Partie 3 - Bilan énergétique et autonomie · 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 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.