Partie 2 - Bilan énergétique et rendement · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - SIN 2022

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.