Master STEP Génie de l Environnement (GdE) IUP Génie de l Environnement Université Paris Diderot (2007-2008) M1 GdE/IUP : MTSNGL1 204 Projet industriel Énergies renouvelables à la Bibliothèque nationale de France Rapport soutenu le mercredi 6 février 2008 par Geoffrey QUINTAS NEVES et Jonas CHARBONNIER Tuteur de Projet M. Jean-Pierre FRANGI Directeur de l IUP Génie de l Environnement Université Paris-Diderot Maître de projet M. Michel VIAL Responsable énergies et fluides Bibliothèque nationale de France Master Sciences de la Terre, de l Environnement et des Planètes (STEP) Université Paris 7 Institut de Physique du Globe de Paris 01 44 27 56 30
SOMMAIRE REMERCIEMENTS...iii Résumé...iv Summary...iv INTRODUCTION...5 PARTIE 1 : Contexte de l étude... 6 1.1 Présentation de la Bibliothèque nationale de France (BnF) :... 6 a. Générale...6 b. Architecture du site François Mitterrand...6 c. Architecture du site de Bussy-Saint-Georges...7 1.2 Problématique et Méthodologie... 8 a. Problématique...8 b. Méthodologie...8 PARTIE 2 : Etude des potentiels photovoltaïque et éolien à la BnF :.. 9 2.1 Potentiel photovoltaïque :... 9 a. Le gisement...9 b. Solutions...9 2.2 Potentiel éolien... 14 a. Le gisement...14 b. Traitement des données de vent...15 c. Solutions techniques...16 d. Solutions économiques...17 CONCLUSION... 19 Bibliographie... 20 ANNEXES... 21
Scan de la fiche de position ii
REMERCIEMENTS Nous remercions notre maître de stage, Michel VIAL, pour son accueil, sa gentillesse et sa disponibilité pour nous aider tout au long de notre travail. Nous remercions Valérie VESQUE-JEANCARD, directrice générale adjointe, et Patrick AUDEBERT, adjoint de la direction de l administration et du personnel, qui sous l impulsion de Bruno RACINE, directeur de la BnF, ont lancé et soutenu l idée de développement durable au sein de la BnF. Et plus particulièrement pour avoir suivi et encouragé notre projet. Nous aimerions également remercier l ensemble des services DMT et SLRU qui nous ont accueillis chaleureusement, et ont rendu notre séjour au sein de la BnF toujours agréable. Une mention particulière est adressée à Patrice GUICHAOUA que nous avons quelque peu fait «suer» afin de reprogrammer le système d acquisition des stations météos. Enfin, nous souhaitons remercier Jean-Pierre FRANGI et Daniel RICHARD pour leurs conseils toujours judicieux et leur aide précieuse pour toutes les questions d ordre technique. iii
Résumé La consommation d énergie est en perpétuelle augmentation dans le monde, bien que l ensemble des scientifiques, à l échelle mondiale, prévoient un tarissement des ressources fossiles à court terme. La consommation de ces ressources entraîne l augmentation du prix de l énergie et de la concentration des gaz à effets de serre dans l atmosphère, en partie responsable du réchauffement climatique. Dans ce contexte, il est important d essayer de diversifier les origines de production de l énergie en se tournant notamment vers les énergies renouvelables. C est dans cette optique que nous avons réalisé une étude du potentiel éolien et photovoltaïque sur les sites de François Mitterrand et de Bussy-Saint-Georges appartenant à la Bibliothèque nationale de France.. Mots clés : développement durable énergies renouvelables éolien solaire photovoltaïque Summary The energy consumption is continuously increasing in the world although all scientists in the world foresee a decrease of the short-term fossil resources. The consumption of these resources entails the increase of the fuel prices and the increase of the concentration of greenhouse gases in our atmosphere, which is partially responsible for the global warming. In such context, it is important to try to diversify the energy production, in particular with renewable energies. To that purpose, we carried on a study of the wind and solar energy potential on two BnF sites: François Mitterrand s and Bussy-Saint-Georges. Keywords: sustainable development renewable energies - wind turbine - photovoltaic solar iv
INTRODUCTION Nous sommes aujourd hui à un tournant dans la politique environnementale française, représentée par son exposition médiatique lors du Grenelle de l Environnement en octobre 2007. Dans ce mouvement, la Bibliothèque nationale de France cherche à développer ses stratégies environnementales et appuie les études qui vont dans ce sens. Nous avons pour mission de réaliser une étude sur le potentiel des énergies renouvelables à la BnF. Pour rendre une étude pertinente, sur la durée de notre projet industriel, nous avons choisi, en concertation avec notre maître de projet, de nous concentrer sur les potentiels éoliens et solaires photovoltaïques des sites de François Mitterrand et Bussy-Saint-Georges. Cela comprend une étude des potentiels gisements, solaire et éolien, et des solutions envisageables pour répondre à la problématique. La problématique clairement exposée par la BnF étant : quelles solutions d énergie renouvelable sont les plus intéressantes financièrement et bien sûr les plus plausibles? Nous aborderons dans un premier temps la méthodologie mise en place pour cette étude, puis nous présenterons les travaux réalisés et les résultats obtenus. Enfin en guise de conclusion nous dégagerons des pistes de réflexion privilégiées. 5
PARTIE 1 : Contexte de l étude 1.1 Présentation de la Bibliothèque nationale de France (BnF) : a. Générale La BnF est un EPA (Etablissement Public à caractère Administratif) ayant pour mission de : constituer ses collections ; veiller à leur conservation et les communiquer au public ; produire un catalogue de référence ; coopérer avec d'autres établissements aux niveaux national et international ; participer à des programmes de recherche. La BnF est composée de 7 sites, 5 sites accueillants du public : site François-Mitterrand ; site Richelieu-Louvois ; Arsenal ; Opéra ; Maison Jean-Vilar ; 2 sites consacrés à la conservation des collections : Centre technique de Bussy-Saint-Georges ; Centre Joël-Le-Theule à Sablé-sur-Sarthe. b. Architecture du site François Mitterrand Le bâtiment se compose d un socle, enfoncé dans le sol et évidé dans sa partie centrale pour y loger un jardin, et de 4 tours hautes de 80 m. Ces tours, en forme d équerres, sont composées d acier, de verre, et derrière les vitres transparentes, de panneaux de bois. Par cette disposition, l architecte, Dominique Perrault, a voulu représenter 4 livres ouverts. Le socle, à son niveau supérieur, forme une esplanade publique, accessible depuis le quai François Mauriac par de grands emmarchements. Sa grande surface en bois d Ipé évoque le pont d un bateau. Dans les niveaux inférieurs, il loge en lignes concentriques les salles de lecture, le stockage des ouvrages et documents, les ateliers de traitement des documents et de gestion du dépôt légal ainsi que la plupart des équipements techniques. Dans l évidement central du socle, un jardin de plus d un hectare est aménagé avec près de 250 arbres. Ils ont été préparés en forêt depuis plusieurs années. Les tours comportent 20 étages. Les 7 premiers sont des bureaux de l administration protégés par des volets de bois mobiles. Les 11 suivants sont des magasins de stockage des livres avec des volets de bois fixes ; les deux derniers sont des étages techniques qui gardent le même visuel extérieur que les magasins de stockage. 6
Figure 1 : Plan du site François Mitterrand La Tour n 1 est nommée la tour des Temps. La Tour n 2 est nommée la tour des Lois. La Tour n 3 est nommée la tour des Nombres. La Tour n 4 est nommée la tour des Lettres. Afin de garantir une conservation à température et humidité maîtrisées, il a fallu, en outre une climatisation de l air, aménager une isolation efficace pour les tours. On trouve successivement à partir de l extérieur : 2 parois de verre, un espace libre, un volet fixe de bois derrière lequel se place une paroi de plâtre et 6 cm de laine de verre. Derrière cette paroi, se trouve le stockage des livres en atmosphère contrôlée en humidité et température. c. Architecture du site de Bussy-Saint-Georges Ce site est également l œuvre de Dominique Perrault, il a été construit en 1995. Son architecture est articulée autour d une rue intérieure à laquelle viennent se joindre les différents corps de bâtiments. Le terrain de 60 000m² est prévu pour accueillir des extensions, celles-ci s ajoutant aux 14 000m² de bâti existant. Les bâtiments principaux font 15 mètres de haut et possèdent une toiture plane. Rue intérieure Figure 2 : photographie d un bâtiment du site de Bussy Saint-Georges Figure 3 : Vue aérienne du site de Bussy Saint-Georges 7
1.2 Problématique et Méthodologie a. Problématique Notre problématique est d étudier le potentiel de production d énergie renouvelable sur les sites de François Mitterrand et Bussy-Saint-Georges. Ce potentiel a été restreint, en accord avec notre maître de stage, aux potentiels éoliens et solaires photovoltaïques. Ces deux technologies ont pour but de produire de l électricité, revendue directement à EDF. Les contrats de revente sont les suivants : Photovoltaïque : Rachat pendant 20 ans à 30 c le kwh si l installation n est pas intégrée au bâti et à 55 c le kwh si elle l est. L installation est dite «intégrée au bâti» si elle joue un rôle propre dans la synergie du bâtiment, comme par exemple l isolation. Cette propriété est au jugement d EDF. Eolien : Rachat obligatoire pendant 15 ans à 8.20 c le kwh si l installation se trouve en Zone de Développement Eolien (ZDE). b. Méthodologie Nous avons dans un premier temps étudié de façon succincte les factures énergétiques pour avoir un élément de comparaison avec nos recherches. Les énergies renouvelables étant un domaine très vaste, nous avons limité notre sujet à des objectifs réalisables sur la période de notre projet industriel : l éolien et le solaire photovoltaïque. Ces deux domaines ont été choisis car ils sont, après réflexion, les plus adaptés aux contraintes de la BnF et les plus intéressants économiquement. Nous nous sommes attachés à répondre à deux questions : - Quel est le gisement potentiel? - Quelles sont les solutions techniques envisageables? Pour le gisement éolien, nous avons réussi, après maints rebondissements, à reprogrammer les anémomètres présents à Bussy et Paris sur les sites de la BnF, pour obtenir des données prises toutes les 5 secondes et moyennées toutes les 10 minutes. Le gisement solaire a été évalué grâce aux cartes existantes et principalement aux données fournies par le CLER sur leur installation photovoltaïque (appelée Toit Bleu) construite sur leur toiture à Montreuil en 2002. Les solutions techniques ont été listées, analysées et comparées comme nous vous le présentons dans la partie suivante. 8
PARTIE 2 : Etude des potentiels photovoltaïque et éolien à la BnF : 2.1 Potentiel photovoltaïque : a. Le gisement Le gisement solaire est assez aisé à identifier car il existe des cartes de gisement solaire de la France (Figure 4). Donc, d après cette carte, Paris reçoit en moyenne 1 220 kwh /m²/an. Figure 4 : Gisement solaire de la France Nous avons préféré calculer une valeur in situ, à partir de la réalisation du Comité de Liaison Energies Renouvelables (CLER) à Montreuil dite le «toit bleu». Cette installation de 220m² pour 22 kwc avec des capteurs d un rendement de 13% donne depuis 5 ans 22 000 kwh par an en moyenne : Gisement solaire : 770 kwh /m²/an Nous voyons que cette valeur est beaucoup plus faible que celle donnée par la carte. La carte donne peut être une valeur théorique mais nous préférons pour notre étude nous baser sur la valeur calculée in situ. Ainsi les gains engendrés sont donc minimisés et les risques de surévaluation des retombées économiques est écarté. b. Solutions Nous avons dans un premier temps listé les solutions envisageables pour pouvoir faire un comparatif de rentabilité : - Capteurs sur les toits, inclinaison et orientation optimales ; - Vitrage solaire sur les deux façades exposées sud-ouest ; - Capteurs plans derrière les vitres à la place des panneaux décoratifs en bois ; - Brises soleil solaire sur les deux façades sud-ouest ; - Capteurs plans sur les deux grilles des escaliers de secours les mieux exposées. 9
Pour avoir «un indice total de rendement» (ITR) il faut prendre en compte : - L orientation du capteur ; - L inclinaison du capteur ; - Le rendement de la cellule photovoltaïque ; - L emplacement choisi : devant ou derrière le vitrage ; - Les effets de masque possibles. L orientation et l inclinaison jouent un rôle important dans la quantité d énergie reçue. Sous nos latitudes, l orientation optimale est le sud et l inclinaison optimale est de l ordre de 40 par rapport à l horizontale. Prenons pour ce doublet optimal la valeur de 1 = 100% ; la différence à ce doublet est répertoriée dans le tableau 1 : Tableau 1 : rendement établi en fonction de l orientation et de l inclinaison du panneau photovoltaïque 0 35 60 90 est 0.93 0.9 0.78 0.55 sud-est 0.93 0.96 0.88 0.66 sud 0.93 1 0.91 0.68 sud-ouest 0.93 0.96 0.88 0.66 ouest 0.93 0.9 0.78 0.55 Nous pouvons ainsi définir pour chaque installation envisagée un coefficient «orientation - inclinaison». Le rendement propre (% d énergie reçue convertie en énergie électrique) du capteur photovoltaïque est connu selon le type de panneaux installés : - panneaux traditionnels (toiture, façade) : 13% ; - vitrage photovoltaïque : 10% Ces valeurs ont été obtenues par recoupement des fiches techniques des différents constructeurs (BP Solar) de ces produits. La quantité d énergie reçue derrière la vitre est plus faible que le gisement réel car la vitre réfléchit et absorbe une partie de cette énergie. Nous avons recherché dans les plans de la BnF les propriétés des vitres installées et trouvé la valeur de la quantité d énergie transmise à travers ces vitres : 63%. C'est-à-dire que si un panneau solaire est placé derrière le vitrage il recevra 63% du gisement. En multipliant tous ces facteurs, nous obtenons notre «indice total de rendement». Les facteurs apparaissent pour chaque critère entre parenthèses. Ainsi nous obtenons le rendement effectif en multipliant cet indice par la valeur du gisement. Description de chaque solution et actions possibles : Vitrage solaire sur les deux façades exposées sud-ouest : Pour ce genre de technologie, le rendement du capteur est plus faible, soit de l ordre de 10%. Comme les capteurs sont incorporés au vitrage, ils sont verticaux et non orientables ; ils seront donc orientés comme les façades : sud-ouest. Vitrage solaire Rendement du capteur 10% Orientation Inclinaison Sud Ouest Verticale (0.66) Derrière vitrage Non (1) Effet de masque Aucun (1) Indice total 7% 10
La surface disponible comporte les 13 étages supérieurs des deux façades exposées sud-ouest. Cela représente 2 171 m² par tour soit un total de 4 342 m². Le coût d un vitrage photovoltaïque est de 900 /m² (équivaut à 100 Wc d installés). Cette technologie est récente et les exemples chiffrés d installations introuvables ; il est donc impossible d estimer le coût de l installation des vitres. Il est facilement pensable que de remplacer l ensemble des vitres concernées est un chantier énorme, engendrant donc des coûts très importants. Gisement : 770 kwh/an/m² ; ITR : 7% ; Production par m² : 54 kwh/an ; Surface disponible : 4342 m² ; Production totale : 234 000 kwh/an ; Prix au m² : 900 ; Prix total (hors installation) : 3.9 M ; Gain de la revente à 55c le kwh : 128 700 /an ; Retour sur Investissement : 30 ans ; Figure 5 : façades vitrées site FM Retour sur Investissement avec 40 % d aides : 18 ans. A notre avis, avec l installation ces chiffres sont presque à doubler! Les plus : aspect esthétique. Les moins : coûts élevés. Capteurs plans derrière les vitres à la place des panneaux décoratifs en bois : Ici le capteur est de même nature qu en toiture, donc d un rendement de l ordre de 13%. Les capteurs seront verticaux et orientés sud-ouest comme la façade. De plus, se trouvant derrière la vitre, l énergie solaire qui leur arrivera sera diminuée de ce fait. Rendement du capteur Plans 13% Orientation Inclinaison Sud Ouest Verticale (0.66) Derrière le vitrage? Oui (0.63) Effet de masque Aucun (1) Gisement : 770 kwh/an/m² ; ITR : 5.5% ; Production par m² : 42 kwh/an ; Surface disponible : 4342 m² ; Production totale : 184 000 kwh/an ; Prix au m² : 700 pose comprise ; Prix total : 3 040 000, pose comprise ; Gain de la revente à 55 c le kwh : 101 000 /an (55 000 /an à 30 c du kwh) ; Retour sur Investissement : 30 ans ; Retour sur Investissement avec 40 % d aides : 18 ans. Bénéfices envisageables : 2 ans = 202 000 Les plus : technique éprouvée, facilité d accès et donc de montage. Les moins : moins d énergie solaire incidente => faible gains, couleur sombre. Indice total 5.5% 11
Brises soleil solaire sur les deux façades sud-ouest : Le brise soleil permet d incliner le capteur, d un rendement d environ 13%, de manière optimale mais son orientation reste sud-ouest. Ce type de construction est considéré comme intégrée au bâti car elle joue un rôle dans la synergie du bâtiment ; l électricité produite est donc rachetée à 55 c le kwh. En revanche, l installation semble très compliquée d un point de vue technique (et l entretien par la suite encore plus) et sûrement inenvisageable d un point de vue esthétique. Rendement du capteur En toiture 13% Orientation Inclinaison Sud Ouest Optimale (0.96) Derrière le vitrage? Non (1) Effet de masque Aucun (1) Indice total 12.5% Les plus : bonne inclinaison, intégré au bâti. Les moins : esthétique, installation et entretien. Nous considérons que cette solution n est pas envisageable, nous n avons donc pas approfondi l étude. Capteurs plans opaques sur les deux grilles des escaliers de secours les mieux exposées : Les capteurs seront verticaux, orientés selon la façade sur laquelle ils sont posés (sud-sud-est ou sud-sud-ouest selon la façade considérée). Ces «petits cotés» des tours où se trouvent les escaliers de secours ne sont pas éclairés par le Soleil en continu dans la journée ; il y a des effets de masque à prendre en compte. Ne pouvant réaliser une étude précise de ces effets de masque, nous avons pris, après un relevé sur une journée, pour valeur 60 % : les effets de masque font que ces grilles ne sont exposées aux rayons solaires que 60 % du temps de l exposition normale. Rendement du capteur Sur grille 13% Orientation Inclinaison Sud sud Ouest Verticale (0.66) Derrière le vitrage? Non (1) Effet de masque Aucun (1) Indice total 3 grilles peuvent accueillir des capteurs de par leur orientation, chacune de 1 000 m². Nous comptons utiliser seulement la moitié supérieure de chacune, soit au total : 1 500 m². Gisement : 770 kwh/an/m² ; ITR : 5 % ; Production par m² : 38.5 kwh/an ; Surface disponible : 1 500 m² ; Production totale : 58 000 kwh/an ; Prix au m² : 700, pose comprise ; Prix total : 1 050 000, pose comprise ; Gain de la revente à 30c le kwh : 17 400 /an ; Retour sur Investissement : 60 ans ; Retour sur Investissement avec 40 % d aides : 36 ans. Les plus : visuel, technique éprouvée. Les moins : effets de masque. 5% Capteurs solaires en toiture : Figure 6 : Grille d un escalier de secours 12
Les plus d une telle installation sont ses propriétés d orientation et d inclinaison qui sont optimales. Son moins est que cette technologie n est pas considérée comme intégrée au bâti, l énergie produite est donc rachetée par EDF à 30 c le kwh. Rendement du capteur Orientation Inclinaison Derrière le vitrage? En toiture 13% Sud Optimale (1) Non (1) Effet de masque Aucun (1) Indice total 13% La surface disponible en toiture, à Tolbiac, est d environ 140 m² par tour, cela en tenant compte du projet d installation de deux nouvelles tours aéroréfrigérantes. Gisement : 770 kwh/an/m² ; ITR : 13 % ; Production par m² : 100 kwh/an ; Surface disponible : 560 m² ; Production totale : 56 000 kwh/an ; Prix au m² : 700 pose comprise ; Prix total : 392 000, pose comprise ; Gain de la revente à 30c le kwh : 16 800 /an ; Retour sur Investissement : 23 ans ; Retour sur Invest. avec 40 % d aides : 14 ans. Bénéfices envisageables : 6 ans = 100 000 A Bussy-Saint-Georges, les toitures planes des deux bâtiments principaux représentent un total de 6 000 m². Gisement : 770 kwh/an/m² ; ITR : 13 % ; Production par m² : 100 kwh/an ; Surface disponible : 6000 m² ; Production totale : 600 000 kwh/an ; Prix au m² : 700 pose comprise ; Prix total : 4 200 000, pose comprise ; Gain de la revente à 30c le kwh : 180 000 /an ; Retour sur Investissement : 23 ans ; Retour sur Invest. avec 40 % d aides : 14 ans. Bénéfices envisageables : 6 ans = 1 080 000 Figure 7 : toit d une des tours du site FM Figure 8 : toit du bâtiment principal du site de Bussy Saint-Georges 13
2.2 Potentiel éolien a. Le gisement Le gisement de vent est pour sa part beaucoup plus difficile à connaître. En effet, il est possible de trouver des valeurs énergétiques de vent moyennées sur l année, mais cela ne suffit pas pour réaliser une étude technico-économique sérieuse en vue de l implantation d une éolienne. On retrouve par exemple, pour les deux sites qui nous intéressent, les cartes suivantes, produites par l Agence Régionale de l'energie et de l'environnement (ARENE) d Île de France : Figure 9 : Densité d énergie éolienne mesurée en W/m² à 60m de hauteur Bussy-Saint-Georges : 200 W/m² 400 kwh/m²/an François Mitterrand : 80 W/m² 160 kwh/m²/an Ces cartes nous donnent la densité d énergie éolienne moyenne obtenue grâce aux fermes éoliennes existantes. En sachant qu en moyenne une éolienne fonctionne 2000 heures par an à vitesse nominale, on peut obtenir une estimation au premier ordre de l énergie produite sur chacun des sites. Météo France vend également des roses des vents ainsi que les données mesurées sur une année. Malheureusement dans le cadre de notre étude, et compte tenu de l importance du projet, ces quelques données sont insuffisantes. En effet, les stations de mesures ne sont pas représentatives des lieux dans lesquels le projet éolien est envisagé. Par exemple, la station météo de Paris se trouve au Parc Montsouris à 10m de hauteur, et ce site est entouré d arbres, qui causent donc un effet de masque. Les données de vent ne sont donc pas du tout exploitables pour le site de François Mitterrand qui se trouve en pleine canopée urbaine, à 80 mètres de hauteur. Notre principale mission concernant l éolien était alors de définir avec précision le gisement pour chacun de ces sites, afin par la suite de pouvoir réaliser une étude précise des possibilités en terme de production d électricité éolienne. Il est alors nécessaire de réaliser des mesures de vent in situ. Après avoir parlé avec le responsable de la GTC et du service DMT, nous avons appris que les deux sites possèdent une station météo. La station météo du site de Bussy-Saint-Georges est placée sur le toit du bâtiment principal, tandis que celle du site François Mitterrand est placée sur le toit de la T2. Ces stations météo mesurent la vitesse du vent et sa direction bien sûr, mais également la température, l hygrométrie et l ensoleillement (voir figures 10 et 11). D après le responsable du système GTC, système par lequel toutes ces données sont enregistrées puis traitées, les valeurs de direction du vent et d ensoleillement ne sont pas réellement très fiables. Nous nous sommes donc simplement concentrés dans un premier temps sur les données de vitesses de vent fournies par l anémomètre à coupelles situé sur la station météo. Les données de vitesse du vent étaient prises en instantané, approximativement toutes les 30 minutes et n étaient pas enregistrées, car elles ne servaient que durant la période estivale, dans le 14
but de décider si les laveurs de carreaux pouvaient ou non utiliser la nacelle en toute sécurité. Mais les standards en matière de mesure de gisement de vent préconisent des prises de mesures toutes les secondes, moyennées toutes les 10 minutes. Nous avons donc demandé à M. Patrice de modifier le paramétrage du système d acquisition de l anémomètre, afin de le faire correspondre à ces standards. Mais il était apparemment impossible de prendre une mesure par seconde compte tenu du système d acquisition en place doté d un temps de latence trop long. Nous avons donc décidé de mettre en place une acquisition des données avec un pas d échantillonnage de 5 secondes moyenné sur 10 minutes. Les enregistrements des données ont débuté sur les deux sites le 21 décembre 2007. Girouette Anémomètre à coupelles 1,85 m Figures 10 et 11 : station météo sur le toit de la T2, site FM b. Traitement des données de vent Une fois le système d acquisition des données de vitesses de vent mis en route, il nous faut traiter les données, et créer un outil pour les traiter facilement de façon à ce que l acquisition et le traitement des données soient pérennisés dans le temps au sein de la BnF. Les moyennes de vitesses de vent calculées toutes les 10 minutes sont enregistrées au niveau de la GTC, puis peuvent être exportées sous Microsoft Excel. L idée est donc de créer un tableur Excel dans lequel il est simplement nécessaire de copier les données de vent, puis tous les calculs et les graphes associés seraient fait automatiquement. Il est alors important de définir quelles sont les informations qui nous sont nécessaires pour évaluer la faisabilité de l implantation d une éolienne. Pour cette évaluation il est important de connaître : - la rose des vents ; - la distribution des vents ; - la répartition des vitesses de vent ; - la caractéristique vitesse durée. Malheureusement, puisque la girouette n est apparemment pas fiable, on ne pourra faire la rose des vents, mais pour cette information il est possible d avoir les données via météo France, car la direction du vent est peu variable dans Paris même. 15
Les courbes de distribution des vents et de répartition des vitesses de vent vont nous permettre de définir les caractéristiques venteuses du site afin de pouvoir choisir l éolienne qui présente les meilleures propriétés techniques pour le site. La courbe de distribution des vents : Cette courbe nous donne la fréquence de vent en fonction de la vitesse du vent, c'est-à-dire la fréquence (la proportion du temps) avec laquelle telle vitesse de vent apparaît. La courbe de répartition des vitesses de vent : Cette courbe permet de calculer les probabilités que la vitesse soit inférieure à une certaine valeur. Elle représente la proportion de vent dont la vitesse mesurée est inférieure à une certaine vitesse. La courbe vitesse durée va nous permettre de calculer, suivant les caractéristiques de l éolienne choisie, le nombre d heures pendant lesquelles l éolienne fonctionnera, et donc l énergie qui sera produite, puisque l énergie produite est directement proportionnelle à la vitesse du vent et à la durée de fonctionnement de l éolienne. La caractéristique vitesse durée : Cette courbe représente la vitesse du vent en fonction de la durée pendant laquelle le vent était à cette vitesse. Ces quelques graphes, réalisés après un mois de mesure, sont présentés en annexes (annexes I, II et III pages A, B et C). Pour pouvoir faire une analyse fiable, il faut pouvoir se baser sur des données d au moins une année complète puisque les vents changent en fonctions des mois et des saisons. De plus, pour que l analyse soit complète, il faudrait prendre en compte les effets orographiques (c'est-à-dire les effets dus au relief) ainsi que les effets d obstacles dus aux bâtiments proches, puisque les sites se trouvent en canopée urbaine ou en milieu périurbain. Malheureusement, nous n avons ni le temps ni les moyens de prendre en compte ces paramètres. Mais notre étude avait pour but de définir s il y avait un intérêt à envisager la production d électricité via l installation d une éolienne. Dans ce cadre, les résultats de notre étude sont suffisants dans un premier temps pour prendre la décision d investir davantage ou non dans la filière éolienne. Si jamais la direction de la BnF décide, suite à ce rapport, de monter un projet éolien en tant que tel, il sera alors temps de prendre ces paramètres en compte afin d affiner nos résultats. c. Solutions techniques Actuellement au niveau de l éolien, il existe deux types de solution : - les éoliennes à axe horizontal ; - les éoliennes à axe vertical. Eolienne à axe horizontal : Une éolienne à axe horizontal est une hélice perpendiculaire au vent, montée sur un mât. La hauteur est généralement de 20 m pour les petites éoliennes, et supérieure au double de la longueur d'une pale pour les modèles de grande envergure. Le rendement maximal théorique d'une éolienne est d environ 59 %. Ce chiffre ne prend pas en compte les pertes d'énergie occasionnées lors de la conversion de l'énergie mécanique du vent en énergie électrique. C'est-à-dire que sur un gisement potentiel de 100 kwh/m²/an on ne produirait en réalité que moins de 59 kwh/m²/an. L énergie électrique produite est directement fonction du rayon du rotor et du cube de la vitesse du vent, donc plus les pales de l éolienne et la vitesse du vent sont grandes, plus la quantité d énergie produite le sera aussi. Tout en sachant que la vitesse du vent est plus importante que le rayon des pales. Ce type d éolienne doit être orientée par rapport à la direction du vent, il est donc tout à fait primordial de 16
connaître la direction du vent du site. Ce type d éolienne nécessite un certain espace au sol, et un environnement dégagé, il n est potentiellement envisageable que sur le site de Bussy-Saint- Georges. Néanmoins, il existe également des éoliennes à axe horizontal plus petites, dit petit-éolien, qui peuvent satisfaire aux conditions urbaines. Eolienne à axe vertical : Le principe est celui d'un rotor d'axe vertical qui tourne au centre d'un stator à ailettes. On distingue plusieurs déclinaisons autour de ce principe, depuis le simple rotor cylindrique - deux profils disposés de part et d'autre de l'axe - jusqu au rotor parabolique où les profils sont recourbés et fixés au sommet et à la base de l'axe vertical. Ce type de solution réduit considérablement le bruit tout en autorisant le fonctionnement avec des vents supérieurs à 220 km/h et quelle que soit leur direction, ce qui en fait son principal avantage. L'encombrement total est plus faible aussi bien pour l'espace au sol que pour la hauteur. Pour une éolienne de 3 m de diamètre et 2 m de haut, une production de 8 000 kwh/an est annoncée (2007). Ces différentes caractéristiques en font donc la solution idéale pour de l éolien urbain, donc une solution envisageable préférentiellement sur le site François Mitterrand. Pour chacun de ces deux types, il existe de très nombreux modèles, mais il serait tout à fait inapproprié de faire une comparaison de ceux-ci sans connaître avec précision les données de vent. Néanmoins, afin d avoir une idée claire de ce qu ils représentent, voici quelques photos de quelques unes de ces différentes éoliennes : Eolienne à axe horizontal Eoliennes à axe vertical Figure 12 : photographies des deux types d éolienne d. Solutions économiques Aussi bien pour le site de Bussy-Saint-Georges que pour celui de la bibliothèque François Mitterrand, il est préférable de réinjecter l électricité produite dans le réseau électrique plutôt que d envisager une utilisation directe. En effet, si l on souhaite utiliser l énergie produite directement sur le site, cela engendre des travaux conséquents et donc un coût d installation important qui rend le projet non rentable. De plus, en réinjectant l électricité produite dans le réseau via le Réseau de Transport de l Electricité (RTE, filiale d EDF), cela permet un rachat de l électricité produite par EDF à 8,2cts/kWh sur un contrat de 15 ans, comme indiqué dans l arrêté du 10 juillet 2006 fixant les conditions d achat de l électricité produite par les installations utilisant l énergie mécanique du 17
vent. EDF est obligée de racheter cette électricité si on se trouve en Zone de Développement Eolien (ZDE), ce qui n est actuellement pas le cas pour les deux sites étudiés. Néanmoins, EDF peut également racheter l électricité produite sans que l on soit nécessairement en ZDE. N ayant aucune donnée quant à la production d électricité envisageable, il est bien sûr impossible de connaître les bénéfices envisageables liés à la revente de l électricité, et de calculer un quelconque retour sur investissement. Néanmoins, il est possible de connaître le coût approximatif d installation, qui est selon EDF Energie Nouvelles d environ 1500 par kw installé. Le coût de maintenance sur sa durée de vie est évalué en moyenne à 4% du coût d installation total. 18
CONCLUSION Notre étude a été menée dans de très bonnes conditions, l entente avec notre maître de stage et l ensemble de l équipe de le BnF a été très bonne. Cela nous a permis de réaliser ce projet industriel de la meilleure des façons dans le temps imparti. Nous avons essayé de réaliser une étude technico-économique des moyens de production d énergie solaire ou éolienne qui soit la plus complète possible, compte tenu des données et du peu de temps dont nous disposions. Pour l éolien, il nous a notamment manqué certaines données de bases, nécessaires au calcul du gisement. Mais maintenant que leur acquisition est en cours et a été pérennisée, toutes les données nécessaires seront accessibles d ici 1 an. Néanmoins, le mois de données récoltées permet d affirmer que le projet d une éolienne sur le site de François Mitterrand n est que très difficilement envisageable au regard du faible gisement de vent durant le mois de l étude, alors que c est un mois parmi les plus venteux. Par contre, les données récoltées ce même mois sur le site de Bussy laissent augurer d un potentiel intéressant. Cette différence est observée sur les données entre le site François Mitterrand et Bussy Saint-Georges, est expliquée par l orographie favorable de ce dernier site. Pour le solaire, nous avons conduit l étude jusqu à l envoi des devis aux constructeurs : leurs retours permettront de confirmer ou d infirmer notre analyse financière qui permet d ores et déjà de faire quelques conclusions intéressantes. Le site de François Mitterrand semble de par son architecture peu enclin à accueillir la technologie photovoltaïque dans des rendements raisonnables, hormis en toiture. Ainsi il est possible d installer des panneaux sur les toits, ce qui est même financièrement avantageux (amortissement sur 14ans puis 6années de bénéfices nets), mais la quantité d énergie produite est infime par rapport à, la consommation du site (de l ordre de 0.1%). Le site de Bussy-Saint-Georges offre, avec ses deux toitures plates, un potentiel énorme qu il serait intéressant d exploiter : si la centrale photovoltaïque est installée, l électricité produite représenterait quasiment 20 % de la consommation électrique du site, et un bénéfice net total sur 20 ans d environ 1 080 000. 19
Bibliographie Site internet du CLER : http://www.cler.org - http://www.cler.org/info/spip.php?article1172 - http://www.cler.org/info/img/pdf/fichetoitbleu-vf-2.pdf Sites des constructeurs photovoltaïques : Schott - http://www.schott.com/photovoltaic/english/products/pv_building_solutions/facade_overhea d_glazing/functions/design.html BP Solar - http://www.bpsolar.fr/solaire/integration-batiment/presentation.php Tecsol - http://www.tecsol.fr/fr/index.htm ARENE IDF : http://www.areneidf.org - http://www.areneidf.org/energies/eolienne.html Rapport de stage de S. Bouyaya : Le fonctionnement de la Bibliothèque nationale Française, Université Paris I La Sorbonne, 2007. 20
ANNEXES ANNEXE I Courbe de distribution des vitesses de vent obtenue après 1 mois de données sur le site François Mitterrand : Courbe de distribution des vitesse du vent 0,25 0,2 Frequence (%) 0,15 0,1 0,05 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Vitesse du vent (km/h) Et le type de courbe que l on doit pouvoir obtenir avec 1 année complète de données : 21
ANNEXE II Courbe de répartition des vitesses de vent obtenue après 1 mois de données sur le site François Mitterrand : Caractéristique de la répartition des vitesses du vent 100 90 80 Fonction de répartition 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Vitesses de vent (km/h) Et le type de courbe que l on doit pouvoir obtenir avec 1 année complète de données : 22
ANNEXE III Courbe caractéristique vitesse durée obtenue après 1 mois de données sur le site François Mitterrand : Caractéristique vitesse-durée Vitesse du vent (km/h) 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Pourcentage du temps (%) Et le type de courbe que l on doit pouvoir obtenir avec 1 année complète de données : 23