Étude et conception d'un générateur hybride d'électricité de type éolien-diesel avec élément de stockage d'air comprimé

摘要

Dans la plupart des régions isolées, le générateur diesel est la source principale d'énergie électrique. Pour ces régions, le prix d'extension du réseau électrique est prohibitif et le prix du combustible augmente radicalement avec l'isolement. La baisse continue des prix des générateurs basés sur l'énergie renouvelable et la fiabilité croissante de ces systèmes ont mené à une plus grande utilisation des sources d'énergie renouvelable pour la génération d'énergie électrique dans les régions isolées.ududAu Québec, en parallèle avec un essor de l'énergie éolienne, principalement sous forme de grands parcs reliés aux réseaux centraux de distribution, l'alimentation électrique des sites isolés, par des diesels, pose toujours d'immenses défis techniques et financiers. En effet, cette production d'électricité est relativement inefficace, très onéreuse et responsable de l'émission de grandes quantités de ga2 à effet de serre (GES). Avec l'explosion des prix du carburant et les coûts élevés de transport, les pertes financières sont ainsi colossales. Ces déficits, 133 millions de dollars par année selon Hydro-Québec1, reflètent l'écart entre les coûts élevés de production locale d'électricité dans ces régions et le prix uniforme de l'électricité.ududParadoxalement, la plupart de ces communautés sont situées dans des régions possédant une ressource éolienne suffisante pour une exploitation commerciale. L'utilisation du jumelage éolien-diesel (JED) dans ces réseaux autonomes pourrait donc réduire les déficits d'exploitation. Cependant, la rentabilité du JED est atteinte à la condition d'obtenir un taux de pénétration élevé de l'énergie éolienne (TPE)2 ce qui est possible uniquement en utilisant des systèmes de stockage. Après une étude approfondie basée sur une analyse critique de toutes les caractéristiques des technologies de stockage d'énergie possible, il a été proposé une solution qui répond à tous les exigences techniques et financières tout en assurant une fiabilité d'approvisionnement électrique de ces sites. Il s'agit du système hybride éolien-diesel avec stockage d'air comprimé (SHEDAC). Cette étude a mené à l'élaboration de deux rapports techniques, un article de revue et cinq articles de conférence. Ces ouvrages présentent un tour d'horizon des technologies de stockage d'énergie en détaillant leurs caractéristiques techniques, leurs avantages et leurs inconvénients. Cette recherche a mené à l'élaboration d'une nouvelle méthode de choix caractérisée par l'indice de performance des technologies de stockage d'énergie où la détermination de cet indice peut être obtenue à partir d'une série de matrices d'aide à la décision. ududL'utilisation de l'air comprimé comme agent de stockage d'énergie s'adapte parfaitement autant à la production éolienne qu'aux diesels. En principe, l'air comprimé stocké dans les réservoirs durant les périodes de surplus de production éolienne (forts vents) serait injecté dans les génératrices diesel pour des applications à moyenne échelle (villages, îles, ...) ou bien dans des moteurs à air comprimé pour des applications à petite échelle (stations de télécommunication, postes de frontières, ...) et ceci durant les périodes de faible production éolienne (vents faibles ou nuls). Ce système hybride agirait en temps réel afin de maintenir optimalement l'équilibre entre la puissance générée et consommée en réalisant une diminution remarquable de la consommation en carburant quelque soit le niveau de la puissance appelée.ududUne modélisation de chaque système a été réalisée en fonction de sa nature d'application. Pour des utilisations à faible échelle, le cas d'une station de télécommunication, propriété de l'entreprise Bell-Canada, située à Kuujjuarapik a été choisi pour l'étude. Le dimensionnement du système hybride éolien-diesel-air comprimé à petite échelle (SHEDACPE) a été basé essentiellement sur le choix de la centrale éolienne où des modèles numériques ont été élaborés pour : (1) calculer la quantité d'énergie éolienne produite et stockée, (2) déterminer la capacité du compresseur utilisé (pression maximale, débit, puissance, nombre d'étages de compression, ...) , (3) calculer la taille du réservoir de stockage d'air comprimé et le nombre d'unités de stockage, (4) déterminer le temps de charge et de décharge ainsi que les contraintes mécaniques du réservoir de stockage (épaisseur, limite de rupture, ...) , (5) dimensionner la capacité du moteur d'air comprimé utilisé (pression maximale, débit, puissance, nombre d'étages de détente, ...), (6) élaborer l'algorithme du fonctionnement et du contrôle du système dans sa globalité et enfin (7) réaliser une étude écologique et économique dans le but de déterminer la rentabilité du système et ses avantages environnementaux. Cette étude a permis d'élaborer un article de revue, trois articles de conférence et un rapport technique.ududPour des utilisations à moyenne échelle, le cas d'un village nordique, Tuktoyaktuk, a été choisi pour l'étude. La modélisation du système hybride éolien-diesel-air comprimé à moyenne échelle (SHEDACME) n'a pas pris en compte le choix de l'éolien et le dimensionnement du système de compression et de stockage d'air comprimé étant donné que ce sont les mêmes modèles statistiques et thermodynamiques qui seront utilisés. Par contre, seulement le système de la suralimentation du moteur diesel a été modélisé. Sachant que tous les moteurs diesel utilisés dans les sites isolés sont déjà équipés d'un système de suralimentation par turbocompresseur, les méthodes envisagées pour suralimenter les moteurs diesel par l'air comprimé stocké doivent prendre en considération la présence du turbocompresseur. Plusieurs méthodes possibles de suralimentation des moteurs diesel en utilisant de l'air comprimé stocké ont été répertoriées : (1) l'utilisation d'une turbine à air en série sur l'axe du turbocompresseur, (2) le double étage de suralimentation, (3) l'admission en amont du compresseur, (4) l'admission directe dans le moteur, (5) la suralimentation hyperbar, (6) la suralimentation avec le cycle de LENOIR pressurisé et (7) la suralimentation avec downsizing. Les diverses solutions proposées ont été évaluées afin de pouvoir dégager la technologie candidate la plus performante et adaptable au système éolien-diesel en utilisant les critères suivants : l'efficacité, la simplicité, l'adaptabilité, le coût et le système de contrôle. Une fois le choix déterminé, l'analyse thermodynamique a porté sur la résolution des équations de pression et température de l'air aux passages à travers le filtre à air, les échangeurs de chaleur, le compresseur, la chambre de combustion et la turbine à gaz. Il faut ajouter les équations du bilan d'énergie au niveau du vilebrequin du moteur diesel et à l'axe du turbo afin d'être en mesure de déterminer les performances optimales du système. Les résultats obtenus ont été appliqués sur les moteurs diesels utilisés dans le village nordique de Tuktoyaktuk dans le but de quantifier réellement l'économie en carburant obtenue grâce à l'utilisation du SHEDACME et la diminution des émissions de gaz à effet de serre. Cette étude a permis d'élaborer deux articles de revue, quatre articles de conférence et deux rapports techniques.ududEnfin, un banc d'essais a été réalisé à l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) afin de pouvoir valider expérimentalement les résultats théoriques obtenus à partir de la modélisation numérique du SHEDACME. Une des conceptions proposées pour la suralimentation des moteurs diesels a été appliquée au moteur utilisé. Les résultats obtenus ont confirmé la validité de l'idée proposée, la suralimentation supplémentaire d'un moteur diesel, et même ont ouvert la porte à d'autres applications dans les applications mobiles (véhicules civils et militaires par exemple). Pour des raisons logistiques et financières, le banc d'essais concernant le SHEDACPE et le système de compression et du stockage d'air comprimé n'a pas été réalisé.ududLes résultats, théoriques et expérimentaux, obtenus le long de cette thèse ont démontré le grand potentiel du système hybride éolien-diesel-stockage d'air comprimé pour les deux types d'applications à petite et à moyenne échelle. Cependant, d'autres travaux sont requis : (1) élaborer une stratégie de commande pour les deux systèmes, (2) réaliser une étude plus détaillé dans le cas d'un SHEDACME en prenant en considération le profil de charge d'un village nordique, (3) réaliser une étude économique et écologique plus détaillée en prenant en considération tous les facteurs possibles pouvant influencer sur la rentabilité du système, etc.