Systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments – Activités de recherche et développement et applications potentielles au Canada

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Systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments – Activités de recherche et développement et applications potentielles au Canada

Par Inga Ebert, Véronique Delisle, Konstantinos Kapsis et Josef Ayoub, Ressources naturelles Canada

Le secteur de l'électricité solaire est en forte croissance au Canada. De 2010 à 2016, la capacité de production des systèmes photovoltaïques (PV) a augmenté de 280 MW à 2,7 GW correspondant à environ 0,5 % de la demande d'électricité annuelle canadienne [1]. Les excellentes ressources solaires du Canada sont l'une des raisons qui expliquent cette croissance, offrant un potentiel PV annuel moyen de 1 113 kWh/kW (pour un angle d’inclinaison égal à la latitude) [2]. À des fins de comparaison, Berlin en Allemagne, où la pénétration du marché de l'électricité solaire PV est de 7 %, a un potentiel PV de 848 kWh/kW [3]. En raison de la croissance du marché et des progrès technologiques, le prix des modules PV a diminué considérablement. En 2016, le coût moyen au Canada d'un module PV standard au silicium cristallin (c-Si) était de 0,78 CAD/W [1]. Malgré des conditions favorables, une très grande part du potentiel d'utilisation de l'énergie solaire dans les bâtiments n'est pas exploitée. Quand les propriétaires d'habitations ou de bâtiments envisagent l'installation d'un système à l’énergie solaire, ils pensent d'abord à installer des panneaux PV sur le toit. Toutefois, les systèmes conventionnels pour les toits sont limités de plusieurs manières. Par exemple, la surface des toits des bâtiments de grande hauteur est insuffisante pour fournir l'électricité nécessaire à la demande énergétique du bâtiment. De plus, certains toits ne peuvent pas supporter la charge. Pour surmonter ces contraintes, une nouvelle technologie est en émergence sur le marché de l'énergie solaire : les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments (PVIB).

Qu'est-ce qu'un système PVIB?

Comme le nom l'indique, les systèmes PVIB sont des modules photovoltaïques qui en plus de produire de l’électricité, sont parfaitement intégrés à l'enveloppe des bâtiments et remplacent les matériaux de construction habituels. Un système PVIB produit donc de l'électricité tout en étant une composante du bâtiment. Les systèmes PVIB peuvent être intégrés aux toits des bâtiments sous la forme de tuile, de bardeau ou de puits de lumière. Ils peuvent aussi remplacer les éléments de la façade comme le recouvrement extérieur, les fenêtres ou les verres laminés qui font partie des murs-rideaux. De plus, les systèmes PVIB peuvent être intégrés aux accessoires des bâtiments comme les systèmes d'ombrage extérieur ou les rampes en verre des balcons (voir figure 1). Les systèmes PVIB peuvent être installés pendant la phase de construction d'un bâtiment, mais ils peuvent aussi être déployés dans le cadre de la rénovation d'un bâtiment existant lorsque l'une des composantes de l'enveloppe doit être remplacée.  

 Figure 1 : Applications des systèmes PVIB

Les modules PVIB disponibles sur le marché utilisent des cellules solaires à base de silicium cristallin (c-Si) ou des technologies à couche mince comme le silicium amorphe (a-Si), le CdTe et le CIGS. Les unités utilisant les cellules c‑Si peuvent produire jusqu'à 230 W/m² dans les conditions de test normales (CTN)¹ alors que les produits utilisant des technologies à couche mince peuvent produire jusqu'à 170 W/m². Pour les façades et les puits de lumière, une semi‑transparence peut être obtenue avec la plupart des technologies en espaçant les cellules solaires c-Si opaques ou en rendant la couche mince transparente. Par contre, l’augmentation de la transparence diminue l'efficacité du module, puisque moins d’énergie solaire peut être captée et transformée en électricité.

Avantages des systèmes PVIB

En raison de l'engagement du gouvernement du Canada à réduire les émissions de gaz à effet de serre et la consommation d'énergie, une transformation majeure est en cours dans le secteur des bâtiments. Les bâtiments et les communautés adoptent des technologies intelligentes et la résilience énergétique pour permettre la création de villes et de quartiers intelligents. L'intelligence et la résilience sont de plus en plus intégrées aux stratégies des villes en matière de modernisation des infrastructures, d'électrification des transports et de décentralisation de la production d'énergie propre. Les technologies PVIB peuvent jouer un rôle important dans cet effort urbain d'atténuation des changements climatiques. En plus de produire de l'électricité propre localement sans nécessiter d'espace supplémentaire, les systèmes PVIB peuvent aussi avoir un effet sur la consommation d'énergie d'un bâtiment. Par exemple, une fenêtre PV au silicium cristallin à double vitrage avec un revêtement à faible émissivité et une transmission de lumière d'environ 30 % sur un bâtiment commercial vitré (ratio d’aire vitrée de 60 % par rapport à la surface des murs) à Montréal peut réduire la consommation finale d'électricité du bâtiment de 30 kWh/m² par année (selon la surface de plancher occupée) grâce à la production d'électricité solaire, à l'utilisation de la lumière du jour et à la réduction des charges de refroidissement [4]. En transformant les toits et les façades en éléments producteurs d'énergie, la technologie PVIB est le seul matériau de construction à procurer un retour sur les investissements. De plus, les architectes profitent de nouvelles possibilités d'intégration des technologies d'énergie solaire pour embellir les bâtiments. En terminant, les propriétaires des bâtiments peuvent profiter de factures d'électricité réduites et d'une image novatrice, « verte » et positive associée à leur bâtiment. Au-delà des aspects énergétiques et économiques, les systèmes PVIB permettent le développement d’un modèle où la production d’énergie est faite de façon distribuée, localement et à partir de sources d’énergie renouvelable contribuant ainsi au futur durable des villes et à leur résilience.  

Technologie PVIB au Canada

Des études effectuées par Ressources naturelles Canada ont révélé un grand potentiel de marché pour la technologie PVIB au Canada, indiquant qu'environ 30 % de la demande d'électricité des bâtiments pourrait être satisfaite grâce à cette technologie émergente [5]. Au cours de la dernière décennie, la tendance de construire des bâtiments vitrés à plusieurs étages ainsi que les avancées technologiques se rapportant aux matériaux photovoltaïques flexibles, colorés, transparents et à haute efficacité énergétique permettent un plus grand éventail d'applications des systèmes PVIB, augmentant ainsi les surfaces disponibles pour intégrer la technologie PVIB. Jusqu'à ce jour, plus de 50 projets de PVIB commerciaux, institutionnels et résidentiels ont été réalisés au Canada, offrant de nouvelles possibilités d'affaires pour les industries de l'énergie solaire et des enveloppes de bâtiments. La figure 2 présente quelques installations PVIB canadiennes qui constituent des réussites.

 Figure 2  : Exemples d'installations PVIB canadiennes

Que réserve l'avenir?

À l'heure actuelle, la technologie PVIB demeure un marché à créneaux, mais dans plusieurs pays, les systèmes PVIB constituent un matériau d'enveloppe de bâtiment viable. Les systèmes PVIB comptent parmi les secteurs de l'industrie d'énergie solaire photovoltaïque qui connaissent la plus forte croissance, surtout en raison des demandes des architectes et des concepteurs de bâtiments qui augmentent, et des exigences d'efficacité énergétique des bâtiments de plus en plus sévères [6]. D'autres améliorations technologiques en matière d'efficacité, de flexibilité et de réduction des coûts sont attendues. Au cours des dernières années, l'augmentation du prix de l'électricité, les inquiétudes à propos des changements climatiques et les réglementations de bâtiment plus sévères ont justifié l'adoption de pratiques de construction vertes partout dans le monde. Le Conseil du bâtiment durable du Canada (CBDCa) s'attend à ce que les activités de bâtiments verts poursuivent une croissance rapide au Canada et que 67 à 79 % des nouveaux projets des secteurs institutionnels et commerciaux tenteront d'obtenir une certification de bâtiment vert au cours des prochaines années. Le CBDCa prévoit aussi une croissance des certifications de bâtiments verts pour les nouveaux bâtiments résidentiels de taille basse (60 %) et les projets de bâtiments résidentiels de taille moyenne et haute (49 %) [7]. De nouvelles étiquettes et normes canadiennes comme le récent programme d'étiquetage résidentiel net zéro de l'Association canadienne des constructeurs d'habitations (ACCH) et la norme des bâtiments à carbone zéro du CBDCa encourageront la production d'énergie renouvelable sur les sites des bâtiments².

Activités de Ressources naturelles Canada (RNCan)

Plusieurs défis se dressent sur la route du développement du marché des technologies PVIB et ces défis nécessitent les efforts concertés de plusieurs intervenants, y compris les fabricants de technologies d'énergie solaire, l'industrie de l'enveloppe de bâtiment, les architectes, les installateurs, les concepteurs de technologies d'énergie solaire, les ingénieurs-conseils et les chercheurs. Le programme d'intégration des énergies renouvelables et des ressources distribuées (IERRD) du centre de recherche CanmetÉNERGIE de Ressources naturelles Canada à Varennes (Qc) travaille sur plusieurs activités visant à éliminer les contraintes au développement du marché canadien des technologies d'énergie solaire intégrées aux bâtiments. L'un des obstacles est le manque de normes internationales sur la performance et la fiabilité des systèmes PVIB. Pour résoudre ce problème, CanmetÉNERGIE fait actuellement partie d'une équipe de projet international de normes PVIB. Cette équipe est un effort conjoint de groupes de travail de la Commission électrotechnique internationale (CÉI) et de l'Organisation internationale de normalisation (ISO) et met en place des spécifications techniques pour le verre laminé PVIB. Des chercheurs de CanmetÉNERGIE représentent aussi le Canada en tant qu'experts nationaux à la tâche 15 « Enabling Framework for BIPV » du programme « Photovoltaic Power Systems (PVPS) » de l'Agence internationale de l'énergie (AIE). Pour mieux comprendre les contraintes au développement du marché des technologies PVIB au Canada, CanmetÉNERGIE a récemment réalisé un sondage de consultation auprès des experts en systèmes PVIB. Les résultats de ce sondage de consultation permettront de mieux orienter les recherches futures en matière de PVIB et les efforts de développement au Canada. Les résultats seront aussi utilisés pour lancer une discussion entre différents intervenants pertinents visant à surmonter les obstacles au développement du marché des technologies PVIB au Canada.

Le séminaire sur les technologies PVIB « Building-Integrated Photovoltaic Systems: Enabling Net-Zero Energy Performance and Beyond » qui aura lieu dans le cadre de la Conférence d'hiver de l’ASHRAE organisée le 22 janvier 2018 à Chicago est une activité qui vaut la peine d'être soulignée. Ce séminaire traitera de la conception et du rendement des études de cas de systèmes PVIB existants en Amérique du Nord et accueillera Chris Klinga de l'Architectural Solar Association (ASA), Costa Kapsis de Ressources naturelles Canada, Anthony Pereira de altPOWER et Andreas Athienitis de l'Université Concordia.

Pour en savoir plus, communiquez avec :

Véronique Delisle
CanmetÉNERGIE
Ressources naturelles Canada
1615, boul. Lionel-Boulet
Varennes (Québec) J3X 1S6
Téléphone : +1 450 652-7948
Courriel : veronique.delisle@canada.ca

Site Web

Références

¹ Les conditions de test normales correspondent à une température du module de 25 °C et un niveau d'ensoleillement de 1 000 W/m² avec un spectre d’air masse 1,5.

² La norme des bâtiments à carbone zéro exige une production d'énergie renouvelable sur le site qui constitue au moins 5 % de la consommation d'énergie totale attendue [8].

[1] Poissant, Y., Baldus-Jeursen, C., & Bateman, P. (2017). National Survey Report of PV Power Applications in Canada – 2016. IEA PVPS.

[2] Pelland, S., McKenney, D. W., Poissant, Y., Morris, R., Lawrence, K., Campbell, K., & Papadopol, P. (2006). The Development of Photovoltaic Resource Maps for Canada. 31st Annual Conference of the Solar Energy Society of Canada (SESCI). Montréal, Canada.

[3] Masson, G. (2017). 2016 Snapshot of Global Photovoltaic Markets. IEA PVPS.

[4] Kapsis, K., Athienitis, A.K. (2015). A study of the potential benefits of semi-transparent photovoltaics in commercial buildings. Sol. Energy 115, 120–132.

[5] Pelland, S., & Poissant, Y. (2006). An Evaluation of the Potential of Building Integrated Photovoltaics in Canada. 31st Annual Conference of the Solar Energy Society of Canada. Montréal : Centre de la technologie de l'énergie de CANMET-Varennes.

[6] Drachman, P., Adamson, K.A. (2012). Building Integrated Photovoltaics: BIPV and BAPV: Market Drivers and Challenges, Technology Issues, Competitive Landscape, and Global Market Forecasts. Chicago, IL.

[7] Canada Green Building Council (2014). Canada Green Building Trends : Benefits Driving the New and Retrofit Market.

[8] Canada Green Building Council (2017). Zero Carbon Building Standard - Executive Summary.

version française

Building-Integrated Photovoltaics – Current Research and Development Activities and Potential Applications in Canada

By Inga Ebert, Véronique Delisle, Konstantinos Kapsis and Josef Ayoub, Natural Resources Canada

The Canadian solar electricity sector is growing rapidly. While in 2010 only 280 MW of photovoltaic (PV) were installed, the solar capacity has increased to almost 2.7 GW in 2016, producing about 0.5% of the annual Canadian electricity demand [1]. One of the reasons for this market growth is Canada’s excellent solar resources with an average annual PV potential of 1113 kWh/kW (for latitude tilt) [2]. For comparison, Berlin/Germany, where solar PV has reached a market penetration of 7%, has a solar PV potential of 848 kWh/kW [3]. Due to the increasing market and advancements in technology, the prices for solar modules have dropped significantly. In 2016, the average cost of standard c-Si modules in Canada was 0.78 CAD/W [1]. Despite favourable conditions, a very large potential for solar energy use in buildings remains untapped. When home or building owners think of installing a solar energy system, rooftop PV is probably the first thing to come to mind. However, conventional rooftop systems are restricted in several ways. For example, the roof area of a high-rise building is insufficient to provide enough electricity to cover the building’s energy demand. Other roofs do not provide the necessary load-bearing capacity. Overcoming these restrictions in recent years, a new technology is emerging on the global solar market: Building-integrated Photovoltaics (BIPV).

What is BIPV?

As the name suggests, BIPV are solar power generating PV modules that are seamlessly integrated into a buildings envelope, replacing conventional building materials. Hence, a BIPV system serves the dual purpose of generating electricity in addition to being an integral component of the building skin. BIPV can be integrated into the roof of a building as solar tiles, shingles or skylights. It can also replace façade elements such as building cladding, windows or laminated glass as part of a curtain wall assembly. Furthermore, BIPV can be part of building accessories such as exterior shading systems or balcony glass railings (see figure 1). BIPV systems can be installed during the construction phase of a building, but also deployed in the course of a retrofit of an existing building when one of the components of the building envelope needs to be replaced.

 Figure 1 : Applications of BIPV

BIPV modules available on the market use either crystalline silicon-based (c-Si) solar cells or thin film technologies such as amorphous silicon (a-Si), CdTe and CIGS. Modules using c-Si cells can generate up to 230 W/m² under standard testing conditions (STC)¹ whereas thin-film based products can produce up to 170 W/m². For façade and skylight applications, semi-transparency can be achieved with most technologies by either spacing the opaque c‑Si solar cells or making the thin film layer transparent. However, the module efficiency decreases with the increase of transparency, as less sunlight is captured and converted into electricity by the photovoltaic layer.

Benefits of BIPV are manifold

Under the Government of Canada’s commitments to reduce greenhouse gas emissions and energy consumption, a major transformation in the buildings sector is taking shape: Buildings and communities are becoming more intelligent and energy resilient such that smart neighbourhoods and cities are realizable concepts. Intelligence and resiliency are increasingly embedded within the city’s broader strategies for infrastructural modernization, electrification of transportation and decentralization of clean energy production. BIPV technologies can be an important element of this urban climate-change mitigating mosaic. BIPV not only produces on-site clean electricity without requiring additional land area, but can also impact the energy consumption of a building. For example, a double‑glazed c-Si PV window with low emissivity coating and visible transmittance of about 30% on a highly glazed (window-to-wall ratio of 60%) commercial building located in Montreal has the potential of reducing the building end-use electricity consumption by 30 kWh/m²/y (of occupied floor area), through solar electricity generation, daylighting utilization and reduction of cooling loads [4]. Turning both roofs and façades into energy generating assets, BIPV is the only building material that has a return‑on‑investment (ROI). Furthermore, architects get new opportunities to integrate solar energy technology and add aesthetic value to their building designs. And finally yet importantly, building owners benefit from reduced electricity bills and the positive image of being recognized as “green” and innovative. Beyond energy and economics, BIPV enables the model of distributed, on-site renewable energy generation that contributes to cities sustainable and resilient future.  

BIPV in Canada

Past studies of Natural Resources Canada have revealed a huge market potential for BIPV in Canada, indicating that about 30% of buildings electricity demand could be met through this emerging technology [5]. In the last 10 years, the construction trend towards highly-glazed multi-storey buildings as well as technological advancements especially in regards to energy-efficient, flexible, colored and transparent solar materials, allows wider application of BIPV in larger areas of façades, which increases the area suitable for BIPV. To date, more than 50 commercial, institutional as well as several smaller residential BIPV projects have been realized in Canada, providing new market opportunities for the solar and building envelope industries. Figure 2 presents some successful Canadian BIPV installations.

 Figure 2  : Examples of Canadian BIPV installations

What can we expect in future?

Presently, BIPV is still a niche market but in many countries, it has become an economically viable building envelope material. Mostly due to rising demand from architects, designers and building developers, combined with increasingly stringent energy efficiency requirements for buildings, BIPV is currently one of the fastest growing segments in the global solar PV industry [6]. Further technological improvements in regard to efficiency and flexibility as well as decreasing costs are expected. In recent years, the increasing electricity prices, the rising concern about climate change and more stringent building regulations have been the drivers to a wider adoption of green building practices around the world. The Canada Green Building Council (CaGBC) expects that green building activity in Canada will continue to grow at a fast pace and that 67 to 79% of new projects in the institutional and commercial sectors will seek green building certification in future years. The CaGBC also projects an increasing share of green building certifications for new low-rise residential buildings (60%) and mid- and high-rise residential projects (49%) [7]. New Canadian labels and standards such as the recently established Canadian Home Builders’ Association (CHBA) Net Zero Home Labelling Program and CaGBCs Zero Carbon Building Standard will further encourage more on-site renewable energy generation in buildings².

Activities of Natural Resources Canada (NRCan)

Several challenges exist along the path to BIPV market maturity that require the concerted efforts of several stakeholders including solar manufacturers, the building envelope industry, architects, installers, solar designers, engineering consultants and researchers. The Integration of Renewable and Distributed Energy Resources (IRDER) Program at Natural Resources Canada’s CanmetENERGY Research Centre in Varennes, QC is working on several activities to overcome constraints to facilitate the broader market uptake of building-integrated solar technologies in Canada. One of the barriers is the lack of international standards on BIPV performance and reliability. To address this issue, CanmetENERGY is currently part of an international project team on BIPV standards. This team is a joint effort between working groups from the International Electrotechnical Commission (IEC) and the International Organization for Standardization (ISO) and is developing technical specifications for BIPV laminated glass. Scientists of CanmetENERGY are also representing Canada as national experts under the International Energy Agency (IEA) Photovoltaic Power Systems (PVPS) Task 15 “Enabling Framework for BIPV”. To better understand the current constraints inhibiting the market development of BIPV in Canada, CanmetENERGY recently conducted a consultation survey among BIPV specialists. The results from this consultation survey will contribute to better orient future BIPV research and development efforts in Canada. They will also be used to launch a discussion among relevant BIPV stakeholders on how to overcome the barriers to the market uptake of BIPV in Canada.

An important activity worth highlighting is the upcoming BIPV seminar on “Building-Integrated Photovoltaic Systems: Enabling Net-Zero Energy Performance and Beyond” at the ASHRAE Winter Conference, which will take place on January 22, 2018 in Chicago. This seminar will cover the design and performance of existing BIPV case studies in North America and will feature Chris Klinga from the Architectural Solar Association (ASA), Costa Kapsis from Natural Resources Canada, Anthony Pereira from altPOWER and Andreas Athienitis from Concordia University.

For more information, please contact:

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References

¹ Standard testing conditions correspond to a module temperature of 25 °C and an irradiance level of 1000 W/m² with an air mass 1.5 spectrum

² The Zero Carbon Building Standard requires a minimum on-site renewable energy production of 5% of the expected total energy consumption [8].

[1] Poissant, Y., Baldus-Jeursen, C., & Bateman, P. (2017). National Survey Report of PV Power Applications in Canada – 2016. IEA PVPS.

[2] Pelland, S., McKenney, D. W., Poissant, Y., Morris, R., Lawrence, K., Campbell, K., & Papadopol, P. (2006). The Development of Photovoltaic Resource Maps for Canada. 31st Annual Conference of the Solar Energy Society of Canada (SESCI). Montreal, Canada.

[3] Masson, G. (2017). 2016 Snapshot of Global Photovoltaic Markets. IEA PVPS.

[4] Kapsis, K., Athienitis, A.K. (2015). A study of the potential benefits of semi-transparent photovoltaics in commercial buildings. Sol. Energy 115, 120–132.

[5] Pelland, S., & Poissant, Y. (2006). An Evaluation of the Potential of Building Integrated Photovoltaics in Canada. 31st Annual Conference of the Solar Energy Society of Canada. Montreal: CANMET Energy Technology Centre-Varennes.

[6] Drachman, P., Adamson, K.A. (2012). Building Integrated Photovoltaics: BIPV and BAPV: Market Drivers and Challenges, Technology Issues, Competitive Landscape, and Global Market Forecasts. Chicago, IL.

[7] Canada Green Building Council (2014). Canada Green Building Trends: Benefits Driving the New and Retrofit Market.

[8] Canada Green Building Council (2017). Zero Carbon Building Standard - Executive Summary.