Solar impulse 2, bac STi2d 2021.

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L'énergie électrique est-elle une solution pertinente pour l'avenir du transport aérien ?
1.1 Calculer la somme des émissions en milliard de tonnes des émissions du dioxyde de carbone et le pourcentage dû au transport. Conclure.
Electricité et chaleur  : 15,01 ; transport : 7,87 ; industrie, construction : 7,57 ; résidentiel : 2,72 ; déforestation : 2,68 ; autre combustions : 0,852.
Total : 36,7 milliards de tonnes.
Par du transport : 7,87 / 36,7 =0,214 (21,4 %).
 Le transport est responsable de 21 % des émissions de CO2.
1.2. Compléter le document et expliquer pourquoi un trajet en avion a plus d'impact en matière d'émission de CO2 qu'un trajet moyen en voiture ou en bus,-car.

Voiture
 Car-Bus
 Avion
 avion / voiture ( distance moyenne)
 avion / car-bus (distance moyenne)
g CO2 émis par km
et par voyageur
 155
 74,4
 128
 128 / 155 =0,826
 128 / 74,4 =1,72
kg CO2 émis par heure
de transport
 6,7
 3,2
 90
 90 / 6,7 =13,4
 90 / 3,2 =28,1
kg CO2 émis par trajet
 2,4
 1,2
 311
 311 / 2,4 =129,6
 311 / 1,2 =259
Un trajet en avion a plus d'impact  ( de 130 fois à 260 fois plus grand) en matière d'émission de CO2 qu'un trajet moyen en voiture ou en bus,-car.
1.3. Expliquer pourquoi l'avenir de la propulsion aérienne pourrait être électrique.
A moyen terme, les vols court-courriers ( 500 km de distance) pourraient devenir en partie électrique.
Ce n'est pas envisageable pour les traversées transatlantiques.

Comment valider la solution " Solar Impulse 2" ?
2.1. Compléter les exigences attendues, première colonne, lignes 1, 4 et 5.
2.2. Pour chaque avion, vérifier si les critères sont respectés.
2.3. Conclure sur le seul avion qui respecte tous ces critères.
Solar Impulse 2 respecte les 5 critères.

 Diamond DA42-VI
 X-57 Nasa
 Aéronef Ehang 184
 Solar Impulse 2
empreinte CO2 en utilisation
exigence : pas d'émission de CO2
 -1
 +1
 +1
 +1
Distance parcourue sans atterissage
Exigence : 9000 km
 -1
 -1
 -1
 +1
Ne pas dépendre des énergies fossiles.
Exigence : pas de consommation d'essence, de gaz ou de gazole
 -1
 +1
 +1
 +1
Autonomie en énergie en vol
Exigence : voler en autonomie énergétique.
 +1
 +1
 +1
 +1
Limiter la masse de l'avion.
Exigence : masse totale inférieure à 2500 kg.
 +1
 +1
 +1
 +1
Total
 -1
 +3
 +3
 +5

Comment est structuré l'avion " Solar Impulse 2" ?
En fonctionnement de jour, l'énergie solaire récoltée par les cellules photovoltaïques est transmise aux batteries par l'intermédiaire d'un module de gestion MPPT. Cette énergie permet d'alimenter les moteurs ; elle est ensuite adaptée grâce aux réducteurs, pour permettre aux hélices de  tracter l'avion.
 3.1. Compléter le diagramme. Indiquer les noms des blocs suivants : cellules photovoltaïques ; batteries ; moteur ; réducteur ; hélices.
Indiquer les flux suivants : énergie solaire; énergie électrique ; énergie mécanique de rotation ; énergie mécanique de translation.
Surligner le flux d'énergie ,du soleil à l'énergie mécanique de translation responsable du mouvement d'avancement de l'avion.
Le pilote doit également, durant cette phase de jour, effectuer une montée progressive en altitudde afin d'optimiser le vol de nuit qui suivra. Pour cela, il doit monter progressivement la puissance et utiliser ses gouvernes en surveillant le niveau de batterie.

Analyse de la phase de vol de jour P2.
Le jour , l'avion est soumis à une puissance solaire moyenne Psolaire = 1000 W m-2.
Surface des panneaux photovoltaïques : S = 269,5 m2 ; rendement 22,7 %.
 4.1. Calculer la puissance électrique en sortie des panneaux.
Pélec = Psolaire x S x rendement = 1000 x 269,5 x 0,227 =6,12 104 W.
4.2. Déterminer la puissance mécanique maximum délivrable par les 4 moteurs et en déduire la puissance électrique nécessaire à leur fonctionnement.
Puissance mécanique d'un moteur : 17,5 ch soit 17,5 x 735,5 =1,29 104 W.
Rendement : 94 %.
Puissance électrique reçue par un moteur : 1,29 104 / 0,94 =1,37 104 W
Soit pour 4 moteurs : 4 x 1,37 104 =5,48 104 W.
 Les 4 batteries ont une masse totale m = 633 kg, une densité énergétique d = 260 Wh kg-1 et un rendement de 96 %.
4.3 Déterminer l'énergie à fournir aux batteries pour les charger à 100 % puis l'énergie délivrable en sortie des batteries.
Energie à fournir :633 x260 =1,65 105 Wh.
Energie délivrable en sortie : 1,65 105 x 0,96 =1,58 105 Wh = 158 kWh.
4.4. Déterminer la puissance électrique nécessaire à la recharge des batteries en 8 heures ( phase de jour de 6 h à 14 h).
1,58 105 / 8 =1,98 104 W.
  4.5. Déterminer la puissance de fonctionnement des moteurs durant la phase de prise d'altitude. Conclure.
L'avion passe de 5000 m à 10 000 m et les moteurs fonctionnent à 65 % de leur capacité.
Puissance électrique consommée par les moteurs : 5,48 104 x0,65 =3,56 104 W.
Totale puissance  : 1,98 104 +3,56 104 =5,54 104 W.
Cette valeur étant inférieure à 6,12 104 W, l'autonomie énergétique est assurée durant cette phase.

Analyse de la phase de jour P3.
On considère désormais que les moteurs fonctionnent à la puissance minimale requise( 30 % de leur capacité ) permettant pilotage et conservation d'altitude.
 4.6. Calculer la puissance électrique et l'énergie nécessaire au fonctionnement des moteurs.
Puissance électrique : 5,48 104 x0,30 =1,64 104 W.
Durée de cette phase : 4 heures.
Energie nécessaire aux moteurs : 1,64 104 x 4 =6,58 104 Wh= 65,8 kWh.
4.7. Calculer l'énergie excédentaire produite par les cellules photovoltaïques.
Energie nécessaire à la recharge des batteries : 6,58 104 Wh=65,8 kWh.
Energie produite par les cellules photovoltaïques : 6,12 104 x4 =2,45 105 Wh = 245 kWh.
Energie excédentaire : 245-65.8=179 kWh.

Analyse de la phase de nuit P4.
L'avion perd de l'altitude, car il économise de l'énergie pour la fin de la nuit. Les moteurs recoivent la puissance minimale nécessaire au pilotage et à la stabilité ( 10 % de leur capacité ). Les batteries sont chargées au maximum au début de cette phase ( énergie délivrable 158 kWh)
 4.8. Calculer la puissance électrique et l'énergie nécessaire au fonctionnement des moteurs.
Puissance électrique : 5,48 104 x 0,10 =5,48 103 W.
Durée de cette phase : 4 heures.
Energie nécessaire aux moteurs : 5,48 103 x 4 =2,19 104 Wh= 21,9 kWh.
4.9. Déterminer la quantité d'énergie restante pour la phase 1 dans les batteries une fois la phase 4 terminée.
158-21,9 ~136 kWh.

Analyse de la phase de nuit P1.(22 h à 6 h matin soit 8 heures).
Les moteurs doivent permettre le maintien de l'avion à son altitude plancher de 5000 m.
 4.10. Déterminer la puissance électrique délivrable par les batteries durant cette phase. Vérifier que cette puissance est suffisante pour maintenir l'altitude de l'avion.
Puissance batteries : 136 / 8 =17 kW.
Puissance absorbée par les moteurs : 55,4 x 0,30 = 16,6 kW valeur inférieure à 17 kW.
4.11. Conclure sur la capacité du Solar Impulse 2 à voler de manière autonome sur un cycle de 24 heures  avec les batteries et les cellules solaires décrites.
Solar Impulse 2 est capable de voler de manière autonome sur un cycle de 24 heures.
Par contre si le jour suivant, l'ensoleillement ne permet la recharge des batteries qu'à 50 %, l'avion doit se poser pour recharger complètement ses batteries avant un éventuel vol nocturne.
On considère que les consoommations énergétiques de cet avion peut être représentées sous la forme du diagramme suivant :

4.12. Déterminer le rendement global de la chaine d'énergie du Solar Impulse 2 : entre l'énergie en entrée des panneaux photovoltaïques et l'énergie mécanique des moteurs.
W méca moteur =473,4  ; Wsolaire : 3234.
W méca moteur / Wsolaire =473,4 / 3234 ~0,146 ( 14,6 %).
4.13. Repérer l'élément principal responsable des pertes et conclure quant à l'efficacité globale des technologies mises en oeuvre dans le Solar Impulse 2.
Les panneaux photovoltaïques sont la principale cause de ce faible rendement global.
Les technologies sont innovantes : rendement de 22,7 % des panneaux photovoltaïques ; densité énergétique importante des batteries ; utilisation de matériaux ultralégers en fibre de carbone.
5.1. Identifier et nommer la fonction réalisée par les blocs encadrés en pointillés.
Le groupe de gestion énergétique et le module MPPT, placés entre le groupe photovoltaïque et les batteries,  convertissent l'énergie solaire en énergie électrique.
5.2. Compléter le document suivant en positionnant par des repères verticaux les 4 phases de vol du cycle journalier.
5.3. Préciser les phases qui correspondent à la charge ou à la décharge des batteries. Justifier le signe de la grandeur " puissance batteries".

5.4. Donner 2 arguments permettant de justifier l'utilisation des modules MPPT dans la recherche de l'optimisation de l'effiacité énergétique.
Le module MPPT cherche en permanence à produire une tension et un courant correspondant à la puissance maximale que peut délivrer le groupe photovoltaïque.
Il permet également la régulation de la charge du pack de batteries.



  

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