Estimation du potentiel solaire mondial par satellite
(research.google)- Alors que la demande d’énergie augmente rapidement, Google étend la couverture des évaluations solaires toit par toit de Solar API jusqu’aux régions du Global South où les images aériennes manquent, grâce au ML fondé sur l’imagerie satellite
- La méthode clé consiste à produire un modèle numérique de surface (DSM) et une carte de segmentation des toits à partir d’une image satellite prise à un instant donné, afin d’estimer les informations de forme des toits nécessaires au placement des panneaux et à l’analyse de l’ombrage
- Avec cette extension, les données de Solar API ont été ajoutées pour 125 millions de bâtiments dans 23 pays, et la couverture potentielle, sur la base des images satellite actuellement disponibles, atteint désormais 1,9 milliard de bâtiments dans le monde
- Le modèle affiche des performances robustes même avec une entrée RGB uniquement, ce qui le rend applicable aux régions dépourvues de DSM d’entrée fondé sur la stéréo ; les erreurs exceptionnelles observées au Chili et aux Philippines sont attribuées à des données de vérité terrain bruitées
- La résolution des pixels d’entrée, les nuages et les phénomènes d’occlusion limitent encore la qualité de sortie ; les prochains axes portent sur la détection d’obstacles, la détection des matériaux de toiture et l’identification des panneaux solaires existants
Les obstacles à l’évaluation solaire ciblés par Solar API
- La demande d’énergie devrait fortement augmenter à l’avenir ; en 2035, la production solaire devrait générer 10,7k TWh dans le monde, soit près de 28 % de la demande totale prévue
- Le solaire résidentiel est l’un des principaux moyens de répondre durablement à cette hausse de la demande
- Dans certaines régions du Global South, l’accès limité au financement, à la technologie et aux infrastructures reste un frein à l’adoption du solaire
- L’évaluation de la faisabilité solaire à l’échelle d’un bâtiment doit prendre en compte de nombreuses variables, ce qui peut représenter une charge aussi bien pour les propriétaires que pour les entreprises
- Google Maps Platform Solar API utilise l’imagerie aérienne pour fournir des informations clés toit par toit et simplifier l’évaluation du potentiel solaire ainsi que la conception des systèmes
Les bases de données de la Solar API existante
- Solar API a été lancée en 2023 au sein des Environment APIs de Google Maps Platform
- Elle traite des images aériennes, des données météo et des données financières pour fournir les informations suivantes
- Début 2024, des techniques de ML ont été appliquées au pipeline de traitement afin de fournir des insights solaires pour des millions de bâtiments supplémentaires aux États-Unis, en Europe et au Japon
- Ces données peuvent être utilisées par les entreprises pour créer des informations personnalisées sur le potentiel solaire, des placements de panneaux optimisés, des propositions et devis à distance, ainsi que des programmes d’incitation fondés sur les données
Une couverture du Global South élargie grâce à l’imagerie satellite
- Pour répondre à la demande de données solaires dans le Global South, Google applique des techniques de ML aux images satellite
- Les images satellite ont une résolution plus faible que les images aériennes, ce qui entraîne plusieurs contraintes
- Manque de cartes d’altitude précises
- Qualité d’image plus faible
- Distorsions dues aux angles de vue obliques
- En contrepartie, elles permettent d’étendre la couverture à l’échelle mondiale et de mettre à jour les données plus fréquemment, y compris dans des régions déjà bien cartographiées comme les États-Unis et l’Europe
- Les données expérimentales sont fournies via le Solar API Expanded Coverage Testing Program, et certains installateurs solaires utilisent déjà les sorties de données
- Avec cette extension, les données de Solar API ont été ajoutées pour 125 millions de bâtiments dans 23 pays
- Sur la base des images satellite actuellement disponibles, la couverture potentielle s’étend désormais à 1,9 milliard de bâtiments dans le monde
- D’autres bâtiments pourront être ajoutés à mesure que les satellites continueront à photographier de nouvelles régions
- La couverture la plus récente est consultable sur la carte de couverture de Solar API
Un pipeline ML pour créer le DSM et la segmentation des toits
- Le pipeline de génération de données solaires a besoin d’un DSM de haute qualité pour créer des segments de toits plats destinés au calcul des panneaux
- Les méthodes existantes de génération de DSM par satellite présentent des limites
- Les images satellite haute résolution, inférieures à 1 m, coûtent cher à acquérir
- Le nombre de points de vue disponibles pour une zone donnée peut être limité et les intervalles temporels importants
- En raison de la faible résolution, les techniques existantes de segmentation de toits sont également moins précises sur les données satellite
- Le nouveau modèle ML génère, à partir d’une image satellite prise d’un seul point de vue, un DSM nadir de haute qualité, c’est-à-dire en vue orthogonale, ainsi que des instances de segments de toit plans
- La méthodologie est décrite dans l’article « Satellite Sunroof: High-res Digital Surface Models and Roof Segmentation for Global Solar Mapping », publié dans l’atelier Climate Change and AI de NeurIPS 2024
Architecture du modèle en deux étapes
- Le modèle génère les DSM et les segments de toit en deux étapes : un base model et un refinement model
- La première étape, le base model, prend en entrée une image satellite RGB off-nadir et l’angle d’observation du satellite
- Là où il est disponible, un DSM-DTM, c’est-à-dire une carte de hauteur relative de faible qualité fondée sur la photogrammétrie, peut aussi être inclus en option
- Le DSM d’entrée initial a une couverture limitée et une résolution insuffisante pour les calculs détaillés sur les toits
- Il utilise une architecture de type U-Net et un encodeur Swin Transformer
- Il génère une carte de hauteur améliorée et des instances de segments de toit depuis une vue off-nadir
- Ensuite, une reprojection géométrique convertit les résultats en nadir view
- La seconde étape, le refinement model, comble les vides et les artefacts créés lors de la reprojection, et améliore le RGB nadir, le DSM et les instances de segments
- L’estimation du DSM utilise une perte L1 et une perte de gradient de Sobel, tandis que la segmentation des toits utilise une perte de masque d’affinité
Résultats d’évaluation et conditions d’entrée
- Le modèle est évalué quantitativement selon plusieurs métriques
- Erreur absolue moyenne (MAE) du DSM
- Erreur de pente du toit
- IOU des instances de segments de toit
- Les résultats de DSM et de pente sont comparés à des DSM aériens de haute qualité
- Les labels de segments de toit sont obtenus de deux façons
- Calcul par application d’un graph-cut aux labels DSM
- Annotation manuelle par des humains
- Les résultats sont répartis en deux groupes selon les canaux d’entrée
- RGB-only : correspond à la couverture mondiale
- RGB+DSM : correspond aux zones limitées où un DSM d’entrée fondé sur la stéréo est disponible
- L’ajout d’un DSM de faible qualité améliore la prédiction de l’ombrage capturée par la MAE du DSM des bâtiments
- Toutefois, l’ajout d’un DSM de faible qualité n’améliore pas beaucoup la segmentation des toits ni la précision des pentes, qui sont plus importantes pour l’estimation du potentiel solaire
- Les performances restent solides avec une entrée RGB uniquement, ce qui permet d’appliquer le modèle partout où des images satellite RGB sont disponibles
- Les variations d’erreur selon les pays sont faibles, et les exceptions observées au Chili et aux Philippines sont dues à des données de vérité terrain bruitées
- En conséquence, le modèle peut s’adapter à des régions présentant des styles architecturaux, des tailles de bâtiments et des structures de toits complexes variés
Résultats visuels et contraintes restantes
- Les visualisations de prédiction dans plusieurs régions montrent ensemble le RGB nadir, le DSM nadir et les instances de segments de toit nadir
- Ayodhya, Inde
- Kuala Lumpur, Malaisie
- Adélaïde, Australie
- Dans les zones à toits plats, le DSM capture les obstacles et les surfaces de toiture avec une grande précision
- Dans les zones à toits inclinés, le modèle prédit efficacement les faîtages de toit, importants pour le placement des panneaux
- Même si le DSM peut ne pas capturer la forme détaillée de chaque arbre, les informations de hauteur des arbres sont utilisées pour analyser l’effet de l’ombrage sur les toits voisins
- Les sorties du modèle fondé sur le satellite ont été comparées aux données aériennes de haute qualité actuellement disponibles dans Solar API, et les prévisions de flux solaire annuel sont visualisées en superposition sur les images satellite RGB
- La qualité de sortie reste soumise à des contraintes
- Résolution des pixels d’entrée
- Nuages
- Artefacts d’occlusion
- Google continue d’améliorer la précision grâce à la recherche et aux retours des utilisateurs
- Les recherches futures incluent la détection d’obstacles, la détection des matériaux de toiture et l’identification des panneaux solaires existants
1 commentaires
Commentaires sur Hacker News
Pour avoir étudié la disponibilité des DSM dans le monde, l’API Solar de Google fait partie des candidats les plus prometteurs.
L’autre option, ce sont les relevés LiDAR des pouvoirs publics, mais leur couverture, leurs formats de fichiers, leurs systèmes de coordonnées, etc., varient tous.
Ce serait bien que la communauté cartographique crée un jeu de tuiles DSM mondial, un peu comme les jeux de tuiles d’altitude du sol utilisés pour les courbes de niveau ou les vues de terrain en 3D.
Quelqu’un le fait peut-être déjà, mais c’est dommage que les zones évoquées dans l’article ne soient que des zones potentielles où l’on pourrait générer un DSM, et non des endroits où des données existent déjà.
Comme cet acronyme est utilisé avec beaucoup de sens différents, ce serait bien d’écrire au moins une fois le nom complet.
C’est incontestablement une amélioration très impressionnante des outils existants, mais je me demande si les calculs avancés comme l’inclinaison des toits ont encore vraiment du sens.
Les innombrables installations solaires sur des toits individuels sont complexes et coûteuses à autoriser et à installer, peu efficaces à exploiter, et compliquées à réparer, assurer, moderniser et intégrer au réseau ; on n’en a pas déjà conclu que c’était à peu près la pire approche ?
Les infrastructures critiques décentralisées renforcent beaucoup la résilience climatique, et il ne faut pas oublier cet aspect dans les calculs d’efficacité.
À l’inverse, les grandes centrales solaires, généralement plus efficaces, doivent faire face à des problèmes comme l’attente de raccordement au réseau ou le manque de capacité du réseau.
Bien sûr, le solaire décentralisé n’est pas une solution générale pour décarboner tout le système énergétique, mais il a un rôle significatif à jouer, et il n’y a aucune raison de ne pas faire les deux.
Aujourd’hui vers midi, près de 50 % de la production du réseau national venait du solaire en toiture, auxquels s’ajoutaient environ 10 % de solaire à l’échelle des utilities.
Tant que les compagnies d’électricité ne cherchent pas activement à en empêcher l’usage, le solaire en toiture fonctionne très bien.
En voici un exemple : https://www.theguardian.com/environment/article/2024/sep/08/...
Le mieux est l’ennemi du bien.
Le solaire à l’échelle des utilities fournit de l’électricité bon marché, mais ce n’est pas le cas du solaire résidentiel en toiture, et il y a peu de chances que cela change.
Le prix du solaire en toiture est généralement masqué, parce qu’aucune source d’électricité n’a reçu autant de subventions que lui.
En plus des subventions directes, les propriétaires aisés sont souvent rémunérés au prix de détail pour l’électricité qu’ils revendent au réseau, ce qui crée une sorte de Robin des Bois inversé où les factures d’électricité augmentent pour ceux qui n’ont pas les moyens de mettre des panneaux sur leur toit.
Un rapport de statista.com indique aussi qu’aux États-Unis, le solaire résidentiel en toiture et le nucléaire ont les coûts actualisés de l’énergie non subventionnés les plus élevés, et que sans subventions, le solaire en toiture coûte 117 à 282 dollars par MWh : https://www.statista.com/statistics/493797/estimated-leveliz...
Le rapport semble dater d’il y a un an, mais même si le prix des panneaux a baissé, la main-d’œuvre et le reste n’ont pas beaucoup diminué, donc les coûts d’installation n’ont probablement pas fortement reculé.
Vraiment impressionnant.
Si l’on y ajoutait les tarifs locaux de l’électricité pour produire une estimation des économies annuelles, cela pourrait devenir un déclencheur de discussion même pour des propriétaires qui n’avaient jamais envisagé le solaire résidentiel.
Le traitement d’images présenté dans l’article est très impressionnant, mais j’ai des doutes sur son champ d’application.
Google fait ce type d’estimation du potentiel solaire depuis environ dix ans ; si l’on considère que la fonctionnalité est développée depuis autour de 2010, le coût des panneaux solaires a entre-temps chuté d’un facteur à un chiffre.
Dès lors, la réponse à la question de savoir où installer du solaire n’est-elle pas déjà tranchée ? Je pensais qu’aujourd’hui la réponse était « oui, partout ».
Soit les acteurs du marché passent à côté d’un argent facile, soit la réponse n’est pas simplement « oui, partout ».
Le coût des panneaux a beaucoup baissé, mais aux États-Unis, le matériel de fixation et les coûts d’installation restent assez élevés.
Je suis sceptique quant à l’idée de mettre des panneaux solaires sur les toits.
Cela semble pénible et beaucoup plus cher que de les installer sur un terrain plat : https://en.wikipedia.org/wiki/Bhadla_Solar_Park
L’argent supplémentaire dépensé là aurait pu aider à installer davantage de solaire ou de batteries.
En milieu urbain, la parcelle de la plupart des maisons est limitée, si bien que le toit peut être le seul endroit où installer des panneaux.
Si l’on dispose de suffisamment d’espace, le toit est, de presque tous les points de vue, un moins bon emplacement que le sol.
L’Allemagne a déjà de gros problèmes de transport d’électricité sur de longues distances.
Aujourd’hui, le solaire et les batteries sont très bon marché, si bien que l’indépendance et une liberté concrète viennent avec par défaut.
On peut aussi faire une installation au sol si l’on veut rendre inutilisable un espace précieux au niveau du sol, mais je préfère le toit, qui n’entraîne pas ce type de perte.
À côté des autoroutes ou à des emplacements bien choisis, les installations au sol peuvent aussi être une bonne chose.
Mais quand j’investis dans ma maison, je n’ai pas envie de financer le solaire de quelqu’un d’autre.
Estimation basée sur une maison de San Francisco avec un toit typique et un tarif d’électricité typique
Si le coût initial est de 20 000 dollars et les économies sur 20 ans de 4 000 dollars, cela signifie un rendement annuel de 0,9 %
Je passe mon tour
En supposant une production réelle égale à 10 % de la capacité, cela donne 14 à 19 kWh par jour, soit 5 000 à 7 000 kWh par an
Le tarif résidentiel actuel de l’électricité à San Francisco est de 38,9 cents par kWh[1], soit 2 000 à 2 700 dollars d’économies par an, et 40 000 à 54 000 dollars sur 20 ans
Les économies réelles dépendront de la consommation aux heures de pointe, mais je ne pense pas que l’estimation soit fausse d’un facteur 10
Donc 20 000 dollars deviennent en réalité 12 000 dollars, ce qui améliore un peu le calcul
Et ont-ils pris en compte la hausse des tarifs d’électricité sur 20 ans ? Je doute que l’électricité devienne moins chère
Dans le nord-est des États-Unis, où j’ai vécu, de longues coupures ont fait pourrir des milliers de dollars de nourriture, provoqué des dizaines de milliers de dollars de dégâts par inondation de sous-sols, et en hiver, les températures négatives ont gelé des canalisations, causant encore plus de dommages à des bâtiments entiers
Quand le secteur de l’assurance comprendra les avantages du stockage local d’énergie, il finira par réduire les primes des maisons dotées de stockage local d’énergie
Ça me fait rire de voir des calculs purement financiers sans vision d’ensemble de ce qui se passe dans la vie des gens quand l’interrupteur n’allume plus rien
J’ai aussi beaucoup conçu de systèmes logiciels à haute disponibilité, et pour n’importe quel système, le point de départ fondamental a toujours été l’énergie
La majeure partie de la société suppose que l’interrupteur allumera toujours la lumière, mais quand ce n’est plus le cas, on commence seulement à comprendre ce qu’est vraiment un « réseau électrique centralisé »
Comme la Californie l’a récemment annoncé avec son obligation de solaire et de stockage pour les nouveaux logements après 2026, la décentralisation du réseau est déjà en cours
Aujourd’hui, les individus peuvent faire semblant d’ignorer les problèmes d’énergie, mais quand les problèmes s’accumuleront, tout le monde devra finir par participer
C’est la différence entre agir en amont et réagir après coup ; au moment où cela devient vraiment nécessaire, il est déjà trop tard
Cela dit, je ne sais pas si la durée de vie des panneaux est suffisante pour rendre ce modèle viable
Article lié : Global Solar Power Potential Map - https://news.ycombinator.com/item?id=40303570 - mai 2024
À l’avenir, une application intéressante des satellites sera d’estimer précisément la production solaire dans un futur proche, par exemple sur l’heure suivante, afin que les opérateurs de réseau puissent ajuster stockage et demande pour maintenir l’équilibre
Aujourd’hui, on ne peut pas faire ce genre de prévision pour les nuages qui passent, parce qu’on ne sait pas où se trouvent les panneaux solaires
Sinon, il suffit de scraper les images de Google Maps pour entraîner un modèle d’IA
Je serais même surpris que personne ne le fasse déjà
Le fait que chaque particulier ait ses propres panneaux solaires pose plusieurs problèmes
Environ 1/4 à 1/3 de la facture d’électricité correspond aux coûts de distribution, et plus le solaire sur toiture réduit la quantité prélevée sur le réseau, plus cette part augmente
Dans le même temps, comme les clients consomment moins d’électricité, les revenus des fournisseurs diminuent, tout comme l’argent disponible pour investir dans la distribution
Pour continuer à fonctionner, ils doivent donc augmenter encore les frais de distribution
Ajoutez à cela le NIMBY, les coûts de permis et, dans ce pays, l’impossibilité de construire quoi que ce soit sans raison particulière, et les coûts de distribution gonflent globalement
Dans un foyer où tout le monde a du solaire sur toiture, on ne paie en pratique l’opérateur du réseau que pour l’électricité sale ou hors pointe
L’opérateur paraît alors mauvais en surface, les clients se fâchent en disant « pourquoi ma facture est-elle si élevée alors que je consomme si peu d’électricité ? », et le monde politique pousse à utiliser une électricité propre
Mais l’opérateur doit fournir de l’électricité 24 h/24 tout en étant coincé entre plafonnement des bénéfices, production d’électricité propre coûteuse hors pointe, centrales coûteuses à l’arrêt la moitié du temps, et manque de trésorerie
Le solaire résidentiel ne couvre pas les 24 heures, donc les gens ont besoin d’électricité 24 h/24, et dans beaucoup d’endroits il est illégal de vendre une maison non raccordée au réseau
Les consommateurs doivent donc payer pour avoir la possibilité d’utiliser de l’électricité hors pointe, et tout le monde est mécontent
L’avantage est que la résilience du réseau peut augmenter, mais comme d’autres l’ont dit, cela n’est possible qu’avec de gros investissements dans la distribution locale
Il faut pouvoir renvoyer l’électricité des maisons vers le réseau de manière très dynamique et granulaire, ce qui représente un investissement massif difficile à assumer pour les opérateurs de réseau
Au fond, le problème découle du fait qu’éparpiller de petits panneaux solaires partout est extrêmement inefficace, car on ne peut pas en installer, nettoyer, entretenir et remplacer à bas coût
Poser beaucoup de panneaux sur un terrain désertique bon marché et les raccorder au réseau de distribution existant revient bien moins cher par watt
D’une manière ou d’une autre, tout le monde finira par payer ce coût de résilience via sa facture d’électricité
L’électricité du réseau serait « beaucoup moins chère » et l’installation n’en vaudrait pas la peine
Donc soit cette affirmation est fausse, soit les compagnies d’électricité sont trop occupées à pratiquer des marges excessives et se sont elles-mêmes mises dans une situation impossible où tout le monde les déteste
Même si c’est trop cher aujourd’hui, existe-t-il une solution connue ?
Est-ce qu’il serait logique que le fournisseur local passe massivement au solaire avec de grosses batteries de secours ? Ou les batteries sont-elles trop chères, ou leur durée de vie trop courte, pour que ce soit encore réalisable ?
Et une combinaison éolien + solaire ? Il est peu probable que les deux s’arrêtent en même temps
J’ai lu que les coûts de l’éolien et du solaire baissaient rapidement chaque année, et que c’était aussi le cas de la technologie des batteries
Combien de temps faudra-t-il encore pour que les coûts soient assez bas pour qu’une ville dispose de son propre réseau fiable fondé sur les énergies renouvelables ?
J’espère que cela aidera les gens à obtenir une énergie moins chère.
Juste une petite remarque : l’expression « 10.7k TWh dans le monde » me rappelle l’époque où l’on avait failli abréger « thousand kilometres » en « kkm ».
Et ce n’est pas une critique de Google, mais en regardant le lien vers l’IEA dans cette phrase, il semble suspect que l’IEA prévoie encore le déploiement du solaire entre 2025 et 2035 de façon linéaire.
Et ce alors que, depuis au moins dix ans, des gens soulignent que la croissance a historiquement été exponentielle et demandent pourquoi on ne suppose pas que l’exponentielle se poursuive.
Si la tendance se maintient, en 2035 le solaire devrait atteindre environ le double des chiffres de l’IEA.
Références : https://www.economist.com/interactive/essay/2024/06/20/solar...
https://www.exponentialview.co/p/the-forecasters-gap
Article d’il y a 7 ans : https://xwpxpfefwalgifkr.quora.com/A-modest-proposal-to-the-...
Y a-t-il une ambiguïté que j’ai manquée ?
Si l’on part d’une croissance annuelle de 26 % aujourd’hui et qu’on suppose qu’elle baisse de 2 points de pourcentage par an, à 24 % l’an prochain, alors dans 10 ans les installations annuelles seront 4,25 fois celles de l’an dernier, et les installations cumulées sur les 10 prochaines années seront 2,8 fois l’estimation linéaire.
Personnellement, cela me semble être un ordre de grandeur raisonnable.
Cela dit, selon le niveau de déploiement du stockage sur le réseau électrique, le facteur de charge pourrait chuter fortement ou rester assez stable : c’est une inconnue.
Nous ne sommes pas souvent exposés à des nombres de cette échelle.
Je ne sais pas bien quelle est la bonne solution.
Les préfixes d’unités n’étaient pas une bonne idée.
A-t-on déplacé la virgule, ou bien l’a-t-on simplement changé en « Mm » ?