Agrégation concours externe

Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur

Épreuve d'admissibilité - conception préliminaire

Option sciences industrielles de l'ingénieur

et ingénierie électrique

Support : automotrice à hydrogène pour le transport ferroviaire

Mise en situation :

En septembre 2018, le premier train à hydrogène en service passagers au monde est mis en service en Basse-Saxe (Allemagne). Cette exploitation du vecteur hydrogène pour le transport fait écho au besoin de réduction des émissions de CO2. Depuis, les projets et mises en services de rames à hydrogène se sont multipliés partout dans le monde avec le soutien des politiques nationales.

Engagée dans une stratégie de décarbonation, la SNCF a annoncé une sortie totale du transport diesel pour 2035. Or, la solution de l’électrification n’est rentable que si le trafic est suffisant. Pour des trafics faibles ou intermédiaires, l’emploi de locomotives ou automotrices autonomes en énergie est privilégié.

La solution basée sur la seule utilisation de batteries électrochimiques est la plus simple et la plus efficace. Toutefois, le coût, la durée de vie, l’encombrement et le temps de charge sont des freins qui limitent cette solution aux petites distances (inférieures à 100 km). Pour des distances plus longues, la solution « hydrogène » devient intéressante. Le premier train à hydrogène pour le transport de passagers a été mis en circulation en 2018. 

L’épreuve porte sur l’étude et le dimensionnement de la chaîne de puissance d’une automotrice à hydrogène pour assurer un trajet aller et retour sur une ligne : la ligne Lyon – Clermont-Ferrand.

Travail demandé :

Ce sujet comporte trois parties indépendantes:

• PARTIE A : Profil de ligne et calcul des besoins en puissance et énergie.

Dans cette partie, l’objectif est de déterminer, par une approche simplifiée, les puissances et énergies dimensionnantes de la pile à hydrogène et du stockage électrochimique permettant d’assurer le trajet aller et retour du train entre Lyon et
Clermont-Ferrand.

PARTIE B : Dimensionnement et pilotage de la chaîne de conversion à hydrogène.

L’objectif, dans cette partie est d’étudier la chaîne de conversion d’énergie d’une des piles à combustible. La modélisation électrique de la pile, le fonctionnement du convertisseur BOOST ainsi que le dimensionnement de l’inductance de lissage et la régulation en courant du convertisseur sont abordés.

• PARTIE C : Dimensionnement de la motorisation.

L’objectif de cette partie est d’étudier la machine électrique, du point de vue de l’utilisateur en regardant le comportement électrique pour un point de fonctionnement et du point de vue de son concepteur, en regardant le lien entre le design et les grandeurs magnétiques et électriques.