Contrairement aux idées reçues, la production d’énergie solaire n’est pas incompatible avec la végétalisation. Bien au contraire : cela peut être une solution gagnant-gagnant ! Des recherches récentes montrent comment développer les toitures biosolaires.

Les toitures au cœur d’objectifs énergétiques et climatiques

La crise énergétique actuelle a redonné un élan au développement de la production d’énergie solaire sur les toits des bâtiments, dont le potentiel est encore largement sous-exploité. À Genève, la Ville a récemment débloqué une enveloppe de 60 millions de francs pour combler son retard en accélérant la pose de panneaux photovoltaïques sur les bâtiments communaux. En effet, selon une enquête de la Tribune de Genève, seuls 2,2% des surfaces de toit seraient exploitées aujourd’hui dans cette commune.

Pour les nouveaux bâtiments ou les rénovations, cet objectif de production énergétique entre parfois en tension ou en apparente opposition avec la création de toitures végétalisées, qui est également une solution particulièrement intéressante face aux enjeux climatiques et énergétiques actuels. En effet, les toitures végétalisées favorisent la biodiversité, améliorent l’étanchéité, réduisent la dégradation due aux UV de la membrane polymérique du toit et renforcent l’inertie thermique d’un bâtiment, permettant une économie d’énergie de chauffage et de climatisation (voir l’article du 15 juin 2020).

Face à ce dualisme, la réalisation de toitures solaires végétalisées, appelées « biosolaires », constitue une alternative particulièrement intéressante et même vertueuse pour la production solaire comme pour la végétation. Pourtant, la réalisation de ces installations demande de suivre une série de règles de base, comme l’explique Ewa Renaud, biologiste spécialiste des toitures végétalisées à l’HEPIA. Une brochure publiée en septembre 2023 pour le programme « Nature en ville » de l’Etat de Genève avec le concours de l’HEPIA apporte une actualisation de l’état des connaissances sur les toitures végétalisées et biosolaires. La chercheuse témoigne aussi déjà des premiers résultats des projets de recherche PLANETE (Plantes, énergie, température) et PV-Plantes menés par l’HEPIA.

Les toitures biosolaires, une association gagnante

Contrairement aux idées reçues, la combinaison de panneaux solaires et d’une végétalisation extensive en toiture est gagnante tant en termes de production énergétique (rendement des panneaux) que pour la végétation. La norme SIA 312 « Végétalisation de toitures » (2013) présente ces bénéfices réciproques.

De par leur exposition au soleil, le microclimat des toitures est particulièrement chaud en été. Pour les panneaux solaires, les chaleurs estivales peuvent amener une baisse de rendement des cellules photovoltaïques déjà à partir de 25°C. La présence de végétation peut atténuer cet effet en créant un microclimat plus frais sous les panneaux grâce à l’évapotranspiration. La présence de végétation augmenterait ainsi le rendement estival des panneaux photovoltaïques de 6 à 8 % en moyenne, selon une étude publiée en 2021 par l’University of Techology Sydney. Celle-ci a aussi montré que la végétation pouvait réduire localement la température de 8°C et permettre une augmentation de la production solaire montant à 107% durant les périodes de pic. De plus, l’épaisseur de substrat peut aider à lester les panneaux solaires.

En retour, les panneaux solaires créent un ombrage rafraîchissant pour les végétaux et les protègent du gel hivernal, permettant une germination plus précoce. Selon les types d’installations et les différences d’épaisseur de substrat, la présence des panneaux apporte aussi des niches écologiques différentes permettent de renforcer la diversité de plantes.

Règles de base pour la conception

Le développement d’une végétation extensive (plantes vivaces de faible hauteur) est compatible avec les différentes formes d’installations de panneaux solaires. Toutefois, pour garantir un bon fonctionnement en termes énergétiques comme pour le développement de la végétation, il s’agit de suivre une série de règles de base. Il faut en effet éviter que le développement de la végétation ne fasse de l’ombre aux panneaux, et trouver en retour un bon équilibre dans les conditions de sol et d’ensoleillement pour les plantes.

De manière générale, l’installation des panneaux devrait être faite en garantissant un espacement suffisant (de l’ordre de 80 cm) entre eux pour éviter que la végétation ne fasse trop d’ombre aux panneaux. Dans la même idée, la structure devrait être surélevée pour que les végétaux ne dépassent pas les panneaux. Cela permet aussi d’éviter un phénomène observé dans les recherches menées par l’HEPIA. En été, les panneaux fixés trop bas par rapport au substrat donnent lieu à un phénomène de four. La chaleur s’accumule sous les panneaux, alors que leur ombrage devrait plutôt rafraîchir. Même avec un substrat épais, cette chaleur peut tuer la végétation.

L’épaisseur de substrat doit aussi être amoindrie devant les panneaux, pour limiter la croissance des végétaux à cet endroit-là. Elle peut par contre être plus généreuse derrière le panneau.

Exemple schématique d’installation (chiffres indicatifs) © HEPIA

Portance, substrats et rétention d’eau

La réalisation d’une toiture biosolaire implique un poids plus important dû à la combinaison des panneaux (avec leur lestage s’il est nécessaire), du substrat, de la couche de drainage et des végétaux eux-mêmes. Il convient donc de s’assurer que la portance de la toiture permettra l’installation. Dans l’optique de limiter le poids de l’installation, des types de substrat plus légers existent également et sont détaillés dans la brochure du programme Nature en ville genevois. Les compositions de substrat pour les toitures végétales extensives sont étudiées de près dans les projets de l’HEPIA. Les fonctions de support (ancrage des végétaux, lestage des panneaux), de nutrition des végétaux et de rétention d’eau sont recherchées. Sur ce dernier point, l’augmentation des sécheresses estivales demande en effet une attention particulière à retenir un maximum d’eau pour assurer le maintien de la flore. Sans eau, l’évapotranspiration diminue et l’effet de rafraîchissement également.

Choix des plantes et entretien

La composition florale doit être pensée spécifiquement par rapport au substrat (épaisseur et composition), et permettre une bonne adéquation avec la présence des panneaux solaires. Certaines plantes ayant une faible évapotranspiration comme les orpins sont aussi à éviter en trop grande proportion, pour garantir l’effet de régulation thermique par les plantes. Des mélanges de semences spécifiques existent également sur le marché.

Espèces adaptées aux toitures avec panneaux solaires, selon indication dans la colonne de droite (Etat de Vaud, Fiche D6 de la boîte à outils pour les communes © Atelier Nature et Paysage)

L’entretien de la végétation peut être réduit si les règles de conception sont respectées, mais il n’en reste pas moins indispensable, notamment sur les 2-3 premières années. En plus de la maintenance des éléments techniques (évacuations d’eau notamment), il s’agit aussi d’assurer un bon équilibre dans l’évolution de la composition végétale, et d’éviter les éventuelles plantes ligneuses de plus grande taille qui arriveraient malgré tout à s’implanter spontanément. Ce travail devrait en principe être mené par des spécialistes.

Mauvais exemple de combinaison, les végétaux créent de l’ombrage sur des panneaux solaires trop bas et peu espacés (©HEPIA / P. Prunier)

Une pesée d’intérêts à faire en amont

La combinaison de la production d’énergie avec la végétalisation demande une pesée d’intérêt en croisant les avantages écologiques (énergie, climat et biodiversité) avec les réalités techniques et économiques.

Sur l’aspect financier, il est en effet central de prévoir les moyens pour l’entretien, en faisant appel à des spécialistes. La question des coûts doit toutefois être perçue dans sa globalité. À la réalisation, une toiture végétalisée coûte plus cher qu’un toit en béton (substrat, couches d’étanchéité), mais les entrées d’argent comme les subsides et les abattements fiscaux (pour la rétention d’eau par exemple) ne sont pas toujours perçus par le grand public.

Bien que ne touchant pas directement le porte-monnaie des propriétaires, la végétalisation apporte aussi des bénéfices sociétaux non monétarisés mais néanmoins importants (services écosystémiques de régulation climatique, régulation hydrologique, renforcement des pollinisateurs, etc.).

Finalement, si les conditions ne sont pas propices à une association directe des panneaux et de la végétation, il est aussi possible de séparer les panneaux et les surfaces végétalisées sur une même toiture.

Les collectivités ont un rôle à jouer

En comparaison internationale, la Suisse est plutôt bonne élève dans le développement des toitures végétalisées et biosolaires. Le potentiel reste pourtant encore très important et les cantons comme les communes ont un rôle important à jouer pour promouvoir les toitures végétalisées et biosolaires. Cela peut passer par des mesures de communication et de soutien financier. La Ville de Lausanne a lancé un programme de promotion des toitures végétalisées dès 2012. Une trentaine de réalisations ont été financées sur la période de 2015 à 2022. Un développement qu’il faut espérer voir encore gagner du terrain sur les prochaines années, alors que les enjeux énergétiques et climatiques s’accentuent.

Pour aller plus loin :

• Questions d’énergie, article du 15 juin 2020 sur les toitures végétalisées, Hélène Monod
• 1001 sites de nature en ville, Brochure
• HEPIA, projet PV-Plantes, Recherche de montages optimaux conciliant production photovoltaïque et biodiversité sur les toits
• HEPIA, projet PLANETE
• Biosolar Roofs: solar panels mixed with vegetation can boost both power output and biodiversity, 11 octobre 2023, en anglais
• Norme SIA 312 « Végétalisation de toitures »
• Ville de Lausanne, programme de soutien aux toitures végétalisées