Partie 3 - Bilan énergétique et autonomie · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - ITEC 2022

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.