Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durabl

Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2018 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2018-13-01 Page 1 / 8 DOSSIER DE PRÉSENTATION «Energy Observer» : le premier navire hydrogène autour du monde Mise en situation À Saint Malo, en avril 2017, «Energy Observer», premier navire à hydrogène ayant l’ambition de réaliser le tour du monde en autonomie énergétique totale sans émission de gaz à effet de serre ni particules fines, a été mis à l’eau pour ses premiers essais. C’est un défi à la fois humain et technologique, que s'est lancé l'équipe d'«Energy Observer», constituée d’une cinquantaine de personnes et associant les laboratoires de recherche CEA Liten et ICAM Nantes. Grâce à la mixité énergétique et aux énergies renouvelables, ce navire autonome a pour mission de parcourir les mers et océans. Durant 6 ans, il servira ainsi de relais médiatique afin de promouvoir, au fil de ses 101 escales dans 50 pays, les solutions technologiques innovantes permettant de lutter contre le réchauffement climatique. Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2018 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2018-13-01 Page 2 / 8 L’ancien navire de course « ENZA New Zealand» qui, sous la conduite de Peter Blake, a remporté le trophée Jules Verne en 1994, a été rallongé et transformé pour prendre une nouvelle voie, celle de la navigation autonome. Pour remplir cette mission, il devra capter l’énergie nécessaire dans l’environnement afin d’assurer la propulsion dans toutes les situations de navigation. Il devra être capable de stocker de l’énergie en quantité suffisante pour palier aux contraintes liées à l’utilisation des énergies naturelles. Le stockage d’énergie à court terme est confié à un parc de batteries Li-ion d’une capacité totale de 106 kWh. Le stockage à long terme est, quant à lui, confié à une installation de production de d’hydrogène (H2) sous forme gazeuse à haute pression :  l’eau de mer est dessalée, purifiée et dé-ionisée (1) et (2) ;  un hydrolyseur transforme l’énergie électrique par électrolyse (3) en oxygène (O2) qui est rejeté dans l’atmosphère et en hydrogène (H2) qui est comprimé et stocké (4) dans des réservoirs sous une pression de 350 bar ;  la conversion inverse, selon les besoins, est confiée à une pile à combustible (5). Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2018 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2018-13-01 Page 3 / 8 DOSSIER DE TRAVAIL DEMANDÉ Problématique Après une année de navigation en restant près des côtes européennes, l’équipe d’ «Energy Observer» devra s’engager dans une traversée de l’océan atlantique en autonomie tout en garantissant un stock résiduel d’énergie de 30% et en maintenant l’équipage informé de ce niveau. Évaluation de l’autonomie Question 1 À partir du DR1, identifier : - les composants captant de l’énergie ; - les composants convertissant l’énergie ; - les composants réalisant le stockage de l’énergie ; - les composants consommant de l’énergie. DR1 Le navire, en situation de navigation de nuit sans vent, est contraint de puiser dans ses réserves pour assurer la propulsion et la vie à bord. Question 2 À partir du DR2, calculer l’énergie électrique (W2) récupérable en sortie de la pile à combustible. Calculer ensuite l’énergie (Wtot) disponible pour alimenter la propulsion et l’ensemble des équipements de bord. DR2 En route directe, les îles du Cap-Vert et le port de Macapá (Brésil) sont distants de 3450 km. Question 3 À la vitesse moyenne de 11.1 kmh-1, déterminer la durée de la traversée. Pour effectuer ce trajet, d’une durée d’environ 13 jours, les consommations et productions d’énergie peuvent être estimées selon les hypothèses suivantes :  les équipements assurant l’ensemble des fonctions nécessaires pour la vie à bord (éclairage, pilotage, navigation, production d’eau douce) réclament une puissance moyenne journalière de 1,8 kW ;  l’été, les mers tropicales sont généralement ensoleillées et soumises aux alizés. Les simulations des capacités de productions électriques journalières moyennes du navire donnent :  énergie électrique d’origine solaire : 145 kWhjour-1 ;  énergie électrique d’origine éolienne : 35 kWhjour-1.  les essais sur une mer calme ont montré qu’en mode propulsion économique, la puissance moyenne absorbée par les moteurs est de 9,2 kW pour une vitesse moyenne de 11,1 kmh-1. Question 4 Déterminer : - l’énergie totale consommée pendant la traversée ; - l’énergie totale captée pendant la traversée. En déduire le complément à fournir par le stock d’énergie embarqué. Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2018 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2018-13-01 Page 4 / 8 Par simulation on estime pour ce trajet qu’un complément d’énergie de 1100 kWh est nécessaire. Le total du stock d’énergie embarqué lors du départ permet de fournir 1.16 MWh d’énergie électrique utile. Question 5 Calculer l’énergie restante dans le stock après la traversée. Conclure quant au respect de l’exigence de conserver 30 % de l’énergie embarquée. Informer les utilisateurs de l’énergie disponible en stock Les conditions de navigation (météo, état de la mer) n’étant pas toujours optimales, la sécurité du navire et de l’équipage impose de garder une réserve d’énergie suffisante pour assurer la vie à bord et préserver la communication avec la terre. Cette réserve ne doit en aucun cas être utilisée pour la propulsion. Le DR3 donne l’algorithme de gestion des réserves d’énergie. Question 6 Proposer une modification de cet algorithme pour activer le mode « Sécurité » lorsque les réserves sont inférieures à 30 % de la capacité totale. DR3 Il est donc impératif d’évaluer en temps réel l’état du stock d’énergie. A cette fin, le navire est équipé de nombreux instruments de mesure connectés sur un réseau NMEA permettant la remontée des informations vers le gestionnaire d’énergie. Le stock d’hydrogène peut être évalué par la mesure de la pression dans les réservoirs. La chaîne d’acquisition, schématisée Figure 1, décrit le principe de la mesure. Question 7 À partir du document ressource DR4, Indiquer la référence du capteur à utiliser et justifier ce choix. DR4 Le gestionnaire de batteries contrôle en permanence leur état de fonctionnement et communique les informations sur le bus NMEA. La trame est détaillée sur la figure 2. « État de la batterie » Identification F1 F2 F3 F4 F5 Valeur des octets en hexadécimal 0D F2 14 23 01 9B 82 01 1B 0C 8C 5D Figure 2 Identification : priorité du message, N° de PGN (identifiant), adresse de l’émetteur F1 : numéro de batterie F2 : tension en 100ème de Volt (résolution 0,01 V) F3 : courant en 10ème d’Ampère (résolution 0,1 A) F4 : température en 100ème de degré Celsius (résolution 0,01 °C) F5 : taux de charge en % (résolution 1 %) Réseau NMEA Conditionneur NMEA Capteur de pression d’hydrogène Gestionnaire d’énergie Figure 1 Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2018 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2018-13-01 Page 5 / 8 Question 8 À l’aide de ce relevé, indiquer le niveau de charge en % de la batterie. La communication NMEA est basée sur l’échange de trames CAN 2.0b. Le format d’une trame CAN est détaillé Figure 3. SOF Arbitrage Contrôle Données CRC ACK EOF 1 bit 30 bits 6 bits 64 bits 16 bits 2 bits 7 bits Figure 3 Le relevé de l’ensemble des capteurs équipant le navire nécessite une capacité d’émission de 500 trames CAN par seconde. Question 9 Vérifier que le débit de 250 kbitss-1 du bus NMEA est suffisant. En conclusion Pour assurer la réserve de sécurité de 30 % lors de la traversée de l’océan Atlantique, il est nécessaire d’améliorer l’autonomie du navire. Le bureau d’étude d’ «Energy Observer» souhaite compléter l’équipement du navire. Question 10 Proposer et argumenter une ou des solutions, en cohérence avec l’esprit du projet, qui permettraient de capter davantage d’énergie dans l’environnement pour améliorer l’autonomie et sécuriser la traversée. Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2018 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2018-13-01 Page 6 / 8 Dossier Ressources DR1 : Agencement physique des éléments de la chaîne énergétique Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2018 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2018-13-01 Page 7 / 8 Début Extraire et calculer la réserve totale en énergie Lire les différents capteurs Afficher le résultat DR2 : Circulation des énergies DR3 : Algorithme de mesure et affichage de l’état des réserves d’énergie Baccalauréat Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable – STI2D Session 2018 Enseignements technologiques transversaux - oral de contrôle Code : 2018-13-01 Page 8 / 8 DR4 : les différents capteurs de pression. Ref : HPT300-S3 46G6E7 Les capteurs de la série HTP300 peuvent être utilisés pour la mesure de pression sur les moteurs diesels et sur les groupes hydrauliques. Ils utilisent la technologie « Flush uploads/Management/ navire.pdf