Les systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment (BIPV) sont des matériaux photovoltaïques utilisés pour remplacer les matériaux de construction classiques dans certaines parties de l’enveloppe du bâtiment, telles que le toit, les puits de lumière ou les façades. Ils sont de plus en plus intégrés à la construction de nouveaux bâtiments en tant que source principale ou auxiliaire d’électricité, bien que les bâtiments existants puissent être équipés de technologies similaires. L’avantage du photovoltaïque intégré par rapport aux systèmes non intégrés plus courants est que le coût initial peut être compensé en réduisant la quantité de matériaux de construction et de main-d’œuvre normalement utilisés pour construire la partie du bâtiment remplacée par les modules BIPV. Ces avantages font du BIPV l’un des segments les plus dynamiques de l’industrie photovoltaïque.

Le terme «photovoltaïque appliqué au bâtiment» (BAPV) est parfois utilisé pour désigner les systèmes photovoltaïques intégrés dans le bâtiment après la construction. La plupart des installations intégrées au bâtiment sont en fait des BAPV. Certains fabricants et constructeurs différencient le nouveau BIPV de construction de BAPV.

Histoire
Les applications photovoltaïques pour les bâtiments ont commencé à apparaître dans les années 1970. Les modules photovoltaïques à cadre en aluminium étaient connectés ou montés sur des bâtiments qui se trouvaient généralement dans des zones reculées sans accès à un réseau électrique. Dans les années 1980, les ajouts de modules photovoltaïques aux toitures ont commencé à être démontrés. Ces systèmes PV étaient généralement installés sur des bâtiments raccordés au réseau de distribution dans des zones disposant de centrales électriques centralisées. Dans les années 1990, les produits de construction BIPV spécialement conçus pour être intégrés dans une enveloppe de bâtiment sont devenus disponibles dans le commerce. Une thèse de doctorat réalisée en 1998 par Patrina Eiffert, intitulée Une évaluation économique du BIPV, émettait l’hypothèse qu’un jour, le commerce des crédits d’énergie renouvelable aurait une valeur économique. Une évaluation économique réalisée en 2011 et un bref aperçu de l’histoire du BIPV par le National Renewable Energy Laboratory des États-Unis suggèrent que des défis techniques importants pourraient être surmontés avant que le coût installé du BIPV ne soit compétitif avec les panneaux photovoltaïques. Cependant, il existe un consensus croissant selon lequel, grâce à leur commercialisation à grande échelle, les systèmes BIPV deviendront l’épine dorsale de l’objectif européen des bâtiments à énergie zéro pour 2020. Malgré des promesses techniques, des barrières sociales à une utilisation généralisée ont également été identifiées. la culture de l’industrie du bâtiment et l’intégration avec un design urbain à haute densité. Ces auteurs suggèrent qu’une utilisation à long terme dépend probablement de décisions politiques efficaces, au même titre que le développement technologique.

Formes
Il existe quatre principaux types de produits BIPV:

Panneaux solaires en silicium cristallin pour centrale au sol et sur toit
Modules solaires photovoltaïques en couches minces de silicium cristallin amorphe pouvant être creux, légers, jaune bleu rouge, en tant que mur-rideau en verre et puits de lumière transparents
Des cellules à couches minces à base de CIGS (cuivre-indium-gallium-séléniure) sur des modules flexibles laminés sur l’élément d’enveloppe du bâtiment ou les cellules CIGS sont montées directement sur le substrat de l’enveloppe du bâtiment
Panneaux solaires à double vitrage avec cellules carrées à l’intérieur

Les modules photovoltaïques intégrés au bâtiment sont disponibles sous plusieurs formes:

Des toits plats
La plus largement installée à ce jour est une cellule solaire à couches minces amorphe intégrée à un module polymère flexible qui a été fixé à la membrane de couverture à l’aide d’une feuille adhésive entre la feuille de fond du module solaire et la membrane de toiture. La technologie CIGS est désormais capable de fournir une efficacité cellulaire de 17%, telle qu’elle est produite par une société basée aux États-Unis et une efficacité comparable des modules intégrés dans des membranes monocouches TPO par la fusion de ces cellules par une société britannique.

Toits en pente
Les tuiles solaires sont des tuiles (en céramique) avec des modules solaires intégrés. La tuile solaire en céramique est développée et brevetée par une société néerlandaise en 2012.
Modules en forme de multiples tuiles.
Les bardeaux solaires sont des modules conçus pour paraître et agir comme des bardeaux ordinaires, tout en incorporant une cellule à film mince flexible.
Il prolonge la durée de vie normale du toit en protégeant l’isolant et les membranes des rayons ultraviolets et de la dégradation de l’eau. Pour ce faire, il élimine la condensation car le point de rosée est maintenu au-dessus de la membrane de couverture.
Les toits à pans métalliques (à la fois structurels et architecturaux) sont maintenant intégrés à la fonctionnalité PV, soit en collant un module flexible autonome, soit en scellant à chaud et sous vide les cellules CIGS directement sur le substrat.

Façade
Les façades peuvent être installées sur des bâtiments existants, donnant aux bâtiments anciens un tout nouveau look. Ces modules sont montés sur la façade du bâtiment, sur la structure existante, ce qui peut augmenter l’attrait du bâtiment et sa valeur de revente.

Vitrage
Les fenêtres photovoltaïques sont des modules (semi) transparents pouvant être utilisés pour remplacer un certain nombre d’éléments architecturaux couramment fabriqués avec du verre ou des matériaux similaires, tels que les fenêtres et les puits de lumière. En plus de produire de l’énergie électrique, elles peuvent générer des économies d’énergie supplémentaires grâce à des propriétés d’isolation thermique supérieures et au contrôle du rayonnement solaire.

Photovoltaïque transparent et translucide
Des panneaux solaires transparents utilisent un revêtement d’oxyde d’étain sur la surface intérieure des vitres pour faire sortir le courant de la cellule. La cellule contient de l’oxyde de titane recouvert d’un colorant photoélectrique.

La plupart des cellules solaires conventionnelles utilisent la lumière visible et infrarouge pour générer de l’électricité. En revanche, la nouvelle cellule solaire innovante utilise également le rayonnement ultraviolet. Utilisée pour remplacer la vitre conventionnelle ou placée sur la vitre, la surface de montage peut être importante, ce qui conduit à des utilisations potentielles combinant les fonctions de production d’énergie, d’éclairage et de contrôle de la température.

Un autre nom pour le photovoltaïque transparent est le «photovoltaïque translucide» (ils transmettent la moitié de la lumière qui tombe sur eux). Tout comme le photovoltaïque inorganique, le photovoltaïque organique peut également être translucide.

Modules utilisés
Afin de répondre aux exigences architecturales et à la multifonctionnalité souhaitée, la capacité d’adaptation des modules PV en termes de taille, de forme et de matériaux est souhaitée. Les différentes exigences d’intégration mécanique et électrique doivent également être prises en compte.

Fondamentalement, il existe deux variantes de technologies pouvant être utilisées pour les modules de BiPV:

Modules cristallins
Les modules cristallins sont basés sur une pluralité de tranches de silicium, principalement en connexion série. Le pas de la variation de taille est déterminé par la taille des plaquettes et les dégagements nécessaires pour l’interconnexion et l’isolement. Ceux-ci s’élèvent à 15-25 cm. Dans le cas du matériau cellulaire, une distinction est faite entre le silicium monocristallin et le silicium polycristallin, dont l’efficacité est différente. Cela indique quel pourcentage de l’énergie solaire entrante est converti en énergie électrique. Les modules (mono) cristallins offrent aujourd’hui la plus grande efficacité (15-20%) avec un alignement optimal. Dans le BiPV, cependant, une telle orientation optimale (par exemple une façade à orientation verticale) n’est généralement pas indiquée. De plus, les solutions cristallines sont très sensibles à l’ombrage et à une réduction des performances à haute température, ce qui est courant dans les applications de construction. Par conséquent, il est conseillé d’utiliser un logiciel de simulation pour obtenir un véritable rendement énergétique. Les solutions cristallines présentent une grande variabilité dans le choix du matériau d’emballage, ce qui est très positif pour BiPV. On peut utiliser différentes épaisseurs de verre, mais aussi des plastiques, mais les cellules cristallines sont très fragiles et ne peuvent pas être pliées. La semi-transparence dans les modèles simples peut également être générée.

Modules à couche mince
Les modules à couche mince sont appliqués sur un substrat (généralement du verre). Avec la variante de substrat en verre, une variance de taille est possible seulement dans une mesure très limitée. En outre, le choix du matériau dans cette variante du substrat est très limité, car pendant le processus d’assemblage de la cellule PV, des températures très élevées sont utilisées, ce qui rend certaines variations dans le verre (par exemple, le verre de sécurité) impossible.

Les autres solutions en couche mince sont appliqué sur des bandes de plastique ou de métal (acier, cuivre). Ces solutions offrent actuellement le plus haut degré de variation de taille et de conditionnement et permettent également de proposer des solutions flexibles et très légères (plastique / plastique). Les solutions à couche mince ont actuellement des rendements de 6 à 14% en fonction de la technologie utilisée, ont un meilleur rendement avec un alignement sous-optimal (lumière parasite, faible luminosité) et sont moins dépendantes de la température dans leurs performances.

Promotions spéciales
Diverses politiques encouragent l’utilisation des VPB: motivées par les objectifs 20-20-20 et le désir de promouvoir des bâtiments autosuffisants en énergie, dans certains pays (par exemple en Italie et en France), en plus des tarifs de rachat (voir Allemagne EEG) augmentation des tarifs pour BiPV offerts.

Directives de construction
Le renforcement des lignes directrices concernant le comportement énergétique des bâtiments (maison à énergie zéro, empreinte de CO 2) constitue un moteur important pour l’utilisation de BiPV. En Allemagne, l’EnEV est une référence basée sur la directive de l’UE sur la performance énergétique des bâtiments. En outre, il existe des évaluations du bâtiment liées à la durabilité et dépendantes des pays avec différents niveaux de qualité, ce qui favorise également la qualité des bâtiments à haute énergie et un faible impact environnemental. Parmi les exemples, citons le LEED (Leadership in Energy and Environmental Design), développé aux États-Unis, BREEAM au Royaume-Uni ou le label de qualité allemand pour la construction durable.

Subventions gouvernementales
Dans certains pays, des incitations supplémentaires, ou des subventions, sont offertes pour le photovoltaïque intégré au bâtiment, en plus des tarifs de rachat existants pour les systèmes solaires autonomes. Depuis juillet 2006, la France offre la plus forte incitation pour le BIPV, soit une prime supplémentaire de 0,25 euro / kWh payée en plus des 30 centimes d’euros pour les systèmes photovoltaïques. Ces incitations sont offertes sous la forme d’un taux payé pour l’électricité fournie au réseau.

Union européenne
France 0,25 € / kWh
Allemagne € 0,05 / kWh bonus de façade expiré en 2009
Italie 0,04 € – 0,09 € / kWh
Royaume-Uni 4,18 p / kWh
Espagne, par rapport à une installation hors bâtiment qui reçoit 0,28 € / kWh (RD 1578/2008):
≤20 kW: 0,34 € / kWh
> 20 kW: 0,31 € / kWh

Etats-Unis
USA – Varie selon les états. Consultez la base de données des incitations d’État pour les énergies renouvelables et l’efficacité pour plus de détails.

Chine
Suite à l’annonce d’un programme de subventions pour les projets BIPV en mars 2009 offrant 20 RMB par watt pour les systèmes BIPV et 15 RMB / watt pour les systèmes de toit, le gouvernement chinois a récemment dévoilé un programme de subventions à l’énergie photovoltaïque «Golden Sun Demonstration Project». Le programme de subventions vise à soutenir le développement d’entreprises de production d’électricité photovoltaïque et la commercialisation de la technologie photovoltaïque. Le ministère des Finances, le ministère de la Science et de la Technologie et le Bureau national de l’énergie ont annoncé conjointement les détails du programme en juillet 2009. Les projets de production d’électricité photovoltaïques sur réseau qualifiés, y compris les systèmes de toit, BIPV et subvention égale à 50% de l’investissement total de chaque projet, y compris l’infrastructure de transmission associée. Les projets indépendants qualifiés hors réseau dans les zones reculées pourront bénéficier de subventions allant jusqu’à 70% de l’investissement total. À la mi-novembre, le ministère chinois des Finances a sélectionné 294 projets totalisant 642 mégawatts, représentant environ 20 milliards de RMB (3 milliards de dollars) de coûts pour son plan de subventions visant à accroître considérablement la production d’énergie solaire du pays.

Autres photovoltaïques intégrés
Le photovoltaïque intégré au véhicule (ViPV) est similaire pour les véhicules. Les cellules solaires pourraient être intégrées dans des panneaux exposés à la lumière du soleil, tels que le capot, le toit et éventuellement le coffre, selon la conception de la voiture.