L’ensemble des établissements d’enseignement sont engagés par l’arrêté de sobriété énergétique à une réduction de 10% des consommations énergétiques à horizon 2024.
Le décret tertiaire applicable à l’ensemble des bâtiments de ce type comporte une obligation réglementaire de diminution de 40% des consommations énergétiques en 2030, 50% en 2040 et 60% en 2050.
De plus, le campus Arts et Métiers de Metz s’est engagé dans une démarche Développement Durable et Responsabilité Sociétale (DD&RS) qui inclut une amélioration de la gestion énergétique ainsi que la mise en place d’un système global d’information patrimonial.
La collecte détaillée des consommations énergétiques permet une amélioration du suivi des performances des procédés installés, du confort des utilisateurs et de la facturation au plus juste des prestations fournies aux entités hébergées sur le campus. Le partage des données pour la pédagogie est également un atout dans le déploiement des Evolutive Learning Factory (ELF).
L’ensemble de ces exigences et des bénéfices induits rendent la mise en place d’un système de comptage des consommations électrique indispensable.
Dans un premier temps, nous avons mesuré pendant un an la consommation électrique totale dans chaque bâtiment. Au bout d’un an, nous avons mesuré la consommation électrique de chaque appareil dans le bâtiment où la consommation était la plus susceptible de baisser.
Mesures de consommation électrique totale dans chaque bâtiment
Les mesures sont faites à l’arrivée du courant de chaque tableau général basse tension (TGBT). Les TGBT sont alimentés en 380 V triphasé. Chaque phase supporte jusqu’à 400 A, 630 A ou 2500 A, suivant le TGBT. Suivant l’intensité, il y a 2 ou 4 câbles par phase, avec une section de 150 mm², 185 mm² ou 400 mm². Ces câbles sont plus faciles à courber lors de leur installation qu’un seul plus gros câble par phase :
Câbles à l’arrivée d’un TGBT © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Nous avons clipsé une boucle de Rogowski autour des câbles de chaque phase pour mesurer l’intensité des courants. Faciles et rapides à installer, elles limitent les risques d’accident et évitent de couper l’alimentation. Une boucle est assez grande pour entourer tous les câbles d’une phase :
Boucles de Rogowski © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Il faut veiller au sens de pose d’une boucle de Rogoswki pour mesurer une intensité positive. La flèche doit être orientée vers l’entrée des câbles dans le TGBT :
Sens de pose d’une boucle de Rogowski © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Les trois boucles de Rogowski sont branchées sur un énergimètre triphasé. Attention à bien respecter la polarité ou sinon, les mesures seront ésotériques : puissance active négative et énergie active nulle par exemple. Les trois phases sont aussi branchées sur l’énergimètre via trois disjoncteurs 1A (ajouter en amont un interrupteur différentiel triphasé s’il n’y en a pas). Cela permet de tenir compte du déphasage entre l’intensité et la tension sur chaque phase. L’ordre des phases mesurées en intensité doit correspondre à l’ordre des phases mesurées en tension ou sinon, vous aurez aussi des mesures fausses, par exemple une énergie apparente dix fois plus importante que l’énergie active :
Énergimètre © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
À partir de la mesure d’intensité et de la tension de référence, sur chaque phase, l’énergimètre calcule la puissance active P (W) = U (V) x I (A) x cos φ et la puissance apparente S (VA) = U (V) x I (A) qui conditionne la puissance souscrite chez le fournisseur d’électricité, puis l’énergie active (Wh) facturée et l’énergie apparente (VAh).
Pour mesurer et transmettre ces valeurs à une plateforme IdO sur Internet, nous aurions pu utiliser un énergimètre intégrant un client MQTT et un port Ethernet ou une antenne Wi-Fi, par exemple l’énergimètre Spoony de DotVision Energy, l’énergimètre de PHOENIX CONTACT ou l’énergimètre Accuenergy AcuVim-L avec son module AXM-WEB2. Mais pour éviter d’installer un câble réseau jusqu’à chaque lieu de mesure, nous avons choisi une transmission radio depuis chaque énergimètre, vers une passerelle DASH7 – Ethernet. La portée de la transmission radio DASH7 est plus courte que celle de la transmission radio LoRaWAN. Elle est similaire à celle du Wi-Fi, c’est suffisant pour répondre à nos besoins. Les spécifications de DASH7 sont disponibles sans licence ni brevet, c’est une technologie complètement ouverte, l’utilisation de la bande de fréquence autour de 868 MHz est libre, non licenciée et ne gêne pas le Wi-Fi à 2,4 GHz, 5 GHz ou 6 GHz.
Système de mesure de consommation électrique © LiQuiBit
Coffret électrique avec énergimètre et passerelle Modbus – DASH7 © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
La sortie Modbus de l’énergimètre est branché à une carte avec une interface Modbus, une puce radio DASH7 et une antenne radio 868 MHz. Cette carte envoie les données par transmission radio à la passerelle DASH7 – Ethernet, toutes les 10 minutes :
Boîtier avec interface Modbus, puce radio DASH7 et antenne radio interne 868 MHz © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Carte avec interface Modbus et puce radio DASH7 © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
La passerelle DASH7 – Ethernet collecte les données de tous les énergimètres et les envoie à la plateforme IdO, avec le protocole de communication MQTT. À gauche, la carte Raspberry Pi pour la communication en MQTT, à droite, la carte avec la puce radio DASH7, en dessous, le connecteur antenne, au-dessus, le port Ethernet qui sert aussi pour l’alimentation électrique (Power over Ethernet ou PoE) :
Passerelle DASH7 – Ethernet © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Un HAT (Hardware Attached on Top ou matériel fixé sur le dessus) PoE est fixé sur la carte Raspberry Pi. La passerelle est livrée avec un boîtier d’alimentation PoE. Nous ne l’utilisons pas, car nous avons branché la passerelle sur un commutateur PoE.
Pour améliorer la réception radio, l’antenne de la passerelle DASH7 – Ethernet a été remplacée par un kit antenne radio 868 MHz. L’antenne a été placée en hauteur et au milieu du bâtiment :
Antenne radio 868 MHz © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
L’entreprise LiQuiBit, spécialiste de la transmission radio DASH7, fournit un petit boîtier émetteur / récepteur pour évaluer la qualité de réception du signal radio DASH7 par la passerelle DASH7 – Ethernet. Vous pouvez l’utiliser pour cartographier la réception dans un bâtiment. Ce boîtier existe en deux versions, avec une antenne interne ou avec une antenne externe (plus longue portée) :
Boîtier Link7 de LiQuiBit, avec antenne externe © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
La réception est atténuée par certains murs ou brouillée par certains appareils qui rayonnent fortement, par exemple un transformateur. Dans le deuxième cas, vous pouvez faire des mesures avec un détecteur de rayonnement électromagnétique :
Détecteur de rayonnement électromagnétique © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Graphique sur la plateforme IdO © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0
Mesures de consommation électrique de chaque appareil
Les mesures sont faites en priorité sur les appareils de forte puissance, même s’ils ne sont pas utilisés en permanence. Cela permet de connaître leur consommation annuelle réelle. Les autres appareils sont aussi équipés progressivement. La méthode de mesure est identique à celle utilisée sur les TGBT, avec un énergimètre et une émission radio des données vers la passerelle DASH7 – Ethernet. Mais nous utilisons un autre modèle d’énergimètre, avec des transformateurs d’intensité ouvrants à la place des boucles de Rogowski :
Machine à instrumenter |
Tension (V) |
Phases |
Puissance (kW) |
Intensité (A) |
Énergimètre |
Qté |
Transformateurs d’intensité |
Qté |
Four de fonderie aluminium (MÉTAFOUR) |
400 V |
3 |
40 A |
AcuRev 1312-333-X0 |
1 |
AcuCT-H040-40:333 |
3 |
|
Grenailleuse (USF Wheelabrator Sisson-Lehmann) |
380 V |
3 |
2,5 kW |
3,8 A |
AcuRev 1312-333-X0 |
1 |
AcuCT-H040-5:333 |
3 |
Presse (SCOVAL – FONDARC) |
380 V |
3 |
9,7 kW |
14,7 A |
AcuRev 1312-333-X0 |
1 |
AcuCT-H040-20:333 |
3 |
Malaxeur (I.M.F.) |
380 V |
3 |
20 A |
AcuRev 1312-333-X0 |
1 |
AcuCT-H040-20:333 |
3 |
|
Presse (Laempe – LL 5) |
400 V |
3 |
9 kW |
13 A |
AcuRev 1312-333-X0 |
1 |
AcuCT-H040-20:333 |
3 |
Presse (Laempe – LBB1) |
400 V |
3 |
5 kW |
7,2 A |
AcuRev 1312-333-X0 |
1 |
AcuCT-H040-10:333 |
3 |
Les valeurs ont été relevées sur les plaques signalétiques des machines et dans leur documentation technique. Les intensités manquantes ont été calculées sur le site web RapidTables.
Sécurité
Les branchements électriques ont été faits par un électricien habilité à travailler sur les TGBT et dans les coffrets électriques.
Un plan de prévention a été établi avant l’intervention de chaque entreprise.
Par sécurité, la passerelle DASH7 – Ethernet est branchée dans un réseau informatique dédié à l’Internet des Objets, séparé logiciellement (VLAN) du reste du réseau privé. Les flux dans le réseau IdO sont surveillés, pour se protéger d’une éventuelle attaque depuis les autres réseaux. On aurait aussi pu utiliser l’option 4G sur la passerelle DASH7, pour ne plus utiliser Ethernet et être complètement indépendant du réseau privé.
Remerciements
Ce projet a pu aboutir grâce à l’aide et aux travaux de Nicolas BEAUFRERE, de Mireille BOF, d’Ozlay KORKMAZ, de Jérôme MONELLE, d’Olivier NAEGELEN, de Jean-François NOLLER et de Marc SOLANILLA. Un grand merci à eux.
Auteurs : Clément LE HUBY, David VANTYGHEM <david.vantyghem@ensam.eu>. Ce document est mis à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution – Partage dans les Mêmes Conditions 4.0 International.
Image en vignette : Multimètre avec pince ampèremétrique © Pano38 / Wikimedia Commons, licence CC BY-SA 4.0.
Documentation technique
Boucles de Rogowski Accuenergy AcuCT RCT16-1000 pour les phases supportant jusqu’à 1200 A et AcuCT RCT16-2500 pour les phases supportant jusqu’à 3000 A : Caractéristiques.
Énergimètre Accuenergy AcuRev 1312-RCT-X0 :
- Caractéristiques.
- Énergimètre Accuenergy AcuRev 1310 – Manuel d’utilisation. Le branchement que nous avons fait est celui de la figure 2-11c, les points noirs au-dessus des transformateurs d’énergie indiquent la polarité (côté positif).
- Énergimètre Accuenergy AcuRev 1312-RCT-X0 – Manuel d’utilisation.
- Logiciel de paramétrage.
Kit antenne radio 868 MHz McGill Microwave Systems : Caractéristiques. Prévoir un adaptateur coaxial SMA femelle / N mâle et un adaptateur SMA mâle / RP-SMA mâle.
L’entreprise LiQuiBit diffuse sous licence Open Source la totalité des plans, schémas électriques, typons et logiciels nécessaires à la fabrication de ses produits :
- Paramétrage de l’énergimètre, documentation de la carte avec interface Modbus et puce radio DASH7, documentation de la passerelle DASH7 – Ethernet, code source des logiciels sous Licence Libre.
- Le dépôt LiQuiBit sur la forge logicielle GitHub.
- Boîtier Link7 : manuel d’utilisation : fichier LibreOffice ou fichier PDF.
Alimentation PoE :
- Injecteur PoE Gigabit ROLINE : fiche produit.
- Raspberry Pi PoE+ HAT.
Documentation pédagogique et données
Bientôt disponibles.
Pour ouvrir, modifier et imprimer les fichiers LibreOffice, téléchargez et installez LibreOffice. Si vous n’avez pas le droit d’installer un logiciel sur votre ordinateur, téléchargez LibreOffice Portable et enregistrez-le dans un dossier, il fonctionne immédiatement sans installation.
Entreprises proposant des passerelles radio DASH7 – Ethernet :
Autres énergimètres :
La consommation de DASH7 est très faible, c’est un protocole adapté pour faire des capteurs communicants alimentés par l’énergie environnante : https://www.researchgate.net/publication/361891632_Battery-Less_Environment_Sensor_Using_Thermoelectric_Energy_Harvesting_from_Soil-Ambient_Air_Temperature_Differences