a pas besoin de calculer l’orientation des bâtiments pour les toits plats étant

donné que les panneaux y seront posés à plat à l’horizontal.

Uniquement l’orientation des bâtiments à toits inclinés sera développée par la suite.

Selon Cécile Duchêne, Sylvain Bard, Xavier Barillot, Anne Ruas, Jenny Trévisan et

Florence Holzapfel [5] l’orientation d’un bâtiment est facilement calculée de la manière

suivante :

-prendre le rectangle minimum englobant le bâtiment ;

-isoler la largeur (le plus petit côté) de chaque rectangle ;

6 Base de données : -Bd-topo

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Mill

ion

s d

e m

²

Proportion de surfaces inclinées & surfaces plates

Surface totale

Surface inclinée

Surface plate

19

-calculer l'azimut, perpendiculaire à la largeur.

Figure 5 : méthode simple de calcul de l'azimut d'un bâtiment

Cette technique est remarquablement efficace pour les bâtiments rectangulaires.

Cependant, encore une fois, l’agrégation des bâtiments entre eux oblige à utiliser une

autre méthode en raison la base de données utilisée.

La méthode mise en place est fondée sur des observations de terrain.

L’hypothèse est la suivante : pour l’agglomération Tourangelle, les crêtes de toits sont

parallèles à l’axe de la route la plus proche.

photo arérienne 2: orientation des bâtiment en fonction de l'orientation de la voirie

20

Les bâtiments se trouvant à moins de 30m d’une route orientée Est-Ouest (± 45°) ont été

conservés car considérés comme étant bien alignés.

La limite de ± 45° a été choisie sur la base d’un facteur minimal de correction suite à

l’inclinaison/orientation. Ces valeurs sont le fruit de nombreuses expérimentations

indépendantes. Liens à venir.

Tableau 1: Facteur de correction pour une inclinaison et une orientation données

L’orientation Sud-Est et Sud-Ouest permettent une flexibilité importante sur la valeur de

l’inclinaison (entre 0° et 60°) adaptable à la majeure partie des toits.

21

carte 4 : sélection des bâtiments bien orientés

routes

Bâtiments orienté Sud (+- 45°)

bâtiments à toits plats

bâtiments non-éligible (protégés ou mal orientés)

zones PLU a toits plats µ0 150 30075 m

22

Figure 6 : proportion de surface bien orientée ou non

Parmi les toits inclinés, 59% de la surface bien orientée (soit 29% de la surface totale) et

41% de la surface mal orientée (soit 20% de la surface totale)

B) ESTIMER LE RAYONNEMENT SOLAIRE SUR UN BATIMENT

a) RAYONNEMENT BRUT

Le rayonnement reçu par les toitures dépend de nombreux facteurs. Ceux retenus pour

l’étude sont : rayonnement direct 7 ainsi que les ombres portées des bâtiments

avoisinants.

Les ombres portées des bâtiments avoisinants sont modélisées sous forme de masque

solaire. Le masque solaire intervient à deux moments dans cette étude :

7 Rayonnement direct : rayonnement provenant du seul disque solaire. Il est donc nul lorsque le soleil est occulté

par les nuages. Donnéesprisessurmétéo France

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Mil

lio

ns

de

m²

Surfaces en fonction de leur orientations

inéligible parailleurs

mal orientées

orientées Sud (+-45°)

plates

23

Dans un premier temps, pour filtrer les bâtiments trop ombrés donc ne recevant

pas assez de lumière au cours de l’année.

Dans un deuxième temps, pour pondérer légèrement le rayonnement total

arrivant sur un toit un peu masqué (inférieur à 10% d’ombrage sur l’année). Si un toit

est légèrement ombré au cours de l’année, il ne recevra pas 100% du rayonnement total.

Le masque solaire a été calculé pour chacun des bâtiments de l’agglomération, il n’y a

pas eu de « maillage » sur les toitures testées ce qui implique que les résultats obtenus

peuvent être un peu surestimé. Cependant, ces paramètres ont pour avantage d’être

calculés assez rapidement et d’être fidèles en un point situé au centre du toit.

Figure 1: masque de 8,7% (accepté) Figure 2 : masque de 40% (refusé)

Etant donné que les ombres ont une influence très importante sur les panneaux solaires,

les bâtiments ayant plus de 10% d’ombrage sur une année (masque solaire supérieur

ou égal à10%) ont été supprimés de la liste des bâtiments éligibles.

-150 -100 -50 0 50 100 1500

10

20

30

40

50

60

70

-150 -100 -50 0 50 100 1500

10

20

30

40

50

60

70

Hau

teu

r so

lair

e en

°

Hau

teu

r so

lair

e en

°

Azimut en ° Azimut en °

24

Figure 7 : proportion de toit en fonction du pourcentage de masque

Une grande partie des toits ne subissent aucun masque : 70% pour les toits inclinés et

82% pour les toits plats.5% des toits inclinés et 2% des toits plats seront retiré de

l’étude car considérés trop ombrés.

L’objectif est de déterminer la surface de toit disponible, et non le nombre de toit. Etant

donné que les toits plats sont en moyenne entre 3 et 4 fois plus grands que les toits

inclinés, il faut pondérer chaque toit par sa surface.

Voici le diagramme une fois la pondération surfacique effectuée :

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

toits plats toits inclinés

Nombre de toits en fonction du masque solaire

20% à 100%

10% à 20%

0% à 10%

0% (aucune ombre)

25

Figure 8 : pondération des nombre de toits masqués avec leurs surfaces

Figure 9 : surfaces en fonction de leurs caractéristiques principales

0

1

2

3

4

5

6

surface des toits plats surface des toits inclinés

Mill

ion

s d

e m

²

Surface de toiture présentant un masque solaire en fonction de leur catégorie

20% à 100%

10% à 20%

0% à 10%

0% (aucune ombre)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Mill

ion

s d

e m

²

Surfaces en fonction de leurs caractéristiques principales

inéligibles parailleurs

trop ombrées

inclinées Sud (+- 45°)

plates

Toit avec un

masque de :

26

b) COEFFICIENT DE CONSTRUCTIBILITÉ Ce coefficient sera définit par le pourcentage de toiture qui peut être recouvert de

panneaux photovoltaïque.

En effet, la majeure partie des toits présente des ornements tels que des velux,

cheminés, chiens assis… Il est inenvisageable de recouvrir ces éléments avec des

panneaux solaires. C’est pourquoi un coefficient correcteur sera attaché à chaque toiture

pour avoir une surface « exploitable » plus proche de la réalité.

i) Coefficient de constructibilité pour les toits plats :

Les panneaux solaires ont des formes standardisées rectangulaires relativement de

petite taille, comprise globalement entre 1m² et 4m². Par conséquent, il est rarement

possible, même en l’absence d’obstacle, de couvrir 100% de la toiture.

Voici la méthode mise en place :

Pour chaque toiture, on pose une grille (à la dimension du panneau qu’on

souhaite placer. Dans cet exemple : 3m*0.8m) et on étudie le nombre de cellules

entières présentes dans l’emprise du bâtiment.

Le coefficient de constructibilité (voir illustration ci-dessous) pour les toits plats est le

rapport entre la somme des surfaces des cellules entières et la surface du bâtiment.

Figure 10 : surface total et surface éligible a la présence de panneaux photovoltaïque d'un bâtiment

A l’aide de cette méthode une corrélation non négligeable a été mise en avant entre la

surface du bâtiment et le coefficient.

Cela s’explique de la façon suivante : plus la maille est réduite (par rapport à la taille du

bâtiment) plus elle en représente une grande partie (principe même de la

discrétisation).

27

Figure 11 : corélation entre la surface et le coefficient de constructibilité

ii) Coefficient toit incliné

Dans cette étude, les bâtiments ayant des toits inclinés sont supposés à deux ou quatre

pans, très rarement plus.

Pour les bâtiments à deux pans, si l’un des pans se retrouve bien exposé (Sud ± 45°),

l’autre pan sera inévitablement mal exposé.

Illustration à venir

Pour les bâtiments à quatre pans, au moins un – si ce n’est deux – pans sont forcément

bien exposés (Sud ±45°).

La surface des toits inclinés peut être alors divisée par 2 au minimum, soit un coefficient

de constructibilité inférieur à 0,5.

y = 2,9965e6,8271x R² = 0,7133 1

10

100

1000

10000

100000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

surface totale en fonction du coefficient de constructibilité des toits plat

surface en fonction ducoefficient

Expon. (surface en fonctiondu coefficient)

28

Par ailleurs, les cheminés, antennes, chiens assis, Velux® et autres ornements,

installations, encombrements, sont autant d’éléments qui réduisent la surface de toiture

et provoquent des ombres à l’échelle mésoscopique. La dégradation du coefficient de

constructibilité engendrée par ces éléments est extrêmement difficile à quantifier. En

effet, les bases de données disponibles ne recensent pas ces éléments, et corréler leurs

présences et influences est impossible au les paramètres étant bien trop nombreux.

Afin de ne pas écarter de bâtiments qui seraient susceptibles de produire un maximum

d’énergie électrique, ces éléments perturbateurs ne seront pas considérer. Dans un

premier temps.

Voici l’influence des différents coefficients sur la surface des toits :

Figure 12 : dégradation de la surface avec le coefficient de constructibilité

C) VERIFIER QUE LA PRODUCTION D’ENERGIE AIDE SENSIBLEMENT DANS LES OBJECTIFS DU

PCET :

Pour quantifier la production d’énergie grâce à un programme écrit sur MATlab les

résultats de l’estimation du rayonnement solaire, des données géographiques ainsi que

la température et l’angle incident sont combinés.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

plates inclinées total

Mill

ion

s d

e m

²

Surfaces éligibles en fonction du coeficient de constructibilité

inéligibles par ailleurs

pertes duent au coef

inclinées

plates

29

IV) RÉSULTATS ET INTERPRÉTATIONS

V) CONCLUSION ET LIMITES DE L’ÉTUDE CCL :

VI) ANNEXE

Pour ce projet 3 logiciels ont principalement été utilisés :

-Excel

-Arcmap®, logiciel de SIG

-MATlab®, logiciel de calculs

A) SÉLECTION DES BÂTIMENTS

Avant de pouvoir travailler sur les logiciels, il a fallu mettre en forme les données à disposition.

30

Voici les différents géotraitements qui ont été effectués :

i) CREATION DE LA COUCHE DE BASE BATI_AGGLO :

Après avoir sélectionnés selon certains attribues les couches de bases des bâtiments de la

BD_TOPO (industriels, remarquables et indifférenciés), elles ont été fusionnées entre elles pour

donner une couche unique.

model builder 1 : couche Bâti

Parmi les attributs sélectionnés, nous les bâtiments avec des hauteurs aberrantes (0 ; -99 …), et

des surfaces trop faibles (<5m²) ont été supprimé de la base de données.

ii) CREATION DE LA ZONE PROTEGEE

Grace a la base de données de l’agence d’urbanisme de Tours concernant le patrimoine bâti, il a

été très simple de sélectionner uniquement les bâtiments classés, puis de créer un buffer de

500m conformément a la loi en vigueur.

L’intersection de la couche Bâti_agglo avec les zones classées permet de supprimer l’ensemble

des bâtiments intouchable légalement.

model builder 2 : Bâti non classé

31

iii) CREATION DE LA TYPOLOGIE DE BATIMENTS

Voici quelque illustration permettant de corroborer l’hypothèse suivant : PLU

plat/incliné

Les zones PLU ont permis de déterminer le type de toiture d’un bâtiment. Pour cela une

sélection par attribue a été effectuée sur la base de données de l’agence d’urbanisme de Tours.

L’attribut « destination » a permis de catégorisé les zones plates avec :

- Mixte ;

- Sports et loisirs ;

- Equipement ;

- Activité .

Et les zones inclinées avec :

- Habitat ;

- Espace naturel .

L’intersection de ces deux types de zones avec la couche Bâti_non_classé a permis de créer les

couche Bâti_plat et Bâti_incliné

model builder 3 : Bâti plat et Bâti incliné

iv) CORRELATION ENTRE L’ORIENTATION DES TOITURES ET DES ROUTES

Photos à venir

v) SELECTION DU BATI BIEN ORIENTE

32

Lien entre l’orientation de la route et celui des toitures a été mis en avant, voici a présent

comment le quantifié via les logiciels utilisés.

A partir de la couche Routes_agglo de la BD_TOPO il est possible de conserver les routes

orientées à plus ou moins un certain angle à définir. Pour le projet ce sont les valeurs entre -45°

et 45° qui ont été retenues. En effet, il est considéré qu’une toiture peut accueillir des panneaux

photovoltaïques si elle est orientée à ± 45° du sud (cf Tableau 1: Facteur de correction pour une

inclinaison et une orientation données). Pour cela l’ajout du nouveau champ orientation calculer

avec le scripte suivant :

180+math.atan2((!Shape.firstpoint.X!-!Shape.lastpoint.X!),(!Shape.firstpoint.Y!-

!Shape.lastpoint.Y!))*(180/math.pi)

Grace à une sélection par attribut sur le champ orientation seules les routes bien orientées sont

conservées pour former un nouvelle couche de linéaire.

Un buffer de 30m est créé à partir de cette couche. L’intersection entre le buffer et la couche

Bâti_incliné donne un premier résultat visuellement correct, mais mathématiquement faux car le

buffer est appliqué en réalité sur chaque tronçon (bien orienté). Donc chaque extrémité produit

un cercle de 30m qui se chevauche avec l’extrémité suivante.

Cette zone de 30m fixée arbitrairement semble le meilleur compromis pour sélectionner

les bâtiments répondant aux hypothèses sans prendre ceux trop éloignés.

Pour palier à ce défaut la couche a été fusion sur le champ ID_Bâti_incliné.

1/2

2/2

model builder 4 : Bâti incliné bien orienté

33

B) METHODE DE CALCUL DU MASQUE SOLAIRE ET DU COEFFICIENT DE

CONSTRUCTIBILITE

i) CALCUL DU MASQUE SOLAIRE

Les toits de l’agglomération Tourangelle n’ont pas tous la même altitude, elle varie de 41m à

147m. Cette variation est assez importante. Les ombres ont un impact très important sur la

productivité des panneaux photovoltaïques, donc étant donné l’incertitude qui règne, la mise en

place d’un masque solaire par bâtiment semble inévitable.

Figure 13 : distribution des bâtiments en fonction de leurs altitudes

Pour réaliser ce dernier les données des 59589 bâtiments de la couche Bâti_agglo ont été

exportées :

-La coordonnée en X de son centroïde (par calcul géométrique proposé par le logiciel

Arcgis©)

-La coordonnées en Y de son centroïde (par calcul géométrique proposé par le

logicielArcgis©)

- le Zmax (altitude maximale du bâtiment)

-L’aire de sa base (par calcul géométrique proposé par le logiciel Arcgis©)

-La coordonnée en X du début de chaque arête de chaque bâtiment (avec l’outil

Fractionner des lignes au sommet proposé par le logiciel Arcgis©)

-La coordonnée en Y du début de chaque arête de chaque bâtiment (p avec l’outil

Fractionner des lignes au sommet proposé par le logiciel Arcgis©)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 20 40 60 80 100 120 140 160

no

mb

re d

e b

âtim

en

t

altidude du toit des bâtiments

Nombre de bâtiment en fonction de leur hauteur

34

Pour chaque bâtiment des couches Bâti_incliné_bien_orienté et Bâti_plat on calcul la distance a

tous les autres bâtiments de la base de donnée. Si cette distance est inférieur a 250m. Valeur

seuil au delà de laquelle très rare sont les bâtiments pouvant avoir une influence importante.

Seules les tours ont une chance de créer une ombre à cette distance, et a partir de cette même

distance leur épaisseur devient extrêmement fine.

ILUSTRATION

Parmi les bâtiments situés dans les 250m avoisinants seuls ceux pouvant potentiellement

projeter une ombre sur celui étudié, sont retenus. L’agglomération de Tours se trouve à la

latitude et à la longitude (47°23’37’’N ; 0°41’21’’E). En prenant le Nord comme référence a 0°,

lors du jours le plus long (21 juin) où la course du soleil est la plus grande, le soleil se lève à un

azimut de 55,88° et se couche à 307,12°, ce qui représente une course de 254,24°. Tous les

bâtiments se trouvant entre 0° et 55,88° ou entre 254.24° et 360° n’ont aucune chance de

projeter une ombre sur le bâtiment étudié. Ils sont donc retirés pour la suite des calculs.

Figure 14 : Sélection de bâtiments par rapport à l'opposé de l'azimut. Les bâtiments en dehors du disque

partiel jaune sont ignorés lors des calculs

Enfin Tous les bâtiments n’induisent pas d’ombres sur les toits les uns des autres. Tout

simplement si un bâtiment « A » fait la même taille qu’un autre bâtiment « B » ou est plus petit

alors B ne pourra générer d’ombre sur le toit de A.

ILLUSTRATION

La valeur du seuil sera arbitrairement fixée à 5°, valeur qui permet de limiter le nombre de

calculs sans pour autant dégrader l’exactitude de ceux-ci. Cet angle permet de tenir compte à la

fois la distance et de la hauteur d’un bâtiment par rapport à celui étudié. Ainsi les bâtiments trop

éloignés ou trop petits par rapport au bâtiment étudié ne seront pas retenu pour les calcules à

venir.

35

Figure 15 : Sélection de bâtiment par rapport à la hauteur solaire. Les bâtiments dont la hauteur angulaire est

trop faible sont retirés de l'étude car ils ne pourront jamais projeter une ombre sur le bâtiment étudié,

quelles que soient la date et l'heure.

Une fois ces bâtiments sélectionnés, il faut dessiner l’allure qu’ils ont dans le ciel par rapport au

point où on se trouve.

Pour cela chaque bâtiment est décomposé en autant d’arête qu’il a de façades, les coordonnées X

et Y des débuts de chaque arête est obtenue par calcul géométrique avec le logiciel Arcgis©.

En calculant ensuite l’azimut, et la hauteur solaire de chaque début d’arête puis en reliant tous

ces points on obtient la projection du bâtiment vu depuis notre toit.

A ces projections est ajouté end fond la trajectoire solaire au long de l’année et il devient simple

de prédire quand le bâtiment ne produira pas d’énergie solaire.

ii) CALCUL DU COEFFICIENT DE CONSTRUCTIBILITÉ

Pour calculer le coefficient de constructibilité, 715 bâtiments ont été tirés au hasard.

Avec l’outil polygone-grille, une grille est introduite. Dans l’étude cette grille a pour

dimensions 3m par 0,8m. Ces valeurs sont arbitraires et correspondent à un type de

panneaux constructeur, ces valeurs peuvent être modifiées en fonction du type de

panneaux à implanter.

36

Figure 16 : Création d'une grille sur un bâtiment

Une fois ce quadrillage établie, une intersection est faites avec l’emprise réelle du bâti. A

l’issue de cette étape, le résultat doit ressembler à la figure ci-dessous, les cellules en

bordures du bâtiment ne sont plus entières.

Figure 17 : Découpage de la grille par rapport à l'emprise du bâtiment

Ensuite seules les surface ayant une superficie de 3*0.8=2.4 m² sont conservées. Puis

fusionnées.

Figure 18 : Conservation des cellules entières

37

Le rapport entre la surface de cellule entière (couleur cyan) et la surface réel du bâtiment donne

le coefficient d’implantation.

1/2

model builder 5 : coefficient de constructibilité

2/2

C) CALCUL DE LA PRODUCTION D’ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE

38

Figure 19 : pas d'idée

39

40

41

Figure 20 : position du soleil par rapport à une surface inclinée

Changer Theta => alpha

L’angle extérieur d’azimut γ est tout simplement l’orientation du panneau solaire, soit

l’orientation du bâtiment calculé dans Sélection du Bâti bien orienté

[1]DocumentoBásico de Ahorro de Energía (DB-HE)CódigoTécnico de la Edificación. 2013. p

20.

[2]XINYAN, Yang.The impact of building density and building height heterogeneity on average

urban albedo and street surface temperature.In Building and Environment.Sciencedirect.August

2015. p. 146–156

[3]Elisabeth Gratia,André De Herde. Thermique des immeubles de bureau. Quantitative and

qualitative description2003. L’édition universitaire en ligne. 2003. pp 312-321.

[4] Beckers Benoit. Le diagramme solaire. 2004. p 16.

[5] Duchêne C., Bard S., Barillot X., Ruas A., Trévisan J., Holzappfel F. 2003. Quantitative

and qualitative description of building orientation. 5th ICA Workshop on progress in

automated map generalisation, Paris, 2003.

liste des ameliorations :

42

%des Histogrammes

Affiner le diagramme solaire : pour supprimer uniquement les heures d’ensolleillement ou il y a

vraiment de l’ombre

Prise en compte de la topographie du terrain

Coef toit plat : simuler la pose de grille selon l’orientation du bati.

Coef toit incliné : faire des simulations plus fortes.

Base de donnée météo sur plusieurs années

43

CITERES

UMR 6173

Cités, Territoires,

Environnement et

Sociétés

Equipe IPA-PE

Ingénierie du Projet

d’Aménagement,

Paysage,

Environnement

35 allée Ferdinand de Lesseps

BP 30553

37205 TOURS cedex 3

Directeurs de recherche :

Mindjid Maïzia

ESTIMATION DE LA PRODUCTION D’ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE PAR UNE

AGGLOMERATION

Application à l’agglomération tourangelle

Ce projet a pour but la mise en place d’une méthode rapidement calculable pour

déterminer le potentiel énergétique lié aux panneaux photovoltaïques. Objectif est de

déterminer la courbe de charge générée si tous les endroits propice étaient couverts de

panneaux. Pour y arriver trois sous-objectifs ont été identifiés :

-la sélection des zones « rentable » à l’échelle urbaine ;

- la détermination des ombres portées sur chaque toits ainsi que le coefficient de

constructibilité (quelle proportion du toit est susceptible d’être recouverte) ;

-la simulation avec les données météorologiques et géographiques pour chaque

heure de l’année.

Suite à cela nous pouvons estimer assez fidèlement la production d’énergie. Appliqué au

cas de l’agglomération Tourangelle, il est possible de prédire quel niveau de la

consommation peut être couvert par cette énergie renouvelable.

Mots Clés :

Solaire photovoltaïque énergie renouvelable urbain Tours masque solaire

Souvestre Quentin

Projet de Fin d’Etudes

DA5

2014-2015