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TECHNOLOGIES PERMETTANT DE

RÉDUIRE L'UTILISATION DU DIESEL

DANSLES TERRITOIRES DES RÉSEAUX

AUTONOMESD'HYDRO-QUÉBEC

Préparépar :

Philip Raphals

Søren Krohn

Martin Tampier

Préparé pour :

Hydro Québec

Direction Régionale-Réseaux Autonomes

Planification du Réseau

15 mai 2006

CENTRE HÉLIOS

15 mai 2006

Technologies permettant de réduire l'utilisation du diesel dans lesréseaux autonomes pagei

TABLE DES MATIÈRES

1.INTRODUCTION1

2.CONTEXTE1

3.REMARQUES GÉNÉRALES3

4.MÉTHODOLOGIE DE CALCULS ET PARAMÈTRES UTILISÉS4

5.ORGANISATION DES FICHES7

6.FICHES TECHNIQUES10

6.1.Réseau de chauffage urbain10

Fiche 1 : Chauffage urbain (cogénération)11

6.2.Électricité thermique21

Fiche 2: Cogénération à la biomasse22

Fiche 3: Biodiesel29

Fiche 4: Biogaz35

Fiche 5: Microturbines à gaz40

6.3.Électricité renouvelable45

Fiche 6 : Énergie marémotrice46

Fiche 7 : Énergie hydrocinétique54

Fiche 8: énergie des vagues59

Fiche 9: Solaire photovoltaïque65

Fiche 10: Petites éoliennes70

6.4.Énergie thermique76

Fiche 11: Thermopompes77

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Technologies permettant de réduire l'utilisation du diesel dans lesréseaux autonomes pageii

Fiche 12: Solaire thermique83

Fiche 13: Fournaises plus efficaces87

Fiche 14: Fournaises à granules debois92

Fiche 15 : Stockage de chaleur99

6.5.Stockage d'énergie104

Fiche16: Hydrogène avec piles à combustibles105

Fiche 17 : Stockage par air comprimé115

Fiche 18: Pompage hydraulique120

Fiche 19: Volant d'inertie125

Fiche 20 : Hyper condensateurs129

Fiche 21 : Demande d'électricité différable ou optionnelle134

7.CONCLUSIONS138

7.1.Production d'électricité et cogénération142

7.2.Stockage d'électricité143

7.3.Chaleur144

7.4.Comparaisons145

7.5.Technologies prometteuses146

7.6.Prochaines étapes147

ANNEXE I-GRAPHIQUES SOMMAIRES149

ANNEXE II-PROGRAMMES FÉDÉRAUX SURLESÉNERGIESRENOUVELABLES154

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Technologies permettant de réduire l'utilisation du diesel dans lesréseaux autonomes page1

1.INTRODUCTION

Ce rapport présenteune série defiches techniques décrivant les technologiespotentiellement utilisables dans les réseaux autonomes dans leNorddu Québec.Cesfiches renseignentsur une gamme d'aspectsde chaque technologie, ycompris: le coût parkilowatt et parkilowattheureproduit, la performance anticipée dans un climat froid, les contraintes de construction, d'opération et de maintenance, les qualifications requises du personnel, l'intégration avec le réseau électrique et les sources d'électricité existantes, le statut de la technologie et les fournisseurs potentiels, la durée de vie de l'équipement, les contraintes liées aux ressources locales, le déplacement de dieselou de mazout, et les émissionsde gaz à effet de serre (GES).

Tel que précisé dans notre soumission, les fiches sont précédéesdedossiers de quelques pages

qui élaborentlescaractéristiques techniques de chaque technologie, l'évolution passée et prévue

de ses coûts, ou les possibles synergies avec d'autres technologies et approches.

2.CONTEXTE

Hydro-Québecdessertenviron une vingtaine de réseaux autonomes qui sont alimentés par des

groupes diesel. La substitution du diesel par des ressources renouvelables était déjà un objectif

important même avant la hausse récente des prix des carburants fossiles. Dans la conjoncture actuelle, cet intérêt est devenu pressant.

En principe, le coût élevé des carburants fossiles dans les réseaux autonomesdevraitouvrirla

porteàdes alternatives basées sur les énergies renouvelables qui sont encore trop chères dans les

régionsayant accès au réseau principal.Cette étude exploredoncle potentiel de ces alternatives

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Technologies permettant de réduire l'utilisation du diesel dans lesréseaux autonomes page2

pour réduire les besoins en carburants fossiles tout en maintenant la stabilité etlafiabilité du

réseau électrique.

Deplus, la demande en électricité est en hausse dans les réseaux autonomes, ce quinécessitesoit

une augmentation des capacités existantes,soitle rajout d'autres sources d'électricitépour

fournir de l'énergie supplémentaire. La capacité des réservoirs en carburants fossiles estaussi

une contrainte importante, étant donné les coûts élevés qui accompagneraient son expansion.

En même temps, le marché des technologies en énergie renouvelable a évolué fortement au cours

des années passées. Plusieursdesnouveaux concepts et technologiesprésentés icipourraient être

employés pour alléger la situation dans les réseaux autonomes, tout enrespectantle principe de

la durabilité et les obligations du Canada vis-à-visdela réduction desémissions deGES.

Certaines de ces technologies sont déjà disponibles à des coûts concurrentiels dans le contexte

des réseaux autonomes. D'autres sont encore plus chères que le diesel, maispourraientdevenir rentablesàcourtou moyen terme, dû entre autres aux améliorations technologiques. Il existe aussi des technologies émergentes qui ne sont pas encore disponibles au niveau commercial, mais quiachèverontprobablementcette maturité d'ici quelques années.Ilest conseilléde

surveiller le développementdecelles-ciau cours des années à venir pour réévaluer leur potentiel

decontributionaux besoins des réseaux autonomes. Les besoins en chaleur sont égalementpourvuspar les produits pétroliers dans les réseaux

autonomes. Trouver des alternatives basées sur la biomasse, lesthermopompes, la cogénération

ou le solairethermiquepourrait offrir des opportunitésderéduire le coût annuel des services mais aussi lesémissions de GES.Ces alternatives permettraient depoursuivre un chemin plus durable etderemédier à la hausse de demande pour les carburants tout en évitant

l'aggrandissement des réservoirs existants. Dans l'optique de minimiser les coûts économiques et

environnementaux pour répondre aux besoins énergétiques des communautés éloignées, il

importe d'élargir nos horizons au-delà de la fournitured'électricité, pour identifierlessynergies

importantesqui peuvent exister entrelesdiversesactivitésde la Direction RégionaleRéseaux Autonomes, d'une part, et ses clients, de l'autre. La comparaison technique et économique des technologies disponiblesest doncune première étape dans la planification des réseaux autonomes. Elle constitue unoutild'identificationdes

technologies les plus prometteuses pour gérer les problèmes qui s'y posent présentement et à

l'avenir.

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Technologies permettant de réduire l'utilisation du diesel dans lesréseaux autonomes page3

3.REMARQUES GÉNÉRALES

L'objectifdes fiches contenues dans ce rapport est de présenter un survol de différentes énergies

renouvelables et technologies dans l'énergie, survol qui constitue un premier pas dans l'évaluation de la technologie pour les réseaux autonomes dans le Nord du Québec.Ces

technologies ont été retenues parce qu'elles offrent des solutions potentiellement intéressantes,

d'un point de vue économique et environnemental, aux demandes d'énergie dans ces petites communautés isolées. Aucune des fiches n'a l'ambition de présenter un examen exhaustif de la technologie en

question. Cette approche se veut plutôt un outil qui permettra aux gestionnaires d'Hydro-Québec

de faire uneévaluation préliminairede l'applicabilité de chacune des technologies au contexte

local. Notre mandatexcluaitcertaines technologies,soitparce qu'elles ont récemment fait l'objet d'un compte rendu dans d'autres publications,soitparce qu'il s'agit de technologies qui sont déjà

misesen oeuvre par Hydro-Québec. C'est le cas de la génération au diesel, des petits et grands

barrages et également, avec les rapports récents de l'IREQ,dujumelage éolien-diesel à haute

pénétration. L'incinération des déchets ne fait pas partie des technologies incluses dans notre

mandat, même s'il aurait pu être intéressant de l'intégrer. D'autres technologiesqui auraient pu faire l'objet d'un examende ce typeincluentles concentrateurs solaires(commeceluiutilisé dans la communauté d'OkotoksenAlberta), les

turbinesàgazcentralisées, les installations dechauffage urbain (autre quecogénération),etles

nouveauxtypes de batteries pour le stockage(dont notamment la batterie redox à vanadium). Il seraitégalementimportantd'étudierles synergies résultantesdela combinaison de différents systèmes.Soulignonscependantqu'il n'est pas toujours possible de tirer des conclusions sans modéliser en détail une situation particulière. Il fautégalementsouligner que la portée de cemandatn'inclut pas l'évaluation des ressources

naturelles de chaque communauté en termes de potentiel éolien, hydroélectrique, de biomasse ou

de géothermie, ni un inventaire des infrastructures existantes, des conditions géotechniques et

des routes, des aspects logistiques,ou autres,reliés à la géographie locale. Ces limites empêchent

les auteurs d'en venir à une conclusion quelconque concernant la convenance desdifférentes

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Technologies permettant de réduire l'utilisation du diesel dans lesréseaux autonomes page4 technologies pourunecommunautédonnée, et signifient également que toutes les estimations de

coûts devraient être considérées comme des calculs synthétiques, qui pourraientne pas convenir

aux contextesréelsdes villages. Alors que nous avons tenté de faciliter la comparaison entre les fiches,il est important d'en

reconnaître les limites. Le haut degré d'incertitude associé avec des estimations génériques de ce

type, combiné avecle fait que, pour chaque fiche, nous avons essayé de décrire laconfiguration

la plus plausible,fait en sorte que lescoûts associés à chaque technologiesont précisés à titre

indicatifet ne sont pas nécessairement strictement comparables.

Celadit, les fiches sont construites de manière à pouvoir facilement modifier leurs différents

paramètres. Cela s'applique aux coûts de transport, aux principes d'amortissement, aux coûts des

carburants ou à d'autres aspects. Il est prévu qu'Hydro-Québec s'appuiera sur son expérience

pourajuster les calculs selon ses besoins.

4.MÉTHODOLOGIEDE CALCULS ETPARAMÈTRESUTILISÉS

Lorsquecela étaitpossible, nous avons tenté d'estimer le coût de revient des technologies

examinées. Cet exercice esttruffé de difficultés, duesnotamment aux grandes différences entre

une communauté et une autre à l'égard, par exemple,dela disponibilité des ressources etdeleur

qualité,descoûtsrequis pour intégrer de nouvelles ressources au réseau existant, etdubesoin de

nouvellescapacités de production.À cela s'ajoute les profils de production très différents des

différentes technologies, ainsi que l'évolution rapide des coûts de celles qui sont en voie de

maturation. Nos estimations de coût se basent, lorsque possible, sur descoûts réels des

installations existantes. Or, les coûts d'un projet pilote sont inévitablement beaucoup plus élevé

qu'ils le seront une fois la maturité commerciale atteinte.Pour toutes ces raisons, les coûts présentés ici ne sont qu'une première approximation.

Le RETSCREEN,un logiciel canadienpour évaluer la production énergétique, le coût du cycle

de vie et la réduction des émissions de GES pourcertainestechnologies renouvelables,fut employélorsquecela étaitpertinent.Dans le casdes analyses RETSCREEN,nous avons choisi la latitude55°, paramètre important pour certaines technologies comme le solaire. C'est une latitude moyenne pour le Québec duNord(Schefferville),maiscertaines communautés peuvent être situées plusaunord que 60°de latitude.

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Technologies permettant de réduire l'utilisation du diesel dans lesréseaux autonomes page5 TableauValeurs de base utilisées pourlescalculs de rendement

ParamètreValeur

Coûtprésentde l'électricité (diesel)0,40$/kWh

Coût dediesel(livré)1,23$/litre

Coût de mazout(livré)1,09$/litre

Utilisationducarburant diesel0,3 l/kWh

Émissions diesel (groupe électrogène)800 kg CO2/MWh

0,3 kg PM10/MWh1

10 kg NOx/MWh1

0,25 kg SO2/MWh1

Émissions mazout (chauffage résidentiel d'eau et d'air, efficacité moyenne de 73,5%)

340 kg CO2/MWhth

0,1 kg PM10/MWhth

4,2 kg NOx/MWhth0,11 kg SO2/MWhth

Contenu en énergie mazout/diesel37,9 MJ/litre

Efficacité d'un système chauffageaumazout76% (efficacité moyenne)

Efficacité d'une chaudière d'eau65%

Surcoût d'installation aux réseaux autonomesvariable selonla technologie

Latitude géographique55°

Valeur d'un crédit de CO215 $ par tonne

1http://www.ecy.wa.gov/programs/air/PDFS/Non-roadDieselStudy.pdf, p. 60;dieselà bas contenu en soufre

(0,05%) Le déplacement de diesel fut calculésur labased'une consommation de 0,3 litre par kWh produite, ou surlabase d'une efficacité du chauffaged'airde76%(74% pour la moyenne du chauffage d'air et eau).Le diesel et le mazout sont traitéscomme équivalents. Ainsi, pour une

technologie qui diminue l'utilisation de mazout mais augmente celle de l'électricité diesel, ou

vice versa, c'est le net entre les deux combustibles qui est utilisé aux fins de l'analyse.

Le déplacement en émissions de gaz d'effet de serre fut calculéde la même façon, surlabase de

2,66 kg de CO2par litre de dieselou de mazout. Ce chiffre comprend seulement les émissions

directes lors de la combustion; ilne tient pascomptenides émissions pour la productiondu combustible, nidecelles attribuables à la productiondes équipements.Les fiches donnent alors unepremière estimationde l'effet de chaque technologie en ce qui concerne les réductions en émissions, maisellesne remplacent pasdecalculsplusdétaillés sur un projet précis.

Le coût de combustible diesel utilisé est de 67 ¢ le litre avant taxes (96 ¢ avec taxes).C'estle

prix de février 2006, qui correspondait à un prix d'environ 60 $lebarildepétrole. Les coûts d'investissement ont été estimés en distinguant lescoûtsd'acquisitionet

d'installation. Le coût d'acquisition est majoré par un coût de transport, qui peutvarierselon la

relation entre le poids et le coût d'un équipement. Pour un groupe diesel, le coût de transport est

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Technologies permettant de réduire l'utilisation du diesel dans lesréseaux autonomes page6 estimé à 100 % du coût d'acquisition; pour des panneaux photovoltaïques,onl'estime à seulement 10 % du coûtde l'équipement. En cequi concernele coût d'installation, les coûtstypiquespour le sud sont majorés par un

surcoût pourlesrégions éloignées.En règlegénérale, nous avons estimé ce surcoût à 50 %du

coût de basedel'installation. Pourlescoûts en capital des équipements,suivant l'approche suggérée par HQRA,nous avons

estimé les coûts de la première année,y comprisles frais financiers et l'amortissement,comme

étantégal à10 % de l'investissementtotal. Notons cependant que cette approche a l'effet de

surestimerd'une partles coûts en capital pour des équipementsayant une très longue durée de

vie, comme par exemple les actifs d'un réseau municipal de distribution de chaleur (fiche 1) ou d'un système d'accumulation par pompage hydraulique (fiche 17), et de sous-estimerd'autre partces coûts pour les actifs de courte vie utile, comme par exemple les piles à combustibles (fiche 16).

Dans le tableau suivant, cette approche de calcul est appliquéeà la production d'électricité par

des groupes électrogènes fonctionnant audiesel, d'une part, et par le chauffage résidentiel à base

de mazoutd'autre part. Ces calculs nous donnent des coûts de 40,4 ¢ par kWh pour l'électricité,

et de 15,7 ¢ par kWhthpour le chauffage, incluant les coûts en capital.Les coûtsunitaires

d'opérationseraient légèrement plus bas, soit37,5¢/kWhpour le diesel et14,0¢/kWhpour le

chauffage au mazout.

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Technologies permettant de réduire l'utilisation du diesel dans lesréseaux autonomes page7

COÛT DE REVIENT

par unitépar kWpar unitépar kW puissance installée, kW (système type)10001121 investissement requis ($/système) coût d'acquisition850 000 $850 $3 000 $250 $ coût d'installation15%150 000 $150 $560 $47 $ transport100%850 000 $850 $600 $50 $ surcoût installation50%75 000 $75 $280 $23 $ Total investissement requis1 925 000 $1 925 $4 440 $370 $

Paramètres spécifiques

facteur d'utilisation75,0%75,0%0,0%0,0%

MWh annuelle par système6570,06,642,53,5

durée de vie (ans)10101010

Coûts annuels

Frais fixes

- Amortissement et intérêts10%192 500 $193 $444 $37 $ - O&M fixe-$-$280 $23 $ - total Frais fixes192 500 $193 $724 $60 $

Frais variables

- diesel/mazout2 432 214 $2 432 $5 762 $480 $ - O&M variable32 850 $33 $202 $17 $ - total Frais variables2 465 064 $2 465 $5 964 $497 $ Total Coûts annuels2 657 564 $2 658 $6 688 $557 $

Coût unitaire (¢ /kWh)

Coût unitaire d'opération (¢ /kWh)37,514,0 dieselmazout

40,415,7

5.Organisation des fiches

Les fiches qui suivent sont présentées danscinqgroupes.Soulignons que plusieurs des

technologies étudiées peuvent être développéesde façoncentralisée ou décentralisée. Lorsque

cela estpertinent, les deux options sont examinées à l'intérieur d'une seule fiche.

5.1.Réseaude chauffage urbain

Ce groupe consisteenune seule fiche, qui présente les coûts d'installation d'un réseau de chauffage urbain. La mise en place d'un tel réseau ouvre la porte àplusieurs technologies de cogénération ou de production centralisée de chaleur.

5.2.Électricitéthermique

Ledeuxièmegroupe présente quatre technologies de production thermique d'électricité, dont

troisutilisantdescombustiblesde source renouvelable.Ce sont:

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Technologies permettant de réduire l'utilisation du diesel dans lesréseaux autonomes page8 fiche2:centrale de cogénération à la biomasse, fiche3: remplacement du dieselfossileavec biodiesel, fiche4: biogaz, et fiche5: microturbines.

Quoiqu'elleutilise ducombustible diesel, cette dernière technologie est analysée notamment à

cause de son grand potentiel pour la cogénération, ce qui permettrait de réduire l'utilisation de

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