BAC Génie énergie et environnement

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Lycée des Iscles. Manosque
BAC Génie énergie et environnement
Nom :
Date :
Classe :
Système d’alimentation en énergie d’une habitation isolée

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Lycée polyvalent des ISCLES MANOSQUE
TSTI3
ÉLECTROTECHNIQUE
Laboratoire d'étude de
système
SUJET : la pile à combustible
Fonctions produire et convertir l’énergie
OBJECTIF TERMINAL : c’est de vérifier votre aptitude à :
- Mettre en œuvre les principaux concepts de base pour appréhender le
fonctionnement d’une installation.
- Décrire les interactions entre les constituants du système.
- Décrire le rôle des constituants dans le but de satisfaire au cahier des
charges.
- Explorer les quelques solutions technologiques relatives aux constituants
de l’installation.
- Mettre en œuvre la maquette.
- Identifier les différents constituants.
PRE-REQUIS :
- Modèle de Thévenin
- Expression du rendement
DONNÉES :
Support :
PARTIE ÉCRITE : installation électrique de la ferme
PARTIE PRATIQUE : maquette Système Nexa® 1200W de la société
d’Héliocentris avec logiciel de supervision
Documentation :
Dossier technique de l’installation à équiper
Notice constructeur du système
Film E=M6 « la pile à combustible »
Diaporama de la société Héliocentris
Matériel :
Appareils de mesure : oscilloscope numérique, voltmètre et pince wattmétrique
CONDITION DE RÉALISATION :
Temps : 7 heures,
Situation de réalisation : par binôme, en autonomie.
Travail demandé : voir sujet :

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CRITÈRES D'ÉVALUATION :
- Une attention particulière devra être portée sur la rédaction du compte-
rendu, surtout en vue d’une présentation claire des résultats de vos mesures
avec les justifications nécessaires.
- Autonomie.
- ÉTUDE THÉORIQUE :
Dimensionnement d’un système d’alimentation électrique autonome
Structure d’un système d’électrification hybride:
Cette ancienne ferme est alimentée par un système de génération électrique hy-
bride destiné aux maisons isolées. Dans cette installation les récepteurs de
faibles puissances sont alimentés par le système photovoltaïque lorsque
l’ensoleillement le permet. L’autre partie comprenant les éléments de fortes
puissances est alimentée directement par une pile à combustible (PAC) de type
PEM de marque Ballard et de puissance 1,2 kW. Lorsque les panneaux solaires ne
fournissent pas suffisamment d’énergie, l’ensemble de l’installation est alimenté
par la PAC.
Schéma de principe :
Onduleur
Appareils
d’utilisation
Régulateur
de tension
Stockage de
l’énergie électrique
Onduleur
Régulateur
de tension
Stockage de
l’énergie électrique
Centrale de sé-
lection
Hydrogène
230 V/50 Hz

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Présentation et intérêt de l’utilisation de la pile :
Cette installation a pour objectif de montrer qu’il existe des alternatives à
l’utilisation d’un groupe électrogène, les jours où le soleil ne fournit pas suffi-
samment d’énergie aux panneaux photovoltaïques.
a) À partir du document annexe 1 qui est un extrait du rapport du sénat sur
la pile à combustible et du film de M6 « la pile à combustible », donner les
avantages de l’utilisation de l’hydrogène.
- L’hydrogène permet de stocker une énergie chimique facilement
transformable en énergie électrique grâce à une pile à combustible,
- C’est un gaz abondant dans le milieu naturel mais qui peut être faci-
lement produit à partir de l’électrolyse de l‘eau,
- Il propose une alternative à l’utilisation du pétrole notamment pour
les transports,
- Associé à des panneaux solaires, il permet une autonomie complète
même les jours de mauvais temps.
b) Visionner le diaporama de la société Héliocentris. Quels sont les moyens
de production de l’hydrogène ?
On utilise actuellement deux méthodes :
- le reformage, c’est un processus qui permet d’extraire les molécules
d’hydrogène essentiellement à partir de gaz naturel. C’est le pro-
cessus le plus employé.
- L’électrolyse de l’eau utilisé exclusivement dans les sites isolés ou
ceux qui possèdent des moyens de production d’énergie électrique
peu coûteux et continu (chutes d’eau au Canada, énergie géother-
mique en Islande, solaire, etc.…)
c) Quelles sont les applications des piles à combustibles ? Annexe 3
- les applications portables,
- les applications spatiales,
- les applications sous marines,
- les groupes de secours,
- les applications automobiles (voiture et bus),
- la cogénération (industrielle ou groupements d'habitations),
- la production centralisée d'électricité.
d) Quel type de pile est utilisé dans notre application ? voir Annexes 2 et 3
La pile Ballard est de type PEMFC.

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e) Quel est l’intérêt dans le cas de cette habitation isolée ?
On obtient avec l’association panneaux solaires, électrolyseur et pile un moyen
de production et stockage d’énergie électrique non polluant et autonome.
Description du rôle des éléments du système pile à combustible.
Une pile à combustible doit être entourée d’autres objets techniques afin de
produire de l’énergie électrique.
a) Quels sont les deux éléments (oxydant et réducteur) utilisés par une pile à
combustible ?
L’o xydan t est l’o xygène O
2
de l’air et le rédu cteur l’h ydrogène H
2
b) Que va produire cette pile ?
De l’air et de l’eau (vapeur d’eau)
c) Quel est le rôle de la membrane (électrolyte) ? Quel est le matériau utili-
sé ?
La membrane ne laisse passer que les ions H+, elle effectue ainsi la séparation
(réaction chimique) ions électrons qui vont produire le courant. Dans notre cas
la pile utilise une membrane dite échangeuse de protons en Nafion™.
d) Quel est le rôle du catalyseur ? Quel est le matériau utilisé ?
Afin d’accélérer le phénomène car sinon il durerait des heures. Pour cela, on
dépose une fine couche de platine sur les électrodes en carbone qui produit
l’effet d’accélérateur.
e) Quel est le rôle des électrodes ? Quel est le matériau utilisé ?
Elles permettent d’assurer la circulation des électrons dans les charges
d’utilisation, elles font l’interface entre la partie chimique et la partie élec-
trique.
f) Quel est le rôle du circuit de refroidissement d’air ?
Le circuit de refroidissement d’air permet de maintenir la pile à 65 °C qui
constitue la température pour obtenir un rendement optimal.
g) Quel est le rôle de la batterie ?
La batterie permet de fournir l’énergie au démarrage et à l’arrêt de la pile.