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TPE : Domotique et consommation d’électricité

A l’occasion de nos TPE de première S SVT, Tom Baron, Mathis Bourcier, Théo Rystau et moi-même avons été amenés à travailler autour du sujet : « Domotique et consommation d’électricité ». Le thème national choisi a été « Agir pour son avenir », notre problématique était : « La domotique permet-elle de réduire la consommation d’électricité ».

Agir pour son avenir est à l’heure actuelle très important. Notre action sur la planète a des répercussions de plus en plus importantes et il est temps de régler ce problème. Nous pillons les ressources de la Terre, il est temps de faire des économies. Désormais, en 7 mois, nous consommons l’équivalent de ce qu’est capable de produire la Terre en une année. Les nouvelles technologies se développent de plus en plus et permettent toujours plus de choses. La domotique a fait son apparition il y a quelques années, et si elle permettait d’économiser l’électricité, si oui par quel(s) moyen(s) ? La domotique permet-elle de réduire la consommation d’électricité ? Tout d’abord, nous parlerons de la consommation d’électricité dans les habitations et son impact sur l’environnement. Enfin, nous verrons ce qu’est la domotique, ce qu’elle permet et nous réaliserons une expérimentation.

La consommation d’électricité et son impact sur l’environnement

Consommation d’électricité

Certains appareils présents dans les habitations consomment beaucoup d’électricité comme par exemple :

  • Fours/radiateurs : environ 1000 kWh par an
  • Plaque de cuisson : entre 500 et 1000 kWh par an
  • Climatisation : entre 500 et 1000 kWh par an
  • Sèche-linge : 350 kWh par an
  • Réfrigérateur : entre 200 et 500 kWh par an

La surconsommation d’électricité a un impact conséquent sur l’environnement, en réduisant la consommation de chaque habitation, cet impact pourrait être réduit. En quoi la consommation d’électricité contribue-t-telle à la pollution de l’environnement ? La principale source de pollution dans le monde est l’effet de serre. Cet effet de serre contribue au réchauffement climatique de notre planète.

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Source

Gaz à effets de serre

Que sont les gaz à effets de serre ?

Les gaz à effet de serre (également appelés GES) sont des gaz qui absorbent une partie des rayons solaires en les redistribuant sous la forme de radiations au sein de l’atmosphère terrestre, phénomène appelé effet de serre. Il convient tout d’abord de dire que l’effet de serre est un processus naturel et nécessaire. C’est lui qui permet de retenir une partie de la chaleur fournie par le soleil. Sans effet de serre, pas de vie sur Terre, il y ferait des températures négatives en permanence. Le principal gaz à effet de serre est d’ailleurs la vapeur d’eau. Les problèmes naissent lorsque trop de chaleur est réfléchie.

Schéma du fonctionnement de l’effet de serre :

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L’effet de serre n’est pas en soi nocif pour l’écosystème ; sans lui, la Terre ne serait qu’une boule de glace où la vie ne serait pas possible. Une quarantaine de gaz à effet de serre ont été recensés par le GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’évolution du Climat, un organisme appartenant à l’ONU) parmi lesquels figurent la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), l’ozone (O3), le protoxyde d’azote (N2O), l’hydrofluorocarbure (HFC), le perfluorocarbure (PFC) et l’hexafluorure de soufre (SF6). Le dioxyde de carbone représente près de 70% des émissions de gaz à effet de serre d’origine anthropique. Il est principalement issu de la combustion des énergies fossiles (pétrole, charbon) et de la biomasse.

L’impact des gaz à effet de serre sur l’environnement

Les gaz à effet de serre étant indispensables à la vie et au bon fonctionnement de notre écosystème, une surproduction de ces derniers peut être nocif pour toutes les formes de vies sur Terre. Cela s’explique par des conséquences directes et indirectes sur l’environnement.

Les émissions totales de gaz à effet de serre ont augmenté d’environ 80% depuis 1970. Le (Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’évolution du Climat, un organisme appartenant à l’ONU) envisage, selon les scénarios différents, des augmentations de 1,5 °C à 6 °C. Les augmentations de différents gaz à effet de serre ont d’autres effets graves tels que :

  • Le réchauffement planétaire : le réchauffement planétaire a de lourdes conséquences environnementales telles que :
    – La désertification
    – La fonte des glaces
    – L’augmentation du niveau de la mer
    – L’augmentation de l’intensité des tempêtes et d’autres événements naturels

 

  •  L’acidification des océans : depuis la révolution industrielle, l’augmentation du dioxyde de carbone a renforcé l’acidité des océans de 30%. Plus le taux de dioxyde carbone augmente dans l’atmosphère, plus l’acidification des océans augmente.
    – La brume de pollution : Pendant le siècle passé, la concentration naturelle de l’ozone a doublé en raison de l’augmentation du méthane et du nitrogène dérivé des activités humaines. A long-terme, l’exposition à l’ozone réduit la durée de vie. Chaque année, on compte entre 362,000 et 700,000 de morts prématurées à travers le monde sont attribuables à l’inhalation de l’ozone. Les récoltes d’aliments de base (soja,mais,blé) ont été réduites de 2 à 15 %.
    – La destruction de la couche d’ozone : Le protoxyde d’azote détériore la couche d’ozone et est à présent l’agent le plus actif et la cause principale de sa destruction. (Gaz fluorés et autres gaz interdits protocole de Montréal exclut protoxyde d’azote autres gaz diminuent mais protoxyde augmente.)
    – Les changements de croissance et nutrition des plantes : Les plantes ont besoin de dioxyde carbone pour grandir. Le taux élevé de dioxyde carbone libère du carbone dans l’atmosphère. Cependant, les plantes ont également besoin d’autres nutriments (comme le nitrogène, le phosphore, etc.) pour grandir et survivre. Si l’augmentation des ces nutriments ne suit pas celle du dioxyde carbone, la qualité nutritionnelle des plantes diminue.

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Production de CO2 par l’électricité

En France, un kWh électrique produit environ 0,09 kg équivalent CO2. Il faut, en moyenne, un peu plus de 11 100 kWh d’électricité pour produire une tonne de CO2. La moyenne pour l’Europe des 15 est beaucoup plus élevée : 0,44 kg CO2 eq. / kWh él. Mais ces chiffres sont très variables puisque 1 kWh hydraulique ne produit que 4 grammes de CO2 contre 1 kg CO2 pour 1 kWh charbon.

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Le mode de production influe les émissions de CO2 par kWh et donc les émissions de gaz à effet de serre.
Nous pouvons donc dire que l’électricité a un rôle dans les émissions de CO2 (de gaz à effet de serre) La domotique serait donc une solution pour réduire l’électricité, les émissions de gaz à effet de serre et donc réduire les impacts sur l’environnement énoncés précédemment. Le seul point négatif à ce projet serait le coût pour disposer des équipements domotiques dans une maison.

Domotique et expérimentation

Qu’est-ce que la domotique ?

Selon Wikipédia, « Le mot « domotique » vient du latin «domus» qui signifie «domicile» et du suffixe «tique» qui fait référence à la technique. La domotique est l’ensemble des techniques de l’électronique, de physique du bâtiment, d’automatisme, de l’informatique et des télécommunications utilisées dans les bâtiments, plus ou moins « interopérables » et permettant de centraliser le contrôle des différents systèmes et sous-systèmes de la maison et de l’entreprise (chauffage, volets roulants, porte de garage, portail d’entrée, prises électriques, etc.). La domotique vise à apporter des solutions techniques pour répondre aux besoins de confort (gestion d’énergie, optimisation de l’éclairage et du chauffage), de sécurité (alarme) et de communication(commandes à distance, signaux visuels ou sonores, etc.) que l’on peut retrouver dans les maisons, les hôtels, les lieux publics, etc. ».

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Quelle est son utilité au sein d’une habitation ?

La domotique a donc plusieurs fonctions, chaque système peut ainsi rentrer dans une catégorie de fonction. Chaque fonction peut être permise par plusieurs modèles de systèmes aux fonctionnements différents.

Économiser de l’électricité

Exemple : Une maison peut éteindre tous les appareils et lampes qui seraient restés allumés, et passe le chauffage en mode économie d’énergie.

Confort

Exemple : Le système d’arrosage arrose automatiquement votre jardin , tout en tenant compte des prévisions météo des prochains jours. Donc, si par exemple, de la pluie est annoncée dans les jours à venir, l’arroseur ne se déclenchera pas. L’eau pourra donc être économisée, et pourra être utilisée pour se doucher, pour nettoyer, etc.

Second exemple : Les volets peuvent être un élément pour optimiser le confort. Par exemple, ils peuvent s’adapter par rapport au soleil, ou même par rapport aux saisons.

Sécurité

Tous les accessoires qui servent aux confort de la maison peuvent aussi servir à sécuriser nos biens en réalisant ce qu’on appelle une simulation de présence.

Par exemple, si on est absent, les volets continueront de s’ouvrir, de la musique pourrait être diffusée dans la maison, et les lumières qui consomment le moins pourraient être allumées. Donc à l’extérieur, il est très difficile de savoir si la maison est inoccupée ou pas, ce qui fait que par exemple, des cambrioleurs pourraient être dissuadés grâce cette simulation de présence.
Le système peut servir aussi à d’autres choses. Si il y a une fuite d’eau importante, le système coupera automatiquement l’arrivée d’eau pour éviter de causer des dégâts trop importants.
Mais la sécurité, c’est avant tout la sécurité des personnes dans l’habitation. Par exemple, en cas d’incendie, le système ouvrira automatiquement les volets, déverrouillera les portes, et allumera le chemin vers la sortie la plus sûre.

Une journée type avec la domotique

Dans quelques années, la domotique devrait être entièrement intégrée dans la grande majorité des habitations. Voici à quoi ressemblerait une journée type aux côtés de la domotique.

« Le matin, ma box domotique vérifie mon calendrier Google pour savoir si je travaille : si oui, elle met en route le sèche serviettes une demi-heure avant que je me lève, pour avoir une serviette chaude à la sortie de la douche. Elle me réveille en augmentant progressivement la lumière de la chambre, et m’allume la cuisine, prête à m’accueillir. Les volets, eux s’ouvriront au lever du soleil.

Grâce au GPS de mon smartphone, ma maison sait que je suis parti. Si je ne l’ai pas fait, la maison me demande si elle doit enclencher l’alarme. Si oui, elle éteint alors tous les appareils et lampes qui seraient restés allumés, et passe le chauffage en mode éco. Cette même alarme gérera d’ailleurs une simulation de présence pour dissuader les cambrioleurs en faisant croire que la maison est occupée. Pendant ce temps le robot aspirateur de la maison s’attellera au ménage, pour que la maison soit propre au retour des occupants.
Le soir, mon système domotique détecte quand je suis sur la route du retour, et enclenche le chauffage si besoin pour réchauffer la maison qui aurait pu refroidir un peu trop durant la journée.
Au coucher du soleil, les volets se fermeront automatiquement. Le système domotique m’enverra par la même occasion un SMS m’indiquant la production photovoltaïque de la journée, en comparaison de la consommation électrique. ».

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La photorésistance

Définition : une photorésistance est un composant électronique dont la résistivité varie en fonction de la quantité de lumière reçue. On peut également la nommer résistance photo-dépendante ou cellule photoconductrice.

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Principe de fonctionnement : une photorésistance est composée d’un semi-conducteur à haute résistivité. Si la lumière incidente est de fréquence suffisamment élevée (donc d’une longueur d’onde inférieure à la longueur d’onde seuil), elle transporte une énergie importante. Au-delà d’un certain niveau propre au matériau, les photons absorbés par le semi-conducteur donneront aux électrons liés assez d’énergie pour passer de la bande de valence à la bande de conduction. La compréhension de ce phénomène entre dans le cadre de la théorie des bandes. Les électrons libres et les trous d’électron ainsi produits abaissent la résistance du matériau.
Lorsque le photon incident est suffisamment énergétique, la production des paires électron-trou est d’autant plus importante que le flux lumineux est intense. La résistance évolue donc comme l’inverse de l’éclairement, cette relation peut être considérée comme linéaire sur une plage d’utilisation limitée.

Dans cette expression :

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  • q est la charge de l’électron
  • μ est la mobilité de l’électron
  • n est la densité d’électrons présents
  • A est l’aire de la surface de contact entre les électrodes et la zone photosensible
  • L est la largeur du ruban

 

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En fait, la tension est inversement proportionnelle à la résistance de la photo-résistance qui, elle même, est inversement proportionnelle au niveau lumineux.

Expérimentation

Dans nos habitations, on allume des lampes parfois toutes la journée, dont l’intensité est maximale. Avoir une intensité maximale consommerait plus d’électricité. Pourquoi ne pas l’adapter en fonction de la lumière ambiante présente dans une pièce grâce au soleil ? Cela permettrait de garder assez de luminosité dans la pièce tout en économisant de l’électricité.

Afin de prouver cette hypothèse, nous avons réalisé un système doté d’une carte programmable Arduino, de deux résistances, d’une LED ainsi qu’une photorésistance.

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Le principe : la photorésistance capte la lumière. Lorsqu’il y a de la lumière, la résistance de la photorésistance est inversée par la carte Arduino de façon proportionnelle. Ainsi, lorsque la lumière ambiante est maximale la LED ne s’allume pas. Elle va s’allumer de façon progressive en fonction de la lumière ambiante.

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Éclairement (lux)45050060062080014005000
Résistance (Ω )1944207009301,3.10³1,6.10³2,4.10³

Nos calculs ont démontré que lorsque l’éclairement est maximal, la consommation électrique est de 0 W/s. Lorsque l’éclairement est minimal, la consommation électrique est de 0,3 W/s. Il est très difficile de faire des mesures précises, la carte Arduino réalisant des valeurs numériques.

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Conclusion

Alors que notre avenir est en jeu, il est grand temps d’arrêter de polluer et de piller les ressources d’une planète qui ne nous appartient finalement pas. Agir pour son avenir est plus qu’important, contrairement à ce que l’on peut penser, chacun peut le faire. Cela passe par économiser l’électricité, qui émet des gaz à effets de serre. Ces derniers sont d’ailleurs une des principales causes de la détérioration de notre environnement. Économiser l’électricité permet de protéger l’environnement. Pour cela, plusieurs moyens existent, tels la domotique. Possédant plusieurs fonctions qui vont de la sécurité au confort, l’ensemble de ses techniques permettrait d’économiser de l’électricité. En adaptant l’intensité des lumières en fonction de la lumière présente dans une pièce grâce au soleil par exemple. C’est ce que notre expérimentation a démontré. Cette dernière pourrait théoriquement être adaptée et miniaturisée pour le grand public.

Bibliographie : 

Rédacteur motivé, passionné de jeux vidéo, de photographie et de nouvelles technologies en général.

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