Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2022 · Métropole remplacement - Innovation Technologique et Eco-conception (ITEC)

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 ?

1.1

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

1.2

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

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.

DT1: Caractéristiques techniques principales de « l'Energy Observer »

DT2: Diagramme de définition des blocs (BDD)

Question 1.3

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

Question 1.4

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

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.

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 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.

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.

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.

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.

Question 3.1

Sur le document réponse DR3 (déplacement de jour, sans vent, mode « éco » sans production d'hydrogène), cocher tous les flux d'énergie actifs en jeu lors de cette phase de fonctionnement:

Question 3.2

À l'aide du document DT2 et des éléments de la question précédente, compléter le tableau descriptif DR4 de la 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

Question 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 DR5.

Sur le document réponse DR5, cocher tous les flux d'énergie actifs en jeu lors de cette phase de navigation nocturne sur batteries:

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 – Bilan énergétique et autonomie

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 DT5.

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

3.4

À l'aide du chronogramme de DT5, calculer la quantité d'énergie en $\text{kW}\cdot\text{h}$ cédée par les batteries lors de cette deuxième phase (de 21h15 à 3h00).

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 (entre le coucher du soleil à 21h15 et 3h00).

En déduire la puissance moyenne dissipée utilisée par le moteur pour maintenir cette allure.

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.

DT5: Bilan énergétique de la navigation St Tropez - Minorque

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

3.9

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

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

3.10

À l'aide de la chaîne d'énergie de DT6, calculer la masse en $\text{kg}$ 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.

Question 3.7

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

DT2: diagramme de définition des blocs (BDD)

DT4: diagramme des exigences (partiel)

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 MPa ou 350 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 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 m³, c'est-à-dire le volume du coffre d'un grand utilitaire, pour seulement stocker 1 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 MPa on obtient une densité de 14 kg·m⁻³ et à 70 MPa une densité de 42 kg·m⁻³ contre 0,090 kg·m⁻³ à pression et température normales.

À 70 MPa on peut alors stocker 5 kg d'hydrogène dans un réservoir de 125 litres.

Question 4.1

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

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

DT8: choix du détendeur

Caractéristiques techniques (Série 26-1500)

Pression d'entrée maxi (Inox)

415 bar

Pression d'entrée maxi (Laiton, alu)

345 bar

Plages de réglage

0-3.5 / 0-10 / 0-17 bar

Pression d'épreuve

150% de la pression d'entrée maxi

Température

-55 °C à +74 °C

Question 4.2

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

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 mm d'épaisseur, une autre avec de l'acier allié de 11 mm et une dernière avec un composite époxy / fibre de carbone de 8 mm. Les résultats de ces simulations sont donnés DT9.

DT9: choix du détendeur / réservoirs

Masse volumique acier: 7 800 kg·m⁻³

Masse volumique composite époxy / fibre de carbone: 1 600 kg·m⁻³

Question 4.3

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

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

Question 4.4

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

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.

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)

INNOVATION TECHNOLOGIQUE ET ÉCO-CONCEPTION

Étude de l’implantation des ailes rigides OceanWings

Mise en situation

Alors qu'il constitue une ressource inépuisable en mer, le vent reste encore difficile à exploiter pour le transport maritime à grande échelle.

Energy Observer, en tant que navire expérimental, s'est fixé pour mission de tester toutes les solutions disponibles et prometteuses. Ainsi en 2019, le navire a testé un tout nouveau système: des propulseurs éoliens appelés OceanWings® (voir DT.S1). Ces propulseurs éoliens sont des voiles rigides escamotables semblables à des ailes d'avion. Elles sont installées, comme représentée sur la photo, sur les deux flotteurs du navire. Elles vont démultiplier les performances du navire en permettant:

d’accroître la vitesse, en complément des moteurs électriques;

de réduire les dépenses énergétiques, lorsqu'elles viendront soulager les moteurs électriques;

d’augmenter la production d'énergie pendant les navigations grâce à la production d'énergie hydrolienne (inversion des moteurs électriques en hydrogénérateurs).

Deux propulseurs éoliens sont implantés, un sur chaque flotteur. La liaison entre le flotteur et le propulseur doit:

supporter les efforts;

permettre la rotation des propulseurs autour de leur axe vertical;

permettre l'implantation des chaînes de puissance (rotation du propulseur éolien autour de son axe, affalage et réglage de sa courbure).

Partie A: quels sont les efforts engendrés par le vent sur un propulseur éolien ?

Question A.1

Les DT.S1 et DT.S2 présentent les propulseurs éoliens. Relever les caractéristiques de hauteur et de surface de la voile. En déduire la largeur de cette voile qui est assimilée à un rectangle.

DT.S1: OceanWings

Les Oceanwings® sont le fruit d'un concept breveté par VPLP design co-développé en partenariat avec CNIM où elles sont assemblées.

Sur Energy Observer ces ailes auront une surface de 31,5 m² chacune. La voile doit être affalée si le vent dépasse 61 km·h⁻¹.

DT.S2: implantation des mâts

Question A.2

Le propulseur éolien utilise le principe des ailes d'avions. L'écoulement de l'air autour d'une forme d'aile génère deux actions mécaniques: une portance et une trainée (voir DT.S3). La somme de ces deux vecteurs s'appelle la résultante aérodynamique.

Pour connaitre l'intensité maximale de cette résultante aérodynamique, une simulation de l'écoulement de l'air autour de celle-ci est réalisée. Les résultats sont donnés document DT.S3.

La vitesse maximale d'utilisation du propulseur éolien est de 61 km·h⁻¹.

Calculer la vitesse maximale d'utilisation en m·s⁻¹. Trouver l'incidence de la voile qui permet d'obtenir la résultante aérodynamique la plus grande. Relever sur le graphique, l'intensité maximale de cet effort.

DT.S3: résultat de la simulation d'écoulement de l'air sur la voile

PARTIE SPÉCIFIQUE (8 points)

INNOVATION TECHNOLOGIQUE ET ÉCO-CONCEPTION

Étude de l’implantation des ailes rigides OceanWings

Mise en situation

Alors qu'il constitue une ressource inépuisable en mer, le vent reste encore difficile à exploiter pour le transport maritime à grande échelle.

Energy Observer, en tant que navire expérimental, s'est fixé pour mission de tester toutes les solutions disponibles et prometteuses. Ainsi en 2019, le navire a testé un tout nouveau système: des propulseurs éoliens appelés OceanWings® (voir DT.S1). Ces propulseurs éoliens sont des voiles rigides escamotables semblables à des ailes d'avion. Elles sont installées, comme représentée sur la photo, sur les deux flotteurs du navire. Elles vont démultiplier les performances du navire en permettant:

d’accroître la vitesse, en complément des moteurs électriques;

de réduire les dépenses énergétiques, lorsqu'elles viendront soulager les moteurs électriques;

d’augmenter la production d'énergie pendant les navigations grâce à la production d'énergie hydrolienne (inversion des moteurs électriques en hydrogénérateurs).

Deux propulseurs éoliens sont implantés, un sur chaque flotteur. La liaison entre le flotteur et le propulseur doit:

supporter les efforts;

permettre la rotation des propulseurs autour de leur axe vertical;

permettre l'implantation des chaînes de puissance (rotation du propulseur éolien autour de son axe, affalage et réglage de sa courbure).

Partie B: Quels sont les efforts supportés par la liaison entre un propulseur éolien et un flotteur ?

Le DT.S2 représente une étude préliminaire de l'implantation du mât 4 d'un propulseur éolien dans un flotteur latéral du bateau:

le flotteur 7 et son bras de fixation 1 sont percés pour laisser passer le mât 4;

le support supérieur 2 et le support inférieur 3 servent à guider le mât dans le flotteur respectivement en A et B;

un chapeau 8 permet de bloquer la translation verticale du mât;

les supports 2 et 3 sont encastrés sur le flotteur par un collage adapté aux matériaux du navire (composite en fibre de carbone).

Afin de déterminer l'effort supporté par les pièces 2 et 3, la liaison est modélisée comme indiqué sur le DR.S1 par une liaison linéaire annulaire en A et une liaison rotule en B.

Rappel: un guidage est considéré comme court si le rapport entre la longueur du guidage $L$ et le diamètre $D$ est inférieur à 1,5 ($L/D > 1{,}5 \Rightarrow$ guidage long; $L/D < 1{,}5 \Rightarrow$ guidage court).

B.1

Justifier la modélisation de chacune des deux parties de la liaison représentée sur le DR.S1.

Compléter le tableau du bilan des actions mécaniques extérieures du DR.S1 pour l'action entre le support 3 et le mât 4 (au point B).

B.2

La masse de l'ensemble {voile + mât} est de $200\text{ kg}$, l'accélération de la pesanteur est de $9{,}81\text{ m}\cdot\text{s}^{-2}$.

Calculer le poids de l'ensemble {voile + mât} et compléter dans le tableau DR.S1 la modélisation de l'action mécanique de la pesanteur (au point G).

Tableau DR.S1: Bilan des actions mécaniques extérieures (BAME)

Nom

Point

Résultante

Moment

x

y

z

x

y

z

Action de la pièce 2 sur 4

A

0

$Y_A$

$Z_A$

0

0

0

Action de la pièce 3 sur 4

B

Air sur aile

P

0

8000 N

0

0

0

0

Motorisation sur 4

I

0

0

0

Cm

0

0

Pesanteur

G

Schéma DR.S1 pour les tracés vectoriels des questions B.2 et B.3 (Échelle: $1\text{ cm} = 2000\text{ N}$):

B.2 (suite)

Tracer le vecteur correspondant à l'action mécanique de la pesanteur au point G.

B.3

L'incidence de l'aile par rapport au vent est prise dans le cas le plus favorable.

À partir des données fournies dans le bilan des actions mécaniques sur DR.S1, tracer le vecteur correspondant à l'action mécanique de l'air sur l'aile dans la vue correspondant au plan $Oxy$.

B.4

La simulation donne les résultats suivants pour les composantes des actions décrites en DR.S1:

$Y_A = -39000\text{ N}$, $Z_A = 1137\text{ N}$, $X_B = 2000\text{ N}$, $Y_B = 31000\text{ N}$, $Z_B = -1137\text{ N}$, $C_m = 3680\text{ N}\cdot\text{m}$.

À l'aide des résultats de simulation, calculer l'intensité de la résultante entre la pièce support supérieur 2 et le mât 4.

Préciser si c'est le poids de l'ensemble {voile + mât} ou l'action de l'air sur l'aile qui a le plus d'incidence sur cette intensité, justifier votre réponse.

PARTIE SPÉCIFIQUE (8 points)

INNOVATION TECHNOLOGIQUE ET ÉCO-CONCEPTION

Étude de l’implantation des ailes rigides OceanWings

Mise en situation

Alors qu'il constitue une ressource inépuisable en mer, le vent reste encore difficile à exploiter pour le transport maritime à grande échelle.

Energy Observer, en tant que navire expérimental, s'est fixé pour mission de tester toutes les solutions disponibles et prometteuses. Ainsi en 2019, le navire a testé un tout nouveau système: des propulseurs éoliens appelés OceanWings® (voir DT.S1). Ces propulseurs éoliens sont des voiles rigides escamotables semblables à des ailes d'avion. Elles sont installées, comme représentée sur la photo, sur les deux flotteurs du navire. Elles vont démultiplier les performances du navire en permettant:

d’accroître la vitesse, en complément des moteurs électriques;

de réduire les dépenses énergétiques, lorsqu'elles viendront soulager les moteurs électriques;

d’augmenter la production d'énergie pendant les navigations grâce à la production d'énergie hydrolienne (inversion des moteurs électriques en hydrogénérateurs).

Deux propulseurs éoliens sont implantés, un sur chaque flotteur. La liaison entre le flotteur et le propulseur doit:

supporter les efforts;

permettre la rotation des propulseurs autour de leur axe vertical;

permettre l'implantation des chaînes de puissance (rotation du propulseur éolien autour de son axe, affalage et réglage de sa courbure).

Partie C: quelle solution constructive mettre en œuvre pour la liaison entre le support supérieur 2 et le mât 4 ?

Afin de vérifier la tenue aux efforts de la pièce support supérieur 2, une simulation à l'aide d'un logiciel adapté a été faite.

Question C.1

Compléter le tableau du DR.S2, en désignant la nature des surfaces S2 et S3. Justifier les conditions aux limites appliquées aux surfaces S1, S2 et S3.

Surface

Nature des surfaces

Conditions aux limites

S1

Plan

Fixe

S2

Force intensité 39016 N

S3

Fixe

Question C.2

Les résultats de la simulation sont donnés DT.S4. Le matériau utilisé pour cette pièce est un composite de résine époxy et de fibre de verre non tressé. Le matériau est considéré comme isotrope. Le coefficient de sécurité utilisé sur ce type de pièce dans la marine est de 4.

Calculer le coefficient de sécurité de la pièce support supérieure 2. Conclure sur la validation de cette pièce.

Question C.3

La liaison entre le mât 4 et la pièce support supérieure 2 ne peut pas être à contact direct, car le matériau composite risque de s'user rapidement. Le choix est fait d'intercaler un coussinet à collerette métallique. Un extrait de catalogue constructeur et la méthode de choix d'un coussinet est donnée dans le DT.S5.

L'intensité de l'effort radial du mât 4 sur la pièce support supérieur 2 retenue pour cette étude est de $40\,000\text{ N}$.

Le cas de charge est dynamique.

Le coefficient de sécurité est de 4.

À l'aide du plan d'ensemble DT.S2 et du catalogue DT.S5, choisir la référence du coussinet à utiliser. Expliquer votre démarche.

Question C.4

Le document réponse DR.S3 montre une vue en coupe de la pièce 2 et du mât 4.

Sur le document DR.S3, dessiner à main levée le coussinet tel qu'il doit être assemblé. Spécifier sur cette esquisse les cotes manquantes pour la définition complète du coussinet.