Transition énergétique du lycée : quelles solutions durables pour réduire l'empreinte environnementale
et favoriser l'engagement du lycée Saint-Michel afin de réduire sa dépense énergétique d'au moins 50% ?
  • TPE de 1ère S

    Année scolaire 2018-2019




    Bienvenue sur notre site internet !
    Sur celui-ci, vous trouverez toutes les informations concernant le travail effectué depuis le début des TPE, une présentation de notre équipe et de nos objectifs, une modélisation de notre support d'étude, l'établissement Saint-Michel à Annecy, ainsi que les différentes expériences que nous avons menées.
    Bonne visite !
  • Notre support d'étude :


    Établissement Saint-Michel, Annecy

Introduction

“ Nous n'héritons pas de la terre de nos parents, nous l'empruntons à nos enfants. ” - Antoine de Saint-Exupéry
Dans un contexte de réchauffement global de notre planète, il est désormais important de diminuer l'empreinte environnementale des bâtiments qui nous entourent en entamant une transition énergétique. Étant tous intéressés par ce sujet d'actualité au sein de notre groupe, nous avons choisi de mêler écologie et quotidien pour nos TPE, en choisissant le deuxième endroit où nous passons, en tant que lycéens, le plus clair de notre temps : notre établissement scolaire. Aussi, le thème "Agir pour son Avenir" nous permet d'étudier ce sujet qui nous tient à cœur ; notre objectif premier a été de montrer qu'il est possible d’entamer la transition énergétique de l'établissement Saint-Michel afin de réduire ses dépenses énergétiques d'au moins 50%, et pour cela, nous avons décidé d'identifier et d'étudier des systèmes techniques répondant à cet enjeu.

Avant de continuer, nous aimerions vous expliquer pourquoi nous avons choisi un site internet pour notre production finale des TPE. Un site internet a tout d'abord l'avantage d'être un support accessible n'importe où, n'importe quand, et il permet une diffusion d'informations à un grand nombre de personnes (même si nous avons fait le choix de ne pas le référencer pour l'instant). Il permet également d'accueillir de nombreux types de supports tels que des vidéos, audios, illustrations... et facilite la navigation dans le contenu. Enfin, dans un souci d'économie d'énergie en lien avec nos TPE, nous avons fait le choix de développer nous-même ce site internet (grâce à nos connaissances en informatique) et de l'héberger chez un hébergeur français.

Vous trouverez donc sur ce site la synthèse de notre réflexion quant à la transition énergétique de notre support d'étude, l'établissement Saint-Michel à Annecy, les expériences que nous avons menées et enfin, des pistes de réponse au problème que nous nous sommes posés : " Quelles solutions durables pour réduire l'empreinte environnementale et favoriser l'engagement du lycée Saint-Michel afin de réduire sa dépense énergétique d'au moins 50% ? ".

Avant de continuer sur cette page, nous vous proposons d'en savoir un peu plus sur notre équipe ! En savoir plus
Marius Chalumeau, Anthony Dufournet, Mattéo Ouenniche

Qu'est ce que la transition énergétique ?
Quels sont ses objectifs ?

Définition :
Le concept de transition énergétique désigne une phase de transformations du système de production, de distribution et de consommation d’énergie d’un territoire qui doit permettre de passer progressivement d’un système basé essentiellement sur les énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel), qui sont par nature limitées, à des sources énergétiques moins centralisées, diversifiées et renouvelables (éolien, solaire, hydraulique, géothermique, marémotrice, biomasse, etc.) dans le but de diminuer l’impact environnemental de ce territoire.
Ses objectifs :
Face à la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES), des mesures doivent être mises en œuvre afin d'entamer une transition énergétique. Des engagements ont été pris à différents niveaux : français, européen et international. Une transition énergétique efficace en France se traduit par les objectifs suivants :
  • · diviser par 4 les émissions de GES d'ici 2050
  • · réduire de 20% la consommation d'énergies primaires en 2020
  • · réduire de 38% la consommation énergétique du parc des bâtiments existants à partir de 2020

Le constat : bilan énergétique de l'établissement en 2017

Dans le cadre de nos recherches, nous nous sommes procurés un suivi de consommation EDF (fournisseur d'électricité de l'établissement) du site Saint-Michel pour l'année 2017 (le dernier disponible à la date à laquelle nous avons fait notre demande d'information).
Ce document est très complet ; on y retrouve les données de consommation électrique de l'établissement (consommations hebdomadaires, mensuelles, annuelles, pendant les mois d'été, trimestre le plus consommateur), son empreinte carbone (équivalent d'environ 24 tonnes de CO2 rejetées), mais également le montant de la facture annuelle qui s'élève à plus d'une centaine de milliers d'euros et la consommation totale annuelle qui est de 718 911 kWh ; grâce à ce dossier, nous constatons une grosse évolution entre la consommation électrique de l'établissement en 2016 et celle de 2017 (qui a très fortement augmenté comme en témoigne le graphique suivant) :

Année 2016 : courbe bleue | Année 2017 : courbe orange

Malgré l'engagement de l'établissement Saint-Michel pour la transition énergétique (voir la partie suivante), et après analyse de ces données (consulter notre étude comparative), le niveau de consommation électrique de l'établissement est un réel problème : il faut réduire la dépense énergétique du site, et tendre vers une autosuffisance électrique (selon la volonté de la direction de l'établissement).
Nous nous sommes donc donnés pour objectif de chercher et étudier des systèmes techniques durables (qui perdurent dans le temps) qui pourraient permettre de générer de l'électricité verte (électricité produite à partir d'une source d'énergie renouvelable) pouvant répondre à ces enjeux dans le but de réduire la dépense énergétique de l'établissement d'au moins 50%, pourcentage symbolique puisque cela voudrait dire que le site serait à mi-chemin de son objectif d'autosuffisance électrique.

Afin de mieux visualiser ce que représente 718 911 kWh de consommation électrique, consultez notre étude comparative.

Lien vers le dossier EDF

L'engagement de l'établissement pour la transition énergétique

Depuis quelques années, l'établissement Saint-Michel s'engage à mettre en place des actions dans le but de diminuer sa dépense énergétique et de favoriser la transition énergétique. En effet, depuis 2011 dix-huit panneaux photovoltaïques ont été installés sur toit de l'internat afin d'alimenter en eau chaude les sanitaires de celui-ci. Les bases d'une baisse de l'empreinte environnementale du lycée ont donc été inscrites. Cependant l'établissement ne s'est pas arrêté là : la totalité des nouveaux bâtiments ont obtenu la certification NF habitat HQE (Haute Qualité Environnementale) qui assure un respect de l'environnement, toutes les fenêtres simple vitrage ont été remplacées par des fenêtre à double vitrage pour limiter les pertes thermiques, les combles des anciens bâtiments ont été isolées, et un système de régulation de chauffage (GTC) a été mis en place.
“ Jusqu’à présent nous avons plutôt eu une politique d’économie d’énergie en partant du postulat que la meilleure énergie est celle que l’on ne consomme pas. ”
Stéphane Beaud - Directeur Délégué aux Formations Professionnelles et Technologiques
Eco-Ecole est un programme international d'enseignement au développement durable qui a pour but de sensibiliser les jeunes à la notion d'écologie et de préservation de l'environnement. Le programme propose une méthodologie en différentes étapes qui vise à mettre en place différentes actions par des établissement scolaires dans le but d'obtenir un label pour récompenser le travail fourni.
Ce programme a été mis en place à Saint-Michel depuis septembre 2018. Différentes réunions ont permis d'organiser le travail de réflexion sur les actions à mener. Notre groupe a donc assisté à ces réunions et s'est inscrit dans la commission chargée de l'énergie électrique, l'objectif étant que les solutions trouvées au cours de ce TPE soient ensuite discutées au sein de la commission.
Depuis quelques mois maintenant, la construction d'un nouveau bâtiment (gymnase et parking souterrain) sur le site Saint-Michel a débuté. Dans une démarche de prise en compte total de l'établissement pour notre TPE, nous avons contacté le cabinet d'architecte "Brières Architectes" ainsi que le bureau d'étude "CetrAlp" afin d'obtenir de plus amples informations concernant ce bâtiment, et demander si des systèmes techniques allaient être mis en place.
Après des échanges de mail et des rendez-vous téléphoniques, nous savons que le bâtiment respectera la réglementation RT2012 (ayant pour but de fixer une limite maximale à la consommation énergétique des bâtiments neufs) et sera classé catégorie B selon l'étiquette énergie concernant les bâtiments. De plus, celui-ci profitera d'une isolation renforcée et sera constitué de matériaux ayant une faible empreinte carbone. Cependant, il n'est pas prévu qu'il respecte la norme NF Habitat HQE, et il n'a pas été demandé que des systèmes techniques permettant la production d'énergie, grâce à des sources renouvelables, soient installés.

Quelles peuvent être les solutions ?


Voici les différents systèmes que nous avons trouvés et étudiés dans le cadre de nos recherches ; vous trouverez pour chacun d'eux une présentation du système ainsi que des points caractéristiques. Nous n'évoquerons pas comment ces systèmes fonctionnent, mais plutôt ce qu'ils permettent de faire et en quoi ils peuvent être des solutions à la problématique posée.

Nous vous proposons, avant ou après lecture de cette partie, de découvrir les calculs que nous avons effectués. En savoir plus

  • Panneaux photovoltaïques
  • Veranu
  • Panneaux solaires thermiques
  • Éclairages LED
  • Éolie
  • Héliatek

Panneaux photovoltaïques

Grâce à une toute nouvelle technologie inventée par elle-même, l’entreprise multinationale Panasonic commercialise un nouveau type de panneau photovoltaïque à rendement élevé, qui permet d’augmenter de manière non négligeable la production d’énergie électrique.
  • Référence étudiée : Panasonic VBHN325SJ47
    (1590 x 1053 x 35 mm)
  • Puissance de 325W
  • Cellules monocristallines avec un rendement de 19,4%
  • Technoloie HIT
    (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer)
  • Production annuelle possible par panneau (à Annecy) : 445 kWh

Dalle Veranu - Piézoélectricité

Veranu est une start-up italienne qui a été fondée en 2016. La jeune entreprise propose une technologie de plancher intelligent qui produit de l’électricité par le biais de la circulation piétonnière en convertissant l'énergie cinétique du piéton en électricité verte, grâce à l'utilisation d'un matériau piézoélectrique.
  • Caractéristiques de la dalle : 30x30x4cm pour un poids de 1kg - la dale est imperméable
  • Dalle "écologique" : la dalle est composée de plastiques recyclés
  • 1 pas fourni une puissance de 2W, 20 pas suffisent pour alimenter un éclairage LED d'une salle de classe

Panneaux solaires thermiques

L'entreprise Viessmann est une société spécialisée dans les solutions de systèmes de chauffage et de production de chaleur. L'un de ses modèles principaux en matière de production d'énergie de source renouvelable est le panneau solaire tubulaire qui permet de produire de l'eau chaude pour les sanitaires d'une habitation ou d'un bâtiment.
  • Référence étudiée : VITOSOL 300-TM
  • Capteur solaire tubulaire haute efficacité avec revêtement ThermProtect
  • Longue durée de vie, un des modèles les plus performants du marché
  • Diminution de 75% (maximum) de la facture d'eau chaude sanitaire

Eclairages LED

L’éclairage LED est de nos jours très présent dans les lieux que nous fréquentons. En effet, sa popularité est due au fait qu’il est peu coûteux et peu énergivore, ce qui en fait une source non négligeable d’économie d’énergie, notamment s’il est grandement rependu dans un espace.
  • Dimensions des éclairages des salles de classe : 60x60cm
  • Pour ce même format, un panneau LED fourni une puissance de 40W, alors qu'un panneau néon (4 tubes) fourni une puissance de 72W.
  • En remplaçant les panneaux néons par des panneaux LED, la consommation d'électricité concernant l'éclairage des salles de classe pourrait être divisée par 1,80.

Éolie - Éolienne à axe verticale

Éolie est une entreprise française qui conçoit et produit des éoliennes à axes verticales ; plus silencieuses, les éoliennes à axe vertical sont aussi plus performantes dans les vents variables. Éolie est un système simple d'installation ; en effet, l’onduleur réseau intégré dans l’éolienne permet de la connecter directement au réseau. L’habitation consomme l’énergie de l’éolienne complétée par le réseau. 3 hauteurs différentes sont disponibles permettant de les intégrer aux différents environnements.
  • Hauteurs : 4,5m - 6m - 8m
  • Poids : 90Kg – 200Kg - 300Kg (mât inclus)
  • Bruit à 5m : 35dB
  • Puissance moyenne à Annecy (vitesse moyenne annuelle du vent à Annecy : 9,3 km/h) : environ 350W

Système Heliatek

Heliatek est une start-up allemande qui propose des solutions de panneaux photovoltaïques organiques et quasiment transparents. Grâce à une technologie spécifique, l’entreprise commercialise des films photovoltaïques facilement recyclables, ce qui est un grand pas dans la préservation de l’environnement.
  • Film photovoltaïque quasiment transparent
  • Film ultra-fin (< 1mm d'épaisseur)
  • Système recyclable car fabriqué en grande partie avec des matériaux organiques
  • Rendement d'environ 8-10% soit une puissance annuelle d'environ 155 kWh/m²/an à Annecy
Suite de la visite du site

À présent, déouvrez la modélisation de l'établissement

Vidéo, photos et description de notre long travail de modélisation !
  Découvrir la modélisation

Ce que les TPE nous ont apporté


Conclusion

C’est avec enthousiasme que nous avons décidé de nous intéresser au sujet de la transition énergétique, qui est pour nous un sujet tout aussi important que passionnant. Nous avons pu apprendre énormément durant notre travail, notamment en matière d’organisation, mais surtout sur le sujet de la transition énergétique et les différents éléments qui la composent. S’est donc suivi de ce travail une réelle prise de conscience de notre part : il est possible d’agir en faveur de la transition énergétique et le contexte actuel mondial nécessite de la mettre en place. Nous sommes fiers de pouvoir vous présenter le travail que nous avons effectué depuis Septembre 2018. C’est donc avec une réelle motivation que nous avons travaillé sur ce sujet impliquant une pluridisciplinarité entre les matières de sciences physiques et de sciences de l’ingénieur, ce qui nous a permis d’accomplir un travail abouti et complet. Ce couplage entre les deux matières a permis de fournir des informations précises, à la fois sur les systèmes étudiés et sur l’état des lieux de notre support d’étude, mais aussi lors de la phase de calcul, nécessaire pour démontrer les informations évoquées dans le but de respecter notre problématique. En effet, ceux-ci ont permis de prouver que notre objectif de réduire de 50% les dépenses énergétiques de l’établissement Saint-Michel était bel et bien réalisable et applicable à l’enceinte de celui-ci. Ce projet pourrait aussi être appliqué au lycée, notamment grâce au fait que nous travaillons en accord avec le projet éco-école, démarré cette année par l’établissement, et pris au sérieux par la direction qui serait intéressée d’instaurer différentes actions pour la protection de l’environnement.
N’oublions pas que la raison pour laquelle nous avons choisi d’effectuer ce projet est de permettre la préservation de la planète à l’échelle locale et qu’il est nécessaire d’agir au plus vite pour limiter l’empreinte environnementale de notre lycée !