                            BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE
Sciences et technologies de l’industrie et du développement durable
ENSEIGNEMENTS TECHNOLOGIQUES TRANSVERSAUX
Session 2016
Coefficient 8 – Durée 4 heures
Aucun document autorisé – Calculatrice autorisée
Centrale biomasse
Constitution du sujet
Mise en situation Pages 2 à 3
Questions à traiter par le candidat :
PARTIE 1 (3 heures) Pages 4 à 8
PARTIE 2 (1 heure) Pages 9 à 10
Dossier technique Pages 11 à 22
Documents réponses Pages 23 à 24
Le dossier sujet comporte deux parties indépendantes qui
peuvent être traitées dans un ordre indifférent.
Les documents réponse DR1 à DR3 (pages 23 à 24) seront
à rendre agrafés avec vos copies.
Mise en situation
Contexte social et économique
Ancienne chaudière au charbon
Depuis 2013, la centrale biomasse étudiée est devenue la principale unité de production d’électricité et de chauffage urbain de la ville de Metz. Elle pourvoit aux besoins en électricité de 10 000 ménages et alimente en chauffage l’équivalent de 20 000 logements (voir le diagramme de contexte ci-dessous).
Centrale biomasse
La cogénération d’électricité et de chauffage urbain permet d’obtenir un rendement supérieur à 80 % pour cette centrale (35 % précédemment avec son ancienne voisine au charbon).
La biomasse présente désormais un intérêt économique dans la mesure où son coût est compétitif (grâce à des aides de l’état) et qu’elle subit peu la spéculation comme c’est le cas pour les énergies fossiles. De plus, une chaudière au bois de taille importante comme celle-là (puissance utile de l’unité biomasse : 45 MW) permet de sécuriser l’approvisionnement : meilleurs prix, garanties de qualité et de disponibilité des bois livrés.
Pour la même quantité d’énergie produite, la fabrication de combustibles bois crée en moyenne 3 fois plus d’emplois locaux que pour les filières énergétiques classiques.
Contexte environnemental
Un bilan carbone presque neutre
« Puits » de carbone
Le bilan carbone de l’utilisation de la biomasse comme source d’énergie est pratiquement neutre, à condition que l’on plante autant que l’on brûle, ce qui est le cas en France (gestion durable des forêts). Il n’y a pas d’impact sur l’effet de serre car le CO2 rejeté dans l’atmosphère lors de la combustion du bois correspond à la quantité de CO2 absorbée par les arbres pendant leur croissance. 
Préservation de la qualité de l’air
Unité de traitement des fumées
La production centralisée et distribuée par un réseau présente un avantage considérable par rapport aux productions individuelles de chauffage au bois : les chaufferies collectives sont équipées de systèmes de traitement des fumées, ces moyens sont inenvisageables sur des dispositifs individuels pour des raisons de coût.
Une énergie locale
L’usine d’électricité de Metz (UEM), l’une des rares régies municipales de France à produire de l’électricité s’est lancée dans ce choix de modernisation après avoir constaté qu’elle pouvait ici valoriser jusqu’à 100 000 tonnes de bois local par an :
 broyeur
57 % de plaquettes issues de l’exploitation forestière dans un rayon de 100km ;
31 % de bois de récupération « non pollué » issu des centres de tri de déchets ;
12 % d’écorces et de résidus de scieries.
Obtention des plaquettes forestières par broyage
Tous ces résidus de bois, jusqu’alors non valorisés, sont issus de forêts gérées par l’ONF (office national des forêts) ou certifiés « gestion durable des forêts ».
L’utilisation des ressources locales permet de diminuer les rejets de CO2 imputables au transport de ces résidus de bois.
Le réseau de chauffage urbain de la ville de Metz est ainsi alimenté à hauteur de 60 % par des énergies renouvelables. On réduit aussi de 57 000 tonnes les émissions de CO2 par rapport au charbon.
Travail demandé
PARTIE 1
L’impact environnemental et la performance énergétique sont aujourd’hui les deux critères essentiels pour le choix d’une solution de production d’électricité et de chauffage urbain. Nous allons vérifier que cette centrale de cogénération biomasse est une réponse adaptée à ces critères.
L’impact environnemental
L’UEM (usine d’électricité de Metz), poussée par un choix européen en faveur des énergies renouvelables a décidé de mettre en place une politique de développement durable. Elle a étudié l’opportunité qu’offre la biomasse comme une alternative au charbon et au gaz.
Question 1.1
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A l’aide de l’article du DT1, citer les arguments qui présentent les chaufferies au bois comme respectueuses de l’environnement (par opposition aux hydrocarbures liquides et gazeux).
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DT1
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Il est communément admis que le bilan carbone de l’utilisation du bois comme source d’énergie est pratiquement neutre (voir page 3). En fait, le bilan carbone réel fait état d’un excès de CO2 correspondant à 5 % du CO2 capté par l’arbre durant sa vie.
Question 1.2
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Indiquer les étapes du cycle de vie du bois utilisé comme combustible à l’origine de l’excès de CO2 rejeté.
Dans ce cas, pour limiter l’empreinte carbone, déduire l’intérêt de faire en sorte que la biomasse soit une source d’énergie locale.
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L’UEM indique sur son dossier de presse que ce type de centrale permet l’économie de 57 000 tonnes de CO2 par rapport au charbon. Il existe une représentation utilisée couramment pour apprécier une économie de CO2.
Question 1.3
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Calculer combien représente en nombre de véhicules parcourant 15 000 km an-1, en moyenne, la réduction de 57 000 tonnes de CO2 (par rapport au charbon). Voir l’exemple de calcul fourni par l’ADEME sur le DT1.
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DT1
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Les fumées issues du cycle de production par la centrale biomasse sont traitées de façon ultra-performante afin d’être conformes à la réglementation.
Question 1.4
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A l’aide du document DT1, donner les deux principaux composants pollueurs dans les fumées issues de la combustion du bois. Indiquer pourquoi cette centrale biomasse préserve davantage la qualité de l’air qu’une multitude de chauffages individuels.
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DT1
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La performance énergétique
Après avoir identifié puis quantifié les différentes énergies mises en jeu, nous validerons le choix du principe de production en cogénération retenu par l’UEM pour augmenter la performance énergétique de sa centrale.
Question 1.5
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À l’aide des documents DT1 et DT2, compléter les 5 cases du schéma bloc sur le document réponse DR1 en précisant :
le combustible d’entrée et 2 constituants du système (3 cases à remplir) ;
le type de pertes (thermiques ou mécaniques) au niveau de la chaudière et de l’alternateur (2 cases à remplir).
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DT1,DT2
DR1
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Question 1.6
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Calculer la puissance absorbée (ou puissance enfournée) de la chaudière bois sachant que :
le pouvoir calorifique inférieur (PCI) du mélange bois-plaquettes est égal à 2,36 kWhkg-1 ;
le débit du mélange bois-plaquettes de la chaudière bois est de 21,72 th-1.
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Question 1.7
DT2
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À l’aide du document DT2, calculer le rendement global du système de cogénération biomasse (zone grisée) sachant que :
le rendement de la chaudière bois est égal à 87,78 % ;
le rendement global du système de cogénération est égal à
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Question 1.8
DR1
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Compléter le document DR1 en calculant, dans le cas de production d’électricité et de chaleur par filières séparées, les puissances de départ (au niveau du combustible).
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Question 1.9
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En vous servant de vos réponses précédentes, rédiger une conclusion argumentée (5 lignes) quant au respect des critères environnementaux et de performance énergétique de la centrale en cogénération biomasse.
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On cherche à s’assurer que les moyens techniques mis en place par l’UEM garantissent l’acheminement continu du bois vers la chaudière.
Approvisionnement en bois du hall de stockage jusqu’à la chaudière
L’approvisionnement en bois du hall de stockage à la chaudière se fait grâce à 3 convoyeurs à bande (sorte de tapis roulant représentés sur le DT3). Ils assurent le même débit de bois. Nous allons vérifier que la chaudière est correctement approvisionnée en contrôlant que le débit de bois sur le convoyeur à bande n°3 soit conforme.
Question 1.10
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À l’aide de la chaîne cinématique ci-dessous, calculer la fréquence de rotation du tambour d’entraînement de la bande sachant que :
MOTEUR
Nmoteur = 1470 tr.min-1
REDUCTEUR
r = 1/30
TAMBOUR
Ntambour= ?
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On considère que la vitesse de glissement de la bande par rapport au tambour d’entrainement est nulle.
Question 1.11
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Calculer la vitesse linéaire de la bande Vbande sachant que le rayon du tambour d’enroulement de la bande est Rtambour= 0,2 m.
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On donne V= ·R
en rad.s-1
R en m
V en m.s-1
Vbande
Rtambour
Tambour
Bande
tambour à partir de Ntambour
Afin de vérifier que le débit de bois est suffisant au niveau de la chaudière, la section maximale de plaquettes sur le convoyeur n°3 est approximée (voir vue en coupe sur DT3). Pour palier tout problème d’alimentation en continu de la chaudière, la capacité des convoyeurs, notamment le n°3, est en réalité surdimensionnée.
Question 1.12
DT3
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Estimer approximativement la surface grisée représentant la section de plaquettes acheminée à la chaudière par le convoyeur à bande n°3. Exprimer le résultat en m2.
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Question 1.13
DT3
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Sachant que la vitesse de la bande est de 1 m.s-1 et en fonction de votre résultat précédent, calculer le débit de plaquettes (en m3.h-1) acheminées à la chaudière par le convoyeur à bande n°3.
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Question 1.14
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Conclure quant à la garantie d’approvisionnement en bois de la chaudière sachant que le chargeur est équipé d’un godet de 9 m3 ayant une cadence d’un godet toutes les 5 minutes et que la consommation de la chaudière est de 90 m3.h-1 (0,025 m3.s-1).
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Il est impératif de surveiller le bois stocké pour éviter les départs de feu. Un dispositif de sécurité a été déployé. L’objectif de cette partie est d’étudier l’aptitude du système à localiser un départ de feu dans la zone de stockage du bois.
Ce dispositif comprend des capteurs infrarouges et des caméras IP de vidéosurveillance à proximité des zones de stockage.
Détection de flammes
La fonction assurée par un détecteur de flamme est de localiser le plus tôt possible la naissance d’un feu puis transmettre l’information. Il faut éviter au maximum de délivrer des alarmes intempestives.
Pour valider la solution, il a été choisi d’élaborer un modèle numérique du capteur. Il est en effet difficile de recréer l’environnement du détecteur sur le site et ainsi trouver avec exactitude les perturbations présentes.
Des rayonnements solaires et les sources lumineuses génèrent des perturbations observables sur les courbes du document DT5. Elles peuvent être source d’alarmes intempestives.
Question 1.15
DT5
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En vous aidant du résultat de la simulation du modèle du détecteur de flammes ainsi que du schéma logique sur le document technique DT5, analyser ces courbes et justifier quel est le spectre (1 ou 2) où il y a présence d’un feu carboné.
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Une alarme incendie est générée. Le système doit être capable de l’envoyer vers le poste de supervision via un protocole de communication (LON). Il est impératif de connaître le capteur qui envoie cette alarme. L’état du commutateur d’adresse est donné dans le document technique DT6.
Question 1.16
DT6
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Calculer l’adresse en décimal du capteur de flamme qui a signalé une alarme et conclure que cette valeur est conforme à la plage d’adresses préconisées par le constructeur
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Un technicien, placé à son poste de supervision et prévenu par l’alarme, visualise ce démarrage de feu. Il a la possibilité à l’aide d’une caméra de zoomer sur l’incendie.
Il demande alors à un agent sur zone de lui confirmer la présence du feu et ainsi de déclencher manuellement l’arrosage du site.
Télésurveillance d’un départ de feu
Le but de cette étude est de justifier la structure matérielle employée pour le réseau de surveillance incendie à partir de caméra IP et de s’assurer que pour tout départ éventuel de feux, les images seront bien transmises à la salle de conduite de la centrale.
Question 1.17
DT7
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A partir du diagramme des exigences sur le document technique DT7, préciser le type de caméra IP qui doit satisfaire l’exigence concernant la surveillance du stockage biomasse.
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Les caméras de vidéosurveillance transmettent les images vers un poste de supervision situé dans la salle de conduite de la centrale au travers du réseau de l’exploitant. Celui-ci est constitué d’une architecture matérielle à paires torsadées et fibre optique sous protocole Ethernet.
Question 1.18
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Indiquer le rôle du convertisseur de média.
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DT8, DT9 et DT12
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La liaison vidéo entre les caméras IP de surveillance et la salle de conduite de la centrale biomasse est réalisée au travers des protocoles Ethernet et TCP/IP.
Cette transmission vidéo (images) est encapsulée dans des trames de type Ethernet II. Une capture de trame provenant d’une caméra de vidéosurveillance de l’alimentation biomasse a été effectuée à l’aide d’un logiciel d’analyse réseau.
Capture de trame d’une caméra de vidéosurveillance
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N°Octet
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Trame en hexadécimal
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0000
0010
0020
0030
0040
0050
0060
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00 06 5b 57 ce a6 00 0f 7c 8a 06 6b 08 00 45 00
00 57 dc 37 40 00 40 11 da f7 c8 c8 28 0a c8 c8
28 01 00 35 db aa 00 43 a8 55 86 a2 81 80 00 01
00 01 00 00 00 00 05 65 33 31 39 31 04 64 73 63
63 0a 61 6b 61 6d 61 69 65 64 67 65 03 6e 65 74
00 00 01 00 01 c0 0c 00 01 00 01 00 00 00 12 00
0060 04 02 13 5d 0f
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Les bits de synchronisation (préambule+SFD) et de contrôle (CRC) n’apparaissent pas dans la capture de trame
Question 1.19
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Identifier à partir de la trame capturée et des documents techniques DT8 et DT9, l’adresse IP (en héxadécimal puis en décimal) de la caméra à l’origine de cette trame.
Vérifier que le paramétrage IP de la caméra émettrice de la trame et du poste de supervision permet de communiquer.
Entourer sur le DR2, la cellule (numérotées de 1 à 3) où a été détecté le départ de feu
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DT8, DT9 et DR2
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Les images issues des caméras de vidéosurveillance de l’alimentation biomasse (caméras fixes) et destinées au poste de supervision sont transmises au format couleur 640 480 (VGA) en 30 images par seconde. La couleur de chaque pixel étant codée sur 24 bits.
Question 1.20
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Calculer le débit du flux vidéo en Mbit·s-1 nécessaire à la caméra pour transmettre un tel format vidéo.
Justifier la raison pour laquelle ce débit n’est pas supportable par la liaison filaire en sortie de caméra.
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DT8
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Afin de permettre une transmission des images sur le réseau, la caméra de vidéosurveillance effectue une compression vidéo de type H.264. Le débit fourni par la caméra est variable et peut atteindre au maximum 6 Mbit·s-1.
Question 1.21
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Déduire le taux de compression utilisé par le format H.264 lorsque la caméra fournit son débit maximum.
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Question 1.22
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Au regard de l’étude que vous venez de mener, rédiger une conclusion argumentée (5 lignes) sur le cheminement des informations depuis le départ d’un feu carboné jusqu’à la salle de conduite de la centrale.
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