Exercice Sous-partie 4 (Choix 2) - Gérer les stratégies de… · 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 4 - Choix 2: Gérer les stratégies de consommation et de production

L'objectif de cette partie est de caractériser les échanges d'information à bord, basés sur un réseau de communication et modéliser les stratégies du mix énergétique.

L'exigence de souplesse et l'augmentation des équipements connectés imposent le choix d'interconnexions type « bus de terrain » comme le bus CAN.

De fait, Energy Observer a un haut niveau de complexité et le câblage classique dit « point à point » devient impossible du fait de l'immense quantité de câbles à installer et du coût (en masse, matériaux, main d'œuvre et maintenance…).

Échange d'informations à travers le bus de communication (Bus CAN).

Le système de contrôle des batteries peut grâce à ce bus de communication connaître à tout moment la tension aux bornes de la batterie et l'intensité du courant qu'elle délivre.

Le concept de communication du bus CAN est celui de la diffusion d'information (broadcast). Chaque station connectée au réseau écoute les trames transmises par les stations émettrices. Chaque nœud décide quoi faire du message, s'il doit y répondre ou non, s'il doit agir ou non. Le protocole CAN autorise différents nœuds à accéder simultanément au bus. Un procédé rapide et fiable d'arbitrage détermine le nœud qui émet en premier.

Une trame de données circulant sur le bus CAN 2.0B comporte au maximum 128 bits:

Question 1.18

Le bus CAN 2.0B a un débit variable qui va de 125 kbits·s -1 à 1 Mbits·s -1. Calculer la durée de transmission d'une trame, en considérant le débit le plus défavorable.

Afin de faire un état des lieux des systèmes embarqués, l'EMS envoie une requête à l'ensemble des 30 stations connectées à travers le bus CAN. Suite à quoi ces stations répondent à tour de rôle.

Lorsque la propulsion est assurée uniquement par les batteries, ces dernières se déchargent à courant constant, ce qui signifie que leurs taux de charge décroissent de façon linéaire.

Selon le programme de gestion du mix énergétique, les batteries doivent se recharger grâce à la chaîne hydrogène lorsque leur taux de charge atteint 30 %.

Cependant, il y a potentiellement un décalage de «Delta_t» entre le moment où la batterie atteint réellement les 30% et le moment où l'information est disponible dans l'EMS.

Question 1.19

Estimer « Delta_t », le temps nécessaire pour envoyer et récolter le retour des 30 stations.

On se place dans un intervalle de temps où la propulsion est assurée uniquement par les batteries sans apport solaire. L'allure du taux de charge des batteries peut être modélisée sous la forme d'une fonction affine.

Question 1.20

À partir du tracé simplifié représenté en pointillé figure 21, établir l'équation du Taux de charge ci-dessus en fonction du temps. Exploiter cette équation pour déterminer le taux de charge réel à t = t_lim + «Delta_t», si l'EMS envoie une nouvelle requête à t_lim.

Question 1.21

Conclure vis-à-vis de:

l'état de charge atteint et le risque pour les batteries;

le choix du bus CAN, notamment du point de la vitesse de transmission.

Interpréter le programme partiel de l'EMS.

Trois grands régimes de fonctionnement sont programmés dans Energy Observer:

en navigation normale, l'électricité solaire alimente directement la propulsion et l'excédent de production est utilisé pour recharger les batteries;

les batteries lithium-ion prennent le relais en cas de chute momentanée de la production, par exemple par temps couvert;

en cas d'interruption longue, la nuit par exemple, la pile à combustible prend le relais et fait office de prolongateur d'autonomie en convertissant les réserves d'hydrogène en électricité.

Des stratégies sont également programmées pour recharger les batteries et le stock d'hydrogène aux moments judicieux, avant que ces réserves ne s'épuisent.

Lorsque le niveau de charge du parc batteries descend en dessous de 30 %, la plus grande partie de la production électrique est dédiée à sa recharge. Lorsque ce niveau est supérieur à 80 % la pile à combustible s'arrête et l'énergie solaire sert à produire l'hydrogène.

Question 1.22

À partir du diagramme d'état partiel ci-dessus, indiquer quelle variable ci-dessous est associée à une des transitions 1, 2 et 3:

charge batterie < 30 %:

charge batterie > 80 %:

apport solaire inférieur à l'énergie nécessaire à la propulsion: