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22-2D2IDITECPO1 Page : 1/43 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE ÉPREUVE D’ENSEIGNEMENT D

22-2D2IDITECPO1 Page : 1/43 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE ÉPREUVE D’ENSEIGNEMENT DE SPÉCIALITÉ SESSION 2022 SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L’INDUSTRIE ET DU DÉVELOPPEMENT DURABLE Ingénierie, innovation et développement durable INNOVATION TECHNOLOGIQUE ET ÉCO-CONCEPTION Durée de l’épreuve : 4 heures L’usage de la calculatrice avec mode examen actif est autorisé. L’usage de la calculatrice sans mémoire, « type collège » est autorisé. Dès que ce sujet vous est remis, assurez-vous qu’il est complet. Ce sujet comporte 43 pages numérotées de 1/43 à 43/43. Constitution du sujet : Partie commune (durée indicative 2h30) 12 points Partie spécifique (durée indicative 1h30) 8 points Le candidat traite les 2 parties en suivant les consignes contenues dans le sujet. Ces 2 parties sont indépendantes et peuvent être traitées dans un ordre indifférent. Tous les documents réponses sont à rendre avec la copie. Dans la partie commune, le candidat doit choisir entre traiter la partie 3 (choix 1) ou la partie 5 (choix 2). Les parties 1, 2 et 4 sont à traiter obligatoirement. 22-2D2IDITECPO1 Page : 2/43 PARTIE COMMUNE (12 points) L’hydrogène, vecteur énergétique d’avenir ? o Présentation de l’étude et questionnement .................... pages 3 à 10 o Documents techniques..................................................... pages 11 à 24 o Documents réponses ....................................................... pages 25 à 26 22-2D2IDITECPO1 Page : 3/43 Mise en situation La Poste expérimente en Franche-Comté des véhicules légers à hydrogène, sans émission polluante, spécialement conçus pour s'adapter aux tournées des facteurs. Ces dix véhicules à quatre roues, appelés MobyPost, fonctionnent uniquement avec une pile à combustible et de l'hydrogène, et sont actuellement utilisés par les facteurs des plateformes d'Audincourt (Doubs) et de Lons-le-Saunier (Jura). Ils sont conçus pour ne pas polluer et améliorer les conditions de travail des postiers. « Nous cherchons à maîtriser la technologie de l'hydrogène pour construire notre réflexion économique du futur : l'autonomie des véhicules électriques normaux est vite limitée, alors que les véhicules à hydrogène peuvent avoir une autonomie prolongée », précise Frédéric DELAVAL, le directeur technique à la Poste, soulignant « l'intérêt économique » de cette nouvelle technologie. Imaginés pour remplacer les deux-roues motorisés des facteurs, les véhicules MobyPost, conçus par un consortium européen, sont munis d'un réservoir à hydrogène très basse pression (3 bars) et d'une pile à combustible qui leur confère une autonomie de 40 à 50 km. Un système de production d'hydrogène, alimenté en énergie par des panneaux photovoltaïques implantés sur les plateformes d'Audincourt et de Lons-le-Saunier, permet de recharger le réservoir à hydrogène du véhicule. Lorsque ce dernier est en marche, la pile à combustible recombine l'hydrogène en électricité pour faire avancer le quadricycle. Silencieux et ergonomiques, les nouveaux véhicules à quatre roues disposent d'un toit et ont été conçus sans portière pour faciliter la descente des facteurs. Frédéric DELAVAL souligne notamment l'absence de boîte de vitesse pour « réduire les risques de tendinite du genou des facteurs qui font entre 300 et 400 points de distribution par tournée ». La Poste ambitionne de devenir un acteur majeur de la distribution du courrier en Europe dans les années à venir. Elle s'est fixée pour objectif de réduire ses émissions de CO2 de 20 % d'ici 2025. 22-2D2IDITECPO1 Page : 4/43 Problématique générale : Comment l'entreprise La Poste s’inscrit-elle dans une démarche de développement durable pour son activité de distribution du courrier ? Travail demandé Partie 1 : Pourquoi utiliser la technologie à hydrogène dans une démarche de développement durable ? Question 1.1 Indiquer quel est l’objectif mondial de réduction du CO2 à horizon 2050. Expliquer en quoi la technologie hydrogène peut permettre à La Poste de réduire ses émissions de CO2. DT1.1 Mise en situation Question 1.2 Relever la demande mondiale en hydrogène pur dédiée à la mobilité à l’horizon 2050 et calculer sa proportion par rapport à la demande mondiale toutes applications confondues. DT1.2 En comparaison avec un gisement de charbon ou de pétrole, il n'y a pas de mine d'hydrogène : l’hydrogène doit être fabriqué. Il faut pour cela une matière première et une source d'énergie : la production d'hydrogène commence toujours par une consommation d'énergie. Question 1.3 À partir du document technique, lister les sources d’énergie possibles de production d’hydrogène. Expliquer quel est l’inconvénient à utiliser une énergie primaire de type carbonée. DT1.3 Partie 2 : Quels sont les éléments à prendre en compte pour satisfaire le déploiement de la technologie hydrogène de l’entreprise La Poste ? Dans le cadre du déploiement de la technologie hydrogène, l'entreprise La Poste a dû installer des infrastructures de production d'hydrogène sur les plateformes d'Audincourt et de Lons-le- Saunier. La production d'hydrogène sur place a été retenue et les plateformes ont été équipées de stations MAHYTEC. Question 2.1 Identifier les deux technologies de stockage de l’hydrogène que propose la société qui a fabriqué la station MAHYTEC de production d'hydrogène. DT1.4 Question 2.2 Pour chaque technologie, relever le volume de stockage disponible et la pression de chaque réservoir. DT1.5 22-2D2IDITECPO1 Page : 5/43 Question 2.3 DT1.5 Identifier l'équipement permettant de produire de l'hydrogène à l'intérieur de la station MAHYTEC. Partie 3 (choix 1) : Quel est le rendement de la chaîne d’hydrogène « Power-to-H2-to-Power » ? Le vecteur hydrogène est l’une des solutions de stockage et d’utilisation de l’énergie envisagée pour accompagner la transition énergétique. […] On dénomme « Power-to-H2-to-Power » le fait de recourir à l’hydrogène pour stocker momentanément de l’électricité lors de la production, pour en restituer en phase d’usage. Or, la question de l’efficacité de cette chaîne est régulièrement posée, la production puis l’utilisation de l’hydrogène supposant en effet une succession de transformations et donc des pertes énergétiques. Cette question du rendement est parfois même posée comme controverse, dans un débat opposant frontalement le stockage par batterie - réputé avoir un meilleur rendement [de l’ordre de 70 %] - au vecteur hydrogène, jusqu’à la disqualification de celui-ci. […] Les méthodes d’analyse d’impact environnemental incitent à considérer l’impact d’un service rendu, et pas uniquement d’un système technique. […] Plus que concurrentes, les solutions de stockage batterie et hydrogène sont complémentaires et leur hybridation peut apporter de la flexibilité. Pour les systèmes électriques isolés, l’insertion de la chaîne hydrogène dans un système électrique peut même améliorer son rendement vis-à-vis d’un système tout batterie. Cela traduit le fait que le stockage batterie présente des limites en termes de capacité de stockage, et que l’introduction d’une chaîne hydrogène permet d’éviter une perte conséquente d’énergie primaire. […] Source : document technique produit par l’ADEME – Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie intitulé « Rendement de la chaîne hydrogène cas du « Power-to H2-to Power » Cadre d’étude de la partie 3 : schéma synoptique du système 22-2D2IDITECPO1 Page : 6/43 La pile à combustible PEM présente dans la station est un système qui permet de convertir en électricité de l'hydrogène qui est déjà stocké dans le réservoir composite ou dans les réservoirs à hydrure. Pour cela, l'oxygène de l'air est mis en réaction avec l'hydrogène afin de former des molécules d'eau et ainsi, profiter de l'énergie libérée par la réaction pour produire de l'électricité. Détermination des pertes des différents constituants de la chaîne « Power-to H2-to Power » Question 3.1 Relever sur la fiche technique de l’électrolyseur HyProvide P1 la capacité de production de l’hydrogène et la puissance de l’équipement et déduire l’énergie nécessaire à son fonctionnement durant 1 heure. Déterminer ensuite l’énergie électrique Eélectrolyseur nécessaire afin d’obtenir 1 kg d’hydrogène exprimée en kW·h/kgH2. DT1.6 Question 3.2 On supposera dans la suite de l’étude que l’énergie nécessaire au fonctionnement de l’électrolyseur est Eélectrolyseur = 61,2 kW·h/kgH2. On estime les pertes liées au détendeur situé en sortie de l’électrolyseur à 0,7 kW·h/kgH2. Reporter, dans les cadres prévus à cet effet, ces deux valeurs dans le diagramme de Sankey. DR1.1 Question 3.3 Relever sur la fiche technique de la pile à combustible AIRCELL 1000 ACS la consommation d’H2 nécessaire à la production d’un kW·h d’électricité, on la notera CPAC exprimée en gH2/kW·h. Exprimer cette valeur en kgH2/kW·h et déduire la production d’énergie par kg d’hydrogène consommé en kW·h/kgH2 que l’on notera EPAC. Reporter cette valeur sur le diagramme de Sankey. DT1.7 DR1.1 Question 3.4 Relever le rendement de la pile à combustible (PàC) à 100 % de la puissance nominale et vérifier que les pertes sont de 14,2 kW·h. Reporter cette valeur sur le diagramme de Sankey. DT1.8 DR1.1 Détermination du rendement global de la chaîne d’hydrogène Dans la majorité des utilisations actuelles de l’hydrogène comme vecteur énergétique, le système est couplé avec une batterie. La nécessaire compatibilité du bus DC avec le voltage des deux équipements demande l’utilisation d’un convertisseur DC/DC. À la sortie de la pile à combustible, un convertisseur a un rendement d’environ 98 %, un onduleur et un transformateur, d’un rendement de 95 % complètent la chaîne d’hydrogène. Question 3.5 DR1.1 L’expression du rendement global est η = (EPAC · ηDC/DC · ηDC/AC) / Eélectrolyseur Calculer le rendement global η et vérifier qu’il concorde avec celui obtenu à l’aide du diagramme de Sankey. À partir du diagramme de Sankey, repérer les deux éléments aux responsables des pertes énergétiques uploads/Industriel/ bac-sti2d-2022-innovation-technologique-et-eco-conception-polynesie.pdf