Chapitre 18 : Intégration des Énergies Renouvelables sur Site : Panneaux Solaires Photovoltaïques, Thermiques, Éoliennes

L’intégration des énergies renouvelables directement sur site représente une démarche de plus en plus pertinente et accessible, notamment en milieu urbain et pour les bâtiments de bureaux. Produire sa propre énergie renouvelable permet de réduire sa dépendance aux énergies fossiles, de diminuer son empreinte carbone, de maîtriser ses coûts énergétiques à long terme, et de valoriser son bâtiment. Les technologies sont aujourd’hui matures et adaptées aux contraintes urbaines et aux besoins des entreprises.

Présentation des différentes technologies d’énergies renouvelables intégrables en milieu urbain et au bureau :

Plusieurs technologies d’énergies renouvelables peuvent être envisagées en milieu urbain et pour les bureaux, chacune avec ses spécificités et ses avantages :

• Panneaux solaires photovoltaïques (PV) : Production d’électricité et Les panneaux solaires photovoltaïques sont la technologie d’énergie renouvelable la plus répandue et la plus mature pour les bâtiments urbains et les bureaux. Ils convertissent directement la lumière du soleil en électricité grâce à l’effet photovoltaïque.

  • Principe de fonctionnement : Les panneaux solaires PV sont constitués de cellules photovoltaïques en silicium qui génèrent un courant électrique lorsqu’elles sont exposées à la lumière du soleil. Ce courant continu est converti en courant alternatif par un onduleur pour être utilisé dans le bâtiment ou injecté dans le réseau électrique.
  • Types d’installations :
    • Installation en toiture : La solution la plus courante et souvent la plus simple à mettre en œuvre, notamment sur les toits plats des bâtiments de bureaux ou les toitures inclinées des bâtiments urbains. Toiture terrasse : Installation de panneaux sur des structures surélevées ou intégration en bacs lestés. Toiture inclinée : Intégration au bâti (en remplacement de tuiles ou ardoises) ou surimposition (panneaux posés au-dessus de la couverture existante).
    • Installation en façade : De plus en plus envisagée en milieu urbain, notamment pour les bâtiments de bureaux ou les bâtiments collectifs. Permet d’utiliser les surfaces verticales disponibles et de combiner production d’énergie et esthétique architecturale. Façade rideau photovoltaïque, bardage photovoltaïque, intégration aux brise-soleil.
    • Ombrières photovoltaïques : Installation de panneaux solaires sur des structures d’ombrage, par exemple au-dessus des parkings, des terrasses, des cours. Permet de combiner production d’énergie, protection solaire et valorisation d’espaces extérieurs.
    • Intégration aux éléments de construction : Intégration des cellules photovoltaïques directement dans des éléments de construction tels que les tuiles, les ardoises, les verrières, les garde-corps. Solution esthétique et discrète, mais souvent plus coûteuse et moins performante que les panneaux classiques.
  • Avantages :
    • Production d’électricité propre et renouvelable : Réduction de la dépendance aux énergies fossiles et des émissions de CO2.
    • Technologie mature et fiable : Longue durée de vie des panneaux (25-30 ans de garantie de performance), faible maintenance.
    • Adaptabilité : Peut être installée sur différents types de bâtiments et de surfaces (toitures, façades, ombrières).
    • Silencieux et sans émissions locales : Fonctionnement discret et sans pollution atmosphérique locale.
    • Valorisation du bâtiment : Amélioration de l’image environnementale et de la valeur patrimoniale.
    • Rentabilité économique : Réduction des factures d’électricité, revenus potentiels de la revente d’électricité, aides financières et incitations fiscales dans de nombreux pays.
  • Inconvénients :
    • Production d’électricité intermittente : Dépendante de l’ensoleillement (variable selon les saisons, la météo, l’heure de la journée). Nécessite de compléter avec d’autres sources d’énergie ou des solutions de stockage (batteries, autoconsommation).
    • Surface importante requise pour une production significative : La surface disponible sur les toitures et façades urbaines peut être limitée.
    • Coût d’investissement initial : Bien que en baisse constante, l’investissement initial dans une installation photovoltaïque peut être conséquent. Rentabilité à long terme.
    • Impact environnemental de la fabrication des panneaux : Extraction des matières premières, consommation d’énergie grise, recyclage en fin de vie. Privilégier les panneaux fabriqués selon des normes environnementales et les filières de recyclage.
    • Esthétique : L’intégration architecturale des panneaux peut nécessiter une attention particulière pour préserver l’esthétique du bâtiment.

• Panneaux solaires thermiques : Production d’eau chaude sanitaire (ECS) ou de chauffage et Les panneaux solaires thermiques captent la chaleur du soleil pour chauffer un fluide caloporteur (eau glycolée) qui transfère ensuite cette chaleur à un ballon de stockage d’eau chaude sanitaire ou à un circuit de chauffage.

  • Principe de fonctionnement : Les panneaux solaires thermiques absorbent le rayonnement solaire et le convertissent en chaleur, qui est transmise à un fluide caloporteur circulant dans des tubes à l’intérieur du panneau. Ce fluide chaud est ensuite utilisé pour chauffer de l’eau dans un ballon de stockage, soit pour l’eau chaude sanitaire (chauffe-eau solaire), soit pour le chauffage (système solaire combiné – SSC).
  • Types d’installations :
    • Chauffe-eau solaire individuel (CESI) : Système solaire thermique dédié à la production d’eau chaude sanitaire pour un logement individuel ou un petit bureau. Comprend des panneaux solaires thermiques, un ballon de stockage d’ECS, un circulateur, et une régulation. Peut couvrir une part significative des besoins en ECS, notamment en été et en mi-saison.
    • Système solaire combiné (SSC) : Système solaire thermique plus complexe, assurant à la fois la production d’eau chaude sanitaire et une partie du chauffage du bâtiment. Comprend des panneaux solaires thermiques plus performants et plus nombreux, un ballon de stockage plus important (ballon tampon), un circuit de chauffage (plancher chauffant, radiateurs basse température), une régulation sophistiquée, et éventuellement un appoint (chaudière, pompe à chaleur). Peut couvrir une part significative des besoins en chauffage et en ECS, selon le climat, l’isolation du bâtiment, et le dimensionnement du système.
    • Solaire thermique collectif : Installations solaires thermiques de grande taille pour alimenter des réseaux de chaleur, des bâtiments collectifs, des piscines, des industries. Champs de capteurs solaires thermiques, centrales solaires thermiques, réseaux de chaleur solaire. Moins fréquent pour les bureaux individuels, mais pertinent pour des ensembles de bâtiments ou des zones d’activités.
  • Avantages :
    • Production de chaleur renouvelable et gratuite : Utilisation de l’énergie solaire pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire.
    • Réduction de la consommation d’énergies fossiles pour le chauffage et l’ECS : Diminution des factures d’énergie et des émissions de CO2.
    • Technologie éprouvée et performante : Efficacité des panneaux solaires thermiques pour la production de chaleur, notamment en été.
    • Valorisation du bâtiment : Image environnementale positive.
    • Eligibilité aux aides financières.
  • Inconvénients :
    • Production de chaleur intermittente : Dépendante de l’ensoleillement (variable selon les saisons, la météo, l’heure de la journée). Nécessite un système d’appoint (chaudière, résistance électrique) pour garantir la disponibilité de chaleur en permanence.
    • Besoin de stockage de chaleur : Ballon de stockage d’eau chaude sanitaire ou ballon tampon pour le chauffage. Encombrement.
    • Moins de rentabilité économique directe que le photovoltaïque dans certaines régions : Le prix de l’électricité photovoltaïque a fortement baissé, rendant le solaire thermique parfois moins compétitif en termes de retour sur investissement pur. Intérêt environnemental et confort à considérer.
    • Risque de surchauffe en été : Nécessite une régulation et des dispositifs de sécurité pour éviter la surchauffe du fluide caloporteur et du ballon de stockage en période estivale (purge, circulation forcée, etc.).
    • Entretien : Maintenance régulière des panneaux, du circuit hydraulique, du fluide caloporteur (purge, appoint, contrôle antigel).

• Petites éoliennes urbaines : Production d’électricité et Les petites éoliennes urbaines sont conçues pour être installées en milieu urbain, sur les toits des bâtiments ou sur des mâts de faible hauteur. Elles convertissent l’énergie du vent en électricité.

  • Principe de fonctionnement : L’énergie cinétique du vent fait tourner les pales de l’éolienne, ce qui entraîne un générateur électrique qui produit de l’électricité. L’électricité produite est ensuite utilisée dans le bâtiment ou injectée dans le réseau.
  • Types d’éoliennes urbaines :
    • Éoliennes à axe horizontal : Forme classique des éoliennes, avec des pales horizontales qui tournent autour d’un axe horizontal. Plus performantes pour capter les vents forts et réguliers en hauteur, mais peuvent être plus bruyantes et plus visibles en milieu urbain.
    • Éoliennes à axe vertical (éoliennes de type Darrieus ou Savonius) : et Formes plus compactes et plus discrètes, moins sensibles à la direction du vent, et moins bruyantes. Adaptées aux vents urbains turbulents et moins forts, mais généralement moins performantes que les éoliennes à axe horizontal pour une même surface de rotor.
  • Avantages :
    • Production d’électricité renouvelable et gratuite : Utilisation de l’énergie du vent.
    • Complémentarité avec le solaire photovoltaïque : Le vent et le soleil ne sont pas toujours disponibles en même temps, l’éolien peut produire de l’électricité la nuit ou par temps nuageux, en complément du solaire.
    • Valorisation du bâtiment : Image innovante et durable.
  • Inconvénients :
    • Rendement généralement plus faible que le solaire photovoltaïque en milieu urbain : Vents urbains souvent plus faibles, plus turbulents, moins réguliers, et masqués par les bâtiments.
    • Production d’électricité intermittente et variable : Dépendante du vent, très variable selon les conditions météorologiques et le site.
    • Nuisances potentielles : Bruit (surtout pour les éoliennes à axe horizontal), vibrations, impact visuel (selon la taille et l’emplacement).
    • Contraintes réglementaires et administratives importantes en milieu urbain : Permis de construire, études d’impact, respect des règles d’urbanisme, contraintes de sécurité, acceptabilité sociale.
    • Rentabilité économique souvent plus incertaine que le solaire photovoltaïque en milieu urbain : Dépend fortement du potentiel éolien local, du coût de l’installation, des aides financières, et du prix de l’électricité.
    • Maintenance : Entretien régulier des mécanismes, des pales, du générateur.

Étude de faisabilité et dimensionnement d’une installation d’énergies renouvelables sur site :

Avant de se lancer dans un projet d’intégration d’énergies renouvelables sur site, il est indispensable de réaliser une étude de faisabilité approfondie pour évaluer le potentiel, les contraintes, et la rentabilité du projet. Cette étude doit prendre en compte plusieurs aspects :

• Potentiel solaire et/ou éolien du site :

  • Ensoleillement : Étude de l’ensoleillement du site : Orientation et inclinaison des toitures et façades, ombrage porté par les bâtiments environnants, arbres, relief, etc. Utilisation d’outils de simulation d’ensoleillement (logiciels, applications web, masques solaires). Cartes d’ensoleillement locales. Données météorologiques historiques. Évaluer le potentiel solaire exploitable pour le photovoltaïque et le solaire thermique.
  • Vent : Étude du potentiel éolien du site : Vitesse et direction des vents dominants, exposition au vent, masques au vent (bâtiments, arbres), turbulence, etc. Anémométrie (mesure de la vitesse du vent sur site pendant une période significative). Cartes de vent locales. Données météorologiques historiques. Évaluer la pertinence de l’éolien urbain en fonction du potentiel éolien local.

• Contraintes architecturales du bâtiment :

  • Type de toiture et de façade : Nature de la couverture (tuiles, ardoises, bac acier, étanchéité, etc.). Résistance de la structure de toiture à la charge supplémentaire des panneaux. Disponibilité et orientation des surfaces de toiture et de façade. Intégration esthétique des panneaux au bâtiment.
  • Espace disponible : Surface de toiture, de façade, ou de terrain disponible pour l’installation des panneaux ou des éoliennes. Encombrement des équipements techniques (onduleurs, ballons de stockage, locaux techniques). Accessibilité pour l’installation et la maintenance.
  • Patrimoine architectural : Classement du bâtiment ou zone protégée : Contraintes architecturales et réglementaires spécifiques pour les bâtiments classés ou situés en zones protégées. Nécessité d’obtenir des autorisations spécifiques des architectes des bâtiments de France. Intégration paysagère et respect du patrimoine architectural.

• Contraintes techniques et raccordement au réseau :

  • Raccordement électrique : Proximité et capacité du point de raccordement au réseau électrique public. Nécessité de travaux de raccordement et de renforcement du réseau. Coût du raccordement.
  • Réseau de chauffage et ECS existant : Compatibilité du système solaire thermique avec le système de chauffage et d’ECS existant (radiateurs, plancher chauffant, ballon ECS). Nécessité d’adapter ou de modifier le système existant.
  • Stockage de l’énergie : Nécessité ou intérêt de prévoir un stockage de l’énergie produite (batteries pour le photovoltaïque, ballon tampon pour le solaire thermique). Type de stockage, capacité, coût, encombrement.
  • Gestion et monitoring de l’installation : Système de monitoring des performances de l’installation. Régulation et pilotage du système. Maintenance et entretien des équipements.

• Autorisations administratives et réglementaires :

  • Permis de construire ou déclaration préalable : Obligation de déposer une demande de permis de construire ou une déclaration préalable en mairie pour la plupart des installations d’énergies renouvelables sur bâtiment. Délais d’instruction, pièces à fournir.
  • Règles d’urbanisme locales (PLU) : Respect des règles d’urbanisme locales : Hauteur maximale des constructions, aspect extérieur des bâtiments, intégration paysagère, zones protégées, etc. Consulter le Plan Local d’Urbanisme (PLU) de la commune.
  • Réglementation thermique (RE2020, RT existant) : Prise en compte des exigences de la réglementation thermique en vigueur : Performance énergétique globale du bâtiment, recours aux énergies renouvelables.
  • Normes et certifications : Respect des normes de sécurité et de qualité : Normes d’installation électrique (NFC 15-100), normes de sécurité incendie, certifications des équipements (QualiPV, Qualisol, etc.). Assurances et garanties.
  • Contraintes spécifiques au site : Sites classés, zones Natura 2000, sites SEVESO, zones aéroportuaires, etc. : Contraintes réglementaires spécifiques à certains types de sites. Consulter les services compétents (DREAL, ABF, etc.).

• Rentabilité économique et financement :

  • Coût d’investissement : Coût des équipements (panneaux, onduleurs, ballons, éoliennes, etc.). Coût de la main d’œuvre (installation, raccordement, mise en service). Coût des études et des démarches administratives. Coût du stockage de l’énergie (si nécessaire). Coût de la maintenance et de l’entretien.
  • Économies d’énergie : Réduction des factures d’électricité, de chauffage, et d’ECS. Calcul des économies d’énergie annuelles en fonction de la production attendue et des tarifs de l’énergie.
  • Revenus de la revente d’électricité (si autoconsommation avec vente du surplus ou vente totale) : Tarifs de rachat de l’électricité renouvelable (tarifs réglementés ou prix de marché). Estimation des revenus annuels de la revente d’électricité.
  • Aides financières et incitations fiscales : Aides de l’État, des régions, des collectivités locales : Subventions, crédits d’impôt, primes, prêts à taux bonifiés, etc. Incitations fiscales : Exonérations de taxe foncière, TVA réduite, etc. Identifier les aides et incitations applicables au projet.
  • Analyse du retour sur investissement (ROI) et du temps de retour : Calcul du temps nécessaire pour amortir l’investissement initial grâce aux économies d’énergie et aux revenus de la revente d’électricité, en tenant compte des aides financières. Évaluer la rentabilité du projet sur sa durée de vie (20-30 ans pour le photovoltaïque, 20 ans pour le solaire thermique, 15-20 ans pour l’éolien). Comparer avec d’autres options d’investissement.

Autoconsommation et revente de l’électricité produite :

L’électricité produite par une installation photovoltaïque ou éolienne peut être utilisée de deux manières principales :

• Autoconsommation : Consommer directement l’électricité produite sur place pour alimenter les besoins du bâtiment (éclairage, équipements bureautiques, chauffage, climatisation, etc.). Solution la plus encouragée et souvent la plus rentable économiquement, car elle permet de réduire directement les factures d’électricité en évitant d’acheter de l’électricité au réseau.

  • Autoconsommation totale : Toute l’électricité produite est consommée sur place. Adaptée aux bâtiments dont la consommation électrique est importante et synchrone avec la production d’énergie renouvelable (bureaux avec climatisation en journée).
  • Autoconsommation avec vente du surplus : L’électricité produite qui n’est pas consommée instantanément est injectée dans le réseau électrique et revendue à un fournisseur d’énergie. Permet de valoriser la totalité de la production et de générer des revenus complémentaires. Solution la plus courante et souvent la plus optimisée.
  • Optimisation de l’autoconsommation : Adapter la consommation électrique aux périodes de production d’énergie renouvelable (décaler certaines consommations en journée, utiliser des équipements programmables). Mise en place de systèmes de gestion de l’énergie et de pilotage des consommations (domotique, GTB). Stockage de l’électricité (batteries) pour lisser la production et la consommation. Suivi et monitoring des consommations et de la production.

• Revente totale de l’électricité : Toute l’électricité produite est injectée dans le réseau électrique et revendue à un fournisseur d’énergie à un tarif d’achat garanti (tarif réglementé dans de nombreux pays) ou à un prix de marché. Moins pertinente économiquement que l’autoconsommation dans la plupart des cas, car les tarifs de rachat sont généralement inférieurs aux prix de l’électricité achetée au réseau. Peut être envisagée si la consommation du bâtiment est faible ou si la production d’énergie renouvelable est très importante par rapport aux besoins.

En conclusion, l’intégration des énergies renouvelables sur site, en particulier le solaire photovoltaïque et thermique, représente une opportunité majeure pour les bâtiments de bureaux et les zones urbaines de s’engager dans la transition énergétique. Une étude de faisabilité approfondie, un dimensionnement adapté, et une gestion optimisée de l’autoconsommation et de la revente de l’électricité produite sont les clés du succès pour un projet rentable et durable. N’hésitez pas à vous entourer d’experts (bureaux d’études, installateurs spécialisés, conseillers en énergie) pour vous accompagner dans votre démarche.