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# Vers des dispositifs d'apprentissage pour les makers pour soutenir la transition énergétique

## 0- À propos

Rédigé début Juin 2017 par **Emmanuel Laurent**. Partagé sous la licence **CC-BY-SA 4.0**.

## 1- Contexte

* La gestion de l'énergie et les spécificités de sa gestion sont difficiles à appréhender même lorsque l'on s'adresse à des personnes disposant de connaissances "techniques". L'une des difficultés est que l'énergie est **impalpable**. De plus, cela nécessite des connaissances techniques couvrant de nombreux domaines : électricité, électronique, thermodynamique, mécanique... mais aussi dans le domaine de la physique. Sans compter que le comportement humain ainsi que le contexte légal et géopolitique ont des rôles **décisifs**.

* L'univers des 'néo-artisans' - ou 'makers' - a vu émerger très peu de projets ces dix dernières années en lien avec l'énergie (comparativement, par exemple, à l'agriculture urbaine), alors même que plusieurs discussions m'ont confirmé que l'énergie est un sujet de préoccupation, autant pour des questions d'autonomie que de réappropriation.

* Pour participer à l'émergence de solutions participant à une transition énergétique, les praticien.ne.s manquent dans les tiers-lieux de dispositifs d'apprentisssage par le faire. Par exemple, pour prototyper une éolienne, il faut disposer de moyens de mesures de la puissance produite et de moyens de "charger" le système (résistance, batterie).

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**Plutôt que proposer une solution technique à expérimenter (éolienne, panneau solaire), l'idée est de disposer d'outils pour appréhender l'énergie et ses concepts**.
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## 2- Proposition

Concevoir et distribuer un module d'apprentissage pour makers pour :
- **Monitorer l'énergie** : mesurer, calibrer et exploiter des données
- **Gérer de l'énergie** : production, consommation, stockage, échange
- **Expérimenter** : tester des systèmes & algorithmes (mesure, gestion)
- **Apprendre** : comprendre les concepts clés et technologies de l'énergie

## 3- Scénarios

> Ce ne sont que auelques scénarios d'usage. D'autres peuvent être inventés.

### 3.1- Comprendre basiquement la consommation d'énergie

* La consommation d'une habitation ou d'un batiment peut être mieux comprise en utilisant des moyens des mesures et en couplant les informations. Décoder et afficher les trames d'un compteur Linky et coupler un système de suivi d'activité comme l'Open Energy Monitor permettra d'identifier les gros consommateurs d'énergie et d'appréhender des modes de consommation en relation avec les factures d'énergie.

### 3.2- Tester une installation photovoltaique + éolienne

* Coupler un panneau solaire, une éolienne et une batterie pour obtenir une alimentation autonome/semi-autonome d'un batiment nécessite de comprendre de nombreuses notions énergétiques et des notions de gestion des flux d'énergie (consommation directe ou stockage). Un module pédagogique apportera la possibilité de tester des scénarios et d'amener la compréhension de ces notions par l'expérimenation directe.

### 3.3- Développer une génératrice à aimants (e.g. éolienne)

* Une génératrice à aimants à faire soi-même (sur le modèle des éoliennes Piggott) peut être développée. Pour la fabriquer, il faut pouvoir mesurer des puissances produites (courant, tension) en fonction de la vitesse de rotation, analyser la forme des signaux d'énergie (alternatif / continu) et les systèmes de régulation avant de la connecter au réseau local. Un suivi de la production lors d'essai est également indispensable.

### 3.4- Afficher et analyser des informations énergétiques

* Pour tester un algorithme d'affichage d'informations énergétiques (production, consommation ou gestion d'un micro-grid), il est nécessaire de disposer de systèmes réels (générateur, panneau photovoltaïque avec un régulateur, consommateur, batterie). L'affichage peut être basé sur un mini-ordinateur (type raspberry) ou sur un système lumineux (ensemble de leds ou autre objet ludique).

### 3.5- Concevoir et déployer un micro-réseau ('micro-grid')

* Au dela des moyens de production, de consommation ou de stockage, il est nécessaire de comprendre les différents flux présents : énergie que l'on gère, données, énergie pour commander les systèmes, etc. Les flux de puissance ont des caractérisques physiques (signaux alternatifs ou continus, voltages différents). Les flux de données ont des support de transmission de données différents (I2C, série, RS485, TCP/IP...) et des protocoles variés suivant les besoins (distance de transmission, débit, sécurité...). La 1ère version d'un module d'expérimentation et de pédagogie permettra de mettre en oeuvre ces protocoles pour les comprendre et pour tester l'interaction entre modules (Linky, OEM, Raspberry...).

## 4- Conception

### 4.1- Principes

Ce module expérimental et pédagogique sera :
- **modulable** : modification des modules, ajout de fonctions, etc.
- **transportable** : pour le déplacer sur des sites d'expérimentation
- **utilisable en intérieur** (en telier) et en **extérieur** (sur site)
- basé sur des technologies **libres** (dans la mesure du possible)

### 4.2- Ce qui existe

* Plusieurs systèmes sont développés (OEM, redresseur triphasé, oscilloscope) ou connus mais il reste à concevoir un module les intégrant pour un usage simplifié & modulaire.

* Quelques modules existants :
* Open Energy Monitor (OEM)
* Capteur Citizen Watt (CW)
* Lecteur de trames Linky

### 4.3- Public(s) cible(s)

* C'est un module pour des personnes qui ont une culture technique et qui souhaitent compléter leurs connaissances par l'expérimentation. Il s'agit donc d'un module pour expérimenter et apprendre et non d'un système qui sera installé à terme chez un particulier. Ce module pourra être dupliqué pour être utilisé dans différents lieux (écoles, ateliers).

### 4.4- Types de publics

- **Makers** : pour se former dans un univers d'atelier de prototypage / fabrication
- **Elèves ingénieurs ou techniciens** pour des formations ou des travaux pratiques
- **Gestionnaires d'énergie** : pour expérimrnter avant implémentation industrielle
- **Designers & architectes** : pour s'initier aux enjeux énergétiques (e.g. mobilier)

### 4.5- Malette pédagoqiue

* Une version simplifiée peut être imaginée sur ce modèle pour initier le grand public (adolescents, ...) aux notions énergétiques en particulier dans le domaine des objets numériques (ordinateurs, tablettes, smartphones,...). *A compléter*

## 5- Actions réalisées

### 5.1- Biennale du Design

* **Energy by drill**: un vélo générateur d'électricité dont les objectifs étaient une illustration concrête du fork sur la Biennale et un objet autour de la médiation de l'énergie > [bilan](https://hackmd.io/GwIwzAHAhmBmsFpgGNZgQFgKxQCYJAAYoAmTEYDDAUwHZaBOLaIA#).

<img style="display: block; margin: 0 auto;" src="https://i.imgur.com/HW0vgzw.png">

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* **[Confident solaire](http://www.visiblenergie.fr/)** (programme urban energy): un mobilier pour l'éducation à l'énergie intégrant un panneau solaire et un générateur d'électricité à pédales. Ce mobilier a montré la nécessité de concevoir un système de gestion de l'énergie entre les sources (PV et vélo), le stockage dans une batterie, la gestion des informations et des éclairages.

<img style="display: block; margin: 0 auto;" src="https://i.imgur.com/plPwdKu.png">

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* Ces deux expérimentations ont (dé)montré :
* La nécessité de disposer d'un système de conception et d'expérimentation pour caractériser la production et la consommation en énergie des sous-systèmes. Ceci afin de fabriquer le système de gestion d'énergie qui sera intégré dans le système final.
* Le besoin, pour des makers, de comprendre l'énergie et sa gestion pour pouvoir passer à la fabrication de ses propres systèms ou pour adapter son comportement.

### 5.2- Linky by makers

* Une ébauche de fiches projets pour l programe **Linky by makers** sur le thème de la microproduction d'énergie a été proposé pendant l'un des [meetup Energy-by-makers](https://www.meetup.com/fr-FR/Meetup-Energy-by-Makers-Lyon-Sud-Est/). Pour les fiches, voir sur la plate-forme dédiée sur la section sud-est (FOL).

### 5.2- Génératrice à aimants

* La base de l'expérimentation vient des éoliennes de type piggott et du [livre publié sur le sujet.](http://www.tripalium.org/manuel) *Documentation en cours*

### 5.3- Banc de caractérisation des générateurs d'électricité

* Pour convertir des moteurs électriques en générateurs d'électricité, il est nécessaire de caractériser son fonctionnement sur un banc de test. **En cours de développement**.

<img style="display: block; margin: 0 auto;" src="https://i.imgur.com/scs5uZk.png">

### 5.4- OEM avec un mode DC

* Pour des mesures en mode DC. Conception d'un amplificateur de courant. [Voir](https://hackmd.io/IYUwDARmDGBmAcBaeYGICwCZyIJwGZphEBWARgDZ8wTN10ATaCoA?both).

## 6- Actions en cours

### 6.1- Linky By Makers

Rassemblement Linky By Makers. Le 10 juin à Nancy avec ENEDIS. Voir la [documentation](https://hackmd.io/s/BkwjxtKGZ).

### 6.2- Résidence Explore

- Résidence Explore (Emmanuel P.Q. & Xavier C.) / Visibl'energie (Emmanuel L.)
- Dates : Fin Juin 2017 - Juste avant l'indiecamp de Névez en Bretagne
- Sujet : micro-production d'énergie pour des habitats éphémères/mobiles
* Prototypage d'un générateur d'électricité à pédales
* Production d'énergie pour des habitats légers/mobiles
* Conception et déploiement d'un cerf-volant-éolienne

### 6.2- Indiecamp Nevez

- Dates : samedi 1er au lundi 10 juillet 2017.
- [Non-organisation de l'indiecamp](https://lebiome.github.io/#LeBiome/camps/blob/master/indie_camp_2017/nevez_2017.md "Indiecamp Nevez")
- [Activités de DAISEE sur l'indiecamp](https://hackmd.io/s/ryn0Q9Ygb#)
* Test in-situ et étude des usages du générateur à pédales construit pendant la résidence
* Tester in-situ une première version du module énergétique d'expérimentation et pédagogique (à détailler plus dans un paragraphe) / tester des besoins

### 6.3- Expérimentation à Prats

- Dates : Résidence DAISEE du samedi 8 au Mardi 11 Juillet.
Lancement le lundi 10 de la SEM Prats EnR avec la vice-présidente Région Occitanie.
- [Détails des expérimentation DAISEE sur l'été 2017](https://hackpad.com/DAISEE-Exprimentation-Prats-oufHjQtulZy#:h=26-28-Mai-2017)
- Pour ce qui nous concerne ici, les possibilités sont pour cette première session:
* Démonstration d'une première version du module d'expérimentation et pédagogique
* Session de réflexion (avec le stagiaire de David) sur le module pédagogique
* Démonstration du vélo générateur le 10/07 ?
* Activités de médiation autour de l'énergie ?

## 7- Ebauche du module et besoins

### 7.1- Ebauche du module

<img style="display: block; margin: 0 auto;" src="https://i.imgur.com/V2A7dBx.png" width="80%">

> Module de gestion d'énergie (mesures et pilotage) en cours de conception.

### 7.2- 1ère version du module

* Pour les expérimentations listées précédemment et dans la perspective de concevoir une 1ère version du module d'expérimentation et de pédagogie, il faudrait disposer de de matériel :
* Modules Open Energy Monitor avec des capteurs
* Capteurs de courant pour des puissances alternatives et continues et des sensibilités variables
* Micro-ordinateurs (Raspberry, arduino,...)
* Ecran plat tactile et étanche
* Connectiques étanches (puissances et commandes)
* Coffrets étanches (pour un usage en extérieur)
* Batteries plomb

:::warning
Emmanuel L. a déjà une partie du matériel (coffret, capteurs, RPi et composants).
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### 7.2- Besoins pour le test du module

### 7.3- Synthèse des budgets obtenus

Budgets obtenus pour les mobiliers et les caractérisations (TOTAL : 4809 €)

| Source | Objet | Montant (€) |
| -------- | -------- | -------- |
| Biennale du Design | Fabrication Energy by drill | 1000 |
| Métropole de Lyon | Achat de Petit matériel | 333 |
| DAISEE | Défraiement du déplacement | 71 |
| Linky by makers | Déplacement + achat de composants | 336 |
| Urban Energy | Achat de matériel | 2569 |
| Ville de Mulhouse | Prototypage d'un générateur | 500 |

Il faut ajouter les fonds propres d'Emmanuel d'env. 5000€ (matériel, outillage, infrastructure).

## 8- Prototypage du module d'expérimentation

### 8.1- Version 1.0

Développée en Juillet et Aout 2017 au cours de camps et sur Mulhouse

**Vue générale du coffret**
Les différents éléments donnés sur la photo sont
* **Platine de connexion** : différents connecteurs permttent de créer le circuit à tester (par ex. alimenter une lampe à partir d'une batterie chargée par un panneau PV en insérant des capteurs de courant et de tension pour mesurer les puissances). Voir photo détaillée de la platine ci-dessous.
* **Capteurs de courant** : différents capteurs de courant pour test et suivant les niveaux de courant
* **Chargeur photovoltaïque** : capteur de courant non présents mais prévus
* **Relais** : pilotés par RPi pour brancher des charges ou coupler des batteries suivants des conditions définies (relais non cablés à l'heure actuelle)
* **Alimentation** (de PC): utilisée pour fournir du 5V et du 12V au RPi, à l'écran de PC ou autre
* **Bloc de prises**: alimentées en 220V. Prévues pour brancher une prise ampèremétrique pour mesurer le courant de chaque prise avec un module "Open Energy Monitor"

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</center>

Les capteurs de courant et de tension sont reliées à une platine d'acquisition de données (ci-dessous). Cette platine est intégrée dans la porte du coffret et est en cours de debug. Elle reprend la même structure que la plaque d'acquisition de données de l'OEM (arduino ATmega328P + ADC + ampli à gain var.)


Cette carte envoie des trames de données sur le RPi (comme pour l'OEM) qui permet la programmation du processeur arduino et l'affichage des données.

Ecran d'affichage. Le RPi est intégré derrière l'écran avec son alimentation. Il est également utilisé comme tablette de bord du fourgon d'Emmanuel (avec GPS) !
A terme, le RPi et l'écran seront intégrés dans le boitier.


L'ensemble est intégré dans un coffret électrique étanche pour être utilisé aussi bien en labo / atelier pour de l'expérimentation / formation ou en extérieur (e.g. pour un système PV). L'ensemble est en cours d'intégration. La documentation est construite en parallèle.