203 - Production et utilisation durables de l’énergie dans le Nord : observations, solutions, enjeux et défis pour toutes les disciplines

Les changements climatiques soulèvent des défis majeurs pour le développement des communautés nordiques. De surcroît, celles-ci dépendent largement des énergies fossiles pour la production d’électricité et le chauffage des habitations. Dans le but de concevoir un modèle d’habitation qui réponde aux impératifs actuels et aux défis anticipés en matière de logement au Nunavik, un prototype a été construit à Quaqtaq en 2015. Ce dernier, de typologie « jumelé », a été conçu par des architectes et des ingénieurs d’expérience qui se sont inspirés de la norme Passive House et qui ont inclus des spécificités d’adaptation au mode de vie nordique dans le design. Le processus de réflexion a été amorcé par une charrette de design (atelier de travail collaboratif intensif) et la conception des plans s’est faite de pair avec la réalisation de simulations énergétiques. À la construction, des équipements de monitorage ont été dissimulés dans le prototype pour permettre l’analyse de la consommation énergétique et la validation des choix conceptuels. Bien que des leçons puissent être retenues de ces premières étapes, l’étude à plus long terme des données énergétiques recueillies combinées aux pratiques des occupants permettra, dans de prochains travaux, de juger de la durabilité et de l’efficience du prototype.

Les communautés inuites du Canada dépendent très majoritairement de générateurs diesel locaux coûteux et polluants pour la production d'électricité. Cet article cherche à comprendre les obstacles juridiques et politiques relatifs au développement des énergies renouvelables au Nunavik, le territoire inuit du Québec. Après une analyse des régimes juridiques, des configurations politiques et des politiques affectant la production d'énergie au Nunavik, nous présentons deux études de cas de projets d'énergie renouvelable dans les communautés de Kuujjuaq et d'Inukjuak. Cela nous permet de démontrer que le développement de projets d'énergie alternative n'est pas seulement déterminé par des questions techniques et économiques, mais qu'il est également indissociable des relations de pouvoir post-coloniales asymétriques entre les institutions québécoises et le peuple inuit. Nos résultats illustrent non seulement la valeur de la propriété et du leadership communautaires pour le développement durable du Nord, mais aussi l'attitude ambiguë des autorités publiques concernant le soutien politique et financier de tels projets.

Les ventilateurs récupérateurs de chaleur ou d’énergie (VRC/VRE) sont conçus avec une stratégie de dégivrage qui souvent est une recirculation de l’air chaud et vicié à travers l’échangeur pour faire fondre toute formation de givre, pour des opérations dans des climats froids. Une protection supplémentaire contre le givre consistant à l’installation d’un système de pré-chauffage (hydronique ou électrique) est souvent adoptée dans des régions d’extrême froid (Grand Nord et l’Arctique). Ces systèmes de pré-chauffage nécessitent un système de contrôle de la température d’alimentation en amont de l’unité VRC/VRE qui sont souvent défaillants. Le mauvais fonctionnement du système de contrôle du pré-chauffage mène souvent à une surchauffe de l’air frais alimentant l’unité VRC/VRE avec un impact négatif sur l’efficacité de récupération de chaleur/énergie et en général sur la consommation d’énergie du logement. Un aperçu d’un nouveau système de ventilation récupérateur d’énergie résilient au givre sera présenté.

Les stratégies visant à assurer un approvisionnement constant d'air frais tout en demeurant écoénergétiques sont importantes pour le logement du Nord. Les ventilateurs récupérateurs d'énergie (VRE) ont fait leurs preuves dans les climats froids, mais dans le froid extrême de l'Arctique, des cycles de givrage et de dégivrage fréquents réduisent leur efficacité et augmentent la consommation d'énergie. Ainsi, en intégrant des capteurs photovoltaïques/thermiques intégrés au bâtiment (BIPV/T) qui préchauffent l'air de ventilation, ce problème peut être réduit tout en générant de l'électricité. Cette étude de simulation étudie les performances d'un BIPV/T à base d'air conçu pour préchauffer l'air d'alimentation des VRE. Un modèle aux différences finies du BIPV/T est simulé dans MATLAB à l'aide des données météorologiques locales et des besoins en air frais intérieur. La conception BIPV/T reste simple pour faciliter la construction et améliorer la mise en œuvre dans l'Arctique. Le BIPV/T a pu augmenter la température de l'air frais fourni au VRE de plus de 16°C et a permis de réduire le temps de dégivrage jusqu'à 7 heures par jour. Le générateur BIPV/T de 40 m² a produit jusqu'à 33 kWh/jour d'électricité et 7,5 kWh/jour d'énergie thermique. Environ 30 % d'électricité et 10 % d'économies d'énergie totales ont été observées lorsque l'énergie BIPV/T simulée a été couplée à la consommation d'énergie résidentielle mesurée d'un duplex résidentiel situé dans le nord.

Le Nunavik est une région au nord du Québec dont la population, majoritairement inuite, est répartie en 14 communautés isolées sur les rives des baies d'Hudson et d'Ungava. La région, particulièrement sensible aux changements climatiques, est soumise à des conditions météorologiques extrêmes. Le soleil y est abondant en été, mais pratiquement absent en hiver. En raison de leur éloignement, les villages ne sont pas reliés au réseau électrique principal : l’électricité est fournie par des micro-réseaux alimentés par des génératrices diesel locales coûteuses et polluantes. La réduction de la consommation électrique des logements du Nunavik présente donc potentiellement d'importants avantages économiques et environnementaux pour la région. L’objectif de ce projet est d’évaluer le potentiel d’intégrer des technologies énergétiques renouvelables sur des bâtiments résidentiels au Nunavik. Une analyse des données de la consommation électrique de 12 logements dans le village de Quaqtaq est initialement effectuée pour obtenir les profils de consommation annuels de logements typiques. Les technologies de production et de stockage d’énergie sont alors modélisées en fonction des données météo locales. Une préférence est accordée aux technologies énergétiques solaires étant donné leur acceptabilité socio-culturelle supérieure dans la région. Un algorithme d’optimisation sert ensuite à dimensionner le système afin de maximiser le rendement énergétique tout en minimisant le coût du système.

Plusieurs projets de serres s’implantent dans le nord du Québec. Cependant, les spécificités du climat engendrent deux problématiques majeures concernant la gestion énergétique de ces outils de production végétale : 1) la saison de culture est particulièrement courte ; et 2) un écart de température entre le jour et la nuit trop important a été observé quand les plantes poussent, en été.

Afin de répondre à ces deux problématiques, un système de stockage thermique innovant a été mis en place dans une des serres communautaires de Kuujjuaq à l'automne 2018 et mis en service au cours de l'été 2019. La présentation fera un retour d’expérience de la première année d’utilisation et dressera des perspectives, notamment celle de l’ajout d’un système solaire thermique.

Bien que des projets récents de production d’énergie renouvelable aient été déployés sur le territoire nordique, la portée de ces projets demeure limitée en l’absence de solutions viables pour la production de chaleur et le stockage énergétique saisonnier. Ce constat est dû au caractère intermittent des sources renouvelables expérimentées jusqu’à maintenant. Pour arriver à une implantation massive de ces technologies, il faudra résoudre la problématique du stockage énergétique longue durée en climat froid. Des travaux s’effectuent dans les villages nordiques de Kuujjuaq, Whapmagoostui-Kuujjuarapik et Umiujaq, afin d’évaluer le potentiel géothermique peu profond et ainsi prédire le comportement à long terme de l’utilisation de pompes à chaleur géothermiques et de systèmes de stockage thermique souterrain en présence de pergélisol, lequel représente une solution innovante pour chauffer les bâtiments en hiver grâce à l’énergie solaire produite en excès durant la saison estivale. Les résultats montrent la viabilité de ces technologies à remplacer une partie de la consommation actuelle du diesel des bâtiments résidentiels et des installations d'eau potable, avec une économie d’énergie de 10 à 50%. Le potentiel de retombées est majeur, puisqu’avec des solutions de stockage d’énergie viables, les technologies d’énergie renouvelable pourront répondre à un plus large éventail de besoins et promouvoir un développement durable du Nord basé sur l’exploitation de ressources locales.

Les pompes à chaleur géothermiques à assistance solaire (PAC-GEO-AS) ont été proposées au Nunavik pour répondre aux besoins en chauffage des bâtiments et réduire la consommation associée d’hydrocarbures. Elles permettraient d’exploiter la température stable du sous-sol et d’y stocker l’énergie solaire, disponible seulement une partie de l’année. Cette technologie se heurte cependant à plusieurs barrières. On peut noter l’éloignement des communautés qui rend difficile et coûteux les travaux et la maintenance des systèmes. D’autre part, de tels systèmes requièrent une alimentation électrique, dans des communautés où l’électricité provient de centrales au diésel. Par ailleurs, l’extraction accrue de la chaleur du sol peut entraîner une chute significative de sa température sur plusieurs années d’opération et réduire les performances du système sur le long terme. Cette étude s’intéresse au dimensionnement d’une PAC-GEO-AS pour répondre aux besoins de chauffage d’une maison individuelle située à Kuujjuarapik (Nunavik). Un modèle du système a été réalisé sous le logiciel TRNSYS et des simulations ont permis d’estimer l’évolution de ses performances sur 10 années d’opération. Cette étude nous éclaire sur plusieurs ordres de grandeur : la taille requise du champ de puits géothermiques, l’impact de l’assistance solaire sur les performances du système, la réduction possible de la consommation de diésel, le coût global du système et le temps nécessaire au retour sur investissement.

Un outil dressant le portrait et le plan d’action en termes de développement durable (DD) pour des sites éloignés a permis de faire ressortir l’énergie comme un enjeu majeur et commun. Une analyse technique d’efficacité et d’approvisionnement renouvelable a été développée et appliquée avec une quinzaine de sites isolés de petite puissance au Québec, de 2013 à aujourd’hui. Le meilleur scénario technico‑économique de chaque site a été déterminé en simulations énergétiques avec le logiciel HOMER Energy Pro. Les résultats permettent de comparer plusieurs indicateurs décisionnels au regard de la situation actuelle. Le croisement des données de chaque installation entre elles permet de déduire le portrait de facteurs clés (économiques, environnementaux, sociaux) selon la consommation électrique globale des occupants. Pour les plus petits sites isolés, les jumelages conventionnels (solaire/diesel/batteries) sont rentables pour une forte pénétration en énergies renouvelables. Des corrélations et de bonnes pratiques pour l’avenir seront tirées de l’expérience vécue.

Pour répondre aux besoins des compagnies minières ou ferroviaires, il existe de nombreux camps de travailleurs dans le Nord québécois et canadien. Constitués de dizaines de chambres et d'installations d’hébergement, ils se trouvent exclusivement alimentés par des génératrices diesel. Pour son camp Esker situé non loin de Schefferville, totalement isolé et donc hors réseau, l’entreprise autochtone Tshiuetin est particulièrement innovante actuellement. Avec l’implantation de systèmes combinés solaires-éoliens-stockage et même hydrogène, elle va réduire sa consommation de carburant et les émissions de GES. La technologie Québécoise GreenCube, modulaire et rapidement implantable, est aussi adaptée aux conditions arctiques. Non seulement il s’agit ici de réduire les coûts d’opération de cette installation d’hébergement nordique, mais aussi de former et d'impliquer de jeunes travailleurs et techniciens autochtones à l’utilisation et l’entretien de ces technologies vertes.