Panneaux solaires : comment ils transforment nos températures urbaines ?

L’installation massive de panneaux solaires photovoltaïques sur les toits urbains soulève des interrogations quant à leurs impacts sur l’environnement des villes. Une étude récente a examiné les effets potentiels de ces installations sur la température locale et la qualité de l’air dans différentes métropoles mondiales. Les résultats mettent en lumière des conséquences inattendues et soulignent l’importance d’adopter une approche intégrée pour optimiser l’utilisation de cette technologie d’énergie renouvelable, tout en préservant le confort thermique des habitants.

Impacts thermiques des panneaux photovoltaïques en milieu urbain

Une équipe de chercheurs a analysé l’impact des panneaux solaires photovoltaïques sur toiture (RPVSP) dans plusieurs scénarios de couverture à Kolkata, en Inde. Des études de sensibilité spécifiques ont également été menées pour Sydney, Austin, Athènes et Bruxelles, afin de comparer leurs résultats à ceux obtenus à Kolkata.

«Nos données montrent une association linéaire entre l’augmentation de la température et le pourcentage de toits couverts de panneaux photovoltaïques. Dans un scénario de couverture maximale de 100% pendant la période estivale de pointe, les RPVSP entraînent une augmentation significative de la température diurne.» a précisé le Professeur Santamouris.

L’effet thermique des panneaux photovoltaïques avec une couverture totale des toits réduirait considérablement l’avantage énergétique renouvelable. À Sydney, les estimations indiquent que près de 40% de l’électricité produite par les panneaux est utilisée pour compenser l’impact de la surchauffe, principalement par l’utilisation accrue de la climatisation.

Mécanismes de réchauffement et de refroidissement

«Lorsque les RPVSP sont installés sur les toits, ils absorbent une quantité importante d’énergie solaire, en convertissant une partie en électricité et en générant de la chaleur dans le processus. Ce phénomène est principalement dû à l’albédo plus faible des panneaux, mais aussi à la circulation d’air sur le dessus et le dessous des panneaux, qui amplifie l’effet de chauffage.» a expliqué une nouvelle fois le Professeur Santamouris.

Pendant la période estivale de pointe, la surface des panneaux peut atteindre une température de 70°C, rendant impossible tout effet de refroidissement sur la température urbaine. Cependant, le transfert de chaleur par rayonnement pendant la nuit entraîne une température de surface des panneaux inférieure à la température urbaine, abaissant ainsi la température de l’air environnant.

Selon le Professeur Santamouris, ce bénéfice nocturne est crucial, car l’impact du réchauffement climatique devrait se faire sentir le plus fortement pendant les nuits, qui pourraient se réchauffer d’environ 4°C en moyenne au cours du prochain siècle.

Effets complexes sur l’environnement urbain

L’étude a également révélé que les RPVSP peuvent avoir des effets complexes supplémentaires sur d’autres conditions locales. En particulier, ils peuvent réduire les concentrations de polluants en augmentant la couche limite planétaire – la partie la plus basse de l’atmosphère influencée par les conditions de surface de la Terre – entraînant des vitesses de vent plus élevées et une dilution des polluants.

Le Professeur Santamouris a ajouté : «Les RPVSP améliorent également la pénétration des brises marines côtières plus loin à l’intérieur des terres dans les villes côtières, tout en réduisant la concentration de polluants au niveau du sol. Cela compense en partie l’effet d’augmentation de la température pendant la journée et est important pour des villes comme Kolkata où le problème des polluants est très pressant.»

Solutions intégrées pour optimiser les panneaux photovoltaïques

Le Professeur Santamouris affirme qu’il est possible de concevoir des RPVSP qui atténuent leurs impacts de chauffage diurne tout en maintenant leurs avantages, grâce à des stratégies de refroidissement avancées. De plus, les innovations dans les matériaux de pointe combinées aux RPVSP offrent un potentiel significatif pour créer des systèmes photovoltaïques frais qui fonctionnent à des températures plus basses et réduisent les impacts thermiques.

En particulier, le Professeur Santamouris préconise l’utilisation de systèmes photovoltaïques hybrides qui intègrent des panneaux avec un système de collecte thermique à base d’eau pour absorber l’excès de chaleur pour la production d’eau chaude.

Il explique : «Il est déjà possible de refroidir la surface des panneaux photovoltaïques en faisant circuler de l’eau. Les conceptions qui font circuler l’eau derrière les panneaux absorbent l’excès de chaleur et améliorent l’efficacité des panneaux en abaissant les températures de fonctionnement, tandis que l’excès d’énergie solaire peut être canalisé pour fournir de l’eau chaude à moindre coût.»

Des matériaux de toiture hautement réfléchissants qui renvoient la chaleur plutôt que de l’absorber pourraient également être utilisés pour augmenter la production d’énergie des RPVSP à proximité tout en atténuant le chauffage urbain local pendant la journée. L’ajout d’autres puits de chaleur tels que la végétation sur les toits peut également améliorer l’efficacité des panneaux photovoltaïques.

Et de conclure : «La combinaison des panneaux photovoltaïques avec des toits verts ou des toits frais peut augmenter la capacité des panneaux jusqu’à 6-7% et réduire considérablement les températures de surface. Si nous souhaitons continuer à installer des panneaux photovoltaïques sur les toits, ces solutions intégrées doivent être sérieusement envisagées pour maximiser l’efficacité des RPVSP et relever les défis de la chaleur urbaine.»

Source : UNSW Sydney