Études de cas pratique

EGC

Système Photovoltaïque pour un Bâtiment

Système Photovoltaïque pour un Bâtiment (Énergies Renouvelables)

Système Photovoltaïque pour un Bâtiment

Comprendre l'Intégration d'un Système Photovoltaïque

L'intégration de systèmes photovoltaïques (PV) sur les bâtiments permet de produire de l'électricité renouvelable directement sur le lieu de consommation, contribuant ainsi à réduire la dépendance aux sources d'énergie fossiles et à diminuer l'empreinte carbone. Un système PV typique se compose de panneaux solaires qui convertissent la lumière du soleil en courant continu (CC), d'un onduleur qui transforme ce CC en courant alternatif (CA) utilisable par les appareils du bâtiment et compatible avec le réseau électrique, et souvent d'un compteur pour mesurer la production. Le dimensionnement d'une installation PV pour un bâtiment dépend de nombreux facteurs, notamment la surface de toiture disponible et son orientation, l'ensoleillement local, la consommation électrique du bâtiment, et les objectifs visés (autoconsommation, revente totale ou partielle). L'analyse de la production potentielle et de la couverture des besoins est essentielle pour évaluer la pertinence et la rentabilité d'un tel projet.

Données de l'étude

Le propriétaire d'un petit bâtiment tertiaire souhaite évaluer le potentiel d'une installation photovoltaïque sur sa toiture plate.

Caractéristiques du bâtiment et du site :

  • Consommation électrique annuelle du bâtiment : \(C_{\text{annuelle,bâtiment}} = 25000 \, \text{kWh/an}\)
  • Surface de toiture plate disponible et exploitable pour les panneaux : \(A_{\text{toit,dispo}} = 100 \, \text{m}^2\)
  • Localisation : Toulouse, France.
  • Productible annuel moyen estimé pour une installation PV optimisée à Toulouse (incluant les pertes systèmes) : \(P_{\text{roductible}} = 1450 \, \text{kWh/kWc/an}\)

Caractéristiques des panneaux photovoltaïques envisagés :

  • Type : Monocristallin haute efficacité
  • Puissance crête unitaire (\(P_{\text{panneau}}\)) : \(375 \, \text{Wc}\) (soit \(0.375 \, \text{kWc}\))
  • Dimensions d'un panneau (Longueur x Largeur) : \(1.75 \, \text{m} \times 1.05 \, \text{m}\)
  • Pour une installation sur toiture plate, on estime qu'il faut prévoir environ 2.5 fois la surface des panneaux en surface de toiture totale pour tenir compte des espacements entre rangées (pour éviter l'ombrage et permettre la maintenance) et des structures de montage inclinées. Autrement dit, la surface de panneaux installable est environ \(A_{\text{toit,dispo}} / 2.5\).

Données environnementales :

  • Facteur d'émission de CO2 du mix électrique français (pour l'électricité évitée du réseau) : \(f_{\text{GES,elec}} = 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
Schéma : Installation Photovoltaïque sur Toiture de Bâtiment
Système PV sur Bâtiment Tertiaire {/* Soleil */} Rayonnement {/* Panneaux PV sur toit */} Panneaux PV Bâtiment Tertiaire CC {/* Onduleur */} Onduleur CA {/* Compteur et Réseau/Consommation */} Compteur Consommation Bâtiment / Réseau

Schéma de principe d'une installation photovoltaïque sur la toiture d'un bâtiment.

Questions à traiter

  1. Calculer la surface maximale de panneaux (\(A_{\text{panneaux,max}}\)) pouvant être installée sur la toiture.
  2. Calculer le nombre maximal de panneaux (\(N_{\text{panneaux,max}}\)) que l'on peut installer (arrondir à l'entier inférieur car on ne peut dépasser la surface disponible).
  3. Calculer la puissance crête totale réellement installée (\(P_{\text{crête,installée}}\)) avec ce nombre de panneaux.
  4. Estimer la production énergétique annuelle (\(E_{\text{PV,produite}}\)) de cette installation.
  5. Calculer le taux de couverture des besoins électriques annuels du bâtiment par cette installation PV.
  6. Calculer la quantité d'émissions de CO2 évitées annuellement grâce à cette installation.

Correction : Système Photovoltaïque pour un Bâtiment

Question 1 : Surface Maximale de Panneaux Installable (\(A_{\text{panneaux,max}}\))

Principe :

L'énoncé indique qu'en raison des espacements nécessaires pour les installations sur toiture plate (inclinaison, ombrage, maintenance), la surface réellement couverte par les panneaux est environ 2.5 fois plus petite que la surface totale de toiture disponible.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ A_{\text{panneaux,max}} = \frac{A_{\text{toit,dispo}}}{\text{Facteur d'occupation}} \]
Données spécifiques :
  • Surface de toiture disponible (\(A_{\text{toit,dispo}}\)) : \(100 \, \text{m}^2\)
  • Facteur d'occupation du sol (inverse du facteur d'espacement) : \(1/2.5 = 0.4\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} A_{\text{panneaux,max}} &= \frac{100 \, \text{m}^2}{2.5} \\ &= 40 \, \text{m}^2 \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : La surface maximale de panneaux pouvant être installée est de \(40 \, \text{m}^2\).

Question 2 : Nombre Maximal de Panneaux Installables (\(N_{\text{panneaux,max}}\))

Principe :

Pour déterminer le nombre maximal de panneaux, on calcule d'abord la surface d'un seul panneau. Ensuite, on divise la surface maximale de panneaux installable (calculée en Q1) par la surface d'un panneau. Comme on ne peut installer qu'un nombre entier de panneaux et qu'on ne doit pas dépasser la surface disponible, on arrondit le résultat à l'entier inférieur.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ A_{\text{un_panneau}} = L_{\text{panneau}} \times l_{\text{panneau}} \] \[ N_{\text{panneaux,max}} = \text{EntierInférieur}\left(\frac{A_{\text{panneaux,max}}}{A_{\text{un_panneau}}}\right) \]
Données spécifiques :
  • Surface maximale de panneaux (\(A_{\text{panneaux,max}}\)) : \(40 \, \text{m}^2\) (résultat Q1)
  • Dimensions d'un panneau : \(1.75 \, \text{m} \times 1.05 \, \text{m}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} A_{\text{un_panneau}} &= 1.75 \, \text{m} \times 1.05 \, \text{m} \\ &= 1.8375 \, \text{m}^2 \\ N_{\text{panneaux,max}} &= \text{EntierInférieur}\left(\frac{40 \, \text{m}^2}{1.8375 \, \text{m}^2\text{/panneau}}\right) \\ &= \text{EntierInférieur}(21.7687...) \\ &= 21 \, \text{panneaux} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Le nombre maximal de panneaux que l'on peut installer est de 21.

Quiz Intermédiaire 1 : Si les panneaux étaient plus petits en surface (pour la même puissance crête unitaire), pourrait-on en installer plus sur la même \(A_{\text{panneaux,max}}\) ?

Question 3 : Puissance Crête Totale Réellement Installée (\(P_{\text{crête,installée}}\))

Principe :

La puissance crête totale réellement installée est le produit du nombre de panneaux effectivement installés (résultat de Q2) par la puissance crête unitaire de chaque panneau.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ P_{\text{crête,installée}} = N_{\text{panneaux,max}} \times P_{\text{panneau}} \]
Données spécifiques :
  • Nombre de panneaux installés (\(N_{\text{panneaux,max}}\)) : 21
  • Puissance crête d'un panneau (\(P_{\text{panneau}}\)) : \(375 \, \text{Wc} = 0.375 \, \text{kWc}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} P_{\text{crête,installée}} &= 21 \times 0.375 \, \text{kWc} \\ &= 7.875 \, \text{kWc} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La puissance crête totale réellement installée est de \(7.875 \, \text{kWc}\).

Question 4 : Production Énergétique Annuelle (\(E_{\text{PV,produite}}\))

Principe :

La production énergétique annuelle du système PV est estimée en multipliant la puissance crête réellement installée par le productible annuel moyen du site. Le productible (en \(\text{kWh/kWc/an}\)) est une valeur qui intègre l'ensoleillement local, l'orientation, l'inclinaison, et les pertes globales du système (Performance Ratio).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{\text{PV,produite}} = P_{\text{crête,installée}} \times P_{\text{roductible}} \]
Données spécifiques :
  • Puissance crête installée (\(P_{\text{crête,installée}}\)) : \(7.875 \, \text{kWc}\) (résultat Q3)
  • Productible annuel (\(P_{\text{roductible}}\)) : \(1450 \, \text{kWh/kWc/an}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{\text{PV,produite}} &= 7.875 \, \text{kWc} \times 1450 \, \text{kWh/kWc/an} \\ &= 11418.75 \, \text{kWh/an} \end{aligned} \]

Arrondissons à \(E_{\text{PV,produite}} \approx 11419 \, \text{kWh/an}\).

Résultat Question 4 : La production énergétique annuelle estimée de cette installation est d'environ \(11419 \, \text{kWh}\).

Question 5 : Taux de Couverture des Besoins Électriques

Principe :

Le taux de couverture (ou taux d'autonomie si l'on considère l'autoconsommation) est le rapport entre l'énergie produite par le système PV et la consommation électrique totale du bâtiment, exprimé en pourcentage.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{Taux de couverture} = \frac{E_{\text{PV,produite}}}{C_{\text{annuelle,bâtiment}}} \times 100\% \]
Données spécifiques :
  • Production PV annuelle (\(E_{\text{PV,produite}}\)) : \(\approx 11418.75 \, \text{kWh/an}\) (valeur non arrondie de Q4)
  • Consommation annuelle du bâtiment (\(C_{\text{annuelle,bâtiment}}\)) : \(25000 \, \text{kWh/an}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Taux de couverture} &= \frac{11418.75 \, \text{kWh/an}}{25000 \, \text{kWh/an}} \times 100\% \\ &= 0.45675 \times 100\% \\ &\approx 45.68\% \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : Le taux de couverture des besoins électriques annuels du bâtiment par cette installation PV est d'environ \(45.7\%\).

Quiz Intermédiaire 2 : Si la consommation annuelle du bâtiment était plus faible, le taux de couverture par la même installation PV serait :

Question 6 : Émissions de CO2 Évitées Annuellement

Principe :

L'électricité produite par le système photovoltaïque se substitue à de l'électricité qui aurait été fournie par le réseau électrique. En produisant de l'énergie renouvelable, on évite les émissions de gaz à effet de serre (GES) associées à la production de cette même quantité d'électricité par le mix énergétique du réseau. Les émissions évitées sont calculées en multipliant la production annuelle nette de l'installation par le facteur d'émission du mix électrique évité.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \text{CO}_{2,\text{évitées}} = E_{\text{PV,produite}} \times f_{\text{GES,elec}} \]
Données spécifiques :
  • Production PV annuelle (\(E_{\text{PV,produite}}\)) : \(11418.75 \, \text{kWh/an}\)
  • Facteur d'émission GES électricité (\(f_{\text{GES,elec}}\)) : \(0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{CO}_{2,\text{évitées}} &= 11418.75 \, \text{kWh/an} \times 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh} \\ &\approx 902.08 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : Les émissions de CO2 évitées annuellement grâce à cette installation sont d'environ \(902 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an}\).

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. La puissance crête (Wc ou kWc) d'un panneau photovoltaïque représente :

2. Le "productible annuel" d'un système PV (en kWh/kWc/an) dépend principalement :

3. L'onduleur dans un système photovoltaïque a pour rôle principal de :

Glossaire

Photovoltaïque (PV)
Technologie qui convertit directement la lumière du soleil (photons) en électricité (courant continu) grâce à des cellules semi-conductrices.
Puissance Crête (\(\text{Wc}\) ou \(\text{kWc}\))
Puissance électrique maximale qu'un module ou un système photovoltaïque peut produire dans des Conditions de Test Standard (STC) : irradiation de \(1000 \, \text{W/m}^2\), température de cellule de \(25^\circ \text{C}\), spectre solaire AM1.5.
Productible Annuel (\(\text{kWh/kWc/an}\))
Quantité d'énergie électrique (en kWh) qu'un système photovoltaïque d'une puissance crête de 1 kWc est estimé produire en une année sur un site donné, en tenant compte de l'irradiation, de l'orientation, de l'inclinaison et des pertes globales du système (Performance Ratio).
Onduleur (Inverter)
Appareil électronique qui convertit le courant continu (CC) produit par les panneaux photovoltaïques en courant alternatif (CA) compatible avec le réseau électrique et les appareils du bâtiment.
Performance Ratio (PR)
Indicateur de la qualité globale d'une installation photovoltaïque. C'est le rapport entre l'énergie réellement produite et l'énergie qui serait produite si le système fonctionnait à son rendement nominal (basé sur la puissance crête et l'irradiation incidente sur les modules) sans aucune perte. Il prend en compte les pertes dues à la température, aux câbles, à l'onduleur, à la salissure, etc.
Irradiation Solaire (\(G\) ou \(H\))
Quantité d'énergie solaire reçue par unité de surface pendant une période donnée. Généralement exprimée en \(\text{kWh/m}^2\text{/an}\) (pour l'énergie totale annuelle) ou \(\text{W/m}^2\) (pour l'irradiance instantanée).
Autoconsommation
Consommation de l'électricité photovoltaïque produite directement sur le lieu de production, au moment où elle est produite, pour les besoins propres du bâtiment.
Taux de Couverture Solaire
Fraction des besoins énergétiques d'un bâtiment (ou d'un usage spécifique comme l'ECS) qui est couverte par un système solaire (thermique ou photovoltaïque) sur une période donnée.
Système Photovoltaïque pour un Bâtiment - Exercice d'Application

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