Projet industriel Énergies renouvelables à la Bibliothèque nationale

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 :
ƒ site François-Mitterrand ;
ƒ site Richelieu-Louvois ;
ƒ Arsenal ;
ƒ Opéra ;
ƒ Maison Jean-Vilar ;
• 2 sites consacrés à la conservation des collections :
ƒ 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
¾ La Tour n°1 est nommée
la tour des Temps.
¾ La Tour n°2 est nommée
la tour des Lois.
¾ La Tour n°3 est nommée
la tour des Nombres.
¾ 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 :
Ö 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 :
0°
est
0.93
Tableau 1 : rendement établi en fonction de sud-est
0.93
l’orientation et de l’inclinaison du panneau sud
0.93
photovoltaïque
sud-ouest 0.93
ouest
0.93
35°
0.9
0.96
1
0.96
0.9
60°
0.78
0.88
0.91
0.88
0.78
90°
0.55
0.66
0.68
0.66
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.
Rendement du
capteur
Vitrage
solaire
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
Orientation
Effet de
Derrière le vitrage ?
Indice total
capteur
Inclinaison
masque
Sud Ouest
Aucun
Plans
13%
Oui (0.63)
5.5%
Verticale (0.66)
(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.
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
Orientation
Effet de
Derrière le vitrage ?
Indice total
capteur
Inclinaison
masque
Sud Ouest
Aucun
En toiture
13%
Non (1)
12.5%
Optimale (0.96)
(1)
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
Orientation
Effet de
Derrière le vitrage ?
Indice total
capteur
Inclinaison
masque
Sud sud Ouest
Aucun
Sur grille
13%
Non (1)
5%
Verticale (0.66)
(1)
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.
Figure 6 : Grille d’un escalier de secours
Capteurs solaires en toiture :
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
Orientation
Effet de
Derrière le vitrage ?
Indice total
capteur
Inclinaison
masque
Aucun
En toiture
13%
Sud Optimale (1)
Non (1)
13%
(1)
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.
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 : 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.
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.
Ö Bénéfices envisageables :
6 ans = 100 000 €
Figure 7 : toit d’une des tours du site FM
Ö Bénéfices envisageables :
6 ans = 1 080 000 €
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-SaintGeorges. 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
Frequence (%)
0,2
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
Fonction de répartition
80
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 :
Vitesse du vent (km/h)
Caractéristique vitesse-durée
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