Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2022 · Métropole remplacement - Systèmes d'Information et Numérique (SIN)

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.

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 »

Repère

Élément

Description fonctionnelle

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 différents paramètres de navigation (vent, vague, ensoleillement...) mais aussi aux différentes productions d'énergie à bord (ensoleillement, nébulosité, niveau d'hydrogène...).

5

Monitoring

IHM (Interface Homme Machine) pour le suivi en temps réel des performances, gestion et optimisation des flux énergétiques, à bord et à distance.

6

Compresseur d'hydrogène

Compresser l'hydrogène pour le stocker dans des réservoirs.

7

Kit de traction intelligent

Cerf-volant automatisé destiné à augmenter la vitesse du bateau et réduire ses 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 à haut rendement (97%), réversibles en hydrogénérateurs lors des navigations sous kite.

13

Purificateur

Système de filtration qui vise à séparer l'eau des particules solides (résidus) en la faisant passer travers d'un milieu poreux

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.

Rôle dans la chaîne

Élément technologique

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:

2.1

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

DOCUMENT RÉPONSE DR2

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 35MPa

-

-

25%

Hydrogène

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

65%

44%

%

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.

DT3: bilan carbone de différents combustibles

Combustible

Cycle de vie

(Production jusqu'à l'utilisation)

Bilan $\mathrm{CO_2}$ ($\mathrm{g\ CO_2/kW\cdot h}$)

Production

Utilisation

Global

Fuel

Extraction puis raffinage

55

270

325

Gaz naturel

Extraction puis raffinage, gazéification et compression

40

200

240

Hydrogène

Reformage* du gaz naturel puis compression à 35 MPa

330

0

330

Hydrogène

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

9

0

9

* Le reformage est une réaction chimique qui consiste à produire de l'hydrogène ($\\mathrm{H_2}$) à partir du méthane ($\\mathrm{CH_4}$) présent dans le gaz naturel.

** L'électrolyse de l'eau est un procédé électrolytique qui décompose l'eau en dioxygène ($\\mathrm{O_2}$) et hydrogène ($\\mathrm{H_2}$) avec l'aide d'un courant électrique.

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.

3.1

Repérer, en entourant les flèches correspondantes, les flux d'énergie en jeu lors de cette phase de fonctionnement sur le document réponse DR3.

3.2

Compléter sur le DR4 le tableau descriptif de cette chaîne de puissance à l'aide des éléments de la question précédente et du diagramme de définition des blocs (DT2).

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 DR5.

Repérer, en entourant les flèches correspondantes, les flux d'énergie en jeu lors de cette phase de fonctionnement sur le document réponse DR5.

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.

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 chronogramme du document DT5.

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

3.4

Question 3.4 (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).

3.5

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.

Question 3.5: À partir du diagramme précédent, calculer l'énergie effectivement utilisée par la motorisation pour la propulsion.

3.6

Question 3.6 (DT5): Calculer en heure la durée de cette deuxième phase de navigation (entre le coucher du soleil à 21h15 et le démarrage de la pile à 3h00). En déduire la puissance moyenne dissipée utilisée par le moteur pour maintenir cette allure.

3.7

Question 3.7 (DT2, DT4): À partir du DT2 et DT4, justifier l'exigence « Mode Eco ».

3.8

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

Question 3.8: Calculer, sur une durée de 2 jours, l'énergie totale consommée par le bateau.

3.9

Question 3.9 (DT5): Relever sur le DT5 l'énergie totale consommée lors de la navigation de St Tropez à Minorque. Commenter le résultat.

3.10

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

Question 3.10 (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

Question 3.11 (DT2): Lire sur le diagramme de définition des blocs (bdd) du DT2 la capacité d'un réservoir et le nombre de réservoirs à hydrogène sur le bateau. En déduire la masse totale d'hydrogène embarquée.

3.12

Question 3.12: Conclure sur la faisabilité du trajet en deux jours uniquement avec un apport d'hydrogène.

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

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

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

DT8: extrait de la fiche technique du détendeur TESCOM Série 26-1500

Entrée Maximum 415 bar / Plages de Sortie jusqu'à 17 bar

Technologie à membrane / Très Haute Sensibilité

Caractéristiques techniques

Pression d'entrée maxi (Inox)

415 bar

Pression d'entrée maxi (Laiton, aluminium)

345 bar

Plages de réglage (sortie)

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

Pression d'épreuve

150% de la pression d'entrée maxi

Corps en contact avec le fluide

Inox 316, laiton, aluminium

Plage de température

-55 °C à +74 °C

Question 4.2

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

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 ?

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 dans le document technique DT9.

Document Technique DT9: Résultats de simulation des réservoirs

6 mm Acier

11 mm Acier

8 mm Composite Epoxy / fibre de carbone

Matériau

Masse volumique

Acier

$7\,800\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

Composite Epoxy / fibre de carbone

$1\,600\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

4.3

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.

4.4

Choisir en justifiant le réservoir le mieux adapté.

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 $\vec{V_{B1}}$.

A

Cas de figure 1

B

Cas de figure 2

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.

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.

Question 5.4 (DR6): 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

Mise en situation

Le bateau Energy Observer, destiné à naviguer dans les mers polaires, doit pouvoir mesurer des données climatiques dans des conditions extrêmes.

Les grandeurs physiques de vitesse de vent et direction de vent sont données par un capteur girouette-anémomètre fixé en haut de la cabine de pilotage.

La National Marine Electronics Association (NMEA), association américaine de fabricants d'appareils électroniques maritimes, a défini une norme de communication NMEA2000 entre le capteur et les autres équipements marins. Les échanges de données sont transportés par un bus série à la norme Bus CAN (Controller Area Network).

Comment vérifier que les informations provenant de l’anémomètre-girouette sont correctement traitées ?

Partie A: quel capteur choisir pour mesurer la vitesse et la direction du vent ?

Le capteur anémomètre-girouette AIRMAR 220WX est le modèle qui a été choisi. Le document technique DT S1 propose les principales caractéristiques de trois modèles d'anémomètres-girouettes.

DT S1: caractéristiques de plusieurs anémomètres-girouettes

Question A.1

Justifier à l'aide d'au moins deux arguments le choix du modèle AIRMAR 220WX.

Sur le document réponse DR S1, on donne un extrait d'une trame prélevée sur le réseau bus CAN à la sortie de l'anémomètre girouette.

DT S2: extrait du bus de données CAN

Correspondance entre les niveaux électriques et les états logiques transportés sur le bus CAN high-speed (norme ISO118987):

État logique

$V_{\text{CANH-GND}}$

$V_{\text{CANL-GND}}$

$V_{\text{CANH-CANL}}$

Récessif ou « 1 »

2,5 V

2,5 V

de 0 à 0,5 V

Dominant ou « 0 »

3,5 V

1,5 V

de 0,9 à 2 V

Question A.2

Indiquer les états logiques (0 ou 1) envoyés en complétant le DR S1 à partir du DT S2.

Bit

Mise en situation

Le bateau Energy Observer, destiné à naviguer dans les mers polaires, doit pouvoir mesurer des données climatiques dans des conditions extrêmes.

Les grandeurs physiques de vitesse de vent et direction de vent sont données par un capteur girouette-anémomètre fixé en haut de la cabine de pilotage.

La National Marine Electronics Association (NMEA), association américaine de fabricants d'appareils électroniques maritimes, a défini une norme de communication NMEA2000 entre le capteur et les autres équipements marins. Les échanges de données sont transportés par un bus série à la norme Bus CAN (Controller Area Network).

Comment vérifier que les informations provenant de l’anémomètre-girouette sont correctement traitées ?

DT S2: le bus de données CAN

Le bus de données CAN (Controller Area Network) est un bus système série respectant la norme ISO 118987. Il consiste à raccorder à un même câble (un bus) un grand nombre d'équipements marins.

La norme bus CAN est définie par:

le bus CAN en mode étendu (CAN 2.0B)

le nombre de nœuds est limité à 50

la longueur jusqu'à 200 m

débit entre 125Kbits·s⁻¹ et 1Mbits·s⁻¹

La transmission des données est effectuée sur deux fils: CAN L (CAN LOW), CAN H (CAN HIGH).

Question A.3

Citer au moins deux avantages qu'apporte l'utilisation d'un bus CAN sur ce bateau.

Mise en situation

Le bateau Energy Observer, destiné à naviguer dans les mers polaires, doit pouvoir mesurer des données climatiques dans des conditions extrêmes.

Les grandeurs physiques de vitesse de vent et direction de vent sont données par un capteur girouette-anémomètre fixé en haut de la cabine de pilotage.

La National Marine Electronics Association (NMEA), association américaine de fabricants d'appareils électroniques maritimes, a défini une norme de communication NMEA2000 entre le capteur et les autres équipements marins. Les échanges de données sont transportés par un bus série à la norme Bus CAN (Controller Area Network).

Comment vérifier que les informations provenant de l’anémomètre-girouette sont correctement traitées ?

Partie B: comment décoder les informations numériques de la vitesse du vent ?

Chaque équipement marin est défini par un identifiant PGN respectant le protocole NMEA2000.

B.1

Exprimer la valeur décimale de l'identifiant PGN du capteur Girouette-Anémomètre à partir du DT S3.

B.2

Convertir la valeur décimale de l'identifiant PGN déterminé précédemment en une valeur hexadécimale.

Compléter le champ ID de la trame du DR S2.

Document réponse DR S2: champ ID (bits 23 à 8)

Le champ ID code les 4 caractères hexadécimaux de poids faible sur 2 octets (MSB ID et LSB ID).

B.3

Les données provenant du capteur girouette-anémomètre sont composées de 8 octets répartis en 5 champs (field). Le champ n°2 (field 2) indique la vitesse du vent. Lors d'une capture du message CAN on relève les valeurs suivantes concernant la vitesse du vent:

MSB = $0D et LSB =$A2.

Calculer la valeur de la vitesse du vent en m·s⁻¹.

m·s⁻¹

Mise en situation

Le bateau Energy Observer, destiné à naviguer dans les mers polaires, doit pouvoir mesurer des données climatiques dans des conditions extrêmes.

Les grandeurs physiques de vitesse de vent et direction de vent sont données par un capteur girouette-anémomètre fixé en haut de la cabine de pilotage.

La National Marine Electronics Association (NMEA), association américaine de fabricants d'appareils électroniques maritimes, a défini une norme de communication NMEA2000 entre le capteur et les autres équipements marins. Les échanges de données sont transportés par un bus série à la norme Bus CAN (Controller Area Network).

Comment vérifier que les informations provenant de l’anémomètre-girouette sont correctement traitées ?

Partie C: à quelle vitesse transmettre les données ?

On estime, dans le cas le plus défavorable, que l'envoi d'une trame sur le bus CAN est constitué de 64 bits maximum.

Extrait du DT S2: Le bus de données CAN

La norme bus CAN est définie par:

le bus CAN en mode étendu (CAN 2.0B)

le nombre de nœuds est limité à 50

la longueur jusqu'à 200 m

débit entre 125Kbits·s⁻¹ et 1Mbits·s⁻¹

C.1

Déterminer le débit de la transmission en Kbits·s⁻¹ dans le cas le plus défavorable, à partir du DT S2.

Kbits·s⁻¹

C.2

Calculer, le temps de transmission d'une trame $T_{\text{trans}}$ provenant de la girouette-anémomètre, dans le cas le plus défavorable, à partir du DT S2.

Mise en situation

Le bateau Energy Observer, destiné à naviguer dans les mers polaires, doit pouvoir mesurer des données climatiques dans des conditions extrêmes.

Les grandeurs physiques de vitesse de vent et direction de vent sont données par un capteur girouette-anémomètre fixé en haut de la cabine de pilotage.

La National Marine Electronics Association (NMEA), association américaine de fabricants d'appareils électroniques maritimes, a défini une norme de communication NMEA2000 entre le capteur et les autres équipements marins. Les échanges de données sont transportés par un bus série à la norme Bus CAN (Controller Area Network).

Comment vérifier que les informations provenant de l’anémomètre-girouette sont correctement traitées ?

Partie C: Traitement algorithmique en Python

Un premier algorithme simple a été codé avec le langage Python (voir DR S3). La valeur de la vitesse du vent est consignée dans une variable « vitesse_vent ».

Si la vitesse du vent est comprise entre 1 et 20 m·s⁻¹, une variable « gestion_cap » passe à 1. Elle autorisera la gestion automatique du cap en fonction de la direction du vent.

Si la vitesse du vent est inférieure à 1 m·s⁻¹, la variable « gestion_cap » passe à 0. Elle n'autorisera plus la gestion automatique du cap en fonction de la direction du vent.

Si le vent dépasse la vitesse de 20 m·s⁻¹, la variable « gestion_cap » passe à 0 et une variable « consigne_urgence » passe à 1. La gestion de la barre de direction se fera en mode d'urgence.

Question C.3

Compléter l'algorithme sur le DR S3 en ajoutant les signes (=, >, <) et les valeurs adaptées au fonctionnement souhaité.

Document Réponse DR S3 — Extrait du programme sous le langage Python

if vitesse_vent

gestion_cap

consigne_urgence

print("vent trop fort")

elif vitesse_vent

gestion_cap

consigne_urgence

print("vent trop faible")

else:

direction_vent

consigne_urgence

print("vent de force = ", vitesse_vent, "m/s")

Question C.4

Indiquer le message que doit afficher l'algorithme de calcul pour une vitesse de vent de 35 m·s⁻¹.

Question C.5

Conclure quant à la capacité de la chaîne d'information à traiter correctement la vitesse du vent.