Amélioration des performances des réseaux autonomes hybrides dans le nord du Québec

Compte tenu de l’immense territoire et l’épart extrême de sa population, le Canada regroupe un peu plus de 300 communautés où habitent 200 000 personnes. La plupart des régions isolées du monde utilisent des combustibles fossiles tels que le gaz, le pétrole et le charbon en tant que source d’énergie. Mais malheureusement, ces énergies fossiles sont non renouvlables, coûteuses et polluantes. Pour cela, les énergies renouvelables comme le vent, l’énergie solaire et le débit de l’eau ont reçu beaucoup d’attention en raison de leur disponibilité locale et de leurs capacités de renouvellement, de plus ils sont écologiques. Néanmoins, ces sources sont intermittentes stochastiques et ils ne peuvent pas fournir l’énergie directement à la charge. Donc, l’utilisation des autres sources non intermittentes, telles que la génératrice diesel et les éléments de stockage comme les batteries associées aux sources d’énergies renouvelables est nécessaire pour garantir une alimentation ininterruptible, compenser les fluctuations de puissance et réduire la pollution.

Notre micro réseau est composé des différentes sources d’énergie qui fonctionnent en parallèle d’où la nécessité d’utiliser des algorithmes sophistiqués afin de les contrôler et d’assurer un fonctionnement sécuritaire, optimisé et stable. Les buts ultimes de ce travail de recherche sont de garantir un bon fonctionnement du micro-réseau, d’assurer un approvisionnement continu de la charge, de garantir une réduction de l’utilisation du carburant et d’une optimisation et extraction de la puissance maximale.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire consiste à réaliser un superviseur de gestion d’énergie dans le but d’assurer la gestion de l’écoulement de la puissance des différentes sources d’énergie tout en garantissant un bon partage de puissance. Également, le superviseur gère l’écoulement de la puissance de façon à réduire l’utilisation des générateurs diesel et prolonger leur durée de vie, il assure aussi la synchronisation des deux générateurs diesel avec le point de raccordement. Pour un fonctionnement stable, un contrôle central est donc utilisé pour la régulation de la tension et de la fréquence aux points de raccordement du système. Un contrôle basé sur une méthode de statisme modifié est considéré pour le partage des puissances entre les deux génératrices utilisées dans le système. Un algorithme MPPT est aussi utilisé afin d’extraire le maximum de puissance du système photovoltaïque.

Le Canada est placé sixième en production d’électricité dans le monde. Les sources propres présentent la partie majoritaire en production d’électricité au pays. En 2017, l’électricité produite du charbon représentait seulement 9 %, 10 % provenant du gaz naturel et d’autres produits pétroliers, et 7 % provenant des sources renouvelables non hydrauliques, alors que le 60 % qui reste provient des sources hydrauliques. Le Canada est classé le deuxième en production d’hydroélectricité dans le monde. Le Canada produit de l’énergie nucléaire à partir d’une technologie qui est conçue au Canada (les réacteurs CANDU) qui représente 15,9 % de l’électricité produite au pays. La production d’électricité à partir de l’énergie éolienne présente 3,5 % d’électricité globale au Canada, tandis que l’énergie solaire et la biomasse en produit respectivement 1,4 et 0,3 %.

En 2015, l’association canadienne de l’électricité a publié un rapport intitulé : énergisé les territoires du Canada dans lequel elle décrivait les nombreux défis que connaissent les territoires, dans le but de prendre davantage de mesures pour renforcer les réseaux énergétiques des collectivités éloigné du nord. Selon certains témoins, comme Sergio Marchi, présidentdirecteur général de cette association, l’amélioration de l’état des réseaux électriques vieux et improductifs et la modernisation des centrales au diesel vieillissantes est recommandée par le comité.

Les sites isolés au Canada 

Les zones qui ne peuvent pas être reliées au réseau public de distribution d’électricité ou au moyen d’une source conventionnelle ou de gaz naturel de longue distance sont appelées zone isolée et qui peut être des sites, des régions des communautés ou des villages. La population n’a cessé d’augmenter malgré la diminution de nombres des zones isolées lors des quinze dernières années, pour cela, la demande d’approvisionnement énergétique a augmenté également (Martinez, 2015). Le caractère géographique (zone montagneuse, îles.) Des communautés éloignées expliquent l’absence de raccordement de ces sites à un réseau de distribution principal d’électricité ou de gaz. Ce caractère rend la connexion aux réseaux principaux très difficiles à cause des coûts très élevés des installations des lignes électriques  sur grandes distances ainsi que les pertes qui en découlent lors de cette distribution (Ibrahim, Younès, Ilinca, & Perron, 2007). Cette difficulté explique la dépendance envers les combustibles qui proviennent de l’extérieure ainsi que leur coût très élevé. Pour ces raisons, les sites éloignés sont équipés par des technologies qui leur permettent de produire et utiliser leur propre énergie qui est principalement produite par les génératrices diesel. Malgré la stabilité, la fiabilité et la continuité que cette machine assure, elle présente plusieurs inconvénients au niveau de l’énergie, l’économie et l’environnement. La capacité dieselélectrique installée dans les régions canadiennes éloignées n’est pas  négligeable vu qu’elle dépasse 430 MW. Les génératrices consomment plus de 400 millions de litres de diesel chaque année. Au Québec seul, cette capacité s’élève à 144 MW, selon les projections actuelles, les besoins de ces communautés atteindraient 160 MW pour l’année 2015. La production totale des génératrices utilisées par HQ dans les régions éloignées au Québec est estimée à 300 GW par année (Canada, 2019) .

Afin de produire de l’électricité et garantir une production stable, les régions isolées dépendent fortement des génératrices diesel. Malheureusement, cette ressource n’est pas renouvelable et devient de plus en plus limitée, en outre la non-disponibilité du carburant qui nécessite d’être transporté soit par voies terrestres, aériennes ou maritimes présente un réel problème. Hydro Québec estime les pertes annuelles résultantes de la différence entre le prix de revient de l’électricité dans les sites isolés et celui dans le reste du Québec d’à peu près 133 millions de dollars. En 2014, le coût de l’électricité pouvait s’élever à près de 1,3 $/kW contre 0,06 $/kW, cet écart de prix ne va pas diminuer à cause de l’augmentation constante du prix du pétrole (Canada, 2019). Enfin, on constate que l’utilisation de la génératrice comme une seule source de production de l’énergie n’est pas toujours efficace et n’est pas une solution fiable. Outre les contraintes des ressources et les contraintes économiques, l’utilisation des génératrices a un impact significatif sur l’environnement dû à l’émission non négligeable de gaz à effet de serre. Cet impact devient plus important avec la détérioration et le vieillissement de la machine. Ce qui pousse les chercheurs à trouver d’autres alternatives. Également, les machines ne sont pas recyclables ce  qui rend le problème plus grave, car ils vont polluer l’environnement par le phénomène de rouille. Le coût élevé des carburants fossiles dans les réseaux autonomes ainsi que les différentes problématiques relatives à l’usage des génératrices ouvrent les portes à l’utilisation des énergies renouvelables afin de diminuer l’utilisation de ces machines (Ibrahim, 2010).