Le spot parfait pour les éoliennes de toit : quels bâtiments et comment on s’y installe

Si tous les bâtiments à toit plat sont éligibles à une installation d’éoliennes de toit, dans les faits deux étapes sont nécessaires pour identifier le bâtiment idéal. La première permet de sélectionner les sites à fort potentiel de production selon certains critères ; la deuxième à vérifier la faisabilité technique de l’installation.

Cet article synthétise les critères de sélection d’un bâtiment pour l’installation et présente l’une des méthodes de fixation des éoliennes de toit.

Deux éoliennes de toit installées sur un bâtiment à La Défense.
Installation de deux éoliennes de toit à La Défense (2020)

Maximiser la production des éoliennes de toit

Avant d’installer les éoliennes de toit, la première étape consiste à s’assurer d’un haut niveau de production. La productivité des WindBox dépend de quatre critères, évalués dans les études menées en interne, mais qu’il est possible de jauger assez rapidement :

  • le gisement éolien ;
  • l’orientation des façades ;
  • la hauteur du bâtiment ciblé ;
  • et la densité urbaine.

Le gisement éolien : favoriser les zones venteuses

La turbine de l’éolienne de toit démarre à 3 m/s (10,8 km/h) et commence à produire à 4 m/s (14,4 km/h). Elle atteint son maximum de puissance à partir de 18 m/s (64,8 km/h). La sélection de zones avec un bon gisement éolien est donc un premier tri naturel dans l’identification des sites pertinents.

Les zones à privilégier en France sont le bassin méditerranéen, la vallée du Rhône, le nord et le quart nord-ouest de la France, de la Normandie et la Bretagne. Le nord de l’Europe constitue aussi une zone propice à l’éolien (Royaume-Uni, Benelux, nord de l’Allemagne par exemple). Au sud, les côtes portugaises et espagnoles sont par exemple intéressantes, tout comme le sud de l’Italie ou les îles grecques.

Prenons l’exemple de trois villes en France : Bordeaux, Dunkerque et Marseille, aux gisements éoliens différents.

Bordeaux

Répartition des vents à Bordeaux (20m)

A Bordeaux à 20 m de haut, la vitesse moyenne de vent est de 4,7 m/s. Les vents de moins de 4 m/s représentent plus de 45% des vents. Les vents au-dessus de 10m/s, qui font décoller la production, sont minoritaires.

Dunkerque

Répartition des vents à Dunkerque (20m)

A Dunkerque à 20 m de haut, la vitesse moyenne de vent est de 9,1 m/s. Les vents de plus de 4 m/s représentent près de 90% des vents sur la ville, ceux à plus de 10 m/s plus de 30% des vents sur la ville.

Marseille

Répartition des vents à Marseille (20m)

A Marseille à 20 m de haut, la vitesse moyenne de vent est de 8,4 m/s. Les vents de plus de 4 m/s représentent 80% des vents sur la ville, et ceux à plus de 10 m/s représentent près de 30% des vents.

Choisir des orientations favorables aux vents

L’orientation influence directement la production. La WindBox capte les vents sur une plage de 120° sur la rose. Une installation sur la façade la mieux orientée par rapport aux vents dominants permet d’optimiser la production des WindBox. Un fort désalignement entre les façades et les vents dominants réduira au contraire la production. 

Le calcul de roses de vents permet de déterminer l’orientation optimale et la ou les façades sur lesquelles placer les éoliennes. 

A noter, si les vents connaissent des variations saisonnières, celles-ci sont plus ou moins importante selon la zone géographique. 

Bordeaux

Rose des vents à Bordreaux (10m de haut)
Rose des vents à Bordeaux (10m)

A Bordeaux, la rose des vents sur l’année est éclatée et aucun axe majoritaire ne se dégage clairement.

Cette tendance se retrouve mensuellement, avec des courants majoritaires différents chaque mois. Il sera compliqué dans cette ville d’identifier une façade d’intérêt.

Dunkerque

Rose des vents à Dunkerque (10 m de hauteur)
Rose des vents à Dunkerque (10m)

A Dunkerque, le couloir de vents majoritaire à l’année est sud-ouest. Cet axe reste dominant quelle que soit la saison, avec une différence d’intensité entre les mois d’hiver (vents forts) et les mois d’été (vents moins rapides). Cette saisonnalité se traduira par une production plus forte en hiver et moins forte en été, perte compensée par l’ajout de panneaux solaires. 

Marseille

Rose des vents à Marseille (10 m de hauteur)
Rose des vents à Marseille (10m)

A Marseille, le couloir de vents majoritaire est nord-ouest à l’année. Les roses des vents mensuelles restent quasiment identiques à l’année, tant en fréquence qu’en intensité. Cela se traduira par une faible variation de la production à l’année. L’ajout des panneaux solaires permettra d’augmenter la densité d’électricité produite par les éoliennes de toit.

Privilégier les bâtiments hauts

La hauteur du bâtiment a une incidence directe sur le niveau de production des éoliennes de toit. Cela s’explique par la couche limite atmosphérique, principe selon lequel les vents sont moins ralentis par la rugosité des sols en altitude. Lorsqu’un bâtiment est haut, le vent est moins contraint par les obstacles se trouvant au sol – et de fait  moins freiné. 

Bordeaux

Rose des vents à Bordeaux (10, 20, 30m)

Dunkerque

Rose des vents à Dunkerque (10, 20, 30m)

Marseille

Rose des vents à Marseille (10, 20, 30m)

Dans les trois villes étudiées, la vitesse des vents augmente avec l’altitude. A noter, le vent moyen à Bordeaux à 30 m d’altitude (5,3 m/s) reste moins rapide qu’à 10 m à Marseille (6,4 m/s) ou à Dunkerque (9,6 m/s). 

Pour les WindBox plus spécifiquement, la hauteur joue un double rôle : le positionnement des éoliennes en bordure de toit permet de récupérer les vents accélérés. Cet effet, aussi appelé le « corner-flow » augmente la production des éoliennes de toit. L’animation ci-dessous décrit montre le comportement des vents sur les façades d’un bâtiment : les vents remontent en s’accélèrant le long de la façade puis décollent en passant bien au-dessus des toits. Pour capter ces vents forts, il faut donc soit placer des éoliennes très hautes au centre de la toiture – ce qui peut endommager la structure du bâtiment – soit se placer en bordure, pour récupérer les vents forts avant qu’ils ne décollent –  c’est le choix de WIND my ROOF.

Préférer les zones peu denses pour les installations

Le dernier critère évalué avant une installation d’éoliennes de toit est l’environnement du bâtiment. 

La rugosité permet de caractériser l’état d’un sol par rapport à la présence d’obstacle. Elle a un impact sur la vitesse des vents.

Une zone dont la rugosité est élevée est pleine d’obstacles dont la hauteur et la densité sont variées (comme les villes, ou les forêts). Le vent s’écoule difficilement et sa vitesse est réduite. Dans ces milieux, il faut sélectionner des bâtiments hauts qui permettent de gagner rapidement en vitesse.  

A contrario, une rugosité plus faible, associée à une rase campagne ou au bord de mer, permet au vent de s’écouler plus librement et de conserver sa vitesse initiale. La variation de la hauteur aura un impact moindre par rapport à une zone dont la rugosité est élevée. Une installation de WindBox peut se faire sur des bâtiments plus bas.

La densité urbaine peut également induire des effets de masque. Par exemple, un bâtiment plus haut se dressant devant la façade d’installation va bloquer les vents. Il faut donc tenir compte des géométries du bâtiment d’intérêt et du quartier environnant dans la sélection des sites d’installation des éoliennes de toit.

Variation de la vitesse des vents en fonction de la hauteur dans une zone dégagée et dans une zone dense

Le graphique ci-dessous représente les gains/pertes en vitesse induits par la hauteur (base : 10m), selon l\'environnement : zone dégagée et zone dense.

En résumé

Le spot idéal pour maximiser la production est multiple et dépendra des spécificités de gisement éolien de chaque zone, en termes d’intensité, de fréquence et d’orientations des vents. Selon l’environnement de l’installation – en ville, en zone périurbaine ou en rase campagne – on ira chercher plus ou moins de hauteur pour maximiser la production.

Ces critères réunis, la deuxième phase d’analyse s’enclenche : s’assurer de la faisabilité technique de l’installation des WindBox sur la toiture. 

Vérifier la faisabilité technique des installations d'éoliennes de toit

Installation de cinq éoliennes de toit

La taille de projet minimale est de cinq WindBox, ce qui requiert une façade d’au moins 15 m de long. Les WindBox s’installant par cinq : compter 30 m pour 10 WindBox, 45 m pour 15, etc.

Dans la plupart des cas, le système de fixation choisi sur les bâtiments existant est une combinaison de plots en béton liés par une ossature métallique. Cette association permet de :

  • stabiliser les WindBox en cas de fortes tempêtes ;
  • préserver l’étanchéité ;
  • répartir le poids de l’installation sur la toiture.

Les supports de fixation sont faits sur-mesure. D’autres méthodes pourront être étudiées, notamment sur des bâtiments neufs. Le dimensionnement des supports passe par deux étapes :

  • l’identification des éléments porteurs du bâtiment ;
  • le dimensionnement de l’ossature métallique.
Tous les calculs devront être validés par un bureau d’étude de structure.

La taille de projet minimale est de cinq WindBox, ce qui requiert une façade d’au moins 15 m de long. Les WindBox s’installant par cinq, compter 30 m pour 10 WindBox, 45 m pour 15, etc.

Dans la plupart des cas, le système de fixation choisi sur les bâtiments existant est une combinaison de plots en béton liés par une ossature métallique. Cette association permet de :

  • stabiliser les WindBox en cas de fortes tempêtes ;
  • préserver l’étanchéité ;
  • répartir le poids de l’installation sur la toiture.

Ces supports sont faits sur-mesure. D’autres méthodes de fixation pourront être étudiées, notamment sur des bâtiments neufs.

Le dimensionnement des supports passe par deux étapes :

  • l’identification des éléments porteurs du bâtiment ;
  • le dimensionnement de l’ossature métallique ;

Tous ces calculs devront être validés par un bureau d’étude de structure.

La taille de projet minimale est de cinq WindBox, ce qui requiert une façade d’au moins 15 m de long. Les WindBox s’installant par cinq, compter 30 m pour 10 WindBox, 45 m pour 15, etc.

Dans la plupart des cas, le système de fixation choisi sur les bâtiments existant est une combinaison de plots en béton liés par une ossature métallique. Cette association permet de :

  • stabiliser les WindBox en cas de fortes tempêtes ;
  • préserver l’étanchéité ;
  • répartir le poids de l’installation sur la toiture.

Ces supports sont faits sur-mesure. D’autres méthodes de fixation pourront être étudiées, notamment sur des bâtiments neufs.

Le dimensionnement des supports passe par deux étapes :

  • l’identification des éléments porteurs du bâtiment ;
  • le dimensionnement de l’ossature métallique ;

Tous ces calculs devront être validés par un bureau d’étude de structure.

Identification des éléments porteurs sur les bâtiments

Les étapes d'installation des éoliennes

Pour limiter la pression sur le toit, des plots en béton sont placés sur les éléments porteurs de la toiture. Ils servent à lester l’ossature métallique sur laquelle vont reposer les WindBox.

Le poids des plots dépend des conditions météorologiques et de la pression dynamique que leurs mouvements génèrent. Le poids du plot prend en compte l’action que le vent pourrait avoir sur lui et qui peut conduire au glissement ou au basculement des WindBox par exemple. Les conditions météorologiques sont définies selon l’exposition aux vents (Eurocode 1 – bases de calcul et actions sur les structures Part.1.4 Actions du vent) et la rugosité de l’environnement. La hauteur des plots est obtenue avec un raisonnement similaire.

Pour limiter la pression sur le toit, des plots en béton sont placés sur les éléments porteurs de la toiture. Ils servent à lester l’ossature métallique sur laquelle vont reposer les WindBox.

Le poids des plots dépend des conditions météorologiques et de la pression dynamique que leurs mouvements génèrent. Plus précisément, le poids du plot prend en compte l’action que le vent pourrait avoir sur lui et qui peut conduire au glissement ou au basculement des WindBox par exemple. 

Les conditions météorologiques sont définies selon l’exposition aux vents (Eurocode 1 Part 1-4, Wind Zoning) et la rugosité de l’environnement. La hauteur des plots est obtenue avec un raisonnement similaire.

Considérons par exemple trois bâtiments identiques de 21m de haut dans les campagnes avoisinantes de Bordeaux, Dunkerque et Marseille.

  • Marseille et Dunkerque ayant la même classification venteuse (Zone 3), le poids des plots sera le même :  avec 4 plots pour 1 éolienne, il faudra des plots de 163 kg à l’arrière, 221 kg à l’avant.
  • Bordeaux est en Zone 4, avec 4 plots pour 1 éolienne, il faudra des plots de 72 kg à l’arrière, 113 kg à l’avant.

A noter, le nombre de plots par éolienne est amené à diminuer selon le nombre de WindBox installées (4 plots pour 2 éoliennes, 8 plots pour 5 éoliennes, etc.).

Dimensionnement de l'ossature métallique

L’ossature métallique relie les plots béton et permet de répartir le poids des WindBox sur la toiture. Elle comprend des poutrelles et des barres et est réalisée sur mesure. En raison de ses dimensions, elle ne peut être assemblée en atelier. Son montage se fait directement sur le toit. 

Et le bâtiment idéal dans tout ça ?

La phase étude des installations d’éoliennes de toit comprend donc deux étapes, menées en simultané ou l’une après l’autre, selon les bâtiments : calcul du productible et vérification technique de l’installation. WIND my ROOF accompagne les installateurs sur les deux volets avec des études de faisabilité, mais il est aussi possible d’évaluer soi-même son bâtiment, avec des questions simples :

  • Mon bâtiment est-il suffisamment grand pour une installation ? Y a-t-il assez d’espace sur la toiture ?
  • Y a-t-il un intérêt pour l’éolien dans ma région (zone venteuse, hauteur du bâtiment, orientation des façades) ? Le site Global Wind Atlas permet de connaître rapidement vents moyens et orientation principale des vents. Sinon, demandez-nous un diagnostic en remplissant le formulaire de contact !
  • La densité urbaine est-elle favorable à une installation ? 
Et si vous avez un doute, vous pouvez toujours nous envoyer un mail avec la description de votre bâtiment ! Plus vous êtes précis, plus nos équipes pourront statuer sur la pertinence d’une installation.

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