Partie commune - Partie 4 (au choix) : Stockage d… · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - AC 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 4: Comment stocker l'hydrogène sur le bateau ?

L'hydrogène est stocké dans des réservoirs sous haute pression ($35\text{ MPa}$ ou $350\text{ bars}$).

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 $90\text{ mg}$ à pression atmosphérique, il est donc environ 11 fois plus léger que l'air que nous respirons.

Il faut un volume d'environ $11\text{ m}^3$, c'est-à-dire le volume du coffre d'un grand utilitaire, pour seulement stocker $1\text{ kg}$ 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 $20\text{ MPa}$ on obtient une densité de $14\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$ et à $70\text{ MPa}$ une densité de $42\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$ contre $0{,}090\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$ à pression et température normales.

À $70\text{ MPa}$ on peut alors stocker $5\text{ kg}$ d'hydrogène dans un réservoir de $125\text{ litres}$.

4.1

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

DT6 & DT8: Chaîne d'énergie et choix du détendeur

Spécifications détendeur TESCOM Série 26-1500:

Pression d'entrée maxi: Inox: 415 bar; Laiton, aluminium: 345 bar.

Plages de réglage: 0–3,5 / 0–10 / 0–17 bar.

Pression d'épreuve: 150 % de la pression d'entrée maxi.

Matériaux en contact: Inox 316, laiton ou aluminium.

4.2

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

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 $6\text{ mm}$ d'épaisseur, une autre avec de l'acier allié de $11\text{ mm}$ et une dernière avec un composite époxy / fibre de carbone de $8\text{ mm}$. Les résultats de ces simulations sont donnés DT9.

DT9: Simulations éléments finis (MEF) des réservoirs

6 mm Acier

Limite d'élasticité: 620 MPa

11 mm Acier

Limite d'élasticité: 620 MPa

8 mm Composite Epoxy / carbone

Limite d'élasticité: 1050 MPa

Masses volumiques:

Masse volumique acier: $7800\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

Masse volumique composite époxy / fibre de carbone: $1600\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

4.3

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

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 (DT9).