Fotovoltaïschepanelen en brandveiligheid PanneauxPhotovoltaïqueset sécuritéincendie Benno WEINBERGER INERIS
Sécurité des énergies renouvelables risque d incendie et équipements photovoltaïques 2
Plan Contexte et Objectifs Organismes impliqués Retour d expérience Typologie des systèmes photovoltaïques Les différents types de PV Analyse des risques Essais à échelle labo: Calorimètre de Tewarson Essais à moyenne échelle: configuration industrielle Essais à moyenne échelle: installation pour le particulier 3
Contexte et Objectifs «Prévention des risques associés à l implantation de cellules photovoltaïques sur des bâtiments industriels ou destinés à des particuliers» Favoriser le développement et l implantation de cellules photovoltaïques sur des bâtiments industriels ou destinés à des particuliers tout en s assurant que cette implantation ne conduise pas à une augmentation des risques pour les installations, les habitants ou les intervenants en cas de sinistre. Le système étudié comporte tous les éléments depuis les cellules photovoltaïques proprement dites jusqu à l onduleur en passant par les liaisons électriques jusqu au compteur électrique 4
Organismes impliqués L étude est réalisée en collaboration avec le CSTB qui s occupe plus particulièrement de la partie civile de l étude, l INERIS s attachant plutôt à la partie industrielle. Sont également associés à la démarche : Direction de la Sécurité Civile Direction générale de l'énergie et du climat Direction générale de l aménagement, du logement et de la nature 5
Retour d expérience 6
Retour d expérience 7
Typologie des systèmes PV Définition du système Inclinaison Disposition Charpente Isolation Catégorie panneaux Plat Intégré Charpente Bois Système isolation PV pas vitré Pente Sur-posé Charpente Métallique Pas d'isolation PV Vitré PV couverture Pas de charpente 8
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Les différents types de PV Technologie du silicium cristallin Les cellules en silicium cristallin sont composées de fines tranches coupées à partir d un seul cristal de silicium (monocristallin) ou d un bloc de cristaux de silicium (polycristallin). Leur rendement varie entre 12% et 17%. Il s agit de la technologie la plus répandue, représentant aujourd hui environ 90% du marché. On distingue trois principaux types de cellules cristallines : Monocristallines (Mono c-si) Polycristallines (Poly c-si) Rubans (ribbon-sheet c-si) 13
Les différents types de PV Technologie des couches minces (Thin Film) Les modules en couches minces sont constitués de très fines couches d un matériau photosensible déposées sur un support à bas-coût tel que le verre, l acier inoxydable ou le plastique. Les coûts de production du procédé des couches minces sont inférieurs à ceux de la technologie cristalline qui nécessite davantage de matière première. Cet avantage en termes de prix est toutefois contrebalancé par des rendements généralement moins élevés (entre 5% et 13%). Cela représente environ 10% du marché actuellement. Quatre types de modules en couches minces (en fonction de la matière active utilisée) sont actuellement disponibles dans le commerce: Silicium amorphe (a-si) Tellurure de Cadmium (CdTe) Cuivre Indium/Gallium Diselenide/disulphide (CIS, CIGS) Cellules multi-jonction (a-si/m-si) 14
Analyse des risques Incendie Identification du système (sous-système: inclinaison, disposition, structure porteuse, isolation, type de panneaux) Définition des charges calorifiques de chaque sous- système Evaluation du potentiel calorifique de l ensemble du système Electrique Définition de la composition du dispositif (boite de connexion, câblage, onduleur, transformateur) Identification des normes et tests réalisés sur le matériel 15
Comportement en tant Agresseur / Agressé Installation de type Comportement de type Remarques Industriel Particulier Agresseur Agressé Agresseur Agressé -Forte charge calorique -Potentiel de propagation -Vulnérabilité de la toiture -Résistance au feu -Propagation de l incendie -Risque électrique pour l intervention -Mise en danger des habitants -Vulnérabilité de la toiture -Initiateur d un feu d habitation -Risque électrique pour l intervention 16
Installation industrielle Eléments Pouvoir calorifique Panneaux PV souple (remplacement couverture) Configuration défavorable Meilleure configuration Structure porteuse Bois : 17 MJ/kg (150 kg/m 3 ), 50kg/m² Béton : classe M0 850 MJ/m² 0 Isolation Membrane Boitier électrique Polystyrène : 40 MJ/kg, densité 15-30 kg/m 3 (2.4 kg/m², ep. 120 mm) Laine de roche : 2 MJ/kg (16.3 kg/m²) Laine de verre : 120 kg/m 3, 0.5 MJ/kg (ep. 25 cm) Polyuréthane : 24-31 MJ/kg Polyamide : 19-37 M J/kg Polystyrène : 31-41 MJ/kg Polyéthylène : 34-46 MJ/kg Membrane synthétique (ep. 4 mm): 3.5 kg/m² PVC : 15-21 MJ/kg (1400 kg/m 3 ) Alu : classe M0 128 MJ/m² 13 MJ/m² 161 MJ/m² 70 MJ/m² 1.5 MJ/m² 0 Fil, connectique Câble solaire 1 MJ/m² 1MJ/m² 1M J/m² Couverture Bitume :38 MJ/kg soit (7 kg/m²) Tuile : classe M0 Tôle : classe M0 266 MJ/m² 0 Total 1407 MJ/m² 84 MJ/m² 17
Installation pour particulier Eléments Structure porteuse Pouvoir calorifique Bois : 17 MJ/kg (150 kg/m 3 ), 50kg/m² Acier : classe M0 Béton : classe M0 Mauvaise configuration Panneaux PV rigide (remplacement couverture) Meilleure configuration 850 MJ/m² 0 Isolation Polystyrène : 40 MJ/kg, densité 15-30 kg/m 3 (2.4 kg/m², ep. 120 mm) Laine de roche : 2 MJ/kg (16.3 kg/m²) Laine de verre : 120 kg/m 3, 0.5 MJ/kg (ep. 25 cm) 128 MJ/m² 12.5 MJ/m² Cadre Supportarrière Boitier électrique Vitrage PVC : 15-21 MJ/kg (1400 kg/m 3 ) soit 6.25 kg/m² Alu : classe M0 Plexiglas PMMA : 25 MJ/kg (1900 kg/m 3 )=12kg, soit 7.5 kg/m² Verre : classe M0 131 MJ/m² 0 187 MJ/m² 0 Fil, connectique 1 MJ/m 1 MJ/m² 1 MJ/m² Joint d étanchéité Caoutchouc : 24 MJ/kg (1000 kg/m 3 ) 0.6kg/panneau ; 0.375 kg/m² 9 MJ/m² 9 MJ/m² Total 1 306 MJ/m² 22.5 MJ/m² 18
Identification des risques Incendie / Fumées: Cadmium (toxicité + fumées), Fluoropolymère (HF, COF 2 ), Câblage & Connectique PVC (HCl), Production particules ultrafines Incendie / Propagation Présence de matériaux combustibles (film ), d isolation supplémentaire ou d étanchéité, obstacle à l évacuation des fumées dans les combles Points chauds Intervention: - Risque électrique, Accessibilité (source du feu) 19
Essais à échelle labo: Calorimètre de Tewarson Etude du comportement au feu Paramètres de mesure Mesures de paramètres caractéristiques -Cinétiques de perte de masse, de chaleur dégagée, de température du feu, vitesse de combustion, - Chaleur de combustion - Temps d ignition - TRP: Paramètre réponse thermique - CHF: Flux de chaleur critique Composition des effluents gazeux (IRFT) Identification CO, CO 2, CH 4, C 3 H 6, HBr, HCl, HF, N 2 O, NH 3, NO 2, NO, SO 2, HCN, Semi-quantification de Formaldéhyde, Acétaldéhyde, Ethylène, Acétylène, Acroléine... 20
Illustrations 21
Résultats 22
Analyse des effluents gazeux valeurs FTIR taux d'émission mg/g CO2 2315,4 CO 26,2 SO2 0,2 NH3 0,0 méthane 0,3 NO 2,4 NO2 0,2 N2O 0,0 HF 21,5 HCN 0,3 HBr 0,1 HCl 0,0 acétaldéhyde 0,2 formaldéhyde 0,1 acroléine 0,0 éthène 0,9 propène 0,2 acéthylène 0,1 H2O 1230,1 Masse perdue 30g (33% de la masse initiale) soit environ 600 mg produit sur une surface de 0.01 m² pendant toute la durée de combustion de l échantillon. 6000 m² => 360 kg d HF sur 2h (0.05 kg/s) Débit de fumées ~ 10000 kg/s Concentration (fraction massique) : 0.000005 ~ 5 ppm SEI : 200 ppm => Reste inferieure aux seuil réglementaire 23
Résidus de combustion 24
Essais à moyenne échelle Configuration industrielle avec PV seul Peu, voire pas de propagation du feu, c est essentiellement le support qui brûle. Dans les conditions expérimentales, il y a toujours eu un courant dans les panneaux malgré la destruction de 2 éléments. A priori, la présence de la flamme n a pas augmenté la puissance délivrée par les panneaux. Au final, le produit se révèle très résistant. Débit de propane : 4.8 g/s 200 kw environ Flamme peu fumigène d une hauteur de 1 à 2 m Peu de vent Soleil «abondant» 25
Toiture «solaire» industrielle L étanchéité (bitume) est moins performante que les cellules PV même si le bitume n a que peu propagé le feu. Les variations mesurées au niveau de la puissance électrique résultent à la fois de la destruction d une partie des panneaux et de la présence de fumées qui ont réduit le flux solaire. La puissance électrique délivrée est restée à un niveau relativement important. Même en présence d une étanchéité combustible à proximité, le produit s est révélé très résistant. 26
Conclusions partielles En utilisation industrielle, les PV couches minces (classé Broof(T3)) s avèrent plus performants que l étanchéité utilisée couramment sur le plan de la propagation au feu. De ce point de vue, la présence de panneaux PV sur des entrepôts ne favorisera pas la propagation du feu, au contraire. Côté intervention, ce caractère résistant constitue un handicap car les panneaux vont continuer à produire de l électricité peut-être même après l incendie. 27
Essais à moyenne échelle installation pour le particulier Moyenne échelle en situation avec charpente, isolation et étanchéité. Configuration pavillon : avec et sans PV panneau: Avec PV, thermocouples placés sur et sous les PV et mesure de la puissance aux bornes du PV pour rechercher la température critique en situation réelle Sans PV, prendre une solution courante pour évaluer son comportement (avec thermocouples disposés de la même façon) La comparaison se fait sur l évolution de la température dans la partie située sous la toiture 28
Maquettes expérimentales Sans panneau Avec panneau 50kW environ pendant 1m30s - Peu de vent - Soleil «abondant» 29
Comportement au feu Sans panneau Avec panneau 30
Incendie des maquettes Sans panneau Après 9 min. Avec panneau 31
Comparaison des essais - films Caméra infrarouge 32
Comparaison des températures Sans panneau 50 C au bout de 11 minutes Avec panneau 50 C au bout de 6 minutes 1000 1000 900 900 800 T17 T18 800 T17 T18 T19 T20 T19 T20 700 700 températures en C 600 500 400 températures en C 600 500 400 300 300 200 200 100 100 0-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 0-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 temps en min temps en min 33
Evolution de la puissance délivrée par le panneau Puissance l inflammation de l isolant provoque la destruction des panneaux Température rappel 40 4 1000 35 3,5 900 30 3 800 T17 T19 T18 T20 tenion en V, puissance en W 25 20 15 tension Puissance courant 2,5 2 1,5 températures courant en C A 700 600 500 400 10 1 300 5 0,5 200 0 0-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 temps en min 100 0-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 34
Conclusion partielle La présence du panneau a eu un rôle négatif sur les températures observées à l intérieur des «combles», des températures critiques pour les personnes ont été atteintes plusieurs minutes (5 minutes) plus tôt lorsqu il y avait un panneau. Ce comportement est du exclusivement au fait que l étanchéité utilisée était combustible (matériel recommandé par le fournisseur). Préconisations essentielles sur ce point. Côté intervention, la puissance délivrée par les panneaux a chuté très rapidement au fur et à mesure de la dégradation des cellules. Le risque associé à ce type de panneau est donc moindre 35