1. Etude simplifiée de la STEP de Grand'Maison – 5 points

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F INAL ER63 – P RINTEMPS 2019

N OM : P RÉNOM :

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1. Etude simplifiée de la STEP de Grand'Maison – 5 points

Les deux réservoirs de Grand'Maison (en amont) et du Verney (en aval) constituent une STEP. L'usine, située sur les rives du lac du Verney, peut être utilisée en fonction de la production des autres centrales et de la demande sur le réseau électrique, soit pour produire de l'électricité (en turbinant l'eau comme une usine hydroélectrique classique), soit pour stocker de l'énergie potentielle en inversant le fonctionnement des turbines, l'eau de la retenue inférieure étant alors pompée vers la retenue supérieure.

Caractéristiques de la STEP de Grand'Maison :

 Volume utile du réservoir supérieur : 132 millions de m³.

 Hauteur de chute nominale : 926 m.

 En une année, l'énergie électrique consommée pour le pompage est égale à 1720 GWh.

Machines installées :

 4 groupes turbines–alternateurs :

o chaque alternateur a une puissance électrique nominale de 157 MW avec un rendement de 98,5%

o les turbines accouplées aux alternateurs (Pelton) ont un rendement de 90%.

 8 groupes turbines/pompes–alternateurs/moteurs (réversibles)

o les machines synchrones (alternateurs ou moteurs) ont une puissance électrique unitaire nominale de 149 MW avec un rendement (moteur ou générateur) de 98,1%.

o les turbines - pompes accouplées ont un rendement de 89,4% en turbine et 89,8% en pompe.

Calculez l'énergie potentielle utile de l'eau stockée dans le réservoir supérieur lorsqu'il est plein en MWh.

Le barrage supérieur est considéré comme plein au début du cycle. La puissance nominale électrique en production est égale à 1420 MW pendant 172 heures. Les groupes turbines-alternateurs sont utilisés à leur puissance nominale. Les groupes réversibles turbines/pompes–alternateurs/moteurs fournissent le complément.

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1.2.1. Calculez l'énergie hydraulique nécessaire (MWh) et en déduire la quantité d'eau turbinée.

1.2.2.Donnez en pourcentage la quantité d’énergie potentielle disponible après les 172 heures.

1.2.3.Combien de temps (en heure) faut-il pour remonter la même quantité d'eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur si tous les systèmes de pompage sont en fonctionnement à leur puissance électrique nominale ?

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Réaliser proprement un schéma de principe détaillé du système, des réservoirs jusqu’au transformateur de sortie. Vous indiquerez par des flèches les flux d’énergie possibles des différents systèmes.

2. Lampadaire solaire à supercondensateurs – 5 points

On propose de dimensionner un système d’éclairage urbain innovant et autonome dans une région fortement ensoleillée. Chaque lampadaire sera autonome en énergie (donc non connecté au réseau électrique). On suppose qu’il sera allumé 10 heures par jours.

Caractéristiques techniques :

 Lampe à LED du lampadaire : puissance consommée : 11W, tension nominale (DC) : 12,5 V

 Puissance solaire : on estime avoir une puissance moyenne rayonnée par jour de 160 W/m² sur 14 heures.

 Panneau solaire : surface : 0,6 m² ; rendement constant de 17% ; tension maximale de 36 V.

 Convertisseur DC/DC n°1 : panneau solaire  supercondensateur : hacheur avec un rendement de 90 %.

 Convertisseur DC/DC n°2 : supercondensateur  lampe. Hacheur avec un rendement de 95 %.

 Supercondensateur : pack composé de cellules en série avec possibilité d’avoir des branches en parallèle.

Tension maximale du pack : 24,3 V. Tension minimale d’utilisation du pack : 12,5V. Rendement de 100%.

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Complétez ci-dessous un schéma détaillé du système complet.

En faisant un bilan énergétique détaillé comparant l’énergie produite à celle consomée, déterminez si les données du cahier des charges permettent de satisfaire les besoins d’éclairage.

On utilisera des supercondensateurs de capacité unitaire de 3000 F avec une tension maximale unitaire de 2,5V. Dimensionnez au mieux le pack de supercondensateurs.

Lampadaire

PPV PLamp

PS

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3. Bus hybride – 5 points

On propose d’étudier le fonctionnement d’un bus hybride diesel à batterie. Le schéma de principe est le suivant :

Données :

 Moteur thermique

o Rendement du moteur : 25 %

o Rendement de la transmission du moteur thermique jusqu’à la roue : 80 % o PCI gazole : 42 MJ/kg

o Densité gazole : 832 kg/m³

 Chaîne de traction électrique

o Rendement du moteur électrique et du convertisseur associé : 90 %

o Batterie (rendement 100 %) : 150 Wh/kg ; 250 Wh/l ; variation tolérée du SoC : 90% à 20% .

Le cycle de fonctionnement ci-dessous représente l’allure de la puissance mécanique à la roue Proue et l’allure de la puissance du moteur diesel ramenée à la roue PR_Mth. Le bus parcourt 1,2 km par cycle et 120 km par jour. Le freinage est entièrement assuré par la batterie.

0

300

60 60

-180

0 0

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Puissance (kW)

Temps (s)

Proue PR_Mth

Batterie

Roue PRoue

Moteur élec DC

AC

PR_Mth

Moteur Diesel

Mth = 0,25

Réservoir de gazole

Transmis - sion

T = 0,8

Bat = 1

Elec = 0,90

PM_Elec

PM_Mth

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Déterminez la consommation de gazole en litre au 100 km du bus.

Déterminez la quantité d’énergie fournie par la batterie lors de l’accélération sur un cycle.

Déterminez la quantité d’énergie récupérée par la batterie lors du freinage sur un cycle.

La batterie étant chargée au début du parcours, calculez la masse de batterie minimale nécessaire pour assurer le fonctionnement de la batterie sur la distance totale (120 km).

4. Questions de cours – 5 points

Questionnaire (2 points)

Pour chaque question, cochez la case OUI ou NON.

Bonne réponse : 0,2 point. Mauvaise réponse : – 0,2 point. Pas de réponse : 0 point.

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Question OUI NON

L’énergie est le transfert de puissance par unité de temps

La décharge profonde des accumulateurs à base de lithium n’est pas recommandée

Le principe général de recharge d’un accumulateur Lithium est identique à celui d’un accumulateur au plomb

La densité d’énergie des accumulateurs Ni-Cd est comparable à celle des accumulateurs Ni-Mh Il n’est pas possible de faire des recharges rapides avec des accumulateurs Ni-Mh

La capacité d’un accumulateur s’exprime en Farads

Les supercondensateurs montés en série nécessitent l’usage d’un système d’équilibrage Les accumulateurs Lithium sont tolérants aux surcharges

A l’heure actuelle, la majorité de la production d’hydrogène mondiale n’émet pas de gaz à effet de serre

Les accumulateurs Ni-Mh fonctionnement grâce à de l’hydrogène présent dans une des électrodes

Complétez le tableau suivant en donnant 2 avantages et 2 inconvénients (non cités dans le tableau précédent) pour chaque type d’accumulateur et un ordre de grandeur de leur densité d’énergie. (3 points).

Accumulateur

Densité énergie (Wh/kg)

Avantages Inconvénients

Plomb-Acide ……

 . ……….…

……….

 ……….…

……….

 . ……….…

……….

 . ……….…

……….

Ni-Mh ……

 . ……….…

……….

 ……….…

……….

 . ……….…

……….

 ……….…

……….

Li-Ion ……

 .……….…

……….

 . ……….…

……….

 . ……….…

……….

 . ……….…

……….