BAC Génie énergie et environnement

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 compterendu, 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 hybride 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 :
Régulateur
de tension
Stockage de
l’énergie électrique
Onduleur
Appareils
d’utilisation
Centrale de sélection
Hydrogène
230 V/50 Hz
Régulateur
de tension
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Stockage de
l’énergie électrique
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Onduleur
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 suffisamment 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 facilement 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 processus 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 géothermique 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’oxydant est l’oxygène O2 de l’air et le réducteur l’hydrogène H2
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 utilisé ?
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 électrique.
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.
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Bilan des puissances : calculs et justification du choix de la pile
Nous allons déterminer la puissance et l’énergie nécessaire à cette installation.
Cahier des charges et données complémentaires :




Site : proche de Moult (25) Altitude de la ferme  1200 m,
La ferme est d’accès facile en voiture,
L’autonomie doit être de 5 jours en cas de mauvais temps sans apport solaire,
La ferme est habitée toute l’année.
Description de la maison
La maison est une ancienne ferme de 120 m² habitable. Une chaudière à bois assure le chauffage et chauffe l’eau sanitaire.
La cuisinière et le four sont également à bois.
Bilan des puissances des récepteurs électriques
Appareils
Puissance
Nombre unitaire
en W
Fréquence ou durée d’utilisation
quotidienne
Tubes fluorescents
2
18
Fonctionnement permanent 12 h
Lampe fluo compacte Extérieur
2
20
En soirée 2 h
Lampe fluo compacte –
Salle à manger
2
20
Fonctionnement 4h
Lampe fluo compacte Étage
3
20
En soirée 2 h
Lampe fluo compacte - Annexe
1
20
Occasionnel 1 h/jour
Lampe fluo compacte - WC
1
20
Occasionnel 2 h/jour
Lampe fluo compacte Douche
1
20
Occasionnel 1 h/jour
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Lampe fluo compacte – Hall
douche
1
Petit électroménager branché sur prises
Congélateur 1
Réfrigérateur
Télévision
ordinateur
1
1
1
1
20
Occasionnel 2 h/jour
100
Occasionnel 2 h/jour
110
110
90
91
Permanent 12 h
Permanent 12 h
Permanent 12 h
En soirée 2 h
a) Calculer la puissance totale et l’énergie totale quotidienne nécessaire à
l’installation (donner votre réponse sur le document réponse n°1)
Appareils
Puissance
Nombre unitaire
en W
Fréquence ou durée
d’utilisation quotidienne
Puissance
moyenne
W
Énergie
Wh
Tubes fluorescents
2
18
Fonctionnement permanent 12 h
36
432
Lampe fluo compacte Extérieur
2
20
En soirée 2 h
40
80
Lampe fluo compacte –
Salle à manger
2
20
Fonctionnement 4h
40
160
Lampe fluo compacte Étage
3
20
En soirée 2 h
60
120
Lampe fluo compacte Annexe
1
20
Occasionnel 1 h/jour
20
20
Lampe fluo compacte WC
1
20
Occasionnel 2 h/jour
20
40
Lampe fluo compacte Douche
1
20
Occasionnel 1 h/jour
20
20
Lampe fluo compacte –
Hall douche
1
20
Occasionnel 2 h/jour
20
40
100
Occasionnel 2 h/jour
100
200
110
110
90
Permanent 12 h
Permanent 12 h
Permanent 12 h
110
110
90
1320
1320
1080
Petit électroménager
branché sur prises
Congélateur 1
Réfrigérateur
Télévision
769790346
1
1
1
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ordinateur
1
91
En soirée 2 h
Total
91
757
182
5014
b) La puissance choisie pour cette installation est-elle correcte selon vous ?
La puissance nécessaire est de 757 W. La pile permet d’obtenir une puissance
de 1 200 W.
c) En considérant un rendement du système pile de 0.5. Calculer l’énergie à
produire pour les cinq jours.
Données : la quantité d’énergie contenue dans l’hydrogène est de 12,7 MJ/m3
pour 1 bar.
La quantité d’énergie nécessaire par jour est de 5 014 Wh*2 soit :
5 014 × 3 600 *2= 36 100 800 Joules
Pour cinq jours, il faudra 180 504 000 Joules
Nous allons déterminer la capacité de stockage à prévoir pour répondre au
cahier des charges.
d) Quel sera le volume d’hydrogène nécessaire ?
Cela représente 36 100 800 / 12 700 000 = 2.84 m3 par jour
Pour cinq jours : 14,21 m3
e) Quel sera le volume du réservoir nécessaire ?
Données : on le stocke dans une bouteille compressée à 200 bars ce qui diminue le volume par 200.
Le volume est 0,071 m3 soit 71 litres
f) Quel est l’intérêt de compresser l’hydrogène ?
Remarque : cette compression entraîne une perte d’énergie de 7%
L’intérêt est de diminuer le volume de stockage.
- Pertes dues à la compression
- Données :
Le rendement de l’électrolyseur est de 70%.
Pression initiale (p0) : 1 bar
La quantité d’énergie contenue dans l’hydrogène est de 142 MJ/kg pour 1 bar.
L’énergie nécessaire pour comprimer un gaz à température constante est donnée
par la relation :
 p1 
2
Wcomp=  p0  V 0  ln   en J/kg
c
 p0 
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On prendra un volume initial d’hydrogène de 11,11 m3 /kg
g) Calculer l’énergie par kg nécessaire pour compresser à 200 bars (p1).
Wcomp = (2 / 0,7) * 1,105 × 11,11 × ln(200 / 1) = 16,8 MJ/kg
h) Quel est le pourcentage d’énergie perdu à la compression?
Cela représente 16,80 / 142 = 0,12 d’énergie perdue soit 12%
Etude des solutions pour la fourniture de l’hydrogène.
Il existe deux possibilités :
-
-
L’achat de l’hydrogène au détail qui peut être livré à domicile périodiquement sous forme de bouteilles d’hydrogène sous pression. Le coût est de
50C€ le kWh pour de l’hydrogène pur à 99.9%.
La production sur site grâce à un électrolyseur. C’est cette solution qui a
été retenue car elle représente la forme moins polluante de production,
elle a été subventionnée par la région. Les électrolyseurs ne sont pas fabriqués en série actuellement et sont donc encore d’un prix élevé environ
10 000€.
i) En combien de temps est amortit l’électrolyseur au prix actuel ?
La quantité d’énergie nécessaire par jour est de 10. 028 kWh soit 5€/J. On
l’amortira en 5.47 ans.
Description et analyse du convertisseur DC_DC
La pile délivre une tension entre 43 V et 26 V en fonction du courant demandé
par la charge. Le convertisseur DC-DC permet d’obtenir une tension de 24 V en
sortie. Cette tension est ensuite convertie en une tension sinusoïdale de 230 V
par le convertisseur continu alternatif. La puissance maximale délivrée en sortie
de la pile est 1200 W.
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Tension
continue de
entre 43 V
et 26 V
DC
DC
DC
AC
Tension sinusoïdale
Veff = 230 V
2 batteries de
12 V en série
Tension
continue de
24 V
j) Entourer le convertisseur DC-DC sur le document de l’annexe 5.
Voir sur annexe 5
k) Quel élément pilote ce convertisseur ?
La carte à microcontrôleur
l) Lancer le logiciel de simulation PSIM et ouvrir le fichier « convertisseur
DC-DC ». Faites varier la valeur du rapport cyclique de la commande (α).
m) Lancer la simulation (en appuyant sur F8) pour chaque valeur et compléter
le document réponse 3.
α
0,2
0,4
0,5
Vs
8,72
18
22,7
Δis = Ismax - Ismin
0,41
0,62
0,66
ΔVs = Vsmax - Vsmin
0,2
0,33
0,34
0,8
1
36,67
46
0,42
0
0,21
0
n) Tracer sur le document réponse 2 les caractéristique Vs en fonction de α ;
ΔVs en fonction de α ; Δis en fonction de α.
o) Donner la relation liant Vs, Ve et α
Vs= α × Ve
p) Pour quelle valeur de α, les ondulations ΔVs et Δis sont elles maximales ?
Pour α = 0,5
q) Montrer que pour une valeur de Ve variant de 26 V à 46 V, on peut maintenir une tension de 24 V en sortie du convertisseur DC-DC.
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La valeur de α devra être ajustée entre 0,52 pour 46 V et 0,92 pour 46 V par la
carte pilotant le convertisseur.
r) Le fabriquant du convertisseur nous garanti une ondulation maximale de Vs
et is de 2%. Le cahier des charges est-il toujours respecté ?
ΔVs = 2 × 24 / 100 = 0,48 V. Le cahier des charges est respecté.
ΔIs = 2 × 50 / 100 = 1 A. Le cahier des charges est respecté.
Choix du câble reliant les deux bâtiments :
L’ensemble de production d’énergie (la pile, les convertisseurs, l’électrolyseur et
la cuve) est situé dans une grange à 20 m de la maison. Le réseau alternatif reconstitué est de 230 V/50 Hz. Les deux bâtiments sont reliés par un câble de 6
mm² en cuivre.
Cet éloignement va provoquer une chute de tension. Nous allons vérifier
qu’elle reste acceptable.
On vous demande donc de déterminer la chute de tension due au câble entre les
deux bâtiments.
Données complémentaires :
 Puissance nominale de la pile PNOM = 1 200 W avec un cos φ = 0,9
 Le rendement de l’ensemble de production est de 0,8
 Conducteurs en cuivre ( = 1,6 × 10-8 .m).
s) Calculer le courant de sortie de l’ensemble de production à sa puissance
nominale.
Iabs = PNOM / (V × cos φ × η) = 1 200 / (230 × 0,9 × 0,8) = 7,2A
t) Déterminer la chute de tension du au câble reliant les deux bâtiments.
Résistance du câble : R =  × L / S = 1,6 × 10-8 × 40 / 6 × 10-6
R = 0,1 ohms
La chute de tension Δv sera donc égale à 0,1 × 7,2 = 0,768 V soit 0,33%
Protection des personnes dans un habitat isolé
L’habitat isolé est un cas particulier, la protection des personnes dans ce
type d’habitat est décrit annexe 4 de la NFC 15-100.
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u) À partir de l’annexe 4 « extrait de la NFC 15-100 ». Quel est le schéma de
liaison à la terre utilisé ?
C’est le schéma TN-S.
v) Quel est l’appareil qui doit protéger l’ensemble de l’installation ?
Un disjoncteur général (25 A) constitue le dispositif de coupure d’urgence et
est équipé d’un déclencheur magnétique d’une valeur adaptée à la puissance de
court-circuit de la source.
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ÉTUDE PRATIQUE : démarrer la pile, lancer le logiciel Nexa.
Modèle équivalent de la pile.
a) Faites varier la valeur de la charge et relever la valeur de la tension délivrée par la pile (Upile), la tension aux bornes de la batterie (Ubatt) et la valeur efficace de la tension en sortie du convertisseur DC-DC (Vch). Compléter le document réponse 2.
Upile
Ibatt
Upile = 35 – 0,175 × ibatt
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b) En déduire le modèle électrique équivalent de la pile.
ibatt
E
R
Upile
Avec R = 0,175 ohms représentant la résistance interne de la pile et E la fem
à vide égale à 35 V.
Régler la charge à sa valeur maximale 25 A.
Rendement du système pile à combustible
c) Relever la quantité d’hydrogène consommée pendant 10 min.
Le logiciel Ballard donne 0,37 litres en 10 mn soit 228 litres en 1 heure.
d) En déduire la consommation pour 1 h et l’énergie que cela représente.
Soit 228 litres en 1 h. Soit 228 × 12 700 J = 2 895 600 J ce qui correspond à
804 Wh.
La quantité d’énergie contenue dans l’hydrogène est de 12,7 MJ/m3.
e) Calculer l’énergie électrique consommée en sortie du convertisseur DC-DC
Le logiciel donne 27,6 Vdc et 37,6 A soit 761,76 Wh
f) Calculer le rendement de la pile + convertisseur.
η = 761,76 / 804 = 0,94
g) Débrancher la charge de puissance électronique et brancher une charge
de puissance variable à la sortie du convertisseur DC-AC. Mesurer la puissance en sortie puis celle délivrée par le convertisseur DC-DC. En déduire
le rendement du convertisseur et la puissance maximale qu’il peut délivrer.
Compléter le tableau réponse n°3.
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Valeur
Psortie
réelle de
pile
la charge
P en sortie du
Rendement Rendement
Rendement
convertisseur convertisseur convertisseur global des conDC-DC
DC-DC
DC-AC
vertisseurs
192
373
330
0,88
0,58
0,51
469
548
517
0,94
0,91
0,86
1043
1200
1100
0,92
0,95
0,87
1540
1650
1450
0,88
0,94
0,93
Régler à nouveau la charge à sa valeur maximale 25 A.
Rôle de la batterie
h) Relever l’évolution de iBATT au démarrage.
Ibatt max=14 A
Ibatt =6 A
ibatt
On observe une phase pendant laquelle le courant est plus important qui dure environ 4 s (phase appelée Boost par Ballard). Cela permet une charge plus rapide
de la batterie dont la tension atteinte est 28 V à l’issue de cette phase
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i) Relever l’évolution de la tension de la pile et aux bornes de la batterie ubatt
à pleine charge au démarrage.
Ch1 upile
Ch2 ubatt
Remarques : à l’issue de la phase de démarrage, la, tension délivrée par la pile est
de 46 V et à la sortie de convertisseur DC-DC est de 28 V.
j) Que pouvez dire du sens du transfert d’énergie entre la pile et la batterie
durant cette phase ?
Au démarrage, la pile charge la batterie.
k) Combien de temps met la pile à atteindre sa valeur nominale ?
Environ 4 s.
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l) Débrancher le câble d’alimentation secteur de la pile. Le système est
maintenant autonome. Régler la charge de puissance à 500 W. Relever la
tension et le courant en sortie du système. Que remarquez-vous ?
Us et IS pour une charge de 500W
On remarque que la tension et le courant sont sinusoïdaux et de fréquence
50 Hz.
m) Mesurer le THD du courant en sortie du convertisseur DC-AC. Que pouvez-vous dire de cette valeur ?
La valeur mesurée est de 2,4%. Ce qui correspond à ce que l’on voit sur le relevé
précédant, un signal du courant presque sinusoïdal. Ce taux est donc très bon.
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Document réponse n°1
Bilan des puissances des récepteurs électriques
Appareils
Puissance
Nombre unitaire
en W
Fréquence ou durée
d’utilisation quotidienne
Puissance
moyenne
W
Énergie
Wh
Tubes fluorescents
2
18
Fonctionnement permanent 12 h
36
432
Lampe fluo compacte Extérieur
2
20
En soirée 2 h
40
80
Lampe fluo compacte –
Salle à manger
2
20
Fonctionnement 4h
40
160
Lampe fluo compacte Étage
3
20
En soirée 2 h
60
120
Lampe fluo compacte Annexe
1
20
Occasionnel 1 h/jour
20
20
Lampe fluo compacte WC
1
20
Occasionnel 2 h/jour
20
40
Lampe fluo compacte Douche
1
20
Occasionnel 1 h/jour
20
20
Lampe fluo compacte –
Hall douche
1
20
Occasionnel 2 h/jour
20
40
100
Occasionnel 2 h/jour
100
200
110
110
90
91
Permanent 12 h
Permanent 12 h
Permanent 12 h
En soirée 2 h
Total
110
110
90
91
757
1320
1320
1080
182
5014
Petit électroménager
branché sur prises
Congélateur 1
Réfrigérateur
Télévision
ordinateur
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1
1
1
1
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Document réponse n°2
α
Vs
Δis=Is max-Is
min
ΔVs=Vs maxVs min
0,2
0,4
0,5
0,8
1
ΔVs
α
0
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Document réponse n°3
Valeur
réelle de Psortie
la charge
pile
en W
P en sortie du
Rendement Rendement
Rendement
convertisseur convertisseur convertisseur global des conDC-DC
DC-DC
DC-AC
vertisseurs
200
500
1000
1500
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Annexe 1 :
E x t r a i t s d u R A P P O R T Sénatorial :
LES PERSPECTIVES OFFERTES PAR LA TECHNOLOGIE DE LA PILE A
COMBUSTIBLE
L’évolution de l’atmosphère est devenue un problème majeur.
On a longtemps considéré celui-ci comme limité à des zones restreintes,
essentiellement celles qui sont urbanisées et industrialisées. Mais on s’est
progressivement rendu compte que c’était un phénomène global concernant
soit de régions entières (pollutions photochimiques et pluies acides), voire la
planète dans son ensemble (diminution de la couche d’ozone, accroissement de
l’effet de serre).
L’accroissement de la pollution photochimique a, pour certains auteurs,
des conséquences qui paraissent appréciables au niveau de la santé publique,
en particulier dans le domaine des allergies respiratoires.
De plus en plus d’autorités scientifiques établissent une corrélation entre
l’effet de serre et le réchauffement indiscutable de la planète. On relie mal
cet échauffement à des conséquences climatiques mais un certain nombre de
répercussions à long terme peuvent d’ores et déjà être envisagées comme par
exemple la fonte des glaciers, l’élévation du niveau moyen des océans ou la
modification des courants marins, voire l’aggravation des perturbations météorologiques.
Cet accroissement de l’effet de serre est dû à l’augmentation considérable des émissions de certains gaz, au premier rang d’entre eux, le dioxyde
de carbone et le méthane mais également les oxydes d’azote.
L’émission de gaz carbonique et d’oxydes d’azote trouve son origine dans
la combustion des énergies fossiles.
Parmi celles-ci, le pétrole a été au moins jusqu’en 1973 si prépondérant
dans nos économies qu’on a pu parler d’« économie du tout pétrole ».
Certes des changements très importants ont eu lieu depuis cette date.
C’est ainsi que la France est l’un des pays qui, grâce à son effort et à sa réussite dans le domaine nucléaire, a su le mieux desserrer cette contrainte pétrolière.
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Mais il est un domaine où le pétrole n’a pas cédé de terrain : c’est celui
des transports où il couvre 95 % des besoins.
La consommation des carburants automobiles est en augmentation du fait
de la croissance du nombre des véhicules au niveau mondial et de
l’accroissement des distances parcourues malgré les progrès des moteurs en
termes de consommation.
Une autre préoccupation s’est faite jour : celle de l’épuisement, à terme
inéluctable, de ces énergies fossiles et, notamment, du pétrole ; celui du gaz
naturel étant sans doute plus lointain.
Il est peut être alors temps de réfléchir à la possibilité de remplacer cet
extraordinaire produit qu’est le pétrole dans ses utilisations les plus frustes,
comme de le brûler dans des moteurs au rendement énergétique médiocre,
pour le réserver à l’élaboration de produits à haute valeur ajoutée.
Il n’est certainement pas trop tôt pour engager cette réflexion, d’autant
que dans un délai plus court qu’on ne l’imagine généralement, sa rareté risque
de provoquer une élévation de son prix qui en attestera la valeur.
Il faudra inévitablement pouvoir ménager une transition assez longue
pour changer l’assise énergétique du monde entier au profit d’une autre énergie qui serait renouvelable et moins polluante.
Cette énergie du futur pourrait être l’hydrogène.
Cet hydrogène pourrait être employé comme carburant comme il l’est
d’ailleurs déjà pour la propulsion des fusées et engins spatiaux. Mais la combustion de l’hydrogène a un rendement relativement faible, et, de plus, ce gaz,
quoique extrêmement répandu dans la nature mais sous forme combinée avec
l’oxygène ou le carbone, doit être produit à partir de plusieurs précurseurs.
L’hydrogène peut être utilisé avec un rendement beaucoup plus élevé
dans ce qu’on appelle couramment une « pile à combustible ». C’est en fait un
générateur d’électricité à hydrogène. Le principe de base n’est plus une combustion mais une conversion électrochimique, inverse de l’électrolyse.
Cette pile à combustible, continuons de l’appeler comme cela, est devenue
depuis quelques années un sujet relativement médiatisé.
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Annexe 2 :
Principes généraux : « Extrait de l’encyclopédie WIKIPEDIA »
Le principe repose sur une réaction d’oxydoréduction similaire à
celui d’une pile conventionnelle. On les appelle pile « à combustible » car l’oxydant et le réducteur sont stockés à l’extérieur du
système. L’oxydant est l’oxygène O2 de l’air et le réducteur
l’hydrogène H2. À l’anode, le dihydrogène libère deux électrons qui
seront captés par l’oxygène et les ions H+
Fig. 1.1 – principe d’une pile à combustible (Wikipedia)
Description de la pile Ballard
La cellule élémentaire fonctionne ainsi :
La pile Ballard est de type PEMFC.
Des électrons sont libérés par le réducteur (hydrogène) à l’anode et capturés
ensuite par l’oxygène (oxydant) à la cathode. On appelle ce phénomène physique
l’oxydoréduction.
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©.
Une différence de potentiel apparaît entre anode et cathode, elle est inférieure
au volt, 0,6 V à pleine charge pour la pile Ballard. D’où son nom de pile.
Les produits de cette réaction chimique sont de l’air chaud et de l’eau.
Afin d’accélérer le phénomène, on dépose une fine couche de platine sur les électrodes en carbone qui produit l’effet catalyseur.
Les cellules élémentaires sont situées entre deux plaques.
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Document Ballard
Ces plaques permettent l’alimentation de la pile en hydrogène et oxygène ainsi
que l’évacuation de l’eau et de la chaleur. L’ensemble constitue une cellule.
Afin d’augmenter la valeur de la tension et les possibilités de produire du courant, on les associe en série puis en parallèle. Cet ensemble constitue la pile
(stack).
Cette pile permet de fournir 1,2 kW et sa tension varie entre 43 V à vide et
26 V en pleine charge. On peut modéliser la pile comme un générateur de tension
idéal avec une résistance interne en série.
U pile
43V
27V
0
25A
La pile est entourée de plusieurs objets :
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I ch
Entrée d’hydrogène
Entrée d’air
Carte contrôleur
Surveillance de
l’état des cellules
Régulateur de pression
d’hydrogène
Pile
Vanne de purge d’hydrogène
(solenoid valve)
Refroidisseur
d’air
Document Ballard
Le circuit de refroidissement d’air permet de maintenir la pile à 65°C qui constitue la température pour obtenir un rendement optimal.
Les pressions d’alimentation en air et hydrogène doivent être contrôlées afin
d’obtenir un rendement optimal.
On humidifie l’hydrogène afin d’obtenir un rendement optimal et d’éviter un vieillissement prématuré de celle-ci.
L’eau doit être correctement évacuée pour ne pas nuire au rendement.
La batterie permet de fournir l’énergie au démarrage et à l’arrêt de la pile.
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Annexe 3
Différents types de piles
On compte actuellement 6 types de pile à combustible :






AFC (Alkaline fuel Cell),
PEMFC (Polymer Exchange Membran Fuel Cell),
DMFC (Direct Methanol Fuel Cell),
PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell),
MCFC (Molten carbonate Fuel Cell),
SOFC (Solid Oxid Fuel Cell).
Ces piles se différencient selon la nature de leur électrolyte et de là par le niveau de leur température de fonctionnement, leur architecture et les domaines
d'application dans lesquels chaque type peut être utilisé. Par ailleurs, chaque pile
a des exigences différentes en termes de combustibles.
Les domaines d'application pour les piles sont les suivants :







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.
Ci-dessous sont données les caractéristiques de tous les types de piles.
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Type de pile
AFC
PEMFC
DMFC
PAFC
SOFC
Nom
Alkalin Polymer Ex- Direct
Fuel
change Mem- Methanol
Cell
bran Fuel
Fuel cell
Cell
Electrolyte
Solution Membrane
KOH
polymère
conductrice
de protons
Membrane Acide phospolymère
phorique
conductrice
de protons
Li2CO3 et
ZrO2 et
KCO3 fondu Y2O3
dans une matrice LiAlO2
Ions dans
l'électrolyte
OH-
H+
H+
H+
CO32-
O2-
Niveau de
température
6080°C
60-100°C
60-100°C
180-220°C
600-660°C
700-1000°C
Combustible
H2
H2 (pur ou
reformé)
Méthanol
H2 (pur ou
reformé)
H2 (pur ou
reformé)
H2 (pur ou
reformé)
Oxydants
O2 (pur) Air
Air
Air
Air
Air
Domaines
d'application
Spatial Automobiles, Portable
Portable, Cogénération,
Maritime
Niveau de
Utilisée Utilisée
développement
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Utilisée
Phosphoric
Acid Fuel
Cell
MCFC
Molten Car- Solid Oxyd
bonate Fuel Fuel Cell
Cell
Cogénération Cogénération
Production
centralisée
d'électricité,
Maritime (?)
Cogénération
Production
centralisée
d'électricité
Automobile
(APU), Maritime (?)
Technologie Prototypes
mûre
Prototypes
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24V
24V_in
X2:3
X2:1
X2:2
X6:4
X6:3
X6:2
X6:1
X4:1
X4:2
X1:1
X1:2
X1:3
24V DC
3
4
5
6
7
8
9
10
Nexa TXCOM
Enable_Nexa+
Enable_NexaNexa_OK+
Nexa_OKGND
Vbat_out
Vbat_In
12
/Nexa_ON
9
11
/Nexa_OFF
8
/System_OFF
TX
7
10
RX
6
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
LED_gr
5
2
SDA
3
SCL
+13V
4
GND
2
1
2
Nexa TX+
1
Nexa RX-
Nexa RX+
5
4
3
2
1
J4-B11
J4-B7
J4-B8
J4-B5
J4-B6
J4-B12
J4-B15
J4-B16
J4-B14
J4-B13
230V AC
Tension de 43
V à 26 V
J2_2
Temperature Guard
for internal Battery
Pile
J2_1
COM
Nexa TX-
Nexa TX+
Nexa RX-
1
100R
Figure 5 Global scheme 24V-System
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Nexa RX+
Annexe 5 : schéma électrique du convertisseur DC-DC
Annexe 4 « Extrait de la NFC 15-100 »
Annexe B – (normative) – Installations électriques alimentées par une
source d’énergie autonome de faible puissance (< 6 kVA), non raccordées au réseau
Le schéma de distribution doit être de type TN-S.
Une telle installation ne pouvant être appelée à un accroissement de puissance, certaines règles de la présente partie ne sont pas applicables et sont
à adapter.
En particulier,
- le disjoncteur général (25 A) constitue le dispositif de coupure d’urgence
et est équipé d’un déclencheur magnétique d’une valeur adaptée à la puissance
de court-circuit de la source. Ce disjoncteur doit être placé dans un coffret
cache - bornes pouvant être plombé ;
Au minimum, l’installation comprend :
- un DDR de courant différentiel - résiduel assigné égal au plus à 30 mA
protégeant l’ensemble de l’installation ;
- un circuit prise de courant 16 A de section minimale de 1,5 mm² protégé
par un disjoncteur de courant assigné maximal 10 A ;
- un circuit éclairage de section 1,5 mm² protégé par un disjoncteur de courant assigné maximal 6 A.
Ne sont pas prescrits :
- la GTL ;
- le nombre minimal de socles de prises de courant et des circuits de prises
de courant spécialisés ;
- le parafoudre éventuel ;
- les circuits de communication.
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