201 - Énergie

Dans la transition énergétique du Québec, l’utilisation des énergies renouvelables est de plus en plus proéminente pour atteindre la carboneutralité. Par conséquent, une utilisation efficiente devient un enjeu stratégique. En vue de maximiser le rendement énergétique, de réduire les délais de maintenance et de minimiser les coûts opérationnels, la maintenance prédictive et la PHM pourraient offrir de solutions intéressantes.  

Le traitement des données massives provenant des capteurs et l’analyse de ses comportements complexes et parfois non linéaires nécessitent une nouvelle approche pour relever ces défis. Dans cette recherche, l’implémentation des méthodes d’apprentissage profond pour la détection d’anomalies est étudiée. L’intérêt de la présente étude, basée sur l’autoencodeur, est de tenter de quantifier le degré d’incertitude inhérent à un diagnostic spécifique. L’autoencodeur est un algorithme très intéressant pour signaler la présence d’une défaillance, cependant il n’a pas la capacité de modéliser l’incertitude de ce diagnostic. Cette information est essentielle pour prendre une décision basée sur le risque. Ce projet vise le développement d’un outil pour déterminer un indice de probabilité-occurrence pour un diagnostic. Les avancements à jour de ce projet ainsi qu’un état de l’art seront d’abord présentés. Pour terminer, le présentateur offrira une idée sur le développement d’un tel outil de diagnostic ainsi que les prochaines étapes du projet. 

La thèse met en lumière les défis environnementaux liés à la construction, où la transition numérique pourrait favoriser la durabilité. La problématique aborde la complexité de réduire les gaz à effet de serre (GES) tout en améliorant l'efficacité énergétique, en soulignant ainsi la nécessité d'aborder une optimisation multicritères. 

La recherche propose une plateforme basée sur la modélisation des informations du bâtiment (BIM), l'analyse du cycle de vie (ACV), et l'intelligence artificielle (IA) pour surmonter ces défis. Cette plateforme permettrait une simulation et une prédiction intégrées, aidant à la prise de décision en matière de durabilité. Elle vise à représenter les données sous forme de tableaux de bord interactifs, permettant aux utilisateurs d'optimiser leurs choix en tenant compte des aspects environnementaux et économiques.

La méthodologie repose sur le paradigme de la science de la conception, avec une revue de la littérature, une analyse des pratiques industrielles, et le développement progressif de la plateforme tout en assurant une application pratique des résultats.

Les retombées attendues incluent la production de trois articles scientifiques et la création d'un prototype fonctionnel, qui pourrait être adopté par les parties prenantes du secteur. La recherche vise à automatiser le processus d'optimisation multicritères, offrant ainsi une solution innovante pour la durabilité de l'environnement bâti.

L’étude théorique des courts-circuits à partir des composantes symétriques est menée depuis des décennies et le comportement des machines à courants alternatifs conventionnelles est bien connu. Toutefois, avec l’arrivée des sources d’énergie raccordées au moyen d’onduleurs (SERMO) et leurs contributions non conventionnelles aux courants de court-circuit, il est nécessaire de préciser davantage la caractérisation des défauts de ligne pour assurer le bon fonctionnement des systèmes de protection.

Lors d’une étude expérimentale sur des relais de protection commerciaux, il a été observé qu’un court-circuit biphasé à la terre (2LG) pouvait entraîner un écart de magnitude des courants dans les deux phases en défaut, pouvant conduire à une mauvaise opération du système de protection. L’objectif de cette recherche est d’expliquer l’origine de cet écart et d’étudier certains paramètres d’influence.

La méthodologie repose sur une étude théorique pour identifier les facteurs menant à la différence des courants de ligne en présence d’une faible source SERMO lors d’un défaut 2LG. Ensuite, une modélisation sous MATLAB a permis de valider cette hypothèse et d’étudier certains paramètres déterminants.

Il a été démontré qu’une différence entre l’angle des impédances de séquences inverse et homopolaire provoque un écart entre les courants lors d’un défaut 2LG. Cet effet peut être amplifié par la contribution non conventionnelle d’une source SERMO. 

Cette étude cherche à améliorer la performance énergétique et le confort thermique des bâtiments résidentiels au Canada en intégrant des matériaux réfléchissants et des systèmes de végétation verticale à base de mousse. Les matériaux réfléchissants réduisent l'absorption de chaleur des surfaces des bâtiments, diminuant ainsi les besoins en climatisation, les coûts énergétiques et les émissions de gaz à effet de serre. Ces matériaux sont particulièrement efficaces dans les zones urbaines pour atténuer l'effet d'îlot de chaleur. Les systèmes de végétation à base de mousse, avec peu d'entretien, améliorent la qualité de l'air et fournissent une isolation naturelle, augmentant l'efficacité énergétique des bâtiments. La recherche utilise des simulations basées sur les archétypes de Ressources naturelles Canada (RNCan) et de la norme ASHRAE pour des bâtiments construits en 1980 et 2020 dans trois grandes villes : Montréal, Toronto et Vancouver. Les géométries des bâtiments sont modélisées dans Rhino3D, permettant d'évaluer les impacts énergétiques sous des conditions climatiques variées. Les tests en laboratoire auront lieu à l'Université Concordia pour évaluer ces systèmes dans des environnements réels. Cette recherche vise à démontrer la viabilité de ces approches innovantes pour promouvoir la durabilité urbaine et améliorer la qualité de vie.

Les pourvoiries isolées, très dépendantes des génératrices, produisent des GES (gaz à effet de serre) et assument des coûts élevés. Face à l'intégration croissante des véhicules électriques (VE), il est essentiel de développer des solutions durables pour la recharge des VE dans ces sites hors réseau.

Cette recherche vise à optimiser l’utilisation des surplus d’énergie solaire pour la recharge des VE à l’aide des bornes dynamiques. Elle propose un modèle combinant les panneaux photovoltaïques (PV), les génératrices et les batteries pour améliorer l'efficacité énergétique tout en réduisant les coûts.

L'analyse commence par l'optimisation du système d'alimentation hybride de chaque pourvoirie étudiée, selon sa consommation électrique sans VE, à l'aide du logiciel Homer Pro. Ensuite, divers systèmes PV, dépassant les besoins de base des pourvoiries, sont simulés pour évaluer les surplus d’énergie disponibles. Des stratégies de recharge dynamique sont développées pour exploiter au mieux ces surplus. Par ailleurs, la fiabilité et la robustesse des systèmes seront validées avec le logiciel ETAP.

Les résultats indiquent qu'il est possible d’alimenter les bornes de recharge sans augmenter l’usage des génératrices, en installant des systèmes PV surdimensionnés. Un dimensionnement adéquat des installations PV est important pour assurer des surplus suffisants pour la recharge des VE. Des recommandations ciblées pour optimiser la gestion de l’énergie dans les pourvoiries isolées seront proposées.

Le Canada, riche en ressources hydriques, offre des opportunités pour l'installation de systèmes photovoltaïques flottants (FPVS), qui consistent en des panneaux photovoltaïques montés sur des structures flottantes sur des plans d'eau. Cela contribue à réduire les conflits d'utilisation des terres agricoles pour les cultures, le logement ou d'autres usages. Cette étude compare les performances des systèmes photovoltaïques terrestres (OPVS) aux FPVS sur le lac de l'Université de Sherbrooke, intégré dans son complexe de recherche multiscalaire en hydrologie, hydraulique et environnement, en simulant leurs comportements thermiques et électriques.
Les résultats montrent que les FPVS bénéficient d'une réduction de l’évaporation et d'un effet de refroidissement naturel, avec une température moyenne des modules inférieure à celle des OPVS, ce qui améliore leur efficacité énergétique. De plus, les FPVS produisent davantage d'énergie grâce à la réflexion de la lumière sur l'eau. Cependant, l'analyse met en évidence des défis, tels que les besoins en ancrage pour résister aux rafales de vent et l'impact potentiel sur l'écosystème aquatique. Cette étude souligne les opportunités offertes par les FPVS pour des environnements tels que les réservoirs et les bassins hydroélectriques au Canada, tout en évaluant les contraintes spécifiques à leur installation et à leur exploitation.

Les travaux de recherche menés en doctorat explorent la surveillance et le diagnostic des grands alternateurs hydroélectriques via l'auto-encodeur variationnel, une technique d'apprentissage profond en se basant sur les signaux vibroacoustiques. Une modélisation numérique d'un alternateur hydroélectrique sur Ansys Workbench a été utilisée pour générer des signatures fréquentielles de défauts, essentielles en raison de l'impossibilité de créer des défauts en conditions réelles. Ces signatures sont intégrées à des signaux réels pour constituer une base de données servant à l'apprentissage et à la validation du modèle d'intelligence artificielle. La surveillance en temps réel permet de détecter précocement les défauts, en se basant sur deux métriques développées qui minimisent les fausses alertes et surpassent les méthodes traditionnelles, même avec l'injection du bruit gaussien. L'exploration de l'espace latent du modèle, un espace à dimension réduite (2D), a permis un diagnostic efficace, chaque état de la machine étant représenté par un cluster coloré. Ensuite, un terme de désirabilité a été intégré à la fonction objective du modèle pour standardiser le modèle de diagnostic pour qu'il soit potentiellement applicable à toutes les machines. Ces travaux, en collaboration avec Hydro-Québec, favorisent le transfert technologique vers l'industrie, optimisant la surveillance.

Le dimensionnement des systèmes hybrides d’énergies renouvelables suscite un intérêt croissant dans la recherche, notamment pour répondre aux enjeux environnementaux, en particulier pour la réduction des gaz à effet de serre. Les études montrent que les sources d’énergie renouvelable, comme le solaire et l’éolien, peuvent contribuer à cette réduction, sachant que le secteur de l’électricité représente à lui seul 41 % des émissions totales. Cependant, leur variabilité due à l’intermittence des conditions météorologiques reste un défi. Pour pallier cette instabilité, ces sources sont souvent couplées à des systèmes de stockage d’énergie (batteries) ou à des générateurs (diesel, gaz naturel).

Le défi est de trouver un système optimisé qui réponde aux besoins énergétiques tout en tenant compte des aspects économiques, sociaux et environnementaux. Des outils comme HOMER ou des techniques comme l’optimisation par essaims particulaires (OEP) sont fréquemment utilisés. Toutefois, ces méthodes peuvent nécessiter des ajustements importants selon les besoins. Cette recherche propose une approche basée sur l’apprentissage par renforcement profond (ARP), qui utilise un système de récompenses pour optimiser le dimensionnement énergétique. Des expérimentations ont été menées sur différents profils de demande, et les résultats montrent que l’approche par ARP surpasse OEP dans plusieurs cas.

L'augmentation constante de la demande énergétique et l'intérêt pour la décarbonation de la production d'électricité, afin de lutter contre les changements climatiques, ont grandement favorisé le développement des énergies renouvelables, telles que l'éolien et le photovoltaïque. Cependant, ces technologies entraînent des changements majeurs dans la protection des réseaux électriques.

Cette recherche présente une étude expérimentale menée sur des relais de protection commerciaux (protection de distance). Il a été observé que la contribution non conventionnelle d'une source d'énergie raccordée au moyen d'onduleur (SERMO), causée par une variation de fréquence, peut, lors d'un défaut ligne-ligne (LL), entraîner une mauvaise opération de l'élément de blocage de ligne ouverte. L'étude contribue principalement à l'identification d'une source potentielle de dysfonctionnement des protections de distance.

La méthodologie employée repose sur l’utilisation de résultats transitoires menant à cette défaillance et réalisés sur le logiciel EMTP afin de tester les relais commerciaux. Par la suite, une étude MATLAB est menée afin de valider l’hypothèse. 

Les résultats montrent qu'un déphasage entre les sources aux extrémités d'une ligne, provoqué par une variation de fréquence, peut entraîner un écart entre les courants lors d'un défaut LL. Cet écart peut se rendre au point où le relais identifie incorrectement cet état comme une ligne ouverte, bloquant ainsi le déclenchement des protections.

L’intégration des énergies renouvelables dans nos bâtiments, typiquement avec des panneaux photovoltaïques (PV), est essentielle pour accélérer leur transition vers le carboneutre (net-zéro) et réduire nos émissions de gaz à effet de serre (GES). Toutefois, seulement 20 % de l’énergie qui atteint les panneaux PV sont convertis en électricité, alors que le reste est perdu en chaleur. Les capteurs hybrides photovoltaïques et thermiques (PV/T) permettent d’extraire la chaleur normalement relâchée par les cellules PV, augmentant leur efficacité en les refroidissant, et produisant une source de chaleur pouvant être utilisée pour les bâtiments. Toutefois, étant donné leur nature hybride, l’énergie thermique disponible en période hivernale est typiquement à de basse température limitant son utilisation pour le chauffage des bâtiments.

Cette étude consiste à une analyse du potentiel annuel de l’utilisation des capteurs PV/T au Québec pour réduire notre consommation et nos pointes énergétiques journalières. Le bâtiment du Laboratoire des technologies de l’énergie d’Hydro-Québec équipé de capteurs PV/T opérationnels situé en façade est utilisé comme étude de cas. Un modèle calibré sur les données mesurées est utilisé pour évaluer diverses configurations et dimensionnement de systèmes PV/T et son stockage énergétique pour répondre à la charge de chauffage hivernale élevée des bâtiments québécois.

La qualité de l’environnement intérieur des bâtiments scolaires représente un enjeu majeur de santé publique dans l’ère post-Covid. Une meilleure qualité de l’environnement intérieur augmente les capacités cognitives des élèves pour un meilleur apprentissage.

Cette étude consiste à évaluer la qualité de l'environnement intérieur d'un bâtiment scolaire des années 1970 par des mesures expérimentales déjà réalisées pendant les saisons hivernale et estivale. Les mesures concernent la qualité de l’air intérieur, le confort thermique ainsi que les consommations énergétiques.

La méthodologie déployée consiste à mener une analyse holistique des mesures expérimentales et le développement d’un modèle numérique pour la simulation thermique dynamique. L’objectif étant de proposer des solutions de réhabilitation du bâtiment afin de se conformer aux réglementations en vigueur et celles du futur en s’appuyant sur le modèle développé comme un outil d’aide à la décision.

Les principaux résultats préliminaires ont montré que la ventilation nocturne est une technique efficace pour améliorer la qualité de l’air intérieur du bâtiment. L’isolation de l’enveloppe du bâtiment par l’extérieur et une meilleure exploitation de l’inertie thermique demeurent de bonnes stratégies pour maintenir le confort thermique des élèves. Enfin, l’hybridation du système de chauffage actuel avec une pompe à chaleur permettra de diminuer la consommation énergétique tout en maintenant un bon confort thermique.