BACCALAURAT GNRAL

SRIE SCIENTIFIQUE

preuve de sciences de lingnieur

Session 2014

Dure de lpreuve: 4 heures

Coefficient 4,5 pour les candidats ayant choisi un enseignement de spcialit autre que sciences de lingnieur.

Coefficient 6 pour les candidats ayant choisi lenseignement de sciences de lingnieur comme enseignement de spcialit.

Aucun document autoris

Calculatrice autorise, conformment la circulaire n 99-186 du 16 novembre 1999

SEAREV

(Systme lectrique Autonome de Rcupration de lnergie des Vagues)

Implantation dune ferme de SEAREV autour de lle dYeu pour garantir son autonomie lectrique

Constitution du sujet

textepages 3 20

1. Viabilit du projet

2. Conversion de lnergie houlomotrice en nergie lectrique

3. Amlioration du rendement du SEAREV

4. Fiabilit du systme sur le long terme

5. Communication dinformations avec la base terrestre

6. Conclusion sur la problmatique du sujet

document techniquepage 21

documents rponsespages 22 25

Le sujet comporte 23 questions

Les documents rponses DR1 DR4 (pages 22 25) sont rendre avec les copies.

Problmatique: implantation dunefermede SEAREV autour de lle dYeu pour garantir son autonomie lectrique

(sources: documents publis par lcole Centrale de Nantes)

Pourquoi un tel projet?

Figure 1: prototype du SEAREV

lchelle 1: 12

Outre leur contribution la diminution des missions de gaz effet de serre, les nergies renouvelables prsentent le double avantage de rduire la dpendance des tats vis--vis des importations dnergies fossiles, et d'tre fondes sur des technologies de pointe cratrices d'emplois et d'exportations.

Pour rpondre ces deux problmatiques, des chercheurs du Laboratoire de Mcanique des Fluides (LMF) de lcole Centrale de Nantes ont eu lide dexploiter les nergies de la mer, notamment celle des vagues.

Ils ont ainsi conu le prototype dun systme lectrique autonome de rcupration de lnergie des vagues appel SEAREV.

Depuis, des industriels se sont saisis du concept issu des recherches du LMF et brevet par le CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) pour en faire un produit performant et commercialisable.

Figure 2: modlisation dune ferme marine

Projet de ferme marine

Les dveloppeurs estiment que lon pourrait installer en mer des parcs de machines avec une densit de puissance de lordre de 25 MW par km2 de mer occupe, ce qui pourrait alimenter environ 8000 foyers franais en lectricit (moyenne annuelle hors chauffage).

Le SEAREV grandeur relle (24 m sur 14 m, 1 000 tonnes dont 400 tonnes pour la roue pendulaire) devrait avoir une puissance lectrique installe de 500 kW.

Une ferme houlomotrice sera constitue de plusieurs dizaines de modules SEAREV ancrs par 30 50 m de fond, donc 5 ou 10km des ctes. Llectricit sera transporte terre par un cble sous-marin. Les SEAREV situs au ras de leau seront bien baliss mais quasi invisibles depuis la cte.

Le choix de limplantation de la ferme doit donc tre tudi avec attention car il a une incidence forte sur le nombre de foyers terre aliments en lectricit.

Principe de fonctionnement du SEAREV

Figure 3: schma de principe

du fonctionnement du SEAREV

SEAREV est un systme offshore de deuxime gnration compos dune coque tanche dans laquelle est suspendue une roue pendulaire charge qui joue le rle dun pendule embarqu (figure 3: engrenages entre la roue pendulaire et les tiges de vrin non reprsents).

La masse de cette roue axe horizontal, de grand diamtre (9m), est concentre dans la partie infrieure leste avec du bton. La partie suprieure est vide. Sous laction de la houle et des vagues, le SEAREV se met osciller, entranant son tour un mouvement de va-et-vient de la roue pendulaire. Chacun possde son propre mouvement, le mouvement relatif entre la coque et la roue actionne un systme hydro-lectrique de conversion de lnergie mcanique en nergie lectricit : des vrins hydrauliques lis la roue pendulaire chargent des accumulateurs haute pression. En se dchargeant, ces derniers livrent leur tour leur nergie des moteurs hydrauliques qui entranent des gnrateurs dlectricit.

Compte-tenu de leur cot individuel et du cot de leur installation, les modules SEAREV devront tre des plus performants au point de vue de la production dnergie et devront rsister longtemps lenvironnement marin.

1. Viabilit du projet

Objectifs de cette partie: analyser la viabilit du projet dinstallation dune ferme de SEAREV proximit de lle dYeu pour garantir son autonomie lectrique. Rpondre la problmatique exploiter lnergie de la mer tout en respectant lenvironnement (paysage, faune et flore sous-marine) est-elle une ide envisageable pour lle dYeu?.

Figure 4 : cycle de vie dun produit

Q1. laide de la carte des mers entourant la France (figure 27 sur le document technique DT1), indiquer la cte la plus adquate pour linstallation dune ferme de SEAREV (cte de la Manche ou de lAtlantique) et estimer la hauteur des vagues autour de lle dYeu.

Contraintes environnementales

Dans llaboration dun projet de cration dnergie alternative et propre comme le SEAREV, les ingnieurs ne peuvent plus viter, avec les contraintes sociales de notre poque, de raliser une tude complte du cycle de vie du produit (voir figure 4).

Le SEAREV est encore ltat de prototype mais on met lhypothse que le produit final soit fabriqu rellement dans une usine situe Nantes proximit de lcole Centrale (bureau dtudes du projet).

Les donnes concernant son transport (voir figure 5) jusqu sa zone de largage en mer sont les suivantes:

Figure 5 : carte de transport du SEAREV

masse totale dun SEAREV,

Ms = 1000 tonnes ;

transport routier jusquau port de Saint-Nazaire[footnoteRef:2] (ce port propose toutes les infrastructures ncessaires pour grer le chargement du SEAREV pour son transport maritime), soit un trajet de 63km; [2: Le port de Saint-Nazaire est connu pour son chantier naval (Chantiers de lAtlantique): le plus grand dEurope. Celui-ci a construit un grand nombre de navires tels que les paquebotsQueen Mary 2, Normandie ou France.]

masse en charge maximale admissible dun semi-remorque, 40tonnes;

transport maritime de Saint-Nazaire lle dYeu, soit un trajet de 68 km;

facteur dmission GES[footnoteRef:3] (Gaz Effet de Serre) pour le frt maritime, [3: Le facteur dmission donn est une valeur moyenne prenant en compte la fabrication du vhicule, la combustion de carburant et ses missions en amont, les voyages vide et en charge.]

38,84 g q Ctonne-1km-1.

Q2. Estimer les missions GES dcoulant du transport dun SEAREV du port de Saint-Nazaire jusqu sa destination finale en mer au large de lle dYeu (partie maritime de ltape du cycle de vie nomme distribution) et celles lies son fonctionnement.

Q3. Le transport maritime du SEAREV dgage dj beaucoup dmissions GES. En ce qui concerne son transport routier, critiquer lemplacement de lusine de fabrication par rapport la masse du SEAREV et proposer une solution pour diminuer au maximum les missions dans cette tape du cycle de vie.

Q4. Conclure sous la forme dun texte de quelques lignes sur la pertinence dinstaller une ferme de SEAREV autour de lle dYeu.

2. Conversion de lnergie houlomotrice en nergie lectrique

Objectifs de cette partie: analyser la solution retenue pour transformer lnergie houlomotrice en nergie lectrique et complter le modle multi-physique pour permettre la simulation du systme.

Transformation de la houle en mouvement de rotation alternatif

La conversion de lnergie houlomotrice en nergie lectrique partir dun mouvement pendulaire est plutt complexe car elle dpend de loscillation de la coque (tangage, roulis et lacet) et de celle de la roue pendulaire.

Sur la figure 6 les mouvements du SEAREV sont dfinis avec le vocabulaire technique maritime.

Figure 6 : mouvements maritimes

Q5. Indiquer le nom du mouvement permettant la production correcte dnergie dans le vocabulaire technique maritime.

Nous allons simplifier ltude du fonctionnement en prenant uniquement en compte loscillation de la roue pendulaire.

Le fonctionnement du SEAREV peut alors se dcomposer en cinq phases prsentes la page suivante.

Phase 1

Phase 2

Une vague fait pencher le SEAREV.

Ce mouvement provoque la rotation de la roue pendulaire dans le sens inverse de la coque. Entrane par son poids, elle oscille lintrieur de la coque tel un pendule. Cette rotation actionne, de chaque ct, une roue dente.

Des bielles, en liaison pivot avec les roues dentes, mettent leur tour en mouvement deux pistons de vrins utiliss ici comme pompes hydrauliques. Le piston de gauche monte dans son cylindre tandis que celui de droite descend.

Phase 3

Phase 4

En montant, le piston de gauche jecte de lhuile sous pression vers les rservoirs de stockage puis vers le moteur hydraulique du SEAREV. Celui-ci utilise cette pression pour faire tourner haute vitesse un arbre qui entrane un alternateur produisant du courant lectrique. Aprs son passage dans le moteur hydraulique, lhuile est rejete dans un rservoir basse pression pour tre rutilise dans un nouveau cycle. Pendant que le vrin gauche monte, le piston de droite descend, librant un espace dans son cylindre. Ce mouvement aspire lhuile contenue dans le rservoir. Cette huile sera rinjecte dans le moteur lors de la prochaine oscillation de la roue pendulaire.

Le SEAREV est au sommet de la vague. La coque sest redresse. La roue pendulaire oscille alors en sens inverse provoquant cette fois la descente du pi