Modélisation du productible solaire en milieu urbain

Modeling of Solar Production in Urban areas

• Auteur / Autrice : Karine Bouty
• Direction : Christophe Ménézo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences, ingénierie, environnement (Chambéry ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'optimisation de la conception et ingénierie de l'environnement (Le-Bourget-du-Lac, Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Marjorie Musy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Giroux-Julien, Martin Thebault
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc Muselli, Christian Inard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Villes

Rayonnement solaire

Mots clés libres

Potentiel solaire

Cadastre solaire

Milieu urbain

Verticalité

Solar potential

Solar cadastre

Urban environment

Verticalities

Résumé

L’énergie solaire est une forme d’énergie renouvelable qui possède plusieurs avantages notamment d’être abondante et diffuse sur la surface du globe et non carbonée. Bien exploiter alors cette énergie est devenu très intéressant surtout en zones urbaines où la consommation d’énergie augmente de plus en plus. Cependant, dans un milieu urbain, l’estimation de ce potentiel est fortement liée à plusieurs contraintes comme la présence de végétation, les phénomènes physiques spécifiques aux milieux urbains (vent, rayonnement et effets inter bâtiments,…), la variabilité liée aux effets d’ombrage, etc. L’évaluation du potentiel solaire sous la forme de cartographie du gisement solaire à l’échelle d’un territoire appelée aussi « cadastre solaire », peut-être un levier important pour inciter au déploiement de cette ressource. Cependant, un cadastre solaire tel qu’actuellement rencontré se présente sous la forme d’une carte d’un territoire représentant pour la plupart, un niveau d’irradiation solaire moyen annuel et en toiture uniquement. Néanmoins, exploiter le potentiel d’énergie solaire arrivant sur les façades d’un bâtiment peut représenter un intérêt dans un contexte de développement massif de l’énergie solaire. Ce gisement radiatif est par contre très mal connu et nécessite notamment une estimation des composantes réfléchies ce qui n’est pas, jusqu’à maintenant intégré dans les outils conduisant à ces cartographies. L’objectif de cette thèse est d’atteindre une estimation plus complète du potentiel solaire à l'échelle d'un territoire urbain, et d’étendre les fonctionnalités actuelles du cadastre solaire fourni par Archelios MAP pour qu’il prenne dans son calcul du potentiel solaire, le potentiel existant sur les façades d’un bâtiment. Cette thèse de doctorat est divisée en quatre parties principales. La première porte sur le choix de l’outil le plus adapté pour la prise en compte des contraintes du calcul du potentiel solaire en milieu urbain.L’outil choisi pour mener cette étude est DIVA-for-Rhino. Un logiciel optimisé pour la modélisation de la lumière du jour et de l'énergie pour le modeleur Rhinoceros. Il permet de traiter les verticalités (façades des bâtiments), le rayonnement réfléchi et l’effet d’ombrage produit dans un environnement urbain. Des cas d’études sur des quartiers fictifs et un quartier réel sont traités sur DIVA-for-Rhino afin de bien tirer des conclusions sur le rôle des façades dans le potentiel solaire en prenant en considération la composante réfléchie du rayonnement solaire. La deuxième partie, consiste à comparer et analyser les approches de modélisation permettant d’atteindre le potentiel solaire entre le cadastre solaire Archelios MAP et DIVA-for-Rhino sur des quartiers fictifs. Cette étape avait comme but de tirer des conclusions sur l’apport des verticalités et ainsi améliorer et compléter le cadastre solaire sur un niveau d’estimation d upotentiel solaire sur les façades. La troisième étape consiste à implémenter au sein du code d’Archelios MAP le calcul du potentiel solaire sur les pixels verticaux, puis le tester en comparant les résultats avec DIVA-for-Rhino. La dernière étape est dédiée à des simulations pour des cas réels. L’objectif est de valider expérimentalement Archelios MAP en comparant son calcul du potentiel solaire, sur les toitures, avec des données de production des quartiers réels sur l’agglomération de Grenoble.

Solar energy is a form of renewable energy that has several advantages, including being free andnon-carbonized. Making good use of this energy, especially after the new energy transition law,has become very interesting, especially in urban areas where energy consumption is increasingmore and more. However, in an urban environment, the estimation of this potential is stronglylinked to several constraints such as the presence of vegetation, inter-building effect(reflections), etc. A calculation of the solar potential in the form of a solar cadaster offers manyadvantages, and it is an important way to encourage deployment. Except that a solar cadasteris a map of a territory that highlights solar energy that only arrives on the roofs and only over anaverage year. Nevertheless, exploiting the solar potential arriving on the facades of a buildingcan increase the solar potential by estimating more precisely the reflected component whichuntil now has not been considered because of the complexity generated.The objective of this thesis is to reach a more complete estimation of the solar potential at anurban territory scale, and to extend the current functionalities of the solar cadaster generator,ArcheliosMAP, in order to deal with the calculation of the solar potential on building facades.This doctoral thesis is divided into four main parts. The first concerns the choice of the mostsuitable tool for taking into account the constraints of calculating solar potential in urban areas.The tool chosen for this study is DIVA-for-Rhino (RADIANCE). Optimized software for daylightand energy modeling for the Rhinoceros modeler. It is used to treat verticalities (buildingfacades), reflected radiation and the shading effect produced in an urban environment. Casestudies on fictitious districts and a real district are treated on DIVA-for-Rhino in order toconclude the role of facades in solar potential by taking into account the reflected componentof solar radiation. The second part consists in comparing and analyzing the modeling approachesused to have the solar potential in both ArcheliosMAP and DIVA-for-Rhino. For this comparison,fictitious districts have been designed for the computation. The aim of this study was to haveconclusions on the contribution of verticalities and thus improve and complete the estimationof solar potential on the facades provided by ArcheliosMAP. The third step consists of addingsolar potential in the vertical pixels for ArcheliosMAP, then testing it by comparing the resultswith DIVA-for-Rhino. The last step is dedicated to real-case simulations. The objective is toexperimentally validate ArcheliosMAP by comparing its calculation of solar potential, on roofs,with production data from real neighborhoods in the agglomeration of Grenoble.