Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

II y a plus de 200,000 canadiens qui vivent dans environ 300 communautés isolées, qui ne sont pas connectées aux réseaux électriques provinciaux ou territoriaux. La plupart de ces communautés sont alimentées en électricité via des groupes électrogènes Diesel et subissent ainsi les coûts de carburant qui ne cessent d'augmenter ainsi que les autres frais d'exploitation comme le transport du carburant, la maintenance de Diesel et la dégradation de la qualité de l'air. La perte annuelle d'Hydro-Québec dans les réseaux isolés, résultant de l'écart entre le coût de production de l'électricité et sa tarification, s'élève à 133 millions de dollars.

Les énergies renouvelables dont principalement l'énergie éolienne, constituent un potentiel important pour réduire la dépendance à l'égard des combustibles fossiles dans les réseaux électriques. Au cours des deux dernières décennies, il y a eu un taux accéléré des installations d'éoliennes de grande taille, sous forme de grands parcs connectés aux systèmes électriques provinciaux ou nationaux. Les coûts pour ces grandes éoliennes ont diminué jusqu'au point où ils commencent à être comparables aux technologies traditionnelles de génération d'électricité. Cependant, l'intermittence de l'énergie éolienne empêche les parcs éoliens de fonctionner d'une façon autonome dans les sites isolés qui sont paradoxalement très riches en cette ressource naturelle.

Les Systèmes Hybrides Éoliens-Diesel (SHED) s'imposent donc comme alternative presqu'unique aux génératrices Diesels. Le Taux de Pénétration en Puissance (TPP) éolienne est un facteur important pour la réduction de la consommation de carburant. Pour des questions de rentabilité, les SHED à haut TPP ne sont pas encore rentables, et ceci principalement à cause de la dissipation de l'énergie éolienne durant les périodes où la puissance éolienne disponible est supérieure à la demande.

Le stockage d'énergie excédentaire est une des solutions pour augmenter la rentabilité des ces installations. Des recherches récentes ont conclu que la technique de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé dans des cavernes souterraines est la plus adéquate pour les applications SHED compte tenu de ses différents points forts comme le coût, la densité énergétique, la densité de puissance, la durabilité et l'efficacité. Cette technique est très mature et présente déjà à Huntorf en Allemagne et Macintosh en Alabama aux États-Unis, mais combinée avec des turboréacteurs à gaz naturel connectés au réseau central de l'électricité.

Afin de permettre la transformation de l'excès de l'énergie éolienne en air comprimé et transformer l'air comprimé en électricité, il est nécessaire d'avoir un ou plusieurs convertisseurs. Proposer une série de compresseurs et de moteurs à air comprimé est une solution coûteuse qui ne peut probablement pas voir le jour à cause de son manque de rentabilité. Une solution économiquement viable serait une hybridation pneumatique du groupe électrogène Diesel, déjà existant sur place, le transformant en un Moteur Hybride Pneumatique-Diesel (MHPD) capable de jouer, en plus de son rôle initial, le rôle d'un moteur à air comprimé et celui d'un compresseur d'air, d'où l'idée d'un Système Hybride Eolien - Diesel - Air Comprimé (SHEDAC) proposée et étudiée dans le détail dans cette thèse.

Cette thèse présente une analyse détaillée des modifications à apporter au moteur Diesel afin de le transformer en un MHPD. Elle expose également une optimisation du concept ainsi qu'une évaluation de son apport en termes d'économie de carburant dans un site cible et ceci pour différentes hypothèses de volume de stockage d'air et de TPP éolienne installée.

Dans le village isolé nord-Canadien Tuktoyaktuk, actuellement équipé d'une génératrice Diesel de 1 MW, la production d'électricité nécessite 1080 tonnes de carburant par an. Si un SHED à haute pénétration (TPP = 2) était mis en place dans ce village, la consommation de carburant serait seulement 561 tonnes par an, soit une baisse de 48%. En ajoutant un système de stockage d'air comprimé de 100,000 m3 et en transformant le moteur Diesel en un MHPD, la consommation annuelle de carburant baisserait encore de 13%, pour atteindre 415 tonnes.

Afin d'obtenir ce gain significatif, il est nécessaire d'apporter plusieurs modification au moteur Diesel d'origine. Parmi ces modifications, on note principalement :

1. l'ajout de deux vannes trois voies, une installée dans le conduit d'admission, reliant celui-ci soit à la sortie du compresseur soit à la sortie du réservoir d'air comprimé ; et une installée dans le conduit d'échappement, connectant celui-ci soit à l'entrée de la turbine, soit à l'air libre ; 2. le remplacement du système de distribution par arbre à came par un système de distribution électromagnétique ou piézo-électrique permettant de prendre le contrôle, via un dispositif externe, sur les instants d'ouverture et de fermetures des soupapes d'admission et d'échappement du moteur ; 3. la prise sous contrôle du système d'injection via un dispositif extérieur, permettant d'actionner ou de couper l'injection du carburant, et d'en contrôler la quantité et la durée.

Le contenu de la thèse est présenté sous forme de cinq articles originaux publiés ou soumis à des journaux scientifiques avec comité de lecture, ainsi que trois articles publiés dans des congrès scientifiques avec comité de lecture. Chacun de ces articles fait, au moment de sa soumission, l'objet de l'état de l'avancement de l'étude, selon la méthodologie détaillée dans le chapitre I.

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Canada has over 200,000 citizens living in remote communities, many of whom rely on diesel generators for their electricity supply. The economical cost of energy is therefore very high due to not only inherent cost of fuel but also to transportation and maintenance costs. The environmental cost of energy is also high as the use of fossil fuels for electricity generation is a significant source of greenhouse gas emissions.

Renewable energy for remote areas is being investigated to reduce the oil dependency. Among all renewable energies, the wind energy experiences the fastest growing rate, at more than 30% annually for the last 5 years in Canada, which led to significant reduction in installation cost. However, the intermittency of this free energy makes impossible replacing the Diesel generators by wind farms in remote areas. The use of hybrid Wind-Diesel Systems (WDS) is therefore the only reasonable alternative to Diesels. For a WDS, the fuel saving is higher for greater Wind Power Penetration Rate (WPPR), which is the ratio of the maximal wind generated power to the maximal load. Unfortunately, WDS with high WPPR are not cost - effective due to the high amount of wasted energy that occurs when the wind power is higher than the load. For this reason, adding an energy-storage element to the WDS is the only way to increase the WPPR and therefore the fuel savings.

Previous studies proved that Compressed Air Energy Storage (CAES) is very adequate for WDS due to its low cost, high power density, good efficiency and reliability. In order to store and restore energy, one or several pneumatic converters are needed. Knowing that the maximal power of the air motors existing in the market does not exceed 5 kW, suggesting the addition of several air motors and compressors would not be cost effective. To solve this problem, this research suggests a pneumatic hybridization of the existing Diesel engine in order to transform it into a Hybrid Pneumatic-Diesel Engine (HPDE) able to operate as a conventional Diesel engine, an air compressor and air motor. The innovative idea of doing a multi-hybrid wind-Dieselcompressed air system is therefore born.

This thesis investigates in details all the modifications of the Diesel engine required to transform it into a HPDE. It presents an optimization of the concept and an evaluation of its potential of fuel-savings generated by a WDS-HPDE power generation compared to a Diesel-only power generation and a WDS power generation, depending on the WPPR and the storage capacity, in a certain area.

The North-Canadian remote village Tuktoyaktuk is presently equipped with a Diesel power supply system of 1MW capacity. The power production consumes 1080 tons of fuel every year. If a high penetration WDS (WPPR=2) were installed, the power production would consume only 561 tons of fuel, i.e. 48% less. By adding a CAES of 100,000 m3 and turning the Diesel engine into an HPDE, the fuel consumption of the multi-hybrid system for generating the power in Tuktoyaktuk would be only 415 tons, i.e. 13% less.

To obtain this significant fuel economy, the following modifications of the Diesel engine's architecture are necessarily:

1. The addition of two 3-way valves: the first one, installed in the admission duct, connects the engine's intake either to the charger's outlet or to the CAES tank ; the second one, installed in the exhaust duct, connects the engine's exhaust either to the turbine's inlet or to the atmosphere; 2. The replacement of the cam-driven valve system by an electromagnetic or a piezoelectric valve system. The timing and duration of opening and closing of intake and exhaust valves could therefore be controlled via an external device. 3. The control of the fuel injection system (duration and timing) via an external device.

This thesis is produced in the form of five original papers published or submitted to international journals and three papers published in international conferences with reviewing committee. Each of these journal-articles summarizes the results of one part of the methodology explained in the first chapter.