Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2022 · Métropole remplacement - Architecture et Construction (AC)

PARTIE COMMUNE (12 points)

Energy Observer

Mise en situation

« Energy Observer » est le premier navire à hydrogène visant l'autonomie énergétique. Il ne dégage aucune émission de gaz à effet de serre ni particule fine lors de ses trajets. Cet ancien bateau de course a été reconditionné en navire du futur à propulsion électrique fonctionnant grâce à un mix d'énergies renouvelables (eau, vent, soleil) et un système de production d'hydrogène décarboné à partir de l'eau de mer.

L'étude et la conception des technologies embarquées ont été réalisées par le Centre d'Étude Atomique (CEA) de Grenoble. Le centre CEA de Grenoble consacre l'essentiel de ses recherches au développement des nouvelles technologies, dans les domaines de l'énergie, de la santé, de l'information et de la communication.

Ce navire permet d'éprouver et optimiser les nouvelles technologies à bord de son laboratoire flottant en milieu extrême. Les expériences sur le terrain doivent permettre de concevoir des applications futures et à grande échelle dans le domaine de la navigation maritime.

Les nouveaux enjeux écologiques pour le transport maritime

Le transport maritime achemine plus de 90% des marchandises dans le monde et plusieurs millions de personnes chaque année. Les gaz d'échappement des navires sont une source importante d'émission de gaz à effet de serre et de particules fines.

L'Organisation Maritime Internationale a approuvé en avril 2018 une stratégie de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) produites par les activités du transport maritime. L'objectif est de réduire les émissions annuelles totales de GES d'au moins 50 % d'ici à 2050.

L'hydrogène comme vecteur d'énergie propre ?

Actuellement dans le monde, 95% de l'hydrogène est produit à partir d'énergies fossiles.

Le défi: développer une production d'hydrogène propre, à partir de l'électrolyse de l'eau ou grâce aux énergies renouvelables. On parle alors d'hydrogène « vert ». L'hydrogène permet de stocker à long terme les surplus d'énergies renouvelables pour pouvoir les réutiliser plus tard.

L'hydrogène « vert » peut être un moyen de répondre à un nouvel enjeu environnemental et de santé publique lors des liaisons fluviales et maritimes. Il permet de réduire les émissions de CO 2 et de diminuer le niveau sonore des navires en circulation.

Pour les liaisons fluviales et maritimes, le passage à un mode hybride batterie / hydrogène permet d'accroître les performances et d'assurer la continuité du service public rendu, tout en préservant la réduction sonore et l'absence de polluants atmosphériques.

Partie 1: quel est l'intérêt environnemental d'un navire à hydrogène ?

Question 1.1

Indiquer au moins deux raisons qui justifient l'intérêt environnemental de ce projet.

Question 1.2

Expliquer en quoi l'hydrogène « vert » pourrait être une solution d'avenir pour réduire l'impact environnemental du transport maritime.

Question 1.5

Conclure sur la capacité de ce bateau à naviguer sans émission de gaz à effet de serre.

PARTIE COMMUNE (12 points)

Energy Observer

Mise en situation

« Energy Observer » est le premier navire à hydrogène visant l'autonomie énergétique. Il ne dégage aucune émission de gaz à effet de serre ni particule fine lors de ses trajets. Cet ancien bateau de course a été reconditionné en navire du futur à propulsion électrique fonctionnant grâce à un mix d'énergies renouvelables (eau, vent, soleil) et un système de production d'hydrogène décarboné à partir de l'eau de mer.

L'étude et la conception des technologies embarquées ont été réalisées par le Centre d'Étude Atomique (CEA) de Grenoble. Le centre CEA de Grenoble consacre l'essentiel de ses recherches au développement des nouvelles technologies, dans les domaines de l'énergie, de la santé, de l'information et de la communication.

Ce navire permet d'éprouver et optimiser les nouvelles technologies à bord de son laboratoire flottant en milieu extrême. Les expériences sur le terrain doivent permettre de concevoir des applications futures et à grande échelle dans le domaine de la navigation maritime.

Les nouveaux enjeux écologiques pour le transport maritime

Le transport maritime achemine plus de 90% des marchandises dans le monde et plusieurs millions de personnes chaque année. Les gaz d'échappement des navires sont une source importante d'émission de gaz à effet de serre et de particules fines.

L'Organisation Maritime Internationale a approuvé en avril 2018 une stratégie de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) produites par les activités du transport maritime. L'objectif est de réduire les émissions annuelles totales de GES d'au moins 50 % d'ici à 2050.

L'hydrogène comme vecteur d'énergie propre ?

Actuellement dans le monde, 95% de l'hydrogène est produit à partir d'énergies fossiles.

Le défi: développer une production d'hydrogène propre, à partir de l'électrolyse de l'eau ou grâce aux énergies renouvelables. On parle alors d'hydrogène « vert ». L'hydrogène permet de stocker à long terme les surplus d'énergies renouvelables pour pouvoir les réutiliser plus tard.

L'hydrogène « vert » peut être un moyen de répondre à un nouvel enjeu environnemental et de santé publique lors des liaisons fluviales et maritimes. Il permet de réduire les émissions de CO 2 et de diminuer le niveau sonore des navires en circulation.

Pour les liaisons fluviales et maritimes, le passage à un mode hybride batterie / hydrogène permet d'accroître les performances et d'assurer la continuité du service public rendu, tout en préservant la réduction sonore et l'absence de polluants atmosphériques.

Partie 1: quel est l'intérêt environnemental d'un navire à hydrogène ?

Question 1.3

À partir du DT1, indiquer les quatre éléments techniques à bord du bateau permettant de produire de l'énergie électrique.

N°

Composant

Fonction / Rôle

1 · Panneaux photovoltaïques · Fournir de l'énergie électrique à partir du soleil

2 · Éoliennes · Fournir de l'énergie électrique à partir du vent

3 · Dessalinisateur · Produire de l'eau douce à partir de l'eau de mer

4 · Logiciel de routage · Optimisation du plan de route liée aux paramètres de navigation et productions d'énergie

5 · Monitoring · IHM pour le suivi en temps réel et optimisation des flux énergétiques

6 · Compresseur d'hydrogène · Compresser l'hydrogène pour le stocker dans des réservoirs

7 · Kit de traction intelligent · Cerf-volant automatisé pour augmenter la vitesse et réduire les dépenses énergétiques

8 · Électrolyseur · Produire de l'hydrogène à partir de l'énergie électrique et de l'eau

9 · Réservoirs d'hydrogène · Stocker de l'énergie à long terme

10 · Pile à combustible · Générer de l'électricité à partir de l'hydrogène stocké

11 · Batteries Lithium-Ion · Stocker de l'énergie à court terme

12 · Propulseur · 2 moteurs électriques réversibles en hydrogénateurs lors des navigations sous kite

13 · Purificateur · Système de filtration pour séparer l'eau des particules solides

1er élément:

2e élément:

3e élément:

4e élément:

Question 1.4

On donne les différents éléments technologiques qui participent à la chaîne de production d'hydrogène:

Éléments disponibles: purificateur • électrolyseur • dessalinisateur • réservoirs • compresseur

Compléter, sur le document réponse DR1, les noms de ces éléments en fonction de leur rôle dans la chaîne de production d'hydrogène.

Fonction / Rôle

Élément technologique associé

Enlever le sel de l'eau de mer

Purifier l'eau douce

Produire de l'hydrogène

Compresser l'hydrogène

Stocker

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Energy Observer

Mise en situation

« Energy Observer » est le premier navire à hydrogène visant l'autonomie énergétique. Il ne dégage aucune émission de gaz à effet de serre ni particule fine lors de ses trajets. Cet ancien bateau de course a été reconditionné en navire du futur à propulsion électrique fonctionnant grâce à un mix d'énergies renouvelables (eau, vent, soleil) et un système de production d'hydrogène décarboné à partir de l'eau de mer.

L'étude et la conception des technologies embarquées ont été réalisées par le Centre d'Étude Atomique (CEA) de Grenoble. Le centre CEA de Grenoble consacre l'essentiel de ses recherches au développement des nouvelles technologies, dans les domaines de l'énergie, de la santé, de l'information et de la communication.

Ce navire permet d'éprouver et optimiser les nouvelles technologies à bord de son laboratoire flottant en milieu extrême. Les expériences sur le terrain doivent permettre de concevoir des applications futures et à grande échelle dans le domaine de la navigation maritime.

Les nouveaux enjeux écologiques pour le transport maritime

Le transport maritime achemine plus de 90% des marchandises dans le monde et plusieurs millions de personnes chaque année. Les gaz d'échappement des navires sont une source importante d'émission de gaz à effet de serre et de particules fines.

L'Organisation Maritime Internationale a approuvé en avril 2018 une stratégie de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) produites par les activités du transport maritime. L'objectif est de réduire les émissions annuelles totales de GES d'au moins 50 % d'ici à 2050.

L'hydrogène comme vecteur d'énergie propre ?

Actuellement dans le monde, 95% de l'hydrogène est produit à partir d'énergies fossiles.

Le défi: développer une production d'hydrogène propre, à partir de l'électrolyse de l'eau ou grâce aux énergies renouvelables. On parle alors d'hydrogène « vert ». L'hydrogène permet de stocker à long terme les surplus d'énergies renouvelables pour pouvoir les réutiliser plus tard.

L'hydrogène « vert » peut être un moyen de répondre à un nouvel enjeu environnemental et de santé publique lors des liaisons fluviales et maritimes. Il permet de réduire les émissions de CO 2 et de diminuer le niveau sonore des navires en circulation.

Pour les liaisons fluviales et maritimes, le passage à un mode hybride batterie / hydrogène permet d'accroître les performances et d'assurer la continuité du service public rendu, tout en préservant la réduction sonore et l'absence de polluants atmosphériques.

Partie 2: quel est le meilleur combustible pour propulser le bateau ?

On s'intéresse ici au bilan carbone et au bilan énergétique de plusieurs combustibles sur une phase de cycles de vie (production jusqu'à l'utilisation).

La chaîne énergétique pour un combustible peut être schématisée de la manière suivante:

Question 2.1

Calculer dans le DR2 le rendement global (production et utilisation) pour l'hydrogène obtenu par électrolyse.

DOCUMENT RÉPONSE DR2: Bilan net énergie

Combustible

Cycles de vie

(Production jusqu'à l'utilisation)

Bilan net énergie

Production $\eta_1$

Utilisation $\eta_2$

Global $\eta$

Fuel

Extraction puis raffinage

24%

Gaz naturel

Extraction puis raffinage, gazéification et compression

16,4%

Hydrogène

Reformage du gaz naturel puis compression à 35 MPa

25%

Hydrogène

Électrolyse (électricité d'origine renouvelable) puis compression à 35 MPa

65%

44%

%

Question 2.2

Montrer en quoi l'hydrogène obtenu à partir de la technique de l'électrolyse est actuellement une solution d'avenir, à partir du DT3 et du calcul précédent.

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Energy Observer

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« Energy Observer » est le premier navire à hydrogène visant l'autonomie énergétique. Il ne dégage aucune émission de gaz à effet de serre ni particule fine lors de ses trajets. Cet ancien bateau de course a été reconditionné en navire du futur à propulsion électrique fonctionnant grâce à un mix d'énergies renouvelables (eau, vent, soleil) et un système de production d'hydrogène décarboné à partir de l'eau de mer.

L'étude et la conception des technologies embarquées ont été réalisées par le Centre d'Étude Atomique (CEA) de Grenoble. Le centre CEA de Grenoble consacre l'essentiel de ses recherches au développement des nouvelles technologies, dans les domaines de l'énergie, de la santé, de l'information et de la communication.

Ce navire permet d'éprouver et optimiser les nouvelles technologies à bord de son laboratoire flottant en milieu extrême. Les expériences sur le terrain doivent permettre de concevoir des applications futures et à grande échelle dans le domaine de la navigation maritime.

Les nouveaux enjeux écologiques pour le transport maritime

Le transport maritime achemine plus de 90% des marchandises dans le monde et plusieurs millions de personnes chaque année. Les gaz d'échappement des navires sont une source importante d'émission de gaz à effet de serre et de particules fines.

L'Organisation Maritime Internationale a approuvé en avril 2018 une stratégie de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) produites par les activités du transport maritime. L'objectif est de réduire les émissions annuelles totales de GES d'au moins 50 % d'ici à 2050.

L'hydrogène comme vecteur d'énergie propre ?

Actuellement dans le monde, 95% de l'hydrogène est produit à partir d'énergies fossiles.

Le défi: développer une production d'hydrogène propre, à partir de l'électrolyse de l'eau ou grâce aux énergies renouvelables. On parle alors d'hydrogène « vert ». L'hydrogène permet de stocker à long terme les surplus d'énergies renouvelables pour pouvoir les réutiliser plus tard.

L'hydrogène « vert » peut être un moyen de répondre à un nouvel enjeu environnemental et de santé publique lors des liaisons fluviales et maritimes. Il permet de réduire les émissions de CO 2 et de diminuer le niveau sonore des navires en circulation.

Pour les liaisons fluviales et maritimes, le passage à un mode hybride batterie / hydrogène permet d'accroître les performances et d'assurer la continuité du service public rendu, tout en préservant la réduction sonore et l'absence de polluants atmosphériques.

Partie 3: La capacité de stockage d’hydrogène du bateau est-elle suffisante pour assurer deux jours de navigation ?

Energy Observer part pour un voyage d’essais entre St Tropez et Minorque. La première phase de fonctionnement (jusqu’au coucher de soleil) se déroule de jour et il n’y a aucun vent. Le bateau fonctionne sur ses batteries avec l’apport d’énergie extérieure due à l’ensoleillement. Il s’agit du fonctionnement « éco » pendant lequel le système ne produit pas d’hydrogène.

3.1

Sur le document réponse DR3, cocher tous les flux d’énergie en jeu lors de cette première phase de fonctionnement (« éco » de jour sans vent):

3.2

À l'aide du diagramme de définition des blocs DT2 et des éléments de la question précédente, compléter le tableau descriptif DR4 de cette chaîne de puissance:

Fonction · Sous-système · Type d’énergie en entrée · Type d’énergie en sortie · Rendement

Produire · · Rayonnement solaire · · —

Alimenter · · Chimique · · —

Distribuer · Variateur · Électrique · Électrique · 0,9

Convertir · · Électrique

Agir · · Mécanique · Hydraulique · 0,6

3.3

Après le coucher du soleil et jusqu’à 3 heures du matin, le bateau est propulsé uniquement à l’aide de l’énergie des batteries. Il s’agit de la deuxième phase de fonctionnement décrite dans le document DR5. Cocher tous les flux d’énergie en jeu lors de cette deuxième phase:

PARTIE COMMUNE (12 points)

Energy Observer

Mise en situation

« Energy Observer » est le premier navire à hydrogène visant l'autonomie énergétique. Il ne dégage aucune émission de gaz à effet de serre ni particule fine lors de ses trajets. Cet ancien bateau de course a été reconditionné en navire du futur à propulsion électrique fonctionnant grâce à un mix d'énergies renouvelables (eau, vent, soleil) et un système de production d'hydrogène décarboné à partir de l'eau de mer.

L'étude et la conception des technologies embarquées ont été réalisées par le Centre d'Étude Atomique (CEA) de Grenoble. Le centre CEA de Grenoble consacre l'essentiel de ses recherches au développement des nouvelles technologies, dans les domaines de l'énergie, de la santé, de l'information et de la communication.

Ce navire permet d'éprouver et optimiser les nouvelles technologies à bord de son laboratoire flottant en milieu extrême. Les expériences sur le terrain doivent permettre de concevoir des applications futures et à grande échelle dans le domaine de la navigation maritime.

Les nouveaux enjeux écologiques pour le transport maritime

Le transport maritime achemine plus de 90% des marchandises dans le monde et plusieurs millions de personnes chaque année. Les gaz d'échappement des navires sont une source importante d'émission de gaz à effet de serre et de particules fines.

L'Organisation Maritime Internationale a approuvé en avril 2018 une stratégie de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) produites par les activités du transport maritime. L'objectif est de réduire les émissions annuelles totales de GES d'au moins 50 % d'ici à 2050.

L'hydrogène comme vecteur d'énergie propre ?

Actuellement dans le monde, 95% de l'hydrogène est produit à partir d'énergies fossiles.

Le défi: développer une production d'hydrogène propre, à partir de l'électrolyse de l'eau ou grâce aux énergies renouvelables. On parle alors d'hydrogène « vert ». L'hydrogène permet de stocker à long terme les surplus d'énergies renouvelables pour pouvoir les réutiliser plus tard.

L'hydrogène « vert » peut être un moyen de répondre à un nouvel enjeu environnemental et de santé publique lors des liaisons fluviales et maritimes. Il permet de réduire les émissions de CO 2 et de diminuer le niveau sonore des navires en circulation.

Pour les liaisons fluviales et maritimes, le passage à un mode hybride batterie / hydrogène permet d'accroître les performances et d'assurer la continuité du service public rendu, tout en préservant la réduction sonore et l'absence de polluants atmosphériques.

Partie 3: la capacité de stockage d'hydrogène du bateau est-elle suffisante pour assurer deux jours de navigation ?

L'étude précédente a montré que l'hydrogène vert est un combustible intéressant pour la propulsion du fret maritime. Pour utiliser une pile à combustible en tant que source d'énergie, il est nécessaire d'utiliser un système de propulsion électrique pour les navires.

Pour effectuer un voyage, il faut vérifier l'exigence 1.1 du document DT4.

Energy Observer part pour un voyage d'essais entre St Tropez et Minorque, décrit dans le document DT5.

La première phase de fonctionnement (jusqu'au coucher de soleil) se déroule de jour et il n'y a aucun vent. Le bateau fonctionne sur ses batteries avec l'apport d'énergie extérieure due à l'ensoleillement. Il s'agit du fonctionnement « éco » pendant lequel le système ne produit pas d'hydrogène.

DT4: diagramme des exigences (partiel)

DT5: bilan énergétique de la navigation St Tropez - Minorque

Bilan énergétique

Production

Panneaux photovoltaïques · 198,6 kW·h

Éoliennes · 0

Moteurs électriques réversibles · 0

Apport Batteries · 95,2 kW·h

Apport pile à combustible · 277,43 kW·h

Total · 519,29 kW·h

Consommation

Propulsion électrique · 474,14 kW·h

Vie à bord, instrument de navigation, etc... · 97,15 kW·h

Chaîne de production d'hydrogène · 0 kW·h

Total · 519,28 kW·h

État de charge

Taux de charge des batteries 400 V au départ · 100 %

Taux de charge des batteries 400 V à l'arrivée · 15 %

Taux de charge des réservoirs d'hydrogène au départ · 88 %

Taux de charge des réservoirs d'hydrogène à l'arrivée · 61 %

Performances

Puissance solaire maximale atteinte · 18 423 W

Puissance éolienne maximale atteinte · 0 kW

Puissance hydrolienne maximale atteinte · 0 kW

Après le coucher du soleil et jusqu'à 3 heures du matin, le bateau est propulsé uniquement à l'aide de l'énergie des batteries. Il s'agit de la deuxième phase de navigation.

Nous rappelons que la capacité de la batterie est de $112\text{ kW}\cdot\text{h}$.

3.4

Calculer la quantité d'énergie en kW·h cédée par les batteries.

Les besoins en énergie pour l'activité du navire et la vie à bord (consommation de l'équipage) correspondent à 20% de l'énergie produite par les batteries.

3.5

À partir du diagramme précédent, calculer l'énergie effectivement utilisée par la motorisation pour la propulsion.

3.6

Calculer en heure la durée de cette deuxième phase de navigation. En déduire la puissance moyenne dissipée utilisée par le moteur pour maintenir cette allure.

DT2: diagramme de définition des blocs (BDD)

3.7

À partir du DT2 et DT4, justifier l'exigence « Mode Eco ».

La puissance moyenne dissipée en mode « éco » est de $10{,}8\text{ kW}$.

3.8

Calculer, sur une durée de 2 jours, l'énergie totale consommée par le bateau.

3.9

Relever sur le DT5 l'énergie totale consommée lors de la navigation de St Tropez à Minorque. Commenter le résultat.

DT6: chaîne d'énergie de la production d'hydrogène

La quantité d'énergie stockée dans $1\text{ kg}$ de $\text{H}_2$ est de $33\text{ kW}\cdot\text{h}$.

3.10

Calculer la masse en kg d'hydrogène nécessaire pour alimenter en énergie un trajet de deux jours sans vent et sans ensoleillement (le bateau est uniquement propulsé par l'hydrogène).

3.11

Lire sur le diagramme de définition des blocs (bdd) du DT2 la capacité et le nombre de réservoirs à hydrogène sur le bateau. En déduire la masse totale d'hydrogène embarquée.

3.12

Conclure sur la faisabilité du trajet en deux jours uniquement avec un apport d'hydrogène.

PARTIE COMMUNE (12 points)

Energy Observer

Mise en situation

« Energy Observer » est le premier navire à hydrogène visant l'autonomie énergétique. Il ne dégage aucune émission de gaz à effet de serre ni particule fine lors de ses trajets. Cet ancien bateau de course a été reconditionné en navire du futur à propulsion électrique fonctionnant grâce à un mix d'énergies renouvelables (eau, vent, soleil) et un système de production d'hydrogène décarboné à partir de l'eau de mer.

L'étude et la conception des technologies embarquées ont été réalisées par le Centre d'Étude Atomique (CEA) de Grenoble. Le centre CEA de Grenoble consacre l'essentiel de ses recherches au développement des nouvelles technologies, dans les domaines de l'énergie, de la santé, de l'information et de la communication.

Ce navire permet d'éprouver et optimiser les nouvelles technologies à bord de son laboratoire flottant en milieu extrême. Les expériences sur le terrain doivent permettre de concevoir des applications futures et à grande échelle dans le domaine de la navigation maritime.

Les nouveaux enjeux écologiques pour le transport maritime

Le transport maritime achemine plus de 90% des marchandises dans le monde et plusieurs millions de personnes chaque année. Les gaz d'échappement des navires sont une source importante d'émission de gaz à effet de serre et de particules fines.

L'Organisation Maritime Internationale a approuvé en avril 2018 une stratégie de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) produites par les activités du transport maritime. L'objectif est de réduire les émissions annuelles totales de GES d'au moins 50 % d'ici à 2050.

L'hydrogène comme vecteur d'énergie propre ?

Actuellement dans le monde, 95% de l'hydrogène est produit à partir d'énergies fossiles.

Le défi: développer une production d'hydrogène propre, à partir de l'électrolyse de l'eau ou grâce aux énergies renouvelables. On parle alors d'hydrogène « vert ». L'hydrogène permet de stocker à long terme les surplus d'énergies renouvelables pour pouvoir les réutiliser plus tard.

L'hydrogène « vert » peut être un moyen de répondre à un nouvel enjeu environnemental et de santé publique lors des liaisons fluviales et maritimes. Il permet de réduire les émissions de CO 2 et de diminuer le niveau sonore des navires en circulation.

Pour les liaisons fluviales et maritimes, le passage à un mode hybride batterie / hydrogène permet d'accroître les performances et d'assurer la continuité du service public rendu, tout en préservant la réduction sonore et l'absence de polluants atmosphériques.

Partie 4: Comment stocker l'hydrogène sur le bateau ?

L'hydrogène est stocké dans des réservoirs sous haute pression ($35\text{ MPa}$ ou $350\text{ bars}$).

DT7: Le stockage haute pression de l'hydrogène

L'hydrogène est le gaz le plus léger de tout l'univers: un litre de ce gaz ne pèse que $90\text{ mg}$ à pression atmosphérique, il est donc environ 11 fois plus léger que l'air que nous respirons.

Il faut un volume d'environ $11\text{ m}^3$, c'est-à-dire le volume du coffre d'un grand utilitaire, pour seulement stocker $1\text{ kg}$ d'hydrogène. Il est donc indispensable d'augmenter sa densité ou masse volumique.

La méthode la plus simple permettant de diminuer le volume d'un gaz, à température constante, est d'augmenter sa pression.

Ainsi à $20\text{ MPa}$ on obtient une densité de $14\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$ et à $70\text{ MPa}$ une densité de $42\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$ contre $0{,}090\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$ à pression et température normales.

À $70\text{ MPa}$ on peut alors stocker $5\text{ kg}$ d'hydrogène dans un réservoir de $125\text{ litres}$.

4.1

Indiquer la raison pratique qui justifie le stockage sous haute pression (DT7).

DT6 & DT8: Chaîne d'énergie et choix du détendeur

Spécifications détendeur TESCOM Série 26-1500:

Pression d'entrée maxi: Inox: 415 bar; Laiton, aluminium: 345 bar.

Plages de réglage: 0–3,5 / 0–10 / 0–17 bar.

Pression d'épreuve: 150 % de la pression d'entrée maxi.

Matériaux en contact: Inox 316, laiton ou aluminium.

4.2

Justifier le choix qui a été fait pour le détendeur (module inox) sachant que la pression d'utilisation est de 2 bars (DT6 et DT8).

Afin de choisir un réservoir pour stocker cette quantité d'hydrogène, trois simulations ont été réalisées. Une simulation avec un réservoir en acier allié de $6\text{ mm}$ d'épaisseur, une autre avec de l'acier allié de $11\text{ mm}$ et une dernière avec un composite époxy / fibre de carbone de $8\text{ mm}$. Les résultats de ces simulations sont donnés DT9.

DT9: Simulations éléments finis (MEF) des réservoirs

6 mm Acier

Limite d'élasticité: 620 MPa

11 mm Acier

Limite d'élasticité: 620 MPa

8 mm Composite Epoxy / carbone

Limite d'élasticité: 1050 MPa

Masses volumiques:

Masse volumique acier: $7800\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

Masse volumique composite époxy / fibre de carbone: $1600\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

4.3

Parmi les trois réservoirs, indiquer en justifiant ceux qui peuvent convenir (DT9).

Parmi les réservoirs qui conviennent, le réservoir le plus léger est retenu. Ces réservoirs ont un volume extérieur identique.

4.4

Choisir en justifiant le réservoir le mieux adapté (DT9).

PARTIE COMMUNE (12 points)

Energy Observer

Mise en situation

« Energy Observer » est le premier navire à hydrogène visant l'autonomie énergétique. Il ne dégage aucune émission de gaz à effet de serre ni particule fine lors de ses trajets. Cet ancien bateau de course a été reconditionné en navire du futur à propulsion électrique fonctionnant grâce à un mix d'énergies renouvelables (eau, vent, soleil) et un système de production d'hydrogène décarboné à partir de l'eau de mer.

L'étude et la conception des technologies embarquées ont été réalisées par le Centre d'Étude Atomique (CEA) de Grenoble. Le centre CEA de Grenoble consacre l'essentiel de ses recherches au développement des nouvelles technologies, dans les domaines de l'énergie, de la santé, de l'information et de la communication.

Ce navire permet d'éprouver et optimiser les nouvelles technologies à bord de son laboratoire flottant en milieu extrême. Les expériences sur le terrain doivent permettre de concevoir des applications futures et à grande échelle dans le domaine de la navigation maritime.

Les nouveaux enjeux écologiques pour le transport maritime

Le transport maritime achemine plus de 90% des marchandises dans le monde et plusieurs millions de personnes chaque année. Les gaz d'échappement des navires sont une source importante d'émission de gaz à effet de serre et de particules fines.

L'Organisation Maritime Internationale a approuvé en avril 2018 une stratégie de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) produites par les activités du transport maritime. L'objectif est de réduire les émissions annuelles totales de GES d'au moins 50 % d'ici à 2050.

L'hydrogène comme vecteur d'énergie propre ?

Actuellement dans le monde, 95% de l'hydrogène est produit à partir d'énergies fossiles.

Le défi: développer une production d'hydrogène propre, à partir de l'électrolyse de l'eau ou grâce aux énergies renouvelables. On parle alors d'hydrogène « vert ». L'hydrogène permet de stocker à long terme les surplus d'énergies renouvelables pour pouvoir les réutiliser plus tard.

L'hydrogène « vert » peut être un moyen de répondre à un nouvel enjeu environnemental et de santé publique lors des liaisons fluviales et maritimes. Il permet de réduire les émissions de CO 2 et de diminuer le niveau sonore des navires en circulation.

Pour les liaisons fluviales et maritimes, le passage à un mode hybride batterie / hydrogène permet d'accroître les performances et d'assurer la continuité du service public rendu, tout en préservant la réduction sonore et l'absence de polluants atmosphériques.

Partie 5: comment maintenir le cap du bateau malgré les éléments extérieurs ?

Naviguer consiste à déterminer une route pour aller d'un point à un autre, en évitant les dangers et en tenant compte de l'environnement météorologique (les vents) et océanographique (les courants).

5.1

À l'aide du texte précédent, identifier les deux paramètres extérieurs au bateau qui peuvent modifier sa position en navigation.

L'étude suivante porte sur le parcours d'Energy Observer entre Saint Tropez et Minorque.

D'après les lois de l'hydrodynamique, on peut approximer la force due à l'eau qui s'oppose au déplacement du bateau par la formule: $F = k \cdot v^2$

- $k$ une constante liée aux caractéristiques du bateau;

- $v$ la vitesse du bateau.

5.2

En analysant la formule précédente, expliquer l'intérêt pour Energy Observer de naviguer à une vitesse faible ($10\text{ km}\cdot\text{h}^{-1}$).

Étude de l'influence du courant et du vent sur le déplacement du bateau (voir DT10).

On considère que $\vec{V}_{B1}$ représente le vecteur cap du bateau. Pour simplifier, on considère que les courants et le vent ont la même direction et le même sens, ils sont présentés par le vecteur « dérive »: $\vec{D}$.

On donne, dans le DT10, deux cas de figure représentant deux caps différents suivis par le bateau, et ce pour une dérive identique.

DT10: déplacement du bateau

Cas de figure 1

Cas de figure 2

5.3

Justifier dans quel cas le bateau pourrait atteindre Minorque, en tenant compte des représentations des vecteurs $\vec{D}$ et $\vec{V}_{B1}$.

Afin d'assister le skipper dans le contrôle de la navigation, le bateau est équipé d'un pilote automatique. Il permet de diriger automatiquement le bateau afin que ce dernier suive la route (cap) préalablement définie.

Le système est composé de:

un compas: mémorise le cap (direction) souhaité et mesure le cap suivi par le bateau;

une unité de commande électronique: calcule la différence entre le cap suivi et le cap mémorisé afin d'envoyer une consigne à l'actionneur;

un actionneur (vérin): agit sur la barre pour repositionner le bateau sur sa route.

L'unité électronique fonctionne suivant l'algorigramme fourni sur le DR6.

5.4

Compléter l'algorigramme, présent sur le DR6, avec les trois fonctions suivantes:

Actionner le vérin du gouvernail pour tourner dans le sens horaire

Différence = « Cap_souhaité » − « Cap_mesuré »

Différence > 0

PARTIE SPÉCIFIQUE (8 points) — ARCHITECTURE ET CONSTRUCTION

Études thermique de l'espace vie du bateau et de la structure du portique arrière

Mise en situation

Après deux années de navigation et d'optimisation, Energy Observer s'apprête à accomplir une navigation historique, la plus longue depuis son départ de Saint-Malo en 2017. Il va devenir le premier navire au monde à rejoindre le cercle polaire arctique uniquement propulsé par des énergies renouvelables et de l'hydrogène: 2 400 milles à parcourir entre Saint-Pétersbourg et Longyearbyen au Spitzberg en longeant la côte ouest de la Norvège.

Travail demandé

Ce travail se décompose en deux études:

1 ère étude consacrée au confort thermique dans la base vie.

2 ème étude consacrée à la structure du portique qui supporte les panneaux photovoltaïques.

Dans un premier temps nous allons étudier les performances énergétiques de l'espace de vie du bateau, la « Nacelle ». Pour cela, il faut déterminer les besoins en chauffage pour maintenir une température convenable à l'intérieur du bateau.

Pour la construction navale, les parois sont faites en composite à structure sandwich. Ce matériau est adapté pour sa légèreté et sa rigidité. Il est composé d'une âme en mousse PVC prise entre deux plaques de kevlar.

Les parois vitrées sont en plexiglass d'une épaisseur de 7 mm et la conductivité thermique ($\lambda$) est de $0{,}19\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.

Partie A: comment vérifier la résistance thermique de matériaux ?

Question A.1

Indiquer, à partir de la mise en situation, la distance que devra parcourir Energy - Observer pour relier Longyearbyen depuis Saint-Pétersbourg ?

Question A.2

Calculer, grâce aux documents DT S1 et DT S2, la résistance thermique $R_{\text{paroi}}$ et le coefficient de transmission thermique $U$ de chaque matériau en complétant le document DR S1.

En déduire la résistance thermique $R_{\text{paroi}}$ et le coefficient de transmission thermique $U$ de chaque paroi (opaque et vitrée).

DT S1: Formulaire de calcul des déperditions thermiques

Résistance thermique d'un matériau: $R = \dfrac{e}{\lambda}$ ($[R] = \text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$; $[e] = \text{m}$; $[\lambda] = \text{W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$)

Résistance d'une paroi: $R_{\text{Totale}} = R_1 + R_2 + R_3 + R_{si} + R_{se}$

Coefficient de transmission thermique: $U_{\text{parois}} = \dfrac{1}{R_{\text{Totale}}}$ ($[U_{\text{parois}}] = \text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}$)

DR S1: résistances thermiques des parois

Parois

Kevlar

PVC

Kevlar

Résistance superficielle

($\text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$)

$R_{\text{paroi}}$

($\text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$)

$U$

($\text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}$)

$e$ (m)

$\lambda$

($\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$)

$R$

($\text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$)

$e$ (m)

$\lambda$

($\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$)

$R$

($\text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$)

$e$ (m)

$\lambda$

($\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$)

$R$

($\text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$)

Opaque

0,003

0,13

1,36

0,003

0,13

0,19

Parois

Plexiglass

Résistance superficielle

($\text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$)

$R_{\text{paroi}}$

($\text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$)

$U$

($\text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}$)

$e$ (m)

$\lambda$

($\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$)

$R$

($\text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$)

Vitrée

0,007

0,19

0,15

PARTIE SPÉCIFIQUE (8 points) — ARCHITECTURE ET CONSTRUCTION

Études thermique de l'espace vie du bateau et de la structure du portique arrière

Mise en situation

Après deux années de navigation et d'optimisation, Energy Observer s'apprête à accomplir une navigation historique, la plus longue depuis son départ de Saint-Malo en 2017. Il va devenir le premier navire au monde à rejoindre le cercle polaire arctique uniquement propulsé par des énergies renouvelables et de l'hydrogène: 2 400 milles à parcourir entre Saint-Pétersbourg et Longyearbyen au Spitzberg en longeant la côte ouest de la Norvège.

Travail demandé

Ce travail se décompose en deux études:

1 ère étude consacrée au confort thermique dans la base vie.

2 ème étude consacrée à la structure du portique qui supporte les panneaux photovoltaïques.

Dans un premier temps nous allons étudier les performances énergétiques de l'espace de vie du bateau, la « Nacelle ». Pour cela, il faut déterminer les besoins en chauffage pour maintenir une température convenable à l'intérieur du bateau.

Pour la construction navale, les parois sont faites en composite à structure sandwich. Ce matériau est adapté pour sa légèreté et sa rigidité. Il est composé d'une âme en mousse PVC prise entre deux plaques de kevlar.

Les parois vitrées sont en plexiglass d'une épaisseur de 7 mm et la conductivité thermique ($\lambda$) est de $0{,}19\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.

Partie B: comment garantir un bon confort thermique durant une traversée ?

Pour faciliter l'étude thermique, nous allons simplifier la forme de la « Nacelle » selon le modèle d'étude représenté ci-dessous.

Descriptif des parois vitrées de la « nacelle »

Parois

Type

Nombre

Dimensions (m)

Verticale

Porte Vitrée

1

2,00 × 1,50

Horizontale

Toit vitrée

1

4,00 × 2,00

Question B.1

Calculer la surface totale des parois ($S_p$) en contact avec l'air extérieur.

Calculer la surface totale des parois vitrées ($S_v$) et en déduire la surface des parois opaques ($S_o$), à partir du document DT S2.

Pour la suite de l'étude nous utiliserons les valeurs de surface et les coefficients de transmission thermique ($U$) données dans le tableau DR S2. On considèrera que durant la navigation vers le cercle polaire, le bateau devra affronter une température minimale ($T_{ext}$) de -5°C et une température de consigne ($T_{int}$) de 19°C.

Question B.2

Calculer la puissance de déperditions des parois ($P_{dp}$), en complétant le document DR S2, à partir du document DT S1.

Déduire, du tableau précédent, la part des déperditions dues aux parois vitrées par rapport aux déperditions totales. Commenter ce résultat.

Parois

Surface (m²)

U (W·m⁻²·K⁻¹)

ΔT (K)

Puissance Déperdition (W)

Puissance Déperdition Totale (W)

Opaque

110

0,63

24

Vitrée

11

5,35

%

On sait qu'une puissance de chauffage de 2000 W sera fournie en récupérant la chaleur des appareils du navire (pile à combustible, électrolyseur, convertisseur).

Question B.3

Calculer si un chauffage additionnel est nécessaire pour maintenir la température intérieure à 19°C.

Indiquer la puissance à fournir par le chauffage.

Question B.4

Conclure quant au bon déroulement de la traversée suite à cette étude ?

PARTIE SPÉCIFIQUE (8 points) — ARCHITECTURE ET CONSTRUCTION

Études thermique de l'espace vie du bateau et de la structure du portique arrière

Mise en situation

Après deux années de navigation et d'optimisation, Energy Observer s'apprête à accomplir une navigation historique, la plus longue depuis son départ de Saint-Malo en 2017. Il va devenir le premier navire au monde à rejoindre le cercle polaire arctique uniquement propulsé par des énergies renouvelables et de l'hydrogène: 2 400 milles à parcourir entre Saint-Pétersbourg et Longyearbyen au Spitzberg en longeant la côte ouest de la Norvège.

Travail demandé

Ce travail se décompose en deux études:

1 ère étude consacrée au confort thermique dans la base vie.

2 ème étude consacrée à la structure du portique qui supporte les panneaux photovoltaïques.

Dans un premier temps nous allons étudier les performances énergétiques de l'espace de vie du bateau, la « Nacelle ». Pour cela, il faut déterminer les besoins en chauffage pour maintenir une température convenable à l'intérieur du bateau.

Pour la construction navale, les parois sont faites en composite à structure sandwich. Ce matériau est adapté pour sa légèreté et sa rigidité. Il est composé d'une âme en mousse PVC prise entre deux plaques de kevlar.

Les parois vitrées sont en plexiglass d'une épaisseur de 7 mm et la conductivité thermique ($\lambda$) est de $0{,}19\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.

Partie C: Quel est l'intérêt de choisir une structure tubulaire pour la structure porteuse ?

En raison d'un ensoleillement moins important et d'un soleil plus bas, la perspective d'une navigation en Europe du Nord laisse craindre aux ingénieurs une production réduite de 75 % avec les équipements actuels.

Pour compenser ces pertes, un portique à l'arrière de la base vie a été installé afin d'augmenter de 20 % la surface de panneaux photovoltaïques disponible.

Le portique se compose de 2 poutres principales, 8 traverses et 4 poteaux. Nous allons vérifier le dimensionnement des poutres de cette structure.

Dimensions d'une poutre creuse principale:

Données et charges à supporter

La structure doit supporter:

$27\text{ m}^2$ de panneaux photovoltaïques (charge permanente);

son propre poids (charge permanente);

l'action d'une vague d'eau (charge variable);

la charge liée à la maintenance (charge variable).

On considère que les charges sont uniformément réparties sur toute la surface de la structure et les actions sont toutes verticales et orientées vers le bas.

Masse des panneaux: $6\text{ kg}\cdot\text{m}^{-2}$;

Masse surfacique de la structure (sans les poteaux): $10\text{ kg}\cdot\text{m}^{-2}$;

Pression exercée par le vent sur la structure: $500\text{ N}\cdot\text{m}^{-2}$;

Charge d'exploitation (maintenance): $1\text{ kN}\cdot\text{m}^{-2}$;

Accélération de la pesanteur: $g = 9{,}81\text{ m}\cdot\text{s}^{-2}$;

Formule à l'ELU (DT S3): $P = 1{,}35\cdot G + 1{,}5\cdot Q$.

C.1

Calculer les charges permanentes ($G$) et variables ($Q$) qui s'appliquent sur toute la surface du portique à partir du document DT S3.

C.2

En déduire la charge totale qui s'applique sur une seule poutre à l'état limite ultime (ELU).

C.3

Expliquer l'intérêt d'une structure porteuse tubulaire par rapport à une structure pleine.

PARTIE SPÉCIFIQUE (8 points) — ARCHITECTURE ET CONSTRUCTION

Études thermique de l'espace vie du bateau et de la structure du portique arrière

Mise en situation

Après deux années de navigation et d'optimisation, Energy Observer s'apprête à accomplir une navigation historique, la plus longue depuis son départ de Saint-Malo en 2017. Il va devenir le premier navire au monde à rejoindre le cercle polaire arctique uniquement propulsé par des énergies renouvelables et de l'hydrogène: 2 400 milles à parcourir entre Saint-Pétersbourg et Longyearbyen au Spitzberg en longeant la côte ouest de la Norvège.

Travail demandé

Ce travail se décompose en deux études:

1 ère étude consacrée au confort thermique dans la base vie.

2 ème étude consacrée à la structure du portique qui supporte les panneaux photovoltaïques.

Dans un premier temps nous allons étudier les performances énergétiques de l'espace de vie du bateau, la « Nacelle ». Pour cela, il faut déterminer les besoins en chauffage pour maintenir une température convenable à l'intérieur du bateau.

Pour la construction navale, les parois sont faites en composite à structure sandwich. Ce matériau est adapté pour sa légèreté et sa rigidité. Il est composé d'une âme en mousse PVC prise entre deux plaques de kevlar.

Les parois vitrées sont en plexiglass d'une épaisseur de 7 mm et la conductivité thermique ($\lambda$) est de $0{,}19\text{ W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$.

Partie D: comment vérifier le critère de déformation d'une poutre ?

Pour la suite de l'étude, on prendra comme valeur de $I_G = 1{,}5\cdot 10^{-4}\text{ m}^4$.

Grâce à un logiciel de simulation, on a modélisé le comportement de la poutre à l'ELU. On obtient le diagramme du moment fléchissant du document technique DT S4.

DT S3: formulaire de calcul de structure

Charges à l'ELU (État limite Ultime): $P = 1{,}35\cdot G + 1{,}5\cdot Q$

Avec $G$: Charges permanentes et $Q$: Charges variables

Moment quadratique $I_{Gz}$ d'une poutre creuse de section rectangulaire:

$$I_{Gz} = \frac{B\cdot H^3}{12} - \frac{b\cdot h^3}{12}$$

Avec $b = (B - 2e)$ et $h = (H - 2e)$; $[I_{Gz}] = \text{m}^4$; $[b] = \text{m}$; $[h] = \text{m}$

Contrainte maximale $\sigma_{\max}$:

$$\sigma_{\max} = \frac{-Mf_z\cdot y}{I_{Gz}}$$

Avec $Mf_z$ le moment fléchissant maximal de la poutre; $y$ la distance à la fibre neutre, ici $y = 0{,}2\text{ m}$; $I_{Gz}$ moment quadratique de la poutre: $[I_{Gz}] = \text{m}^4$.

La condition de résistance du matériau est définie par: $\sigma_{\max} < \frac{R_e}{k_s}$

Avec la résistance élastique ($R_e$) du composite $R_e = 150\text{ MPa}$.

Question D.1

DT S4: diagramme moment fléchissant à l'ELU

Calculer la contrainte maximale ($\sigma_{\max}$) dans la poutre à partir des documents DT S3 et DT S4.

Calculer le coefficient de sécurité ($k_s$) qui a été utilisé pour le dimensionnement.

Question D.2

La déformation maximale admissible ($f_{\max}$) est donnée par la formule: $f_{\max} = L/200$ et se détermine à l'état limite de service (ELS).

Sachant que $L$ est la longueur du porte-à-faux [BC].

DT S5: diagramme de la déformée à l'ELS

Relever la valeur maximale de la flèche ($f_{\max}$) à l'état limite de service (ELS) sur le document DT S5.

Vérifier par calcul si le critère de déformation est respecté.

Question D.3

Conclure sur les dimensions de cette poutre par rapport aux exigences vues précédemment.