Étude énergétique et modélisation d'un système hybride éolien-diesel avec stockage d'air comprimé (SHEDAC)

摘要

RÉSUMÉ: Actuellement le Canada et plus spécialement le Québec, comptent une multitude de sites isolés dont l'électrification est assurée essentiellement par des génératrices diesel à cause, principalement, de l'éloignement du réseau central de distribution électrique. Bien que considérée comme une source fiable et continue, l'utilisation des génératrices diesel devient de plus en plus problématique d'un point de vue énergétique, économique et environnemental. Dans le but d'y résoudre et de proposer une méthode d'approvisionnement plus performante, moins onéreuse et plus respectueuse de l'environnement, l’usage des énergies renouvelables est devenu indispensable. Différents travaux ont alors démontré que le couplage de ces énergies avec des génératrices diesel, formant des systèmes hybrides, semble être une des meilleures solutions. Parmi elles, le système hybride éolien-diesel avec stockage par air comprimé (SHEDAC) se présente comme une configuration optimale pour l'électrification des sites isolés. En effet, différentes études ont permis de mettre en avant l'efficacité du stockage par air comprimé, par rapport à d'autres technologies de stockage, en complément d'un système hybride éolien-diesel. Plus précisément, ce système se compose de sous-systèmes qui sont: des éoliennes, des génératrices diesel et une chaîne de compression et de stockage d'air comprimé qui est ensuite utilisée pour suralimenter les génératrices. Ce processus permet ainsi de réduire la consommation en carburant tout en agrandissant la part d'énergie renouvelable dans la production électrique. À ce jour, divers travaux de recherche ont permis de démontrer l'efficacité d'un tel système et de présenter une variété de configurations possibles. À travers ce mémoire, un logiciel de dimensionnement énergétique y est élaboré dans le but d'uniformiser l'approche énergétique de cette technologie.udCet outil se veut être une innovation dans le domaine puisqu'il est actuellement impossible de dimensionner un SHEDAC avec les outils existants. Un état de l'art spécifique associé à une validation des résultats a été réalisé dans le but de proposer un logiciel fiable et performant. Dans une logique visant l’implantation d'un SHEDAC sur un site isolé du Nord-du-Québec, le logiciel développé a été, ensuite, utilisé pour réaliser une étude énergétique permettant d'en dégager la solution optimale à mettre en place. Enfin, à l’aide des outils et des résultats obtenus précédemment, l'élaboration de nouvelles stratégies d'opération est présentée dans le but de démontrer comment le système pourrait être optimisé afin de répondre à différentes contraintes techniques. Le contenu de ce mémoire est présenté sous forme de trois articles originaux, soumis à des journaux scientifiques avec comité de lecture, et d'un chapitre spécifique présentant les nouvelles stratégies d'opération. Ils relatent des travaux décrits dans le paragraphe précédent et permettent d'en déduire un usage concluant et pertinent du SHEDAC dans un site isolé nordique. -- Mots clés : système hybride, éolien-diesel, air comprimé, stockage, site isolé, logiciel énergétique, dimensionnement, stratégie d'opération. -- ABSTRACT: udCurrently, Canada and especially Quebec, consist of a multitude of remote areas where the electrification is essentially insured by the use of diesel generators because of the remotness from the main electricity grid. Although regarded as a reliable and continuous source, the use of generators is becoming more and more problematic from an energy, economic and environmental point of view. In order to solve these problems and propose a more efficient supply method, cheaper and more environmentally friendly, the use of renewable energy has become indispensable. Various studies have shown that the coupling of these energies with diesel generators, forming hybrid systems, seems to be one of the best solutions. Among them, the wind-diesel hybrid systems with compressed air storage (WDCAS) is as an optimal configuration in remote areas. Indeed, various studies have put forward the compressed air storage efficiency, compared to other storage technologies, in addition to a wind-diesel hybrid system. More exactly, the system consists of sub-systems which are: wind turbines, generator, and a compressed air storage process which is subsequently used to supercharge the generators. This process makes it possible to reduce fuel consumption while expanding the ratio of renewable energy in electricity production. To date, various researches has demonstrated the effectiveness of this system and presented variety of possible configurations.udThrough this master thesis, a WDCAS sizing software is developed to standardize the energy approach of this technology. This tool is meant to be an innovation in the field because it's currently impossible to sizing this system with existing tools. A state of the art associated with a specific validation of the results was carried out in order to provide a reliable and powerful software. In logic to implement a WDCAS in a northern Quebec remote area, the developed software was used to carry out an energy study to bring out the solution to implement. Finally, using the previous tools and results, the development of new operating strategies is presented in order to demonstrate how the system could be optimised depending on various technical constraints. The content of this paper is presented in the form of three original articles, submitted to scientific journals with peer, and a chapter presenting the new operating strategies. They talk about the work described in the previous paragraph and allow to infer conclusive and relevant use of WDCAS in a northern remote area. -- Mot(s) clé(s) en anglais : hybrid wind-diesel system, compressed air storage, remote area, energy software, sizing, operating strategies.