Exercice Sous-partie 1 - Autonomie énergétique de l'Energy… · Bac Sciences de l'Ingénieur Métropole Candidat libre 2021 (sujet 2)

PARTIE 1- SCIENCES DE L’INGÉNIEUR

Energy Observer est le premier navire autonome en énergie, zéro émission, zéro particule fine et zéro bruit, produisant son propre hydrogène à partir de l'eau de mer grâce aux énergies renouvelables.

Ce navire a déjà parcouru plus de 19 000 milles nautiques depuis avril 2017. Conçu comme un laboratoire opérationnel, Energy Observer expérimente et valide chaque année de nombreuses innovations. Véritable smart grid flottant préfigurant les réseaux énergétiques de demain, il exploite une énergie renouvelable dont il est économe.

Il navigue autour du monde, faisant escale dans de nombreuses cités iconiques à la rencontre des pionniers de la transition écologique et solidaire, mais aussi des élus, décideurs, armateurs et grands acteurs de l'économie. Energy Observer démontre au quotidien qu'une énergie entièrement décarbonée et décentralisée est devenue une réalité applicable à différentes échelles.

Le cahier des charges d'Energy Observer est réuni dans le diagramme d'exigences figure 2.

La gestion intelligente de l'énergie est réalisée par l'EMS (Energy Management System). L'EMS est programmé pour mieux exploiter le mix énergétique composé de (voir figure 3):

une chaîne complète de production d'hydrogène,

deux systèmes de stockage (hydrogène et électricité),

deux sources principales d'énergies renouvelables (le photovoltaïque et l'hydrolien).

La stratégie de pilotage de l'énergie suit les principes suivants:

en escale et au port les batteries se chargent grâce aux panneaux photovoltaïques;

lorsque les batteries sont chargées le surplus d'énergie fourni par les panneaux est valorisé en produisant de l'hydrogène par électrolyse de l'eau;

en navigation, l'EMS équilibre les consommations électriques de propulsion et de vie à bord en exploitant au mieux les énergies renouvelables: solaire, éolienne et hydrolienne;

lorsque les apports d'énergie renouvelable deviennent insuffisants, les moyens de stockage (batteries et pile à combustible) à bord sont utilisés pour assurer la continuité de fonctionnement.

Sous-Partie 1: Autonomie énergétique de l'Energy Observer

L'objectif de cette sous-partie est de déterminer si la production d'énergie décarbonée (solaire et hydrogène) suffit à rendre le bateau autonome tout en assurant la puissance nécessaire à la propulsion du bateau.

Le bateau Energy Observer est équipé de moteurs électriques de type brushless pour la propulsion. Afin de garantir une autonomie énergétique décarbonée, l'Energy Observer exploite des sources d'énergie renouvelable (figure 4) combinées à des moyens de stockage d'énergie afin de répondre aux besoins énergétiques liés à la propulsion et à la vie à bord.

Question 1.1

À l'aide des figures 1 et 2, préciser les moyens de production et de stockage d'énergie utilisés à bord de l'Energy Observer.

Les mesures relatifs au mix énergétique lors de la traversée de l'Île du levant (France) à Port Mahon (Minorque) en 2018 sont représentées figure 5. Ces relevés, réalisés sur 48h successives de navigation, permettent de suivre l'évolution temporelle du taux de charge des batteries 400 V en fonction des plages d'ensoleillement et des périodes de recharge mobilisant la pile à combustible.

On suppose que cette traversée a été réalisée à vitesse constante de 5 nœuds (9,26 km·h⁻¹). La traversée a débuté à 13h00 le premier jour et s'est achevée à 12h50 le troisième jour. On néglige les pertes liées aux transferts d'énergie.

Dans un premier temps, l'étude porte sur le jour 3 et plus particulièrement sur l'intervalle de temps commençant à 4h53 (arrêt de la pile à combustible) et se terminant à 11h50 (démarrage de la pile à combustible). Pendant cet intervalle de temps le bateau se déplace à une vitesse de 5 nœuds. On suppose que la production d'énergie photovoltaïque est nulle sur la totalité de l'intervalle de temps.

Question 1.2

À l'aide des figures 2 et 4, déterminer le taux de charge et l'énergie stockée, en kW·h, dans les batteries 400 V au début de l'intervalle étudié.

%

On suppose que, dans l'intervalle de temps étudié, la consommation d'énergie est exclusivement due à la propulsion du bateau.

Question 1.3

Estimer l'énergie consommée par les moteurs assurant la propulsion sur l'intervalle de temps étudié. En déduire la puissance électrique absorbée par les moteurs de propulsion pour assurer une traversée du bateau à une vitesse de 5 nœuds.

Les relevés de la figure 5 montrent que la pile à combustible a été utilisée à trois reprises pendant la traversée. La pile à combustible est mobilisée par l'EMS lorsque le taux de charge des batteries principales atteint 30 %. Une fois la pile à combustible mise en marche elle assure la recharge des batteries 400 V tout en fournissant l'énergie nécessaire aux moteurs de propulsion. L'EMS arrête la pile à combustible dès que le taux de charge des batteries 400 V atteint 80 %. On considère que les moteurs de propulsion appellent une puissance électrique constante de 7,7 kW. La pile à combustible est pleinement chargée en début de traversée et n'est rechargée qu'une fois parvenu à destination.

Question 1.4

Vérifier que l'énergie fournie par la pile à combustible sur l'ensemble du parcours est de 232 kW·h.

Pendant la traversée, la consommation d'énergie liée à la vie à bord est estimée à 60 kW·h et l'énergie produite par les panneaux photovoltaïques est estimée à 145 kW·h.

Question 1.5

Déterminer l'énergie disponible dans les batteries en début et en fin de traversée. Établir un bilan des énergies consommées et produites. Conclure quant à l'autonomie énergétique du bateau.

Lorsque les conditions météorologiques sont optimales chaque panneau photovoltaïque fournit une tension de 17,1 V et un courant de 5,9 A. Afin de connecter l'ensemble des panneaux photovoltaïques au réseau électrique de l'Energy Observer il est nécessaire de les associer électriquement afin que chaque groupement de panneaux ait une tension globale de fonctionnement supérieure à 50 V et fournisse un courant électrique d'intensité supérieure à 11 A. La figure 6 illustre trois montages envisagés pour associer électriquement les panneaux photovoltaïques.

Question 1.6

Parmi les montages A, B, et C de la figure 6, déterminer l'association électrique permettant la connexion des panneaux photovoltaïques sur le réseau électrique de l'Energy Observer. Justifier la réponse.