210 - La transition énergétique au nord du 49e parallèle

Les villages nordiques du Nunavik ne sont pas reliés au réseau hydroélectrique du Québec, ce qui entraîne une dépendance aux combustibles fossiles pour l’énergie et a entraîné de nombreux problèmes environnementaux négatifs. Au cours des dernières années, l’intérêt pour l’énergie solaire a augmenté dans la région pour réduire la dépendance au diesel. Pour réduire davantage la dépendance aux combustibles fossiles au Nunavik, cette recherche vise à réduire la consommation nette d’énergie des bâtiments de la région, grâce à des capteurs photovoltaïques/thermiques intégrés au bâtiment (PVTIB). Un prototype de PVTIB à air a été construit et testé au laboratoire de simulation solaire et de chambre environnementale de l’Université Concordia en utilisant l’irradiance et les températures ambiantes typiques d’une journée d’hiver ensoleillée au Nunavik. Les résultats ont montré que les températures de l’air ont augmenté de plus de 30 °C et que des rendements thermiques de plus de 50 % ont été atteints. Les données expérimentales seront utilisées pour l’étalonnage et la validation du modèle de simulation afin d’améliorer davantage les paramètres du IBPVT pour améliorer l’efficacité thermique et électrique. Les performances d'un système PVTIB couplé à une pompe à chaleur solaire pour climat froid seront examinées numériquement pour étudier les avantages potentiels pour le chauffage des locaux et les possibilités de stockage thermique.

Dans le monde, 1,06 milliard de personnes n'ont pas accès aux réseaux électriques, et certaines utilisent des réseaux isolés pour s'alimenter en électricité. C'est le cas de la majorité des communautés du Nunavik, au nord du Québec. Ces communautés consomment du diesel pour générer l'électricité nécessaire, notamment pour le chauffage. Cette consommation atteint environ 27,8 millions de litres annuellement, impactant significativement les émissions de gaz à effet de serre ainsi que la faune et flore locales.

L'enjeu consiste à implanter des éoliennes suppléées par des batteries (BESS) pour alimenter continuellement ces communautés en énergie renouvelable. Cependant, ces batteries nécessitent des systèmes auxiliaires (ventilation, gestion de charge, système de conversion de puissance) qui consomment une partie de l'énergie stockée.

Cette recherche vise à analyser en temps réel les charges auxiliaires d'un système d'entreposage d'énergie relié à un micro-réseau, afin de déterminer la réduction maximale possible de consommation de diesel grâce à un système BESS performant. L'objectif final est de minimiser l'utilisation des générateurs diesel lorsque l'apport en énergie renouvelable s'avère insuffisant. Cette analyse s’effectuera par l’intermédiaire d’une simulation des charges du micro-réseaux.

Ce travail présente un outil en Python pour l’analyse technico-économique de l’intégration des énergies renouvelables dans les microréseaux isolés. Il combine un simulateur et un optimiseur basés sur des algorithmes génétiques. Le simulateur intègre une stratégie de gestion de l’énergie qui privilégie les sources renouvelables et le stockage, tout en assurant l’alimentation de la charge grâce aux générateurs diesel. Une stratégie de répartition optimise l’utilisation d’un nombre prédéfini de générateurs selon les besoins du microréseau.  L’optimiseur exploite les résultats du simulateur dans un processus itératif d’optimisation mono- ou multi-objectif. Dans l’étude de cas, il vise à minimiser le coût nivelé de l’énergie et à maximiser la réduction de l’utilisation du diesel. Pour accélérer la convergence, des tables préliminaires générées par recherche exhaustive réduisent l’espace de recherche initial.  Cet outil modulaire et adaptable surmonte les limitations des logiciels commerciaux comme HOMER. Son application à un microréseau au Nunavik montre que le niveau optimal de pénétration renouvelable peut réduire jusqu’à 87 % la consommation de diesel. Ces résultats soulignent son potentiel pour des applications nécessitant des solutions concrètes en faveur de la décarbonation.

Les émissions de GES liées au secteur industriel s’élevaient en 2022 à 13 MtCO2, 16% des émissions liées au système énergétique québécois. L’exploitation minière et la production de pétrole et de gaz représentent 789 ktCO2, soit 6% des émissions liées à l’industrie. Un réel besoin de décarboner les besoins énergétiques de l’industrie minière du Nord du Québec se fait donc ressentir. Une des solutions proposées pour réaliser cette décarbonation est l’accélération de l’intégration des énergies renouvelables bas-carbone dans le mix énergétique des mines isolées du réseau d’Hydro-Québec. Cette haute pénétration d’énergie renouvelable amène le défi technique de la stabilité de ces micro-réseaux isolés. L’intermittence des énergies renouvelables est un caractère déterminant pour la stabilité des micro-réseaux. Cette variation représente en effet une perturbation non négligeable des génératrices synchrones. Or celles-ci sont en grande partie responsables du contrôle de la fréquence électrique sur les micro-réseaux. La plupart des installations consommatrices sont en général conçues pour fonctionner à une fréquence prédéfinie et sont très sensibles à une variation de fréquence. Dans un contexte d’électrification croissante des équipements miniers, mettre au point une stratégie de contrôle des ressources énergétiques, tenant compte de l’intermittence de l’énergie éolienne, et permettant une alimentation électrique saine représente donc un enjeu majeur pour la décarbonation des mines.

De manière générale, l’optimisation des micro-réseaux est un défi majeur en raison des incertitudes liées à la consommation énergétique, aux fluctuations des énergies renouvelables et aux données souvent incomplètes ou limitées. Les réseaux antagonistes génératifs (GAN) peuvent jouer un rôle crucial dans l’optimisation de micro-réseau en générant  de scénarios énergétiques réalistes et la complétion des données manquantes, ce qui améliore la gestion énergétique et la prise de décision. Deux cas pratiques permettront d’illustrer l'apport des GAN dans l'optimisation des micro-réseaux. Premièrement, la génération de scénarios de charge et de production énergétique : en entraînant un GAN sur des données historiques de consommation, de météo et de production éolienne, il est possible de générer des séries temporelles réalistes sous différentes configurations énergétiques. Cela permet aux gestionnaires d'anticiper et d’optimiser l’utilisation efficiente des stockage d’énergie (batteries) et des sources d’énergie. Deuxièmement, la reconstruction des données manquantes : dans un micro-réseau isolé, les pannes de capteurs entraînent des lacunes dans les séries de consommation et de production. Un GAN peut reconstruire ces données de manière cohérente, améliorant ainsi la précision des modèles d’optimisation. Ces approches démontrent que les GAN peut constituer un outil puissant pour la gestion intelligente des micro-réseaux.

Les émissions de CO2 causées par les activités humaines sont principalement responsables des changements climatiques. L’industrie minière occupe une place prépondérante dans ce constat en tant que l’un des plus grands consommateurs mondiaux d’énergie, représentant environ 10% de la consommation mondiale, et contribuant à hauteur d’environ 6% des émissions de gaz à effet de serre. Cette situation est principalement due à l’utilisation de combustibles fossiles, correspondant à 62% de l’énergie finale consommée. Afin de réduire son impact environnemental, il est inévitable que le mode de fonctionnement de l’industrie minière évolue vers la production d’énergie locale à partir de sources renouvelables. Cependant, ces technologies se distinguent par leur caractère intermittent. Par ailleurs, l’un des enjeux significatifs de cette industrie réside dans le fait qu’environ 40% de l’énergie finale consommée est dissipée sous forme de chaleur.  Cette communication vise à présenter une solution permettant de tirer parti de ces pertes thermiques tout en résolvant la problématique d’intermittence des technologies d’énergies renouvelables : le stockage d’énergie par pompage thermique multi-énergétique, illustré par le cas d’une mine en milieu nordique Canadien. Seront présentés le principe de fonctionnement de ce système ainsi que les premiers résultats d’une analyse de dimensionnement.