L’important besoin électrique des infrastructures routières

L’important besoin électrique des infrastructures routières

Pour répondre à notre problématique, et savoir si la piézoélectricité peut produire suffisamment d’électricité pour couvrir les besoins des voiries, il est nécessaire de définir ces derniers. En effet, la norme NF C 17-200, relative aux règles d’installations d’éclairage public, les classe suivant deux types. Le premier fait référence aux installations dont le maintien en fonctionnement est nécessaire pour la sécurité des usagers et riverains, comme l’éclairage, les feux de signalisations ou encore bornes et panneaux lumineux. Le second mentionne les installations dont le non-fonctionnement ne met pas en cause la sécurité des usagers et riverains. Il s’agit des abris bus, des publicités lumineuses, des plans, ou bien des horodateurs,… Nous allons nous intéresser, dans notre cas, uniquement aux installations dont le maintien en fonctionnement est nécessaire pour la sécurité des usagers et riverains. En effet, nous pouvons constater que le second type d’installations d’éclairage public n’interagit pas clairement avec les voiries, au contraire des lampadaires ou encore des feux de signalisation.

L’éclairage public, le premier besoin électrique des infrastructures routières 

Dans cette première partie, nous allons voir que l’éclairage public est l’un des principaux besoins des infrastructures routières. Pour cela, nous verrons qu’il est nécessaire à la sécurité des déplacements mais qu’il consomme d’importantes quantités d’électricité. Enfin, nous établirons un modèle mathématique pour définir les besoins de l’éclairage public en fonction des caractéristiques de la voirie.

L’éclairage public, nécessaire et imposant 

L’éclairage public est, par définition générale, l’ensemble des moyens mis en place, le plus souvent en bordure de voiries, nécessaire à la sécurité de la circulation des véhicules, ou à la mise en valeur d’espaces urbains. L’éclairage public est un « dispositif permettant d’assurer une tâche visuelle nocturne en sécurité. A partir d’un besoin défini (déplacement, sécurité,…), les choix en matière d’éclairage doivent être adaptés aux usagers, aux riverains et à l’environnement (profil nocturne, développement durable) ». (Couillet, 2014) Selon Jean-Louis Bal, directeur des énergies renouvelables à l’Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME), en France, 9 millions de lampes seraient nécessaires pour éclairer les voiries, ce qui représente près de 1.260 MW, soit l’équivalent d’un réacteur nucléaire. La facture énergétique est estimée entre 400 à 500 millions d’euros par an. L’éclairage public représente pour les communes, 23 % de la facture globale d’énergie et 38 % de la facture d’électricité, explique Frédéric Delord, directeur de Développement chez ETDE, filiale de Bouygues, spécialiste en France dans le domaine de la gestion globale de l’éclairage public. Pour Roger Couillet, (Couillet, 2014), « Sous l’impulsion du Grenelle II, l’éclairage public est en pleine mutation. La nécessité d’assurer la sécurité des installations tout en utilisant des équipements performants a entrainé une mutation technologique (équipements, sources lumineuses) et économique (conception en termes de coûts global) dans un cadre politique très exigeant quant aux enjeux environnementaux et énergétiques ». La voirie comprend l’ensemble des voies de circulation et leurs dépendances situées sur le domaine public. Les voies de circulation sont destinées à différents types de trafic. Le plus représenté est le trafic motorisé. On retrouve aussi le trafic piéton, notamment en centreville. On peut également citer le trafic cycliste ou des véhicules spéciaux (poids lourds, véhicule lents,…) Enfin, l’éclairage public nécessite de l’électricité seulement au moment où les lampes doivent être allumées. Les lampadaires sont dans la plupart des cas, programmés pour s’allumer au début du coucher de soleil et s’éteindre à la fin du lever du soleil.

L’éclairage public, fort consommateur d’électricité

Pour étudier la consommation électrique de l’éclairage public, il faut calculer, dans cette partie, les besoins en électricité de l’éclairage public. Ce besoin d’électricité va dépendre des voiries. En effet, chaque voirie a des besoins d’éclairement différents en fonction de leurs caractéristiques (largeur, flux automobile, nombres de voies, danger, zone piétonne,..) L’unité de mesure de l’éclairement lumineux est le lux (lx). Il caractérise le flux lumineux reçu par unité de surface. Un lux, soit une unité d’éclairement, correspond à un Lumen par m².

Sa formule est donc : 1?x = 1 ?m / ?²

Pour simplifier la démarche, nous noterons que 1W correspond à une valeur proche de 10lm pour des éclairages publics. En effet, chaque ampoule a une valeur de conversion entre lumens et watt différente, mais si nous prenons une moyenne, (réalisée sur des ampoules de la marque Ooreka) nous observons effectivement qu’environ 1W=10lm. Nous souhaitons déterminer les besoins en électricité de l’éclairage public, donc la puissance nécessaire pour faire fonctionner les lampadaires. Pour cela, il faut connaître la surface totale de la voirie à éclairer et le type de voie correspondant qui donne directement le nombre de Lux nécessaire. Comme le nombre de Lux et de Lumens sont dépendants l’un de l’autre, on en déduit le nombre de Watts nécessaire. En effet, prenons l’exemple d’une voirie, ayant une surface de 100m², qui a besoin de 10 Lux pour assurer une bonne sécurité. D’après l’équation cela correspond à 10 lm/m², donc à 1W/m². Pour éclairer suffisamment la voirie il est donc nécessaire d’avoir une puissance continue de 100W. Ces résultats nous montrent qu’en fonction des caractéristiques de la voirie, et pour avoir une luminosité suffisamment importante, l’éclairage public doit bénéficier d’une grande puissance électrique.

Un système mathématique pour une consommation estimée de l’éclairage public

Pour mesurer les résultats précédents et étendre les formules de calculs à toutes les caractéristiques de voirie possible, un modèle mathématique est retenu afin de d’obtenir rapidement le besoin de l’éclairage public. D’après l’équation expliquée dans la partie ci-dessus, il est possible de créer un système mathématique pour calculer la puissance électrique nécessaire à l’éclairage public. Le système est réalisé sous Toaster, comme expliqué précédemment (partie introduction).

Une autre variable peut être déterminée : la puissance d’un lampadaire en fonction de l’ampoule installée. Celle-ci nous donne alors le nombre de lampadaires à installer pour obtenir le nombre de lux suffisant sur la voirie. Ainsi, cette dernière variable aide les conducteurs de travaux à sélectionner la source lumineuse permettant d’avoir le moins de lampadaires possible, et ainsi faire des économies, tout en ayant suffisamment d’éclairage sur la voirie. De nombreux guides permettent de choisir des lampes adaptées à ce que l’on souhaite éclairer. L’ANPCN (Association Nationale pour la Protection du Ciel Nocturne) a créé un guide de recommandations pour un éclairage visant à assurer la sécurité, le confort visuel, des économies et la protection de l’environnement . Les puissances de ces sources lumineuses vont de 20W à 150W. Ainsi, le système complet (modélisation 1) permet de montrer le besoin électrique de l’éclairage public en fonction des caractéristiques de la voirie et d’obtenir le nombre de lampadaires à installer.

Dans notre cas, prenons un tronçon de la RD97 qui mesure 500m de long et 5m de large. La RD97 est une route, elle est donc définie comme étant une voirie de type 3. Les ampoules installées sont des LEDs avec une puissance de 50W. Le besoin de l’éclairage public est de 7.6*10⁶Wh, et le nombre de lampadaires à installer pour obtenir une luminosité suffisante est de 60. Ce qui correspond à 1 lampadaire tous les 8m. Pour comparaison, Eurovia a installé 1 lampadaire tous les 10m. On retrouve donc des mesures proches de la réalité. Ce modèle mathématique montre qu’il est possible de calculer et de donner rapidement le besoin de l’éclairage public ainsi que le nombre de lampadaire à installer. Cette rapidité de calcul permet de d’obtenir des ordres de grandeurs instantanément aux concepteurs de projets routiers.

Signalisation routière lumineuse, une partie non négligeable du besoin électrique des infrastructures routières

L’omniprésence de la signalisation routière lumineuse

Dans cette première partie, nous verrons que la signalisation routière lumineuse est présente sous de multiples formes tout au long des voiries. Il est donc important de la définir pour pouvoir calculer son besoin par la suite. On peut classer la signalisation routière lumineuse suivant 2 catégories. La première concerne, les feux de circulation et, la seconde les panneaux de signalisation (dangers, cédez le passage clignotant, passage clouté …). Un feu de circulation routière est un dispositif permettant la régulation du trafic routier entre les usagers de la route, les véhicules et les piétons. L’article 109-3 de l’instruction interministérielle sur la signalisation routière décrit les différents types de signaux lumineux d’intersection, que l’on va retrouver le plus régulièrement sur les routes. Il existe tout d’abord les feux de signal tricolores composés de trois feux circulaires (vert, jaune et rouge). Ce premier type de feux est le plus répandu. Le second feu le plus fréquent est le feu de signal piéton, constitué de deux feux vert et rouge (figure 2).

Il existe ensuite de nombreux autres feux, qui sont mis en place pour des dangers ou autorisations spécifiques, comme les feux de signaux tricolores modaux (pour bus ou vélos), les feux de signaux tricolores directionnels (pour les directions obligatoires). Toutefois, pour l’ensemble des feux que nous pouvons retrouver, on compte de une à quatre signalisations lumineuses différentes. De plus, la même signalisation peut être répétée plusieurs fois pour assurer la visibilité de celle-ci. Comme sur l’exemple ci-dessous (figure 3), la structure de droite comporte trois feux tricolores différents. Une même structure peut posséder de un à quatre feux.

Les panneaux de signalisation sont eux plus difficiles à définir tant il en existe de types différents. Généralement, ils sont utilisés pour une meilleure sécurité des usagers avec les panneaux de dangers, de cédez le passage clignotant, de passage clouté. Ils peuvent aussi, dans certains cas, apporter des informations aux usagers .

Les panneaux de signalisation lumineux peuvent être allumés tout au long de la journée ou alors uniquement la nuit, tout dépend de leur utilité et de leur hiérarchie dans la signalisation routière. Ils sont généralement composés de petites LEDs (photographie 3). Nous avons donc vu que la signalisation routière lumineuse pouvait être classée en deux parties, aves les feux de signalisations et les panneaux lumineux. Le feu de signalisation peut être défini relativement facilement, en fonction de sa taille et de son nombre de lentilles. Alors, que le panneau lumineux est lui plus difficile à définir tant il existe de sortes de panneaux.

Table des matières

Introduction
1. L’important besoin électrique des infrastructures routières
1.1. L’éclairage public, le premier besoin électrique des infrastructures routières
1.1.1. L’éclairage public, nécessaire et imposant
1.1.2. L’éclairage public, fort consommateur d’électricité
1.2.3. Un système mathématique pour une consommation estimée de l’éclairage public
1.2. Signalisation routière lumineuse, une partie non négligeable du besoin électrique des infrastructures routières
1.2.1. L’omniprésence de la signalisation routière lumineuse
1.2.2. L’importante consommation électrique de la signalisation routière lumineuse
1.2.3. Un système mathématique pour connaître la consommation électrique de la signalisation routière lumineuse
1.3. Un système mathématique pour connaitre le besoin électrique des infrastructures routières
2. La faible production électrique du flux de véhicules par la piézoélectricité
2.1. La piézoélectricité, vraiment si productive ?
2.1.1. La piézoélectricité, énergie renouvelable
2.1.2. La faible production piézoélectrique
2.2. Le flux de véhicules, fournisseur de piézoélectricité
2.3. Un système mathématique, pour voir la production piézoélectrique du flux de véhicules
3. La production piézoélectrique par flux de véhicules, mauvaise idée pour couvrir le besoin en électricité des infrastructures routières
3.1. Un système mathématique pour calculer la réponse de la piézoélectricité face à des besoins spécifiques
3.2. La création d’une application pour analyser l’impossibilité de couvrir les besoins électriques par la piézoélectricité, mais aussi comme outil de dimensionnement pour le conducteur de travaux
3.3. Le décalage horaire entre production et besoins, première incompatibilité
3.4. Le faible pourcentage couvert par la piézoélectricité
Conclusion
Bibliographie

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