Comment les toitures végétalisées rendent les panneaux solaires plus performants en Australie

L'énergie solaire en toiture est devenue le choix par défaut pour les bâtiments commerciaux et résidentiels en Australie, et ce n'est pas un hasard. Mais à mesure que de plus en plus de toits se couvrent de panneaux, une nouvelle question émerge : la surface sous les panneaux pourrait-elle compter tout autant que les panneaux eux-mêmes ? Une étude de référence sur le toit vert Australie, menée à Sydney, répond par l'affirmative — et les chiffres sont difficiles à ignorer.

Des chercheurs de l'University of Technology Sydney (UTS), en collaboration avec Lendlease, Junglefy et la Ville de Sydney, ont comparé pendant huit mois un toit solaire classique à un toit « biosolaire » — des panneaux solaires combinés à une toiture végétalisée — sur deux bâtiments quasiment identiques à Barangaroo. Résultat : le toit biosolaire a produit 3,63 % d'énergie en plus, dans des conditions de lumière comparables, par rapport au toit photovoltaïque classique voisin. Pour les propriétaires qui cherchent à tirer davantage de valeur de chaque mètre carré de toiture, ce chiffre mérite qu'on s'y attarde.

Dispositif d'essai

Ce qui distingue cette étude, ce n'est pas seulement le résultat, mais la rigueur de la méthode. La plupart des recherches précédentes sur les toits verts et le solaire comparaient des bâtiments situés à des endroits différents, d'âges différents ou de constructions différentes, ce qui rend presque impossible d'isoler la cause de l'effet. Cette étude n'a pas ce problème.

Les chercheurs ont utilisé deux bâtiments voisins, quasiment identiques, à Barangaroo, Sydney :

1.   Daramu House — un toit biosolaire combinant panneaux photovoltaïques et toiture végétalisée extensive

2.   International House — un toit classique avec panneaux photovoltaïques uniquement, sans végétation

A) Le toit végétalisé de la Daramu House, vue depuis la Barangaroo Tower 1, et B) La terrasse sur le toit de l'International House, avec vue vers le sud.

Les deux toits ont la même surface (1 863 m²), un âge similaire, et sont exposés au même ensoleillement, au même vent et aux mêmes ombres portées par les tours environnantes. De septembre 2020 à avril 2021, l'équipe a suivi la production solaire, les températures des panneaux et du sol, ainsi que les conditions météorologiques à l'aide de données d'onduleurs SolarEdge, de stations météo, d'enregistreurs de température i-Button et de caméras thermiques — 234 jours de mesures continues, en parallèle.

Point essentiel : l'équipe n'a pas comparé uniquement les données brutes. Les résultats ont été corrigés pour tenir compte des différences de rendement des panneaux, de capacité du système et d'âge des panneaux entre les deux toits, puis les deux systèmes ont été modélisés dans des conditions d'éclairage simulées identiques à l'aide d'un logiciel de modélisation solaire 3D. C'est cette étape supplémentaire qui transforme une anecdote intéressante en preuve réellement fiable.

Modèle 3D des géométries urbanistiques de Barangaroo (à gauche), disposition réelle des panneaux photovoltaïques sur les toitures conventionnelles et végétalisées (en haut à droite) ainsi que le rayonnement solaire annuel moyen (en bas à droite).

Résultats

Un gain de production mesurable, même après la correction des données

Les chiffres clés parlent d'eux-mêmes :

•     +13,1 % de production quotidienne supplémentaire sur le toit biosolaire, dans les données brutes non corrigées

•     +6 % de production supplémentaire spécifiquement autour de midi solaire, lorsque l'ombre portée par les bâtiments environnants est la plus faible

•     +3,63 % de gain vérifié une fois les résultats normalisés selon le type de panneau, la taille du système, l'âge et les conditions de lumière — la comparaison la plus juste de l'étude

•     Sur les 8 mois d'essai, cela s'est traduit par 9,5 MWh d'électricité supplémentaires, soit environ 2 595 $ AUD de revenus additionnels, et 7,7 tonnes de CO2e supplémentaires évitées — l'équivalent de 110 arbres plantés

Rendement énergétique horaire moyen (kW) pour chaque toiture, toutes mesures confondues.

Le secret : une toiture plus fraîche

Pourquoi la végétalisation améliorerait-elle la production électrique d'un panneau solaire ? La réponse tient à la température. Les panneaux solaires perdent en rendement à mesure qu'ils chauffent, et les capteurs thermiques de l'étude ont montré que le toit vert restait systématiquement plus frais sous les panneaux que le toit classique nu — dans certaines conditions, les températures au niveau du sol étaient jusqu'à 30,5 °C plus basses. Cet effet rafraîchissant, dû à l'évapotranspiration des plantes et à l'ombrage, semble donner aux panneaux situés au-dessus un véritable avantage de performance, en particulier pendant les étés chauds australiens.

Plus que de l'électricité

Si la production d'énergie est au cœur de cet article, il convient de noter que le toit biosolaire a également apporté toute une série d'autres bénéfices sur la même période : neuf fois plus de biodiversité d'insectes, quatre fois plus d'espèces d'oiseaux, une réduction modélisée du débit de pointe des eaux pluviales de 634 l/s à seulement 7 l/s lors d'un événement pluvieux d'occurrence 1 sur 5 ans, ainsi qu'une réduction mesurable du NO2, de l'ozone et des particules fines dans l'air. Pour tout bâtiment visant une certification Green Star ou des objectifs ESG, c'est un argument secondaire convaincant.

Implications

Pour les propriétaires, promoteurs et gestionnaires de bâtiments en Australie, cette étude redéfinit la toiture comme bien plus qu'un simple support pour panneaux. Quelques enseignements pratiques :

•     La toiture peut remplir une double fonction. Plutôt que de choisir entre un toit vert et une installation solaire, cette recherche montre que les deux peuvent fonctionner ensemble, la végétation soutenant activement la performance des panneaux plutôt que de les concurrencer.

•     Le refroidissement compte autant que l'inclinaison ou l'orientation. La même physique qui permet à un toit vert d'améliorer la production des panneaux — en les gardant plus frais — explique en partie pourquoi d'autres configurations, comme les installations solaires verticales, suscitent également un intérêt croissant pour mieux gérer la chaleur et l'exposition à la lumière.

•     Le retour sur investissement s'accumule dans le temps. Un gain de 3,63 % peut sembler modeste sur un seul panneau, mais à l'échelle d'une installation commerciale sur toute sa durée de vie, cela représente une différence significative en production, en revenus et en émissions évitées — en plus des bénéfices en matière de gestion des eaux pluviales, de biodiversité et de qualité de l'air, de plus en plus valorisés par les certifications de bâtiments.

•     L'intégration doit être pensée dès la conception. La disposition, l'inclinaison et l'espacement des panneaux du toit biosolaire de cette étude ont été spécifiquement adaptés pour s'accorder à la végétation, ce qui suggère que les meilleurs résultats proviennent d'une conception conjointe des deux systèmes, plutôt que d'un ajout a posteriori de l'un sur l'autre.

Il convient aussi d'être transparent sur les limites de l'étude : elle s'est déroulée sur 8 mois plutôt qu'une année complète, la performance hivernale n'a donc pas été mesurée, et elle repose sur une seule paire de bâtiments. Les chercheurs eux-mêmes recommandent des études à plus grande échelle avant de généraliser trop largement ces résultats — mais en tant que preuve de concept, elle est solide.

Résumé

L'étude de Barangaroo menée par l'University of Technology Sydney apporte l'une des preuves de terrain les plus rigoureuses à ce jour qu'un toit vert n'est pas un simple atout pour la biodiversité et l'esthétique — il peut réellement améliorer la performance des panneaux solaires installés au-dessus. Un gain d'énergie vérifié de 3,63 %, dû à un microclimat de toiture plus frais, se traduit par de véritables économies, de réelles réductions d'émissions, et un argument plus solide en faveur de l'investissement dans les énergies renouvelables dans les villes australiennes.

Alors que la pression augmente sur les promoteurs et propriétaires pour tirer davantage parti de chaque mètre carré de toiture, cette approche intégrée — solaire et végétalisation conçus ensemble dès le départ — ressemble de moins en moins à une expérimentation de niche et de plus en plus à l'avenir de la conception des toitures commerciales en Australie.

Source: Green Roof & Solar Array – Comparative Research Project

Final Report July 2021, University of Technology Sydney