Associer végétalisation des toitures et panneaux photovoltaïques pour améliorer la production d'énergies renouvelables

Une toiture biosolaire est une combinaison entre une toiture végétalisée et une toiture composée de panneaux photovoltaïques. Ce système permet de cumuler les avantages des deux solutions.

Aléa(s) climatique(s) concerné(s) :

Type(s) d'action(s) :

France entière
Enjeux d'adaptation

Production locale d'électricité et abattement des eaux pluviales

Ce type de solution permet de soulager les réseaux d'assainissement en cas de fortes pluies grâce à la végétalisation. L'originalité des toitures biosolaires est d'associer à la toiture végétalisée la production d'électricité verte dans le but de réduire les tensions sur les ressources énergétiques. Une toiture végétalisée peut aussi améliorer le confort thermique.
Points forts

Une toiture multifonctionnelle

  • Amélioration de la production énergétique des panneaux solaires : de 2 à 5% en moyenne selon la bibliographie actuelle
  • Abattement pluvial : pouvant aller jusqu'à 100% des eaux pluviales absorbées
  • Introduction de biodiversité variée en milieu urbain grâce à la végétation et l'ombre des panneaux
  • Amélioration de l'isolation thermique et baisse de la température du bâtiment : en moyenne 15 à 20°C sur la surface du toit
Solution OASIS Bio Solar, Le Prieuré Végétal, Toits d'Eau de Paris - © APC 
Solution OASIS Bio Solar, Le Prieuré Végétal, Toit de l'ECE Paris - © Le Prieuré
Description de la solution

Domaine d'application : Bâtiments

Qu'est-ce qu'une toiture biosolaire ?

Le terme « biosolaire » est utilisé pour décrire la combinaison entre une toiture végétalisée et une installation de panneaux solaires photovoltaïques (PV). Ces deux solutions sont généralement mises en concurrence dans la rénovation d’une toiture. Mais en réalité, elles ne sont pas incompatibles et présentent même des bénéfices l’une pour l’autre.
 
Cette solution a commencé à majoritairement se développer à partir des années 2010. Depuis, elle a donné lieu à plusieurs études, mais elle reste principalement à l’état d’expérimentations. En France, quelques entreprises commencent à commercialiser leurs versions de toitures biosolaires.

Quels sont les avantages d'une toiture biosolaire ?

D’abord, la solution biosolaire présente les même avantages qu’une toiture végétalisée classique :

  • Phénomène d’évapotranspiration (notamment par la transpiration des plantes) rafraîchissant l’air ambiant et améliorant le confort thermique des bâtiments
  • Limitation du ruissellement et soulagement du réseau d’assainissement
  • Apport de biodiversité sur les toitures
  • Les espaces aménagés peuvent constituer des lieux de rencontre ou de détente.

Un gain de performance pour les panneaux photovoltaïques

Du côté des panneaux photovoltaïques, la mise en place d’une végétalisation a pour effet d’améliorer les performances. En effet, de manière contre-intuitive, plus un PV est confronté à la chaleur, plus son rendement énergétique est faible. En moyenne, il est considéré qu’au-dessus de 25°C, le panneau photovoltaïque va perdre en efficacité. 

La végétation a pour avantage de refroidir les PV par évapotranspiration bénéficiant alors à la performance énergétique ainsi qu’à la durabilité des panneaux. La bibliographie actuelle donne un ordre de grandeur de 3 à 5 % de rendement supérieur (une étude va jusqu’à 8%) (Cavadini, M. Cook, 2021).

De plus, le PV n’entre pas directement en contact avec le toit grâce au lestage apporté par le substrat ou le système végétalisé (par exemple une dalle en béton). 

Des bénéfices pour la végétation et la biodiversité

Par ailleurs les modules photovoltaïques créent des zones d’ombre utiles à la faune et la flore, diversifient l’approvisionnement en eau pour ces derniers et modifient la circulation de l’air. Ces effets favorisent la biodiversité en constituant des écosystèmes favorables au développement d’une flore et d’une faune diversifiée. La solution biosolaire représente également une manière d’optimiser l’espace dans le milieu urbain, connu pour sa forte densité.

Comparaison entre les toitures biosolaires et les toitures solaires avec peinture réfléchissante

Pour augmenter la productivité des panneaux photovoltaïques, une autre méthode consiste à appliquer une peinture blanche réfléchissante sur la toiture, en utilisant l’effet d'albédo pour rafraîchir la toiture en plus de renvoyer davantage de luminosité vers les panneaux.
 
Cependant il faut noter que les peintures peuvent se dégrader plus facilement au fil des ans à cause de la pollution, et n’ont pas l’avantage de créer de la biodiversité. Une toiture végétalisée semble donc produire plus de co-bénéfices (gestion des eaux pluviales, introduction de biodiversité) mais sa réalisation sera toutefois plus coûteuse.


Afin de vous assister dans la conception de votre toiture végétalisée et de la mettre en valeur une fois réalisée. L'ADIVET (Association des Toitures & Façades Végétales) a mis en place le GreenRoofScore: un référentiel visant à évaluer les performances des toitures végétalisées. Celui-ci se base sur 4 services écosystémiques : lutte contre l'îlot de chaleur urbain, gestion de l'eau, accueil de la biodiversité et préservation de la santé et du bien-être afin de classer un projet selon son niveau d'exemplarité. Plus d'information et lien vers le référentiel sur le site de l'ADIVET.

Expérimentation de la solution

Expérimentation à Barangaroo par l'Université technologique de Sydney

Entre août 2020 et juillet 2021, l’Université technologique de Sydney a mené une étude visant à comparer une toiture biosolaire à une toiture simplement équipée de panneaux photovoltaïques dans la banlieue de Barangaroo, à Sydney.
 
Respectivement, les toitures végétalisées et conventionnelles disposaient de 593,96 m² et de 567,44 m² de couverture photovoltaïque. Avec près de 40,66% de la toiture végétalisée recouverte par les panneaux solaires. Le type de végétation y était extensive avec un substrat de 120 mm.
 
Dans un rapport publié en juin 2021, l’enquête (P.Irga et al., 2021) met plusieurs observations en valeur :


  • Biodiversité : la variété d’insecte et la présence d’oiseaux étaient largement supérieurs sur la toiture végétalisée.
  • Pollution de l’air : le toit végétalisé avait un potentiel d’élimination des polluants, comme le protoxyde d’azote, l’ozone et les particules fines, supérieur au toit conventionnel grâce au feuillage.
  • Isolation thermique : la température en surface des toitures était moins élevée sur la toiture végétalisée, avec une valeur pouvant atteindre -20°C certains jours d’été. Cet effet de rafraîchissement a également été observé sous les panneaux solaires.
  • Absorption de carbone : la toiture végétalisée a permis d’atténuer la production de 3,3 t-CO2e (tonnes de CO2 équivalents) de plus que sur la toiture conventionnelle, notamment grâce au processus de photosynthèse permis par la végétation.
  • Ruissellement : d’après leur simulation, les chercheurs ont démontré que le sol végétal pouvait absorber une plus grande part des eaux de pluie lors de tempêtes. Dans leur cas, 600 litres par secondes de plus que le toit conventionnel en cas de tempête de très forte intensité.
  • Efficacité énergétique : testé dans des conditions similaires, les panneaux photovoltaïques de la toiture végétalisée ont un généré jusqu’à 3,63% d’énergie en plus.

Retours utilisateurs-rices

Rencontre avec des chercheur·euses et acteur·rices impliqué·es sur des projets de toitures biosolaires

Afin de mieux comprendre où en était la recherche sur la solution biosolaire, nous avons interrogé plusieurs personnes travaillant dans ce domaine.

Le Cerema et le projet PROOF


Rémy Claverie, chercheur au Cerema responsable scientifique du projet PROOF (Photovoltaic and greenROOF), nous a parlé de son projet de recherche. Celui-ci consiste à comparer les bénéfices environnementaux et énergétiques des toitures biosolaires avec d'autres techniques que l'on rencontre couramment en toiture : toiture standard en gravier, toiture avec peinture réfléchissante (coolroof) et une toiture végétalisée avec récupération des eaux de pluie.
 
Selon lui, la toiture biosolaire est encore une technologie jeune, et même si la bibliographie tend à se densifier depuis les années 2010, il existe encore peu d'études scientifiques, notamment en France. C’est pourquoi, si l’on peut déjà dire que cette solution octroie des bénéfices sur la biodiversité et sur l'amélioration de la production électrique du panneau photovoltaïque, nous ne pouvons pas être très précis. C’est d’autant plus le cas que le nombre de facteurs à prendre en compte est immense (conditions climatiques, type de panneaux photovoltaïques, etc…).
 
Le projet PROOF est toujours en cours et devrait voir ses résultats publiés dans la deuxième moitié de 2023. Ce projet est subventionné par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR19-CE22-008). 

L'Institut National de l'Energie Solaire (INES) au Bourget-du-lac et son démonstrateur de comparaison de performance de toitures terrasses solarisées


Pour en savoir plus sur les toitures biosolaires de l’INES, nous avons rencontré Olivier Verdeil, responsable du pôle photovoltaïque à l’INES PFE (Plateforme Formation et Evaluation).
 
Dans le cadre de l’activité de formation et d’expertise, il a été décidé de mettre en place un démonstrateur (afin d’avoir une approche plus pédagogique). Celui-ci a pour but de comparer la performance des toitures terrasses solarisées selon le type d’albédo et la technologie des modules photovoltaïques. C’est pourquoi il a été installé 24 panneaux solaires sur 4 zones avec différentes configurations (chacune avec 4 modules PV monofaciaux et 3 modules PV bifaciaux) :

 
L’installation des différentes configurations n’a pas demandé d’études préalables approfondies car la toiture était déjà très renforcée. Il a seulement fallu compenser la charge apportée par la partie biosolaire en ôtant une grande part des graviers sur la zone correspondante.
 
Il faut noter que l’expérimentation se concentrent sur la performance électrique des panneaux solaires, et non sur les questions d’apports environnementaux.
 
Comme pour l’étude PROOF du CEREMA, les résultats précis de l’expérimentation ne sont pas encore disponibles. Le démonstrateur dans sa globalité n’a été mis en place qu’en octobre 2022, il faudra donc attendre l'été 2023 pour obtenir suffisamment de données, permettant ensuite de pouvoir se prononcer sur des résultats fiables.

Néanmoins, Olivier Verdeil nous a fait remarquer que la peinture Coolroof donne de très bons résultats de performance, là où la toiture végétalisée semble être moins efficace du point de vue de la production électrique. Il faut cependant noter que cette dernière a l’avantage d’avoir des co-bénéfices environnementaux plus importants.

Un Toit Vert et Solaire : une expérimentation de toiture biosolaire à Orly-Rungis

 
Sur le site d’Orly-Rungis, une expérimentation de toitures biosolaires, a été engagée depuis fin 2019. Celle-ci est le fruit de la coopération entre plusieurs acteurs :
  • le CDC Biodiversité en tant que maître d’ouvrage de l’expérimentation.
  • de l’ICADE pour la mise à disposition du site.
  • de l’Institut d’Ecologie et des Sciences de l’Environnement de Paris (IEES), et notamment de la doctorante Marie Belin (Sorbonne Université et IEES Paris), pour le suivi scientifique de l’expérimentation.
  • de l’Office français de la Biodiversité, financeur d’une partie du projet.
  •  de la société Vertige international pour la création et la pose de la toiture végétalisée(l’entreprise a créé des bacs pour lester les PV au-dessus des substrats spécifiquement pour l’expérimentation).
  • et de l’entreprise SOLSTYCE pour la fourniture des panneaux solaires (monofaciaux et monocristallins).
 
Nous avons interrogé Marie Belin (doctorante en écologie urbaine) pour en savoir plus sur cette expérimentation.

44 panneaux photovoltaïques ont été répartis sur 4 types de bacs : un bac gravier, un bac composé de sédums, un bac comprenant 10 espèces végétales et un dernier comprenant 20 espèces végétales (avec 10 végétaux adaptés à l’ombre, et 10 végétaux plus adaptés à la lumière). Les essences utilisées sont d’ailleurs toutes régionales. Les panneaux solaires sont lestés par le bac, installés sur des rails et surélevés à 80 cm au plus bas, et à 1m 20 au plus haut.
 
Si l’étude cherche à observer l’efficacité d’une toiture végétalisée à influencer le rendement énergétique des panneaux photovoltaïques, le sujet de recherche de Marie Belin se concentre principalement sur la question des apports environnementaux et de biodiversité de la solution biosolaire. Ainsi l’expérimentation est plus axée sur le bien-être de la toiture, sur la végétation, sur la pollinisation ou encore sur l’évolution du sol.
 
Les premiers résultats de l’expérimentation, notamment sur la biodiversité des sols, devraient être publiés au cours de l’été 2023. Dans le cadre du projet, il est également mené une étude sur la gestion des eaux pluviales en toitures et sur la qualité de ces eaux dans un contexte de proximité d’aéroport et de périphérique routier.
 
Pour en savoir plus sur l’expérimentation : Lien Youtube.

Co-bénéfices

Co-bénéfices environnementaux :

  • Biodiversité
  • Transition énergétique
  • Abattement des eaux pluviales

Co-bénéfices autres :

  • Amélioration de la qualité de vie des résidents.es
Coûts

Combien coûte une installation de toiture biosolaire ?

D’abord, installer une toiture végétalisée demande une étude préalable de faisabilité. Pour une étude structure, le montant est compris entre 1000 et 5000 €. Il faut aussi compter 1500 € en moyenne si on souhaite faire concevoir le projet par un maître d’œuvre.
 
Les coûts dépendent de la méthode de conception, du fournisseur ou encore de la méthode d’entretien. Il faut noter que le coût sera plus élevé pour une toiture biosolaire que pour une installation végétalisée ou photovoltaïque ordinaire. A titre d’exemple : dans le cas de la solution de toiture végétalisée de l’entreprise Le Prieuré, il faudra compter environ 40 € de plus au m² pour un module biosolaire. Sur le marché actuel, la pose d’une toiture biosolaire coûte entre 140 € et 220 € au m².
 
Il est également important de prendre en compte que le coût d’installation des panneaux solaires n’est pas compris dans l’installation d’un module biosolaire. Il faudra donc ajouter en supplément le coût d’une installation de panneaux, qui varie selon la puissance et le type de ces derniers. 

Quelles aides financières mobilisables pour installer une toiture biosolaire ?

Aides relatives à la végétalisation des toitures :


  • Via le fond Îlots de Fraîcheur Urbain, la Région Île-de-France peut aider au financement de la création de toitures végétalisées. Celles-ci doivent cependant être semi-intensives (entre 15 et 30 cm de l’épaisseur du substrat).
  • Les agences de l’eau peuvent également aider au financement des toitures végétalisées dans le cadre de la réduction à la source des écoulements des eaux pluviales. Dans ce cadre, l’Agence de l’Eau Seine-Normandie propose notamment une aide pouvant aller jusqu’à 100 € du m² en fonction de l’épaisseur du substrat (> 8cm) et de l’intérêt du projet.
  • Un projet de rénovation énergétique de l’immeuble peut également rendre éligible à des aides. C’est le cas à Paris via le dispositif EcoRénovons Paris + qui subventionne la végétalisation avec un bonus pouvant aller jusqu'à 45€/m² végétalisé. 
  • Le dispositif CoprOasis, lancé par la Ville de Paris, accorde aussi une aide à la végétalisation. Les études préalables à l’installation (portance, diagnostics, maîtrise d’œuvre) sont prises en charge à hauteur de 5000 € maximum. L’aide touche aussi les travaux en eux-mêmes puisque si le projet de végétalisation recouvre 70% de la surface libre de la toiture et que la taille du substrat dépasse 10 cm, CoprOasis peut subventionner le projet jusqu’à 30 000 €. Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site de l’APC et sur CoachCopro.
 

Aides relatives à l'installation des panneaux solaires : 


  • La Région Île-de-France propose une subvention pour le développement des énergies renouvelables électriques. Celle-ci vise à soutenir les études préalables à des travaux de production d'énergies renouvelables électriques, les travaux de préparation d'une toiture à l'installation de panneaux solaires, ainsi que l’installation d’énergie solaire photovoltaïque (pour les projets en autoconsommation individuelle ou collective sans tarif d’achat et projetant une puissance d'installation de minimum 10 kwc).

Complexité et contexte de mise en oeuvre

Bien choisir sa végétation

La toiture biosolaire est adaptée à la végétation extensive (4 à 12 cm) comme semi-intensive (12 à 20 cm). On aura néanmoins tendance à privilégier la seconde option, accueillant plus de biodiversité. En amont de la réalisation de la toiture, il est donc important de bien choisir le substrat, ainsi que la végétation à mettre en place. 

Les études sur le choix des végétaux les plus symbiotiques avec les panneaux photovoltaïques sont encore peu nombreuses. Il est cependant nécessaire de prendre en compte différents facteurs :

  • Eviter les plantes trop hautes car elles peuvent faire de l’ombre aux panneaux, réduisant ainsi leurs performances.
  • Choisir des plantes au fort pouvoir évapotranspirant (ex : vivaces à fleurs, herbacées, graminées, bulbeuse) pour rafraîchir efficacement.
  • Il est important de se focaliser sur des plantes locales et d’en avoir une bonne diversité sur la surface de la toiture. La résistance de ces plantes aux sécheresses est également un point important à prendre en compte dans un contexte de réchauffement climatique.
  • Un système d’irrigation autonome, par récupération des eaux de pluie et arrosage par capillarité notamment, est pertinent à mettre en place afin de favoriser une gestion de l’eau durable. 

Attention à la portance et à l'étanchéité 

La réalisation d’une toiture biosolaire répond aux mêmes problématiques qu’une toiture végétalisée ordinaire. Celle-ci doit faire l’objet d’une demande préalable quand le bâtiment est existant ou d’une demande de permis de construire si le bâtiment doit être surélevé.
 
Afin d’évaluer la pertinence d’un projet de toiture végétalisée, une étude de faisabilité en amont doit être assurée par un professionnel, notamment pour évaluer la portance du bâtiment. Dans le cadre d’une rénovation du bâtiment, cette étude peut être intégrée dans le Diagnostic Technique Global (DTG).
 
Il faut aussi bien prendre en compte les dimensions paysagères et techniques : dimension des composants, étanchéité de la toiture, taille du substrat à mettre en place, types de végétaux, accessibilité ou non de la toiture, etc... Pour vous accompagner dans ces démarches, certaines entreprises fournissant des systèmes biosolaires proposent de mettre à disposition leurs propres bureaux d'études et experts.
 
Le projet de toiture peut également être réalisé par une entreprise réalisant des travaux d’étanchéité sur les toitures.

Peut-on installer des panneaux solaires sur une toiture végétalisée déjà mise en place ?

Il est souvent plus aisé de créer une toiture biosolaire en partant d’une toiture ordinaire. La question de rajouter des panneaux photovoltaïques à une toiture déjà végétalisée se pose néanmoins pour les chercheurs et il en ressort que la manœuvre est plus complexe mais réalisable.
 
Certaines solutions proposent un lestage des panneaux en les posant sur la végétation ou l’installation en hauteur des panneaux avec la mise en place de grandes plaques pour éviter que le vent ne s’engouffre à l’arrière et entame la résistance et réduise la performance des PV.

Un entretien limité et des bénéfices sur le long terme

Enfin, la toiture biosolaire représente un coût supplémentaire, mais ses bénéfices à long terme sont importants à prendre en compte dans le cadre d’une rénovation pérenne d’une toiture (économies sur le chauffage ou la climatisation).

L’entretien y est notamment assez faible et consiste principalement à désherber les plantes invasives ou qui feraient de l’ombre aux panneaux solaires.

Prestataire(s)

  • Le Prieuré Végétal


    Développée par Le Prieuré Végétal, la solution OASIS Bio Solar est basée sur la gamme OASIS Toiture Hydroactive, dont le but est de végétaliser les toits tout en récupérant les eaux de pluie afin de tendre vers du « zéro rejet ». Bio Solar propose d'ajouter un système de fixation permettant l'installation de panneaux photovoltaïques.

    Caractéristiques du produit


    • Système de fixation des PV : Easy Roof Flat (par l'entreprise IRFTS), compatible avec une centaine de références de PV.
    • PV auto-lestés par le substrat. Pas d'interférence avec l'étanchéité du bâtiment, le système OASIS étant directement posé dessus
    • Rafraîchissement des PV par évapotranspiration (sub-irrigation par mèches de capillarité)
    • Substrat : de 4 à 14 cm
    • Poids : environ entre 130 et 245 kg/m²
    • Conception de la toiture possible par l'équipe de maîtrise d'œuvre de l'entreprise: LE CRAYON VERT®
     

    Coûts


    • Fourniture complète et pose du système : entre 140 et 160 € du m2
    • Coûts d’entretiens : 3 à 5 € du m2 et 2 fois par an


    Contact opérationnel : Jean-Christophe GRIMARD, Directeur R&D Vegetal
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Ressources complémentaires

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