Le développement du photovoltaïque (PV) sur toitures ou ombrières, notamment en zone urbaine, est intéressant car ces systèmes énergétiques permettent, sur des surfaces déjà anthropisées comme les toits de bâtiments ou les parkings, une production électrique renouvelable à faible coût, au plus près des lieux de consommation, et sans émission de polluants ni de gaz à effet de serre (GES) lors de leurs fonctionnements.

Ils contribuent en outre à la réduction des îlots de chaleur urbain[1]. D’ailleurs la programmation pluriannuelle de l’énergie (PPE) de 2021 prévoit un développement pour 2028 de l’équivalent de 35 à 44 GWc de capacité PV installée dont 14.5 à 19 GWc sur toitures, correspondant à environ 150 à 200 km2 de ces dernières[2].

En raison de la complexité, singulièrement en contexte urbain, des orientations locales des toits, ainsi que des effets des d'ombrage (végétation, bâtiments environnants, superstructures de toitures, etc.) et de la pollution liée entre autres aux transports, la ressource solaire urbaine exploitable présente une grande variabilité spatiale et temporelle.

Les cadastres solaires

Les cadastres solaires permettent une représentation sous forme de cartes à haute résolution spatiale du potentiel solaire photovoltaïque et/ou thermique, rendant compte uniquement de la variabilité spatiale sous-jacente de la ressource solaire : les cartes sont en effet les résultats annualisés (ou mensualisés) suivant des moyennes multi-annuelles sur des historiques généralement de plus de 10 ans : elles peuvent donc représenter la variabilité temporelle sous-jacente.

Dès 2014, le centre de recherche Observation Impacts Energie (OIE) de MINES ParisTech, PSL Research University, a développé pour In Sun We Trust (ISWT) des algorithmes spécifiques et innovants mis en œuvre par Transvalor SoDa, permettant d'établir des cadastres solaires précis, de résolution métrique, à partir de modèles numériques de sursol décimétriques de l'IGN, et des données de rayonnement solaires établies à partir du satellite géostationnaire météorologique européen Meteosat Second Generation, via les méthodes Heliosat issues d'OIE[3]. Depuis 2015, les cadastres solaires d’ISWT se déploient sur tout le territoire français : en cinq ans, ils ont réalisé plus de 3500 installations solaires et sont devenus les partenaires exclusifs de plus de 80 collectivités locales.

Figure 1 : copie d’écran du site https://nantes-metropole.insunwetrust.solar/simulateur pour un lieu particulier de la communauté de communes de Nantes Métropole.

Vers une analyse de la variabilité temporelle de la ressource solaire à l’échelle urbaine

Depuis, le centre OIE continue de mener des activités de recherche sur la ressource solaire à l'échelle urbaine, en étendant le concept "statique" du cadastre solaire –issues de moyennes multi-annuelles d'irradiations solaires incidentes– à des données dynamiques, rendant compte à la fois des variabilités spatiales mais aussi temporelles du potentiel solaire PV.

En effet, la pénétration massive du PV en milieu urbain induira une variabilité importante dans l'espace et dans le temps de l'énergie injectée dans le réseau électrique. Il est alors nécessaire de disposer d'un outil destiné à planifier, surveiller et prévoir à court terme la variabilité spatio-temporelle de la production électrique de systèmes photovoltaïques sur les toits et en zone urbaine. Différentes modalités de cet outil peuvent être envisagés pour les opérateurs de réseau comme ENEDIS ou RTE, les décideurs en matière d'urbanisme, les agrégateurs de l'énergie solaire sur le marché de l’électricité au comptant mais aussi les citoyens pour les modes d’autoconsommation photovoltaïque individuelle et collective.

Le centre OIE assure la coordination du projet Horizon 2020 e-shape (convention de subvention 820852), mais aussi le développement du pilote "High PV penetration at urban scale". Ce pilote a pour objectif de proposer des outils s'appuyant sur :

• des sources de données issues de l'observation de la Terre (satellite, mesures in-situ, modèles numériques de la Terre et de son atmosphère) en général et du programme Copernicus en particulier ;
• des plateformes dématérialisées de calcul et d’accès à la donnée d’observation de la Terre, appelés DIAS (Data and Information Access Services) comme par exemple WEkEO ; pour accompagner le développement du PV en urbain, avec comme la ville de Nantes comme site d’application.

Plus précisément ce pilote propose la création et la mise à disposition de nouvelles capacités de description et de prévision à court-terme (inférieure à 1 à 2 heures) de la variabilité de la production photovoltaïque intégrant la météorologie (vapeur d'eau, aérosols, nuages) mais aussi les orientations locales et les phénomènes d'ombrage complexes.

Toujours dans le cadre de ce projet européen, le centre de gestion scientifique (CGS) de MINES ParisTech est chargé de la partie co-design accompagnant le développement des différents pilotes. Notamment, avec eux, nous développons trois cas d’étude pour ce pilote :

• cas d’étude #1 : outil d’analyse en direction des développeurs de projets PV en autoconsommation comme ISWT permettant l’évaluation fine des capacités d'autoconsommation de la production d'un système photovoltaïque ;
• cas d’étude #2 : outil d’analyse en direction du gestionnaire de réseau électrique de distribution ENEDIS pour le dimensionnement, le renforcement ou l'analyse de congestion du réseau électrique basse et moyenne tension d'ENEDIS face au déploiement du photovoltaïque en urbain ;
• cas d’étude #3 : outil de prévision intra-journalier en direction de potentiels agrégateurs de systèmes de production PV urbains pour la vente sur le marché de l’électricité au comptant.

Le premier cas d’étude a déjà fait l’objet d’une démonstration sous Jupyter Notebook à l’occasion du neuvième Solar Training en février 2020, et visible.

Les personnes intéressées par tester ce Jupyter Notebook sur la ville de Nantes peuvent nous contacter ([email protected]). Les autres cas d’étude sont en cours de développement pour l’année 2021.

Figure 2 : Extraits du Jupyter Notebook sur l’évaluation des capacités d’autoconsommation PV : (1) entête du notebook, (2) sélection d’un polygone d’intérêt (ici un bâtiment), (3) évaluation de la quantité d’irradiation solaire incidente annuelle (kWh/m2) sur chaque m2 du toit sélectionné, (4) représentation de la production PV (kW) comparée à la consommation électrique sur quelques jours au pas de 15 min, (5) évaluation des parts mensuelles d’autoconsommation (rouge) et de surplus (violet) de la production PV et de l’importation d’électricité (bleu) comparée à la consommation électrique mensuelle (trait rouge).

Un article signé Philippe Blanc et Lionel Menard (MINES ParisTech, PSL Research University, O.I.E. –Center Observation, Impacts, Energie)

Crédits Photos : @fabrikgrafik sur Unsplash

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Rédigé par

Philippe Blanc / Lionel Ménard

Centre Observation, Impacts, Energie (OIE)

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