Exercice Sous-partie 2 - Propulser mieux et consommer moins · 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 2: Propulser mieux et consommer moins

L'objectif de cette partie est de justifier le dimensionnement d'un moyen de propulsion alternatif et déterminer le gain de ce dernier sur la consommation d'énergie.

La traversée de l'île du Levant à port Mahon a montré l'efficacité l'E.M.S., mais a mis en évidence les limites des performances du bateau.

Pour qu'Energy Observer soit le bateau du futur devenant force de proposition pour le transport maritime, il était absolument nécessaire de le rendre autonome et plus rapide.

Afin d'imaginer l'apport d'un autre moyen de propulsion, un modèle multi-physique a été établi.

Il a permis de simuler l'état du taux de charge du parc batteries 400 V en appliquant les trois grands régimes de fonctionnement sur une même durée de déplacement.

La consommation électrique des moteurs est maintenue constante, ce qui correspond à un déplacement du bateau une vitesse moyenne proche de 5 nœuds.

Ce modèle respecte également les choix stratégiques de recharge des batteries qui ont été fait lors de la traversée: lorsque le niveau de charge descend en dessous de 30 % la pile à combustible démarre et s'arrête lorsque le niveau est supérieur à 80 %.

La figure 8 représente le taux de charge simulé et le taux charge mesuré pour le parcours de l'Ile du levant à Port Mahon.

Question 1.7

À l'aide de la figure 8, comparer le taux de charge simulé avec le taux de charge mesuré dans les phases avec apport solaire et dans les phases sans apport solaire.

Proposer des causes d'écarts.

L'énergie réellement produite par la pile à combustible est de $E_{\text{MESUREE}} = 210\text{ kW}\cdot\text{h}$. Les simulations réalisées donnent un résultat de $E_{\text{SIMULEE}} = 182\text{ kW}\cdot\text{h}$.

Question 1.8

Calculer l'écart relatif entre $E_{\text{MESUREE}}$ et $E_{\text{SIMULEE}}$. On considère que le modèle est validé pour un écart inférieur à 15 %. Conclure.

%

Depuis 2019, le navire est équipé de deux ailes Oceanwings. Elles remplacent la grand-voile d'un catamaran classique. Pour la propulsion du bateau, les moteurs électriques et les ailes Oceanwings peuvent être utilisés indépendamment mais aussi conjointement.

Lorsque la propulsion est prise en charge exclusivement par les ailes, les hélices muent par le déplacement du bateau entrainent les moteurs pour les faire fonctionner en générateurs.

Ce nouvel apport d'énergie électrique permettra la production d'hydrogène pendant la navigation qui jusque-là était limitée lors des escales.

Un deuxième modèle multi-physique de cette nouvelle version d'Energy Observer a été élaboré afin d'observer l'incidence des ailes sur la consommation électrique en réduisant l'usage des moteurs.

La figure 10 représente le taux de charge simulé pour Energy Observer sans les ailes et le taux de charge simulé pour Energy Observer avec les ailes, pour le parcours de l'Ile du levant à Port Mahon réalisé sur la même plage horaire.

Pour établir ce dernier modèle il a été décidé que cette traversée avec les ailes devait être effectuée sur une même durée en reprenant les trois grands régimes de fonctionnement et les choix stratégiques de recharge des batteries.

En supposant que les conditions météorologiques le permettent, les moteurs électriques et les ailes Oceanwings sont alors utilisés conjointement avec une réduction de la consommation électrique de près d'un tiers.

Question 1.9

Critiquer les choix qui ont permis d'élaborer le deuxième modèle.

Question 1.10

En comparant les résultats de simulation de la figure 10, argumenter sur le gain d'énergie observé avec Energy Observer équipé des ailes Oceanwings.

Un an de navigation avec Energy Observer équipé de ces 2 ailes sur une distance de 8 056,51 miles nautiques et pendant 2 025 heures a permis de faire un bilan énergétique.

Question 1.11

Comparer les répartitions de la figure 11 et conclure sur l'apport des ailes Océanwings.