analyse technico-conomique d'un systme hybride olien

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UNIVERSIT DE MONTRALANALYSE TECHNICO-CONOMIQUE DUN SYSTME HYBRIDE OLIEN-PHOTOVOLTAQUE EN COMPARAISON AVEC LES SYSTMESPHOTOVOLTAQUE ET OLIEN SEULSJOSANNE BLANGER-GRAVELDPARTEMENT DE GNIE CHIMIQUECOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRALMMOIRE PRSENT EN VUE DE LOBTENTIONDU DIPLME DE MATRISE S SCIENCES APPLIQUES(GNIE MTALLURGIQUE)DCEMBRE 2011 Josanne Blanger-Gravel, 2011.UNIVERSIT DE MONTRALCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRALCe mmoire intitul:ANALYSE TECHNICO-CONOMIQUE DUN SYSTME HYBRIDE OLIEN-PHOTOVOLTAQUE EN COMPARAISON AVEC LES SYSTMES PHOTOVOLTAQUEET OLIEN SEULSprsent par : BLANGER-GRAVEL Josanneen vue de lobtention du diplme de : Matrise s sciences appliquesa t dment accept par le jury dexamen constitu de :Mme DESCHNES Louise, Ph.D., prsidenteM. SAVADOGO Oumarou, D. dtat, membre et directeur de rechercheM. MASCLE Christian, Doctorat s Sciences, membre et codirecteur de rechercheM. DESCHNES Daniel, M.Sc.A., membreiiiDDICACE mes jeunes frres et surs,Joe, Alexandra, Marc-Antoine et Jrmy,qui sont mon inspiration, ma force.Et Raphal,mon soutien et ma motivation,sans qui ce mmoire naurait jamais abouti.ivREMERCIEMENTSTout dabord, un grand merci Professeur Savadogo, mon directeur de recherche, pour sonhumour, sa grande gnrosit et pour sa comprhension et son appui dans mes dmarches tout aulong de la matrise.Merci Professeur Mascle, co-directeur de recherche, pour ses relectures et les discussionsintressantes.Je remercie aussi les autres membres du jury davoir accept linvitation.Merci Raphal, pour ton soutien indispensable. Merci davoir mis mon service tes comptencesen programmation, ce qui ma fait pargner beaucoup de temps.Merci mes frres et surs, surtout les plus vieux qui malgr leur jeune ge ont comprislimportance de ma dmarche et mont encourage, dfendue et soutenue tout au long de mestudes. Merci Joe ! Merci Alexe ! Merci Marco !Je remercie les gens du bureau pour leurs encouragements, merci Shant, Franois-Xavier,Nima, Michel, Jonathan et Marie. Merci mes collgues, anciens collgues et amis : Ricardo,Kelvin, Shirley, Rodrigo, Rmi et Antoine pour avoir pris le temps de prendre des nouvellesrgulirement et pour vos encouragements, votre support. Parmi vous, merci tous ceux qui sesont proposs pour maider terminer ce mmoire.Merci tous ceux que jaurais oubli et qui ont particip la russite de ce mmoire.vRSUMVu la grande superficie du territoire qubcois, de nombreuses habitations sont isoles ou unedistance importante du rseau lectrique, donc les cots de raccordement au rseau sont gonflset souvent, le raccordement est tout simplement impossible. Les systmes autonomes sont doncintressants pour alimenter en lectricit les habitants de ces rgions. Lutilisation de gnratricescarburant aux nergies fossiles est la solution actuelle. Les systmes seuls, olien ouphotovoltaque, ncessitent beaucoup daccumulateurs pour pallier lintermittence desgisements. Les systmes hybrides autonomes avec des panneaux solaires photovoltaques et desoliennes sont donc une solution potentielle limitant lintermittence des ressources. Lanalyse dediverses combinaisons de systmes est ralise en situation hors rseau et connecte au rseau.Lhypothse principale de ce travail est que si un systme photovoltaque est joint un systmeolien hors rseau au Qubec, cela permet de diminuer les moments sans apport dnergie, doncon diminue les possibilits dintermittence du systme. Ainsi, la quantit daccumulateursncessaires peut tre diminue. Cette diminution du nombre daccumulateurs et de la taille dessystmes installs se traduit en conomies pour lensemble du systme. Lobjectif tait decomparer des systmes hybrides oliens-photovoltaques avec des systmes photovoltaque ouolien seuls pour un site hors rseau au Qubec et par rapport d'autres sites ailleurs dans lemonde. Par une comparaison, la situation actuelle (disel et connecte au rseau) a aussi ttudie. Dans un premier temps, les systmes seuls sont tudis. Lanalyse des diffrentescombinaisons de systmes hybrides hors rseau et connecte au rseau est effectue. Loriginalitdu projet provient dans laddition dun systme photovoltaque un systme olien dans uncontexte qubcois et hors rseau.Globalement, les systmes seuls, oliens ou photovoltaques, sont une option moins viable queloption des systmes combins utilisant ces deux nergies. En gnral, pour le cas des systmesautonomes, il est conomiquement rentable dajouter des oliennes aux systmes avec gnratricedisel. Si les cots des quipements ou du disel voluent, lajout de panneaux solaires cessystmes sera justifi. Quand les cots dlectricit auront lgrement augments et que les cotsde rachat de llectricit par le rseau seront intressants, lajout de panneaux solaires,doliennes et de gnratrices disel au systme sera rentable pour le particulier dans le cas desystmes connects au rseau.viABSTRACTGiven Quebecs vastness, numerous homes are located in remote areas or considerably far awayfrom the electric grid. Tying these homes to the grid is often very expensive or even impossible.Stand-alone systems are thus prime candidates to provide the energy requirements for theinhabitants of isolated locations. Currently, fossil fuel generators are the most widespreadsolutions. Wind- or photovoltaic-only systems require large amounts of batteries to compensatefor the intermittence of resource availability. Stand-alone hybrid systems that combine both windturbines and photovoltaic solar panels address this issue. Various combinations of both stand-alone and grid-connected systems are analysed.The premise of this work is that the addition of photovoltaic panels to a stand-alone wind-turbinesystem (in Quebec) will increase the systems robustness to resource intermittence therebyreducing the number of required accumulators. This reduction coupled with the resultingreduction in overall system size would lead to monetary savings. The objective was to comparehybrid wind and photovoltaic systems with wind- and photovoltaic-only systems for a number ofoff-grid sites in Quebec and abroad. The results are compared with the current -- diesel and grid-connected situation. This works contribution lies in the study of the coupling of photovoltaicsystems with wind turbine systems in off-grid Quebec areas.Overall, wind- or photovoltaic-only systems are less viable that hybrid systems that use bothtechnologies. For stand-alone systems, it is usually cost effective to add wind-turbines to dieselgenerator systems. If equipment or fuel costs were to increase, it would then become cost-effective to also add solar panels. When the grid power price will have increased and sellbackprices become worthwhile, adding solar panels, wind turbines and diesel generators to even grid-tied systems will become cost-effective.viiTABLE DES MATIRESDDICACE................................................................................................................................... IIIREMERCIEMENTS ..................................................................................................................... IVRSUM........................................................................................................................................ VABSTRACT ..................................................................................................................................VITABLE DES MATIRES ...........................................................................................................VIILISTE DES TABLEAUX.............................................................................................................XILISTE DES FIGURES...............................................................................................................XIVLISTE DES SIGLES ET ABRVIATIONS ............................................................................XVIILISTE DES ANNEXES.......................................................................................................... XVIIIINTRODUCTION........................................................................................................................... 1CHAPITRE 1 REVUE DE LITTRATURE ............................................................................. 41.1 Les systmes hybrides ......................................................................................................41.2 Situation qubcoise du photovoltaque et des habitations isoles ..................................61.2.1 Habitations en milieu isol...........................................................................................61.2.2 nergie fournie par les diffrentes technologies de panneaux solaires ........................61.3 Dimensionnement.............................................................................................................61.3.1 Systme photovoltaque ...............................................................................................71.3.2 Systme olien..............................................................................................................71.3.3 Systme avec gnratrice au disel ..............................................................................71.3.4 Systmes hybrides ........................................................................................................71.4 Dveloppement durable et analyses de cycle de vie ........................................................81.4.1 ACV des systmes seuls...............................................................................................91.4.2 ACV des diffrentes technologies................................................................................9viii1.4.3 ACV des diffrentes sources dnergie ......................................................................111.4.4 Aspects communs entre les diffrentes tudes ...........................................................141.4.5 Conclusions gnrales des ACV ................................................................................151.4.6 Analyse conomique ..................................................................................................161.4.7 Analyse de laspect social ..........................................................................................17CHAPITRE 2 PRSENTATION DES LOGICIELS............................................................... 182.1 Survol des diffrents logiciels ........................................................................................182.1.1 Logiciels pour le photovoltaque................................................................................182.1.2 Logiciels pour lolien ...............................................................................................192.1.3 Logiciels pour les nergies renouvelables..................................................................192.2 Paramtres pour le choix des logiciels ...........................................................................192.2.1 Langue........................................................................................................................202.2.2 Accessibilit tous.....................................................................................................202.2.3 Plusieurs technologies disponibles.............................................................................212.2.4 Systmes hors rseau..................................................................................................222.2.5 Simulation de systmes dans plusieurs pays ..............................................................222.2.6 valuation des cots...................................................................................................222.2.7 Optimisation des systmes .........................................................................................222.3 Logiciels choisis .............................................................................................................222.4 Prsentation de HOMER................................................................................................272.4.1 Principales caractristiques ........................................................................................282.4.2 Interfaces ....................................................................................................................292.4.3 Donnes entrer.........................................................................................................332.4.4 Rsultats pouvant tre obtenus ...................................................................................35ix2.4.5 Options possibles........................................................................................................372.5 Prsentation de RETScreen ............................................................................................392.5.1 Principales caractristiques ........................................................................................392.5.2 Interfaces ....................................................................................................................412.5.3 Donnes entrer.........................................................................................................432.5.4 Rsultats pouvant tre obtenus ...................................................................................45CHAPITRE 3 MTHODOLOGIE........................................................................................... 463.1 Dmarche gnrale du projet..........................................................................................463.2 Stratgie pour ltude des systmes seuls ......................................................................473.3 Stratgie pour ltude des systmes hybrides.................................................................473.4 Mthodologies spcifiques aux simulations...................................................................483.5 Mthodologie pour le systme photovoltaque ..............................................................483.6 Mthodologie pour le systme olien.............................................................................493.7 Mthodologie pour le systme disel .............................................................................493.8 Rsultats analyser ........................................................................................................49CHAPITRE 4 PRSENTATION DES DONNES UTILISES ............................................ 504.1 Demande nergtique globale dune rsidence au Qubec ............................................504.1.1 Profil de consommation par mois pour lanne .........................................................504.1.2 Profils journaliers .......................................................................................................514.1.3 Rpartition de la demande nergtique pour le secteur rsidentiel ............................534.2 valuation de la demande nergtique en lectricit pour une rsidence moyenne ......544.2.1 Comparaison des donnes de gisement solaire RETScreen et HOMER ...................55CHAPITRE 5 VALIDATION DES SIMULATIONS ET EFFET DU GISEMENT SUR LACONSOMMATION...................................................................................................................... 565.1 Validation des donnes densoleillement de RETScreen et dHOMER ........................56x5.2 Validation des simulations avec la consommation totale Saint-Hubert ......................575.2.1 Comparaison des calculs manuels et des simulations pour le dimensionnement ......585.2.2 Comparaison entre Saint-Hubert et un lieu trs ensoleill.........................................615.2.3 Comparaison entre Saint-Hubert et un lieu trs venteux............................................665.2.4 Validation avec les fichiers disponibles dans HOMER ou RETScreen .....................69CHAPITRE 6 TUDE COMPARATIVE DES SYSTMES SEULS, HYBRIDESAUTONOMES ET HYBRIDES CONNECTES AU RSEAU................................................... 706.1 tudes des systmes seuls avec HOMER et RETScreen ...............................................706.1.1 Systmes seuls avec HOMER ....................................................................................706.1.2 Comparaison des rsultats des systmes seuls de HOMER et RETScreen................726.2 Systmes hybrides ..........................................................................................................766.2.1 Systmes hybrides avec analyses de sensibilit avec consommation totale ..............766.2.2 Comparaison des systmes sans gnratrice avec ceux connects au rseau etanalyses de sensibilit ............................................................................................................886.2.3 Comparaison des systmes hybrides avec systmes connects au rseau et analysesde sensibilit ...........................................................................................................................95CHAPITRE 7 RSULTATS GNRAUX DES ANALYSES ET DES SIMULATIONS .... 98CONCLUSION ........................................................................................................................... 100LISTE DES RFRENCES ....................................................................................................... 103ANNEXES .................................................................................................................................. 106xiLISTE DES TABLEAUXTableau 2.1 Paramtres pour le choix des logiciels In my backyard ..........................................23Tableau 2.2 Paramtres pour le choix des logiciels EnergyPeriscope ........................................24Tableau 2.3 Paramtres pour le choix de logiciels Hybrid2 .......................................................25Tableau 2.4 Paramtres pour le choix des logiciels HOMER.....................................................26Tableau 2.5 Paramtres pour le choix des logiciels RETScreen.................................................27Tableau 4.1 Consommation dnergie par utilisation finale en pourcentage entre 1990 et 2007 ..53Tableau 5.1 Systme photovoltaque valu avec les gisements de HOMER et de RETScreenpour la consommation totale de 48,88 kWh/j ........................................................................57Tableau 5.2 Systme photovoltaque valu avec les gisements de HOMER et de RETScreenpour la consommation sans chauffage de 19,5 kWh/j............................................................57Tableau 5.3 Systme photovoltaque valu avec les gisements de HOMER et de RETScreenpour la consommation sans chauffage et avec appareils efficaces de 11,7 kWh/j.................57Tableau 5.4 Comparaison des calculs manuels et des simulations sous HOMER pour Saint-Hubert avec la consommation moyenne dune rsidence pour le systme photovoltaque ...59Tableau 5.5 Comparaison de calculs manuels et des simulations sous HOMER pour Saint-Hubertavec la consommation moyenne dune rsidence pour le systme olien .............................60Tableau 5.6 Comparaison de calculs manuels et des simulations sous HOMER pour Saint-Hubertavec la consommation moyenne dune rsidence pour le systme disel ..............................60Tableau 5.7 Moyenne densoleillement pour Saint-Hubert et Djibo .............................................61Tableau 5.8 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs ensoleill sous HOMER avec laconsommation moyenne dune rsidence pour le systme photovoltaque ...........................61Tableau 5.9 Dtail des cots dopration pour le systme photovoltaque Djibo pour unersidence moyenne .................................................................................................................62Tableau 5.10 Dtail des cots dopration pour le systme photovoltaque Saint-Hubert pourune rsidence moyenne ..........................................................................................................62xiiTableau 5.11 Calculs dexcs dnergie pour Saint-Hubert pour le systme photovoltaque pourune rsidence moyenne ..........................................................................................................63Tableau 5.12 Calculs dexcs dnergie pour Djibo pour le systme photovoltaque pour unersidence moyenne .................................................................................................................64Tableau 5.13 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs ensoleill sous HOMER avec laconsommation sans chauffage dune rsidence pour le systme photovoltaque ..................65Tableau 5.14 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs ensoleill sous HOMER avec laconsommation sans chauffage et avec lutilisation dappareils efficaces dune rsidence pourle systme photovoltaque ......................................................................................................66Tableau 5.15 Moyenne de gisement olien pour Saint-Hubert et Drogden ...................................66Tableau 5.16 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs venteux sous HOMER avec laconsommation moyenne dune rsidence pour le systme olien..........................................67Tableau 5.17 Dtail des cots dopration pour le systme olien Drogden pour une rsidencemoyenne .................................................................................................................................67Tableau 5.18 Dtail des cots dopration pour le systme olien Drogden pour une rsidencemoyenne .................................................................................................................................67Tableau 5.19 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs venteux sous HOMER avec laconsommation sans chauffage dune rsidence pour le systme olien.................................68Tableau 5.20 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs venteux sous HOMER avec laconsommation sans chauffage et avec lutilisation dappareils efficaces dune rsidence pourle systme olien ....................................................................................................................69Tableau 6.1 Rsum des systmes simples tudis avec HOMER pour Saint-Hubert pour laconsommation totale de 48,88kWh/j......................................................................................70Tableau 6.2 Rsum des systmes simples tudis avec HOMER pour Saint-Hubert pour laconsommation totale de 19,5kWh/j........................................................................................71Tableau 6.3 Rsum des systmes simples tudis avec HOMER pour Saint-Hubert pour laconsommation totale de 11,7kWh/j........................................................................................71xiiiTableau 6.4 Analyse de sensibilit pour les systmes hybrides avec modification du cot desbatteries ..................................................................................................................................77Tableau 6.5 Analyse de sensibilit pour les systmes hybrides avec modification du cot desoliennes.................................................................................................................................78Tableau 6.6 Analyse de sensibilit pour les systmes hybrides avec modification du cot despanneaux.................................................................................................................................79Tableau 6.7 Analyse de sensibilit pour les systmes hybrides avec modification du cot dudisel.......................................................................................................................................81Tableau 6.8 Analyse graphique du cot des panneaux en fonction du cot du disel selonlvolution du cot des oliennes en conservant le cot des batteries fixe ............................83Tableau 6.9 Analyse graphique du cot des panneaux en fonction du cot du disel selonlvolution du cot des batteries en conservant le cot des oliennes fixe ............................84xivLISTE DES FIGURESFigure 1.1 Schma typique du dveloppement durable ...................................................................8Figure 2.1 Modle conceptuel de HOMER....................................................................................28Figure 2.2 Interface HOMER Fichier vierge ..............................................................................30Figure 2.3 Interface HOMER quipements ajouter .................................................................31Figure 2.4 Interface HOMER quipements slectionns ...........................................................31Figure 2.5 Interface HOMER Ressources...................................................................................32Figure 2.6 Interface HOMER Fichier complt..........................................................................32Figure 2.7 Interface HOMER Rsultats des calculs....................................................................33Figure 2.8 Donnes fournir..........................................................................................................34Figure 2.9 Rsultats obtenus aprs simulation ...............................................................................35Figure 2.10 Rsum des rsultats ...................................................................................................36Figure 2.11 Fentre des rsultats dtaills .....................................................................................37Figure 2.12 Donnes pour les analyses de sensibilit ....................................................................38Figure 2.13 Fentre des valeurs entrer pour les analyses de sensibilit ......................................39Figure 2.14 Interface RETScreen...................................................................................................42Figure 2.15 Interface RETScreen Onglet dmarrer ..............................................................43Figure 4.1 Profils de consommation pour lanne, identifis par mois..........................................50Figure 4.2 Consommation journalire moyenne par mois .............................................................51Figure 4.3 Profils journaliers Janvier avril ...............................................................................52Figure 4.4 Profils journaliers Mai septembre ...........................................................................52Figure 4.5 Profils journaliers Octobre dcembre .....................................................................53Figure 6.1 Analyse financire RETScreen pour la consommation totale pour le systmephotovoltaque seul Saint-Hubert ........................................................................................73xvFigure 6.2 Analyse financire RETScreen pour la consommation totale pour le systme olienseul Saint-Hubert .................................................................................................................74Figure 6.3 Analyse financire RETScreen pour la consommation totale pour le systme diselseul Saint-Hubert .................................................................................................................75Figure 6.4 Analyse des systmes hors rseau pour la consommation dune maison moyenne avecles cots valus initialement .................................................................................................76Figure 6.5 Analyse graphique du cot des oliennes en fonction du cot du disel en conservantle cot des panneaux et des batteries fixe ..............................................................................85Figure 6.6 Analyse graphique du cot des batteries en fonction du cot du disel en conservant lecot des panneaux et des oliennes fixe .................................................................................86Figure 6.7 Analyse graphique du cot des oliennes en fonction du cot du disel en conservantle cot batteries fixe avec le cot des panneaux 50 % ........................................................87Figure 6.8 Analyse graphique du cot des batteries en fonction du cot du disel en conservant lecot oliennes fixe avec le cot des panneaux 50 %...........................................................87Figure 6.9 Rsultats tabuls de lanalyse des systmes photovoltaques connects rseau pour laconsommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement ..........................88Figure 6.10 Rsultats graphiques de lanalyse des systmes photovoltaques connects rseaupour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement .............89Figure 6.11 Rsultats tabuls de lanalyse du systme photovoltaque seul optimal connect aurseau pour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement ..89Figure 6.12 Rsultats graphiques de lanalyse du systme photovoltaque seul optimal connectau rseau pour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement................................................................................................................................................90Figure 6.13 Analyse de la distance du rseau pour le seuil de rentabilit du systmephotovoltaque en comparaison avec le systme connect au rseau ....................................91Figure 6.14 Rsultats tabuls de lanalyse des systmes oliens connects rseau pour laconsommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement..........................92xviFigure 6.15 Rsultats graphiques de lanalyse des systmes oliens connects au rseau pour laconsommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement..........................92Figure 6.16 Rsultats tabuls de lanalyse du systme olien seul optimal connect au rseau pourla consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement ......................93Figure 6.17 Rsultats graphiques de lanalyse du systme olien seul optimal connect au rseaupour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement .............94Figure 6.18 Analyse de la distance du rseau pour le seuil de rentabilit du systme olien encomparaison avec le systme connect au rseau ..................................................................94Figure 6.19 Rsultats tabuls de lanalyse des systmes, sans gnratrice disel, connects rseaupour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement .............95Figure 6.20 Rsultats graphiques de lanalyse des systmes, sans gnratrice disel, connectsrseau pour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement ..96Figure 6.21 Analyse des systmes connects rseau pour la consommation dune maisonmoyenne avec les cots valus initialement .........................................................................96Figure 6.22 Analyse de sensibilit sur le cot de rachat de llectricit et le prix de llectricitpour des systmes connects rseau pour la consommation dune maison moyenne avec lescots valus initialement ......................................................................................................97xviiLISTE DES SIGLES ET ABRVIATIONSACV Analyse du cycle de vieCO2 Dioxyde de carboneCOE Cost of Energy (cot de revient de lnergie)NPC Net Present Cost (cot la prsente valeur actuelle)NREL National Renewable Energy LaboratoryPV PhotovoltaqueRNCREQ Regroupement national des conseils rgionaux de lenvironnementxviiiLISTE DES ANNEXESANNEXE 1 Prsentation de HOMER ..............................................................................106ANNEXE 2 Mthodologie pour le photovoltaque avec Homer ......................................122ANNEXE 3 Mthodologie pour lolien avec Homer ......................................................139ANNEXE 4 Mthodologie pour le disel avec Homer .....................................................155ANNEXE 5 Donnes entres pour le photovoltaque .......................................................165ANNEXE 6 Donnes entres pour lolien.......................................................................179ANNEXE 7 Donnes entres pour le disel......................................................................1921INTRODUCTIONAu Qubec, bon nombre dhabitations se situent en territoire isol ou une distance significativedu rseau lectrique. Les cots de raccordement au rseau sont importants et parfois, leraccordement est tout simplement impossible. Cest pourquoi les systmes autonomes sontintressants pour rpondre aux besoins nergtiques des habitants de ces rgions. Lutilisation degnratrices carburant aux nergies fossiles reprsente la situation gnrale actuelle malgrquelques avances qui ont t faites en utilisant des systmes hybrides avec une gnratrice diselet des oliennes, il nest reste pas moins que les systmes utilisent beaucoup de carburant fossile.Les systmes seuls, olien ou photovoltaque, ncessitent beaucoup daccumulateurs pour pallierlintermittence des gisements. Les systmes hybrides autonomes avec des panneaux solairesphotovoltaques et des oliennes sannoncent donc comme une solution limitant lintermittencedes ressources. Diffrentes combinaisons de systmes sont analyses dans ce mmoire la fois ensituation hors rseau et connecte au rseau. Dans cette introduction sont exposs lhypothseprincipale et sa vrification, les questions de recherche, les objectifs gnraux et spcifiques,loriginalit du projet et le contenu du mmoire.Hypothse principale. Je suppose que lajout dun systme photovoltaque un systme olienhors rseau au Qubec permet de diminuer lintermittence du systme et donc, de diminuer laquantit daccumulateurs ncessaires la fiabilit du systme ou de rduire la dimension dessystmes olien et photovoltaque installs. Cette diminution du nombre daccumulateurs et de lataille des systmes installs permet de raliser des conomies qui justifieraient le surcotengendr par lajout du systme photovoltaque au systme olien.Vrification de lhypothse principale. Ainsi, lhypothse sera rfute si lajout dun systmephotovoltaque un systme olien ne permet pas de raliser des conomies sur le systmeinstall.Questions de recherche. Voici les deux questions de recherche principales et une questionsecondaire : Est-ce quen rgion isole au Qubec, les systmes hybrides oliens-photovoltaques sontconomiquement et techniquement viables en comparaison avec les systmesphotovoltaque et olien seuls?2 Est-ce ce que ces mmes systmes sont viables en comparaison avec la situation actuellegnratrice diesel ou le rseau ? Quels logiciels sont reconnus et facilement accessibles (cot, facilit dutilisation, champdapplication) pour raliser de telles tudes ?Objectifs gnraux. Comparer des systmes hybrides oliens-photovoltaques avec des systmesphotovoltaque ou olien seuls pour certains sites hors rseau au Qubec et par rapport d'autressites ailleurs dans le monde. La comparaison avec la situation actuelle sera aussi effectue (dieselet rseau). Pour ce faire, dans un premier temps, les systmes seuls sont tudis. Par la suite,diffrentes combinaisons de systmes hybrides hors rseau sont analyses. Finalement, lesdiffrentes combinaisons de systmes sont tudies avec la situation connecte au rseau.Tches spcifiques. Les tches spcifiques du projet sont les suivantes :1. Identifier au moins deux logiciels ncessaires pour la ralisation du projet,2. Slectionner les sites pour ltude (un au Qubec, un avec gisement solaire lev et unavec gisement olien lev),3. Dfinir et modliser les diffrentes composantes des systmes comparer,4. Effectuer la comparaison en tenant compte du ct technique et conomique,5. Faire une analyse comparative entre les donnes fournies par les deux logiciels.Originalit du projet. Loriginalit du projet rside dans lajout dun systme photovoltaque un systme olien dans un contexte qubcois et hors rseau. De plus, des mthodologies pour ledimensionnement des systmes sont dfinies pour chacun des systmes seuls avec le logicielprincipal utilis. Des exemples de calculs sont aussi fournis.Contenu du mmoire. Tout dabord, une revue de littrature est prsente; elle comprend unebrve discussion sur lavantage des systmes hybrides, un tat de la situation au Qubec pour leshabitations hors rseau et sur les technologies solaires, elle traite du manque de littrature sur ledimensionnement pratique des quipements des diffrents systmes et finalement, elle intgreune courte tude mettant en relation les systmes tudis et le dveloppement durable ainsiquune prsentation de diffrentes analyses du cycle de vie environnementales ralises au coursdes dernires annes. Viennent ensuite les chapitres prsentant les logiciels, les mthodologies3pour le dimensionnement et les donnes utilises pour ltude. Le cur du travail est expos dansles sections traitant de la validation, de lanalyse et de la discussion des rsultats dans leschapitres : validation des simulations et effet du gisement sur la consommation, tudecomparative des systmes seuls, hybrides autonomes et hybrides connects au rseau et rsultatsgnraux des analyses et des simulations. Finalement, la conclusion fait un retour sur leshypothses, les objectifs et les questions de recherche.4CHAPITRE 1 REVUE DE LITTRATURELa revue de littrature est spare en trois chapitres : revue de littrature, prsentation deslogiciels et prsentation des donnes. Dans cette section, il est question de la revue de littraturegnrale sur les systmes dnergies renouvelables hors rseau souvent coupls avec desgnratrices disel. Lavantage de lutilisation des systmes hybrides est discut et la situationparticulire du Qubec est dfinie. Le manque de littrature pour le dimensionnement est aussidiscut et finalement, une analyse rapide des systmes est faite selon le dveloppement durable etlanalyse du cycle de vie. Bien que dans cette tude, il ne sera trait que des aspects techniques(dimensionnement) et conomiques, jai cru bon de faire une brve recherche sur lensemble desaspects conomique, social et environnemental, les deux derniers ntant pas traits dans cerapport tant donn que lanalyse de chacun de ces aspects est une tude complte en soit etncessite des connaissances et comptences spcifiques leur domaine pour tre ralise.1.1 Les systmes hybridesLnergie solaire et lnergie olienne sont des ressources intermittentes (Deshmukh &Deshmukh, 2008). Pour crer un systme hors rseau fiable, ces systmes oliens ouphotovoltaques ncessitent une grande quantit daccumulateurs (batteries) trs coteux (Ai,Yang, Shen, & Liao, 2003) et qui doivent gnralement tre remplacs avant la fin de vie desinstallations. Linstallation des systmes oliens seuls ou photovoltaques seuls engendre souventun surdimensionnement des oliennes ou de la surface photovoltaque ncessaires (Tina,Gagliano, & Raiti, 2006) et ceci occasionne souvent des surcots inutiles.De plus gnralement, une installation photovoltaque seule nest pas rentable au Qubec vu lesconditions densoleillement et les conditions climatiques. Ces conditions dpendent grandementde la localisation du site choisi. Cependant, les performances nergtiques des panneauxdpendent grandement des technologies utilises. Certaines technologies sont sensibles lalumire diffuse - cellules au silicium amorphe, cellules de Grtzel (dye sensitized cells)contrairement aux technologies cristallines qui sont trs sensibles langle dincidence desrayons lumineux. Les technologies sensibles la lumire diffuse offrent plus dnergie par watt-crte (unit de rfrence normalis pour les panneaux solaires) sans ncessiter un systme actifdorientation des panneaux. Ces panneaux offrent une bonne alternative aux pays nordiques.5De nombreux pays nordiques dont lAllemagne et le Japon utilisent lnergie photovoltaque pourrpondre certains de leurs besoins en nergie et sont mme des leaders dans le domaine. Bienque lhiver lapport en nergie soit rduit, lt offre beaucoup dnergie vu les longues journesdensoleillement (Ross & Royer, 1999). Il est donc intressant de coupler cette source dnergieavec lnergie olienne qui offre un apport important en hiver puisque statistiquement lhiver lesvents sont plus importants. Donc, selon le site, la combinaison de deux sources dnergiesintermittentes, notamment la combinaison du solaire photovoltaque et de lolien qui sont desnergies complmentaires (Ekren & Ekren, 2008), permet de rduire la priode qui est sansapport dnergie (Celik, 2002) et cette combinaison permet ainsi de rduire la quantitdaccumulateurs ncessaire au systme. Si les rendements du systme hybride hors rseau sontbons, le surcot occasionn par lajout dun systme photovoltaque un systme olien peut trecompens par les conomies ralises suite la rduction du nombre daccumulateurs ncessairesou suite la rduction du nombre doliennes ou de panneaux solaires ncessaires.De plus, les systmes autonomes peuvent tre justifis lors de cots levs de raccordement aurseau lectrique ou lorsque les cots dentretien du rseau seraient trop importants ou encorelorsque le raccordement est tout simplement impossible ou non souhait. Les systmes hybridesoffrent une alternative verte aux gnratrices qui salimentent au diesel pour rpondre auxdiffrents besoins des rgions loignes (Funabashi, Senjyu, Hayashi, Yona, & Urasaki, 2007).Selon les articles crits ces dernires annes, on remarque que les projets sur les systmeshybrides photovoltaque et olien hors rseau augmentent de faon notoire. Plusieurs dentre euxont lieu en Afrique - Algrie (Himri, Boudghene Stambouli, Draoui, & Himri, 2008) ou en Asie -Chine (Hongxing, Wei, & Chengzhi, 2008), en Australie (Dalton, Lockington, & Baldock, 2008)et en Europe - Grce (Kaldellis, Kavadias, & Koronakis, 2007).Aussi, de nombreux logiciels ont t dvelopps (Ai et al., 2003) afin de modliser et dedimensionner les systmes dnergies renouvelables. Il existe cependant trs peu dtudes quiportent sur des systmes hybrides hors rseau en Amrique du Nord et encore moins pour leQubec.61.2 Situation qubcoise du photovoltaque et des habitations isoles1.2.1 Habitations en milieu isolLe territoire qubcois est immense de nombreux endroits ne sont pas couverts par le rseaulectrique dHydro-Qubec. On estime 40 000 habitations ou units dhbergement en milieuisol (RNCREQ, 2009) pour lesquels lapprovisionnement en lectricit se fait avec desgnratrices partir dnergies fossiles soit propane, disel ou mazout. Lutilisation de cescarburants a de nombreux dsavantages, leur prix ne cesse de saccrotre tant donn que laressource est porte disparatre et les cots de transport et dentretien sont levs. Cescarburants sont aussi une source de gaz effet de serre, en plus de prsenter des risques pour lascurit, la sant publique ou pour les cosystmes surtout lors de la manutention et du transport,mais aussi pendant leur utilisation (fuite de gaz, ventilation inadquate, etc.).1.2.2 nergie fournie par les diffrentes technologies de panneaux solairesUne tude faite par CanmetEnergy (Poissant) Varennes apporte des conclusions intressantessur les diffrents types de panneaux solaires photovoltaques utiliss et lnergie fournie par watt-crte (Wc) install de ces panneaux. Les panneaux tudis sont : un au silicium cristallin de BPSolar, un au silicium cristallin de Sunpower, une triple-jonction de silicium amorphe de Unisolaret une htrojonction de silicium de Sanyo. Sur une anne complte, ils offrent pratiquement lamme quantit dnergie en Wh/Wc, ils fournissent respectivement : 1542 Wh/Wc, 1541 Wh/Wc,1570 Wh/Wc et 1549 Wh/Wc. Seul le silicium amorphe offre un peu plus dnergie que les autrespuisquil est sensible au rayonnement diffus.1.3 DimensionnementIl est difficile de trouver dans la littrature comment dimensionner les diffrents appareils pourles systmes autonomes avec une approche pratique. La plupart des ouvrages portent sur lathorie de base des technologies, mais rarement sur le dimensionnement prcis des quipementsde base (panneaux solaires, oliennes ou gnratrices) et encore moins des appareils accessoires(banque de batteries, onduleurs, rgulateurs). Les articles quant eux ne fournissement pas cesinformations, mais plutt des informations trs spcifiques sur ltude ralise. Peu de rsultatsconcrets sont prsents puisque les informations fournies par les rfrences ne sont pas7suffisantes afin bien mettre ces tudes en contexte et en faire une comparaison valide avec laprsente tude.1.3.1 Systme photovoltaquePour le systme solaire photovoltaque, un ouvrage incontournable est nergie solairephotovoltaque dAnne Labouret (Labouret & Villoz, 2005). Les informations pour ledimensionnement sont prcises et sont indiques pour tous les quipements et appareils dusystme et des exemples sont fournis ce qui aide grandement la comprhension. Les autresouvrages portent beaucoup sur la base thorique des panneaux et leur constitution (Bernard,2004). Un dernier livre intressant est le livre canadien Photovoltaics in Cold Climates (Ross &Royer, 1999) qui prsente des cas rels dutilisation en pays nordiques.1.3.2 Systme olienLa littrature pour les systmes oliens est surtout oriente vers les oliennes de grandespuissances et les systmes connects au rseau (Rapin & Nol, 2010) (Fox, 2009) (Dubois,2009). Elle est aussi trs thorique et porte souvent sur le dimensionnement des ples ou delolienne elle-mme dfaut de prsenter comment dimensionner partir dquipements djexistants et avec divers types et formats de donnes de gisement olien (Mathew, 2006), (LeGourirs, 1980), (Cunty, 2001), (Manwell, McGowan, & Rogers, 2009).1.3.3 Systme avec gnratrice au diselLa littrature pour les systmes disel au niveau du dimensionnement est dficiente.Heureusement que les diffrents manufacturiers de gnratrice au disel ont des pistes dedimensionnement sur leurs sites internet. Encore une fois, les ouvrages traitent plutt de laconception des appareils au lieu du dimensionnement pour une application particulire.1.3.4 Systmes hybridesAu niveau des systmes hybrides, les ouvrages sont encore plus rares. tant donn que peu existepour les systmes seuls, il est donc normal de trouver que la littrature pour les systmes hybridesest encore plus mince. Le problme est le mme que pour les systmes seuls, le dimensionnementpratique nest pas discut dans les ouvrages (Patel, 2006).81.4 Dveloppement durable et analyses de cycle de vieLa prise de conscience de notre dveloppement incontrl est de plus en plus forte. LHommedevient sensible son environnement physique et humain. Dornavant, le dveloppement se doitdtre responsable : la faisabilit technique et conomique ne suffit plus justifier les dcisions.Une vision plus globale se dveloppe est sintgre aux dcisions des gouvernements, desindustriels et des consommateurs.Pour tre durable, le dveloppement se doit denglober les aspects conomiques,environnementaux et sociaux, mais plus important encore est leur interaction ; ils doivent treintgrs simultanment. Le dveloppement durable est la fois viable, vivable et quitablecomme le suggre la reprsentation, trs frquente (Cabral, 2007) (Jacquet & Tubiana, 2006), quiest faite du dveloppement durable la Figure 1.1.La viabilit du dveloppement regroupe les aspects environnementaux et conomiques alors quela qualit dtre vivable intgre les concepts denvironnement et de socit et finalement, le faitdtre quitable respecte lconomie et la socit.La difficult du dveloppement durable est de trouver lharmonie entre ces trois ples, tous lesaspects sont dgale importance, alors la solution idale est difficilement atteignable.Figure 1.1 Schma typique du dveloppement durable9Certains dcrivent laspect social comme lobjectif atteindre (Cabral, 2007), lenvironnementcomme une contrainte due aux ressources limites de notre plante et lconomie comme lemoyen datteindre les objectifs.1.4.1 ACV des systmes seulsLes analyses sur un seul systme, comme lanalyse du cycle de vie dune installation oliennedtermine, prsentent de nombreux avantages (Vestas Wind Systems A/S, 2006). Ellespermettent de connatre les points faibles sur tout le cycle de vie. Ces points faibles peuvent treautant les tapes qui ont le plus dimpact pour une phase donne ou les phases qui ont le plusdimpact sur tout le cycle de vie. En connaissant ces points faibles, il est facile de cerner lesphases ou les tapes qui ont le plus besoin damlioration et dainsi amliorer le produit ou leservice efficacement en mettant les efforts l o cest ncessaire et payant. Par exemple, pour lesoliennes, la phase de production est trs importante au niveau de tous les indicateursenvironnementaux, il faut donc travailler amliorer en priorit cet aspect. loppos, la phasedopration est ngligeable pour tous les indicateurs, alors il nest pas criant dapporter deschangements cette phase. Suivant la mme logique, il est inutile de faire des recherches pouramliorer la phase dutilisation pour les systmes photovoltaques puisque leurs missions sontpratiquement nulles, mais la phase de production ncessite normment de travail puisquelle esttrs coteuse en nergie et qui, la plupart du temps, nest pas dorigines renouvelables.1.4.2 ACV des diffrentes technologiesLes analyses peuvent aussi servir pour comparer les diffrentes technologies offertes, parexemple pour llaboration dun systme photovoltaque, on peut choisir diffrentes technologiesde panneaux solaires : panneaux utilisant des cellules de silicium amorphe ou de siliciumcristallin ou encore utilisant les cellules couches minces.La production du silicium polycristallin est un exemple de processus trs nergivore et mritedtre amlior. On utilise du silicium cristallin rcupr de la production de silicium pourllectronique ou issu des mmes procds, cependant la puret de ce silicium est inutilementleve pour lapplication photovoltaque. De plus en plus, la demande face aux panneaux solairesjustifie la production de silicium spcifique pour lapplication photovoltaque et de nombreuxfabricants ont dvelopp un silicium pour le domaine solaire qui a de plus gros grains et qui est10souvent nomm multicristallin afin dtre diffrenci du silicium polycristallin grains finsconnus dans llectronique.De plus, pour obtenir le mme matriau, il est possible dutiliser des techniques de fabricationdiffrentes. Pour faire un choix clair sur ces technologies, il convient de les comparer dans desanalyses de cycle de vie. Ces analyses permettent dobtenir du financement pour la recherchepour les technologies qui offrent les meilleurs rsultats et permettent aussi de prendre desdcisions autant en industrie quau niveau politique pour favoriser lune ou lautre destechnologies.Des tudes ont t ralises sur les diffrentes technologies de panneaux solaires. Certainesportaient principalement sur le recyclage et la disposition des modules la fin de leur vie utile(Shibasaki, Warburg, & Eyerer, 2005; Urashima, Izumina, Arita, & Matsumoto, 2003) et dautressur lanalyse de cycle de vie en utilisant les nouvelles informations introduites sur les nergiesphotovoltaques dans la banque de donnes Ecoinvent (Jungbluth, 2005; Jungbluth, Dones, &Frischknecht, 2008). Cette dernire tude est bien intressante, mais elle prsente des lacunes qui,selon moi, sont trs importantes. Tout dabord, les panneaux solaires sont trs bien dfinis etmodliss pour ltude et ce, mme au niveau des attaches et des structures ncessaires auxpanneaux, cependant les modules ne forment pas eux seuls le systme. Il doit y avoir aussi unconvertisseur, un contrleur et une banque de batteries. Le convertisseur est en partie modlisdans ltude, mais pas compltement alors que le contrleur et les batteries sont totalementabsents. premire vue, le contrleur et le convertisseur nont probablement pas un impact trssignificatif, mais les batteries, elles ne sont pas ngligeables. Les batteries les plus communessont gnralement au plomb. Si leur utilisation est peut-tre sans danger ou sans impactimportant, leur disposition la fin de leur vie utile reprsente un impact rel. De plus, cette tudeutilise un score unique issu de lanalyse de cycle de vie aux fins de comparaison. Lors delanalyse de limpact, on obtient des rsultats par catgories dimpact et on peut obtenir par lasuite, des rsultats par catgories de dommages. Lobtention des rsultats par catgorie dedommages est faite partir de modles mathmatiques de caractrisation et des mcanismesenvironnementaux. Ce sont des corrlations mathmatiques et scientifiques qui conduisent cesrsultats. Le score unique est obtenu par une normalisation, un groupement et une pondrationdes rsultats par catgories de dommages. Le groupement et la pondration sont faits en utilisantdes jugements de valeur (par exemple, la sant humaine serait plus importante que les11changements climatiques), donc ce nest plus une dmarche scientifique et reproductible monavis. Selon moi, le score unique nest pas ncessaire la comparaison et peut mme insrer unbiais dans ltude.1.4.3 ACV des diffrentes sources dnergieLa comparaison de systmes utilisant diffrentes sources dnergie est de plus en plus utilise auniveau national pour connatre quel type dnergie est le plus intressant au niveauenvironnemental pour un pays ou pour une rgion donne. Les besoins en nergie sont croissantset les problmes environnementaux ne cessent aussi de saccrotre, il est donc important detrouver des sources dnergies renouvelables ou qui causent le moins de dommages lenvironnement. Ces analyses sont trs importantes puisquelles ont des rpercussions grandechelle. Il est aussi trs important de trouver des solutions adaptes la ralit de la rgion. Lessolutions ne sont pas absolues et interchangeables, elles dpendent de nombreux paramtrespropres la rgion. Ces paramtres sont varis; ce peut tre la disponibilit des ressources autantque lacceptation sociale de la technologie. Par exemple, au Qubec, les centrales nuclaires etles centrales thermiques au gaz naturel sont trs mal perues par le public alors quil est dembleplus favorable aux technologies comme les panneaux solaires et les oliennes. Ces dernirestechnologies sont mme encourages par les gouvernements, par exemple la filire de lolien estfavorise au Qubec pour complmenter lhydrolectricit.1.4.3.1 Analyse faite pour les nergies renouvelables entre elles et les nergies fossilesLa plupart des pays utilisent des nergies fossiles pour combler leurs besoins en nergie, leQubec et le Canada sont des exceptions notables vu leur trs grande proportion dutilisationdnergies renouvelables notamment de lhydrolectricit (Qubec 97 % (Hydro-Qubec) etCanada 59 % (Ressources naturelles Canada, 2006)). Depuis la prise de conscience des diversproblmes environnementaux et de la prise de conscience de la diminution des rservesdnergies fossiles, les pays tendent augmenter la proportion des nergies renouvelables pour laproduction dlectricit. Par exemple, la Pologne stait donn des objectifs pour atteindrecertaines proportions dnergies renouvelables pour leur rseau comme 2,5 % en 2002 (objectifrussi) et de 7,5 % et 14 % pour lanne 2010 et 2020 respectivement (Goralczyk, 2003). Cesobjectifs ont donn lieu des nouvelles politiques et lgislations gouvernementales. Pour ce faire,12des analyses de cycle de vie sur les diffrentes options ont t ralises. Afin de choisir lesnergies les mieux adaptes pour le pays, des tudes environnementales et conomiquespermettent de trouver les solutions optimales, donc les solutions qui ont de bonnesperformances : elles sont techniquement viables, elles cotent moins cher et offrent de bonsrsultats environnementaux.1.4.3.2 Analyse faite avec les systmes connects au rseauLa plupart des analyses de cycle de vie ralises ont t faites pour des systmes connects aurseau. Parmi elles, une tude japonaise relate quau niveau des missions de gaz effet de serrevalues sur tout le cycle de vie, toutes les nergies renouvelables offrent une meilleureperformance, de plusieurs ordres de grandeur, que les nergies fossiles (Hondo, 2005). Seulelnergie nuclaire parmi les nergies non renouvelables est en mesure doffrir une performancesimilaire aux nergies renouvelables. Le pouvoir calorifique de ce combustible est norme. Derelativement petites quantits donnent normment dnergie. Mme si les dchets sontdangereux, ils sont matriss, donc on les entrepose simplement dans un milieu scuritaire. Alorsmme sils sont hautement toxiques pour lHomme, vu quil ny a pas dexposition lHommeou la nature, le nuclaire est trs propre du point de vue de lACV. De la mme faon, mme siles panneaux solaires contiennent des matriaux toxiques, sils sont simplement enfouis sousforme de panneaux, on considre quils ont un impact minime sur lenvironnement puisque lesproduits toxiques ninteragissent pas avec la nature. De plus, le danger potentiel de lutilisationde la centrale nuclaire nest pas tenu en compte de la mme faon que les dangers dexplosiondu diesel ne sont pas grs lors de lutilisation des gnratrices dans lACV. Dans le contextejaponais, lhydrolectricit offre la meilleure performance, ensuite la gothermie et lnergieolienne suivent et finalement, lnergie photovoltaque offre la pire performance des nergiesrenouvelables. Selon cette tude, elle est mme pire que lnergie nuclaire pour ce qui est desgaz effet de serre. Cependant, les technologies photovoltaques font preuve de grands progrs.Dans le contexte qubcois prsent, le rseau est dj aliment majoritairement par une nergierenouvelable soit lhydrolectricit. Lhydrolectricit est la meilleure solution parmi les nergiesrenouvelables si lon tient compte des missions de gaz effet de serre (Hondo, 2005). Les autrestypes dnergies renouvelables, comme lolien par exemple, ne sont que des systmescomplmentaires au rseau. Pour linstant, il serait donc absurde de vouloir augmenter la13proportion des autres nergies renouvelables dlivres au rseau puisque le Qubec dtient djune solution trs performante. Seules laugmentation de la demande nergtique et lutilisation detout le potentiel hydrolectrique pourront ventuellement justifier lajout de nouveaux systmesutilisant dautres nergies. En bref, si les systmes photovoltaques, oliens et hybrides ne sontpas pour les rseaux, ils pourront cependant amliorer la situation des systmes hors rseau quiutilisent principalement des gnratrices diesel.Il y a une diffrence notable entre la situation des systmes connects au rseau et celle dessystmes hors rseau : la banque de batteries. Pour une situation connecte au rseau,lintermittence de la source dnergie olienne ou photovoltaque est absorbe par le rseau. Lerseau, normalement constitu de plusieurs sources distinctes dnergie, utilisera simplement plusdune autre source en cas darrt dapprovisionnement de lune dentre elles. Par contre, pour unsystme hors rseau, il ny a que lnergie dune source si cest un systme simple (olien ouphotovoltaque) et de deux sources pour les systmes hybrides (olien et photovoltaque). Vulintermittence de ces sources, il est ncessaire davoir des accumulateurs plus simplementappels dans ce cas-ci, des banques de batteries. Elles permettent demmagasiner lnergieexcdentaire pour la rutiliser lors dinterruption dapprovisionnement en nergie. Pour unsystme simple, leur nombre est important et cest pourquoi plusieurs proposent les systmeshybrides qui diminuent les chances ou les moments dinterruption dnergie et qui permettentainsi dutiliser moins de batteries. Les batteries sont le point faible des systmes hors rseau, ellesont une dure de vie plus courte que le systme et elles sont trs sensibles des tempratures trsleves et trs basses, ce qui tend diminuer de faon encore plus importante leur dure de vie.1.4.3.3 Analyse des gros systmesEn plus, quil existe une diffrence entre la situation hors rseau et la situation connecte aurseau, il existe aussi une diffrence entre les petits systmes et les gros systmes. Plusieurs petitssystmes de quelques dizaines de kilowatts peuvent tre quivalents en apport dnergie un grossystme de centaines de mgawatts, mais au niveau environnemental, les nombreux petitssystmes risquent dtre plus dommageables. Chacun des petits ncessite sont propre petit rseaudonc contrleur, convertisseur et banque de batteries. Le gros systme utilise simplement plusefficacement tous ses lments alors que les petits systmes nutilisent pas ses lments leur14pleine capacit. Il est parfois impossible de faire un rseau important en milieu isol vu lesdistances couvrir pour relier les gens ou les divers besoins.Une tude rcente faite en 2006 compare diffrentes technologies pour de trs gros systmes (Ito,Kato, Komoto, Kichimi, & Kurokawa, 2008). Les conclusions sont intressantes et trs bienformules cependant elles tudient seulement le cot, lnergie utilise et les missions de CO2mises sur tout le cycle de vie comme paramtres de comparaison. Il est cependant difficile diresi ltude portait sur la situation hors rseau ou connecte au rseau et quels lments avaient tmodliss. Cette tude semble simplement tenir compte des modules ncessaires pour rpondreaux besoins sans tenir compte du systme complet. De plus, les conclusions pour un gros systmene peuvent pas sappliquer pour un petit systme puisquils nutilisent pas exactement les mmestechnologies pour leurs composantes puisque les capacits diffrent.1.4.4 Aspects communs entre les diffrentes tudes1.4.4.1 volutions des technologiestant donn le progrs rapide des technologies photovoltaques dans les dernires annes, denombreuses tudes dnoncent les rsultats danciennes tudes faites avec des donnes qui sontmaintenant dpasses (Jungbluth et al., 2008). Dans ces tudes, lnergie photovoltaque noffraitpas daussi bons rendements quaujourdhui. De nouvelles informations sont maintenantdisponibles dans les banques de donnes (Jungbluth, 2005; Jungbluth et al., 2008) . De plus, denombreux projets sont en cours ou ont eu cours comme le projet SENSE, SustainabilityEvaluation of Solar Energy Systems (Shibasaki et al., 2005), pour amliorer les banques dedonnes et trouver les informations utiles manquantes. Ces projets ont donn lieu descollaborations entre groupes de divers milieux : industriels, instituts et coles scientifiques et desconsultants. Fthenakis (Fthenakis, Alsema, & De Wild-Scholten, 2005) a mme recens lesdonnes qui taient juges ncessaires et manquantes.1.4.4.2 Cots des dangers environnementaux potentielsDans plusieurs articles, il est mention que le photovoltaque ou mme lolien sont des nergiesplus chres donc, cest un frein leur expansion. Plusieurs de ces articles informent que les cotsrelis aux dangers potentiels ne sont pas chiffrs. Le cas vident est lutilisation de lnergie15nuclaire. Cette nergie est relativement bon march et est aussi propre au point de vue desmissions de gaz effet de serre que les nergies renouvelables qui sont beaucoup pluscoteuses. Les dangers potentiels ne sont pas tenus en compte dans les calculs de cots (Kannan,Leong, Osman, Ho, & Tso, 2006). Par exemple, lolienne est beaucoup moins dangereuse que lacentrale nuclaire ou mme que les dchets nuclaires, mais ces dangers potentiels nont pasencore t vritablement chiffrs. Il est donc important danalyser non seulement les cots, maisaussi les analyses sur lenvironnement et la socit. Tout ne se chiffre pas ou nest pas encoremodlis.1.4.4.3 Analyse de sensibilitPlusieurs dnotent limportance dune analyse de sensibilit des diffrents paramtres (Ito et al.,2008). En tenant compte de lincertitude et de la variabilit sur les diffrents paramtres, on peutsavoir si les conclusions tiennent toujours.1.4.5 Conclusions gnrales des ACVEn rsum, aucune tude na t faite pour les systmes hybrides, ni pour les systmes horsrseau, ni pour le Qubec. Les nouvelles informations sur les systmes photovoltaques dans lesbases de donnes peuvent tre trs utiles pour toute nouvelle tude danalyse de cycle de vie quicontient un systme photovoltaque. Il est cependant important dutiliser tout le systme ce quiinclut les panneaux solaires, les batteries, le convertisseur et le contrleur pour arriver desconclusions justes pour les systmes rels implants. Pour les mmes raisons, il est important deregarder tous les rsultats sur tous les plans de lanalyse du cycle de vie donc une analyse desrsultats par catgories dimpacts et une analyse des rsultats par catgorie de dommages sontjustifiables. Pour une solution globalement performante pour lenvironnement, il ne faut passeulement analyser les gaz effet de serre seulement comme dans (Hondo, 2005) ou utilisersimplement un indice comme le EPT comme dans (Jungbluth et al., 2008). En gnral, dans lestudes consultes pour ce projet, peu se basent sur lensemble des conclusions quune analyse decycle de vie puisse apporter. En utilisant que certains indicateurs, on perd toute la puissance delanalyse du cycle de vie qui peut dresser le portrait global de la situation. Aussi, certaines tudesont nglig certaines composantes du systme. Le manque de donnes nest pas une excuse pourngliger une composante, lapproche par approximation peut tre une solution trs efficace qui16peut ensuite tre suivie par une analyse de sensibilit. De faon gnrale, lanalyse de sensibilitpermet de renforcer ou dinfirmer les conclusions faites.1.4.6 Analyse conomiqueLanalyse conomique passe bien sr par le calcul des cots du projet et sa rentabilit. Diversindices comme lEPT peuvent tre utiliss. Cet indicateur est le moment auquel la sourcednergie devient rentable au niveau nergtique, cest--dire que lnergie fournie par la sourcecouvre les dpenses nergtiques pour limplantation de cette source. Les options utilisant desnergies renouvelables peuvent tre compares dautres options comme loption existante (lesgnratrices) ou loption commune de la rgion, province ou du pays (se connecter au rseau).Dans le cas prsent, sil y a possibilit de raccordement au rseau, il faudrait estimer les cotsassocis versus les cots des options des technologies renouvelables. Sil ny a pas possibilit deraccordement au rseau, diverses possibilits sont disponibles : utiliser un systme avecgnratrice ou un systme dnergies renouvelables pour chaque maison ou besoin prcis(environ 5 kW 10 kW) ou faire un rseau aliment par des nergies renouvelables pour ungroupement des maisons ou de besoins, mais qui serait de plus grande capacit (environ 50 kW).Ensuite, une analyse plus globale peut tre faite pour les technologies afin de savoir si elles sontde bons stimulants conomiques. Si le domaine est en essor et permet de crer des emplois, lestechnologies deviennent intressantes. De plus, si la rgion prsente des avantages face dautrespour limplantation cette technologie, les gouvernements veulent attirer cette industrie. Parexemple au Qubec, llectricit est abondante et peu coteuse, alors les industries qui ncessitentbeaucoup dlectricit sont trs attires par la rgion. Cest le cas de lindustrie de laluminium etcet avantage du Qubec pourrait aussi tre intressant pour lindustrie photovoltaque pourlaquelle de nombreux procds ncessitent une quantit importante dnergie (notamment laproduction de wafer tranche de semi-conducteur).Plusieurs gouvernements offrent des incitatifs pour lutilisation des technologies renouvelablesou pour des mesures defficacit nergtique. Au Qubec, il existe une subvention pourlinstallation dun systme de gothermie offerte par Hydro-Qubec (Hydro-Qubec, 2009).Dautres subventions existent pour les particuliers voulant faire des rnovations pour amliorerlefficacit nergtique ou faire lajout de nouvelles technologies dnergies renouvelables17(programme Rnoclimat de l'Agence de l'efficacit nergtique du Qubec et programmecoNERGIE Rnovation de Ressources naturelles Canada) (Hydro-Qubec, 2009).1.4.7 Analyse de laspect socialLaspect social est de faon gnrale lamlioration de la condition humaine par la satisfactiondes besoins essentiels et lamlioration de la qualit de vie. Ceci intgre les principes gnrauxdaccs lemploi, lducation, aux soins mdicaux, aux services sociaux et un logement dequalit.Dans de nombreux pays en voie de dveloppement ou sous-dvelopps, les systmes hybrides ouphotovoltaques sont utiliss pour la dsalinisation de leau de mer pour offrir de leau potable ouencore pour rfrigrer les mdicaments ou alimenter les quipements mdicaux dans les cliniquesdes rgions isoles. Lutilisation de lnergie solaire pour ce genre de besoins est essentielle lamlioration de la qualit de vie des gens de ces rgions. De plus, lajout de systmes oliensaux systmes photovoltaques permet doffrir une scurit pour un apport en nergie continue.Pour les cliniques, par exemple, souvent le systme photovoltaque ou hybride est coupl unegnratrice puisquon ne peut pas permettre une dfaillance du systme et se retrouver sansapport dnergie.De plus, plusieurs villages reculs du monde installent ou font des projets dinstallationsdnergies renouvelables. Ces installations peuvent simplement tre utilises pour pomper ouchauffer de leau ou encore apporter un besoin minimal en nergie par exemple dans les colesou centres communautaires.Laspect social peut aussi se traduire par la responsabilit socitale de lentreprise. Ceci se traduitpar les bonnes conditions de leurs employs, le respect des communauts environnantes et duterritoire. Lemployeur doit offrir de bonnes conditions de travail (sant et scurit, hygine etpropret des lieux) et aussi leur donner de la formation ncessaire (Rosa, Delchet, & Aubrun-Vadrot, 2005).18CHAPITRE 2 PRSENTATION DES LOGICIELS2.1 Survol des diffrents logicielstant donn les diffrents efforts des dernires annes travers le monde pour diminuer ladpendance au ptrole, beaucoup de ressources ont t mises de lavant pour dvelopper lesnergies renouvelables et principalement, lnergie olienne et lnergie solaire photovoltaque.Ces nergies sont en forte croissance partout travers le monde. Les outils comme les logicielsfont partie des grandes ralisations concernant ces nergies promouvoir. De nombreux logicielsexistent maintenant pour modliser, optimiser ou dimensionner les diffrents systmes conus partir dnergie renouvelable. Beaucoup de ces logiciels sont spcialiss pour un type dnergieparticulier. Il en existe un bon nombre pour le solaire photovoltaque ainsi que pour lnergieolienne. Les logiciels qui font rfrence plusieurs sources dnergie sont, quant eux, plusrares.(Canmetnergie)2.1.1 Logiciels pour le photovoltaqueLes technologies des panneaux solaires photovoltaques ont beaucoup volu et ces outils aussi.Il existe des logiciels pour la simulation (TRNSYS, INSEL, HOMER, PV-DesignPro), dautrespour lvaluation des cots et des diffrentes donnes conomiques (SOLinvest, RETScreen) oupour lanalyse et la planification des systmes (PV F-Chart, Laplace System, PV*SOL, PVcad,PVSYST, PV Professionnal, Kerychip, Tetti FV), certains sont destins lindustrie (APOSPhotovoltaic Statlab, PV Cost Simulation Tool), certains sont dvelopps pour la surveillance etle contrle des systmes installs (Meteocontrol, SPYCE) ou encore pour lvaluation de site(ECOTECT, Shadow Analyzer, Shadows, GOSOL, METEONORM, Horizon, Sombrero) etfinalement, il existe des outils disponibles en ligne, facilement accessibles tous(Solardesigntool, PV Potential Estimation Utility, Logiciel CalSol, Panel Shading). (Energy,2011)Certains de ces logiciels ne font appel qu un sous-domaine du solaire photovoltaque commeles panneaux intgrs aux immeubles ou dautres sont utiles seulement pour les systmesconnects au rseau par exemple. Il existe maintenant tout un monde de logiciels. Il est doncimportant de dfinir ses besoins pour identifier facilement les logiciels utiles.19De plus, plusieurs des logiciels faisant rfrence lnergie solaire photovoltaque sont dans uneseule langue (franais, anglais, italien) et beaucoup sont dorigine allemande et en allemanduniquement, ce qui les rend plutt inaccessibles.2.1.2 Logiciels pour lolienComme pour le solaire photovoltaque, il existe maintenant un bon nombre de logiciels pour lesoliennes. Certains logiciels sont pour lanalyse de fermes oliennes (WindFarm, OpenWind, GHWindFarmer, WindSim), dautres pour l'analyse des donnes de gisement olien (Windographer,)ou simplement pour le design dolienne (Focus 6, GH Bladed) ou encore pour lvaluation desites (windNavigator). Il en existe aussi pour loptimisation des systmes HOMER, le calcul descots et autres donnes conomiques RETScreen ou pour la surveillance des systmes installs(suite de logiciels par ETAP ) ou encore pour le design et la planification de projets oliens dansleur ensemble (WindPro).2.1.3 Logiciels pour les nergies renouvelablesIl est intressant de pouvoir comparer diffrents systmes simples et des systmes hybrides laide dun seul et mme logiciel. De nombreux logiciels concernent les nergies renouvelablesutilises spcifiquement pour les btiments et les maisons et mme plus prcisment surlefficacit nergtique de ces btiments. Peu de logiciels traitent de la production dnergie enintgrant plusieurs types dnergie. En intgrant la fois les outils de simulation et les outils decalculs des cots, voici les quelques logiciels disponibles : In my backyard, EnergyPeriscope,Hybrid2, HOMER et RETScreen. Ces logiciels seront discuts dans une section ultrieure.2.2 Paramtres pour le choix des logicielsAfin de choisir les logiciels, il est indispensable de dfinir les besoins, donc de dterminer lesattentes minimales auxquelles le logiciel doit rpondre. Les logiciels devront avoir ces paramtresafin dtre slectionns :1- Langue : anglais ou franais,2- Accessibilit tous,- Prix : gratuit ou moins de 100 $ par licence,20- Facilement disponible : par Internet,- Simplicit dutilisation,- Documentation en ligne,3- Plusieurs technologies disponibles : photovoltaque, diesel et olien,4- Systmes hors rseau,5- Simulation de systmes dans plusieurs pays,6- valuation des cots,7- Optimisation des systmes.2.2.1 LanguePour des raisons videntes de comprhension, le logiciel doit tre en franais ou en anglais.2.2.2 Accessibilit tousLaccessibilit tous est un point important selon moi. Afin de promouvoir les nergiesrenouvelables, le public doit pouvoir les comprendre et utiliser des outils qui rendront faisablesleurs projets. Il faut quils soient la fois assez performants pour les scientifiques et chercheurs etrelativement simples pour que mme les non initis soient capables de les utiliser.Il est donc primordial que le logiciel soit disponible pour le systme dexploitation Windows quiest majoritairement utilis et quil ne require pas des puissances de calculs excessives.Demble, la plupart des logiciels ont ces caractristiques de base.2.2.2.1 PrixLes pays industrialiss ont gnralement beaucoup de financement pour la recherche, ce qui nestpas le cas de tous les pays. Si un minimum de ressources financires est utilis pour les logiciels,ce sont des ressources qui peuvent tre dpenses ailleurs comme dans la ralisation de projetsconcrets. La gratuit ou le faible cot des logiciels (moins de 100 $ par licence, par exemple)rendent la recherche et la ralisation de projets accessibles tous les pays et toute la socit. Deplus, cela facilite aussi lapprentissage des tudiants qui peuvent faire des projets scolaires plusappliqus, plus concrets sans mme que leurs institutions dboursent des sommes considrables,21souvent plusieurs milliers de dollars par licence, pour des logiciels qui offrent des possibilitssimilaires. Dans le cas dune tude macroscopique, si un logiciel peut obtenir des rsultatssimilaires la ralit une fraction du prix, je considre que cette incertitude est tolrable.2.2.2.2 Facilement disponibleLa disponibilit du logiciel sur Internet est un fort atout pour laccessibilit tous. Peu importelendroit dans le monde, ds quon a accs une connexion Internet, le logiciel peut tretlcharg.2.2.2.3 Simplicit dutilisationLa simplicit dutilisation est importante puisquelle rend la fois le logiciel accessible aux non-initis et permet de gagner un temps non ngligeable aux scientifiques et chercheurs qui nont pas apprendre un langage de programmation pour lutiliser et qui peuvent raliser des simulationsrapidement. De cette faon, on peut assurer une certaine prennit des tudes faites puisquellespeuvent tre ralises par une majorit dtudiants et de chercheurs.2.2.2.4 Documentation disponibleBien entendu, la disponibilit de la documentation en ligne est essentielle. Laccessibilit untutoriel et laide du logiciel est primordiale. Le tutoriel permet tous de pouvoir utiliser lelogiciel sans aucune formation pralable. Laide du logiciel quant elle permet dobtenir desprcisions sur les diffrentes donnes fournir et le fonctionnement global du logiciel. Lapossibilit de retour et commentaires par le support technique sur les fichiers produits ou delassistance par Internet ou encore des fichiers dexemple disponibles sont des atouts.2.2.3 Plusieurs technologies disponiblesVu le sujet de ltude, le logiciel doit supporter au minimum la simulation pour la production desnergies suivantes : le solaire photovoltaque, le diesel et lolien. Il doit aussi permettre lasimulation de systmes hybrides soit olien-photovoltaque, olien-diesel, photovoltaque-dieselet finalement olien-photovoltaque-diesel.222.2.4 Systmes hors rseauBeaucoup de logiciels supportent la simulation de systmes connects au rseau, mais peu dentreeux permettent la simulation de systmes hors rseau, qui est le sujet de cette tude.2.2.5 Simulation de systmes dans plusieurs paysDans le cadre du prsent projet, la simulation doit pouvoir tre faite au minimum pour le Qubecet aux fins de comparaisons, dans dautres pays, notamment des pays avec plus densoleillementque le Qubec (les pays au niveau de lquateur) ou dveloppant beaucoup la filiale du solairephotovoltaque (Allemagne et Japon, par exemple) et des pays reconnus pour leur gisementolien significatif (Danemark).2.2.6 valuation des cotsLa simulation doit pouvoir offrir une estimation des cots du systme. Cette valuation pourratre valide par un second logiciel.2.2.7 Optimisation des systmesLoptimisation des systmes est trs intressante, surtout pour les systmes hybrides puisque lelogiciel offre des solutions plus performantes que ce que les calculs lmentaires offriraient.Malheureusement, ce paramtre nest pas disponible pour tous les logiciels.2.3 Logiciels choisisVoici une brve discussion sur les logiciels concernant les nergies renouvelables (In mybackyard, EnergyPeriscope, Hybrid2, HOMER et RETScreen).In my backyard est dvelopp par NREL (National Renewable Energy Laboratory) des tats-Unis. Il permet un calcul sommaire des possibilits pour un petit projet olien ou photovoltaquepour son domicile. Il fait appel au logiciel PVWatts aussi dvelopp par ce laboratoire. Il nepermet pas de faire des systmes hybrides et a t dvelopp pour les tats-Unis principalement.Les paramtres sont dtaills dans le Tableau 2.1.23Tableau 2.1 Paramtres pour le choix des logiciels In my backyardParamtresOui / Non /En partieExplicationsLangue Oui En anglaisAccessibilit tous Oui Disponible en lignePlusieurs technologiesdisponiblesEn partie Systmes hybrides non disponibles etpas de systme diesel disponibleSystmes hors rseau Non spcifi ---Simulation de systmes dansplusieurs paysEn partie Le logiciel est conu pour les tats-Unis, donc les calculs de cots sontadapts cette ralit.valuation des cots Oui Analyse sommaire, on na pas accs entrer des donnes spcifiques.Optimisation des systmes Non ---EnergyPeriscope (Tableau 2.2) est plutt orient pour les entreprises. Il est possible dentrer descots de relles soumissions et aide optimiser les investissements faits. Pour avoir accs celogiciel, il y a des cots mensuels dfrayer. Le logiciel fait appel aux algorithmes utiliss parPVWatts et RETScreen. Il est aussi li avec les bases de donnes de la NASA et de TMY-Typical Meteorological Year pour les donnes de gisements solaires et oliens.24Tableau 2.2 Paramtres pour le choix des logiciels EnergyPeriscopeParamtres Oui / Non /En partieExplicationsLangue Oui En anglaisAccessibilit tous Non Cot : Frais mensuelsLogiciel orient pour lesprojets en entreprises.Plusieurs technologiesdisponiblesEn partie Solaire photovoltaque etolien, disponiblesdiesel - nonsystmes hybrides nonspcifiSystmes hors rseau Non spcifi ---Simulation de systmes dansplusieurs paysEn partie Canada et tats-Unis, ouiAutres pays, non spcifivaluation des cots Oui ---Optimisation des systmes Oui Oui, mais en fonction delentrepriseHybrid2 (Tableau 2.3) est la fois dvelopp par NREL et RERL (Renewable Energy ResearchLaboratory) de luniversit du Massachussetts. Pour avoir accs la version de dmonstration, ondoit faire une demande de mot de passe et on doit faire la demande, lun ou lautre deslaboratoires, pour obtenir la version complte.25Tableau 2.3 Paramtres pour le choix de logiciels Hybrid2Paramtres Oui / Non /En partieExplicationsLangue Oui En anglaisAccessibilit tous En partie Une demande doit tre faite.Le tlchargement nest pasdirectement disponible.Plusieurs technologiesdisponiblesOui---Systmes hors rseau Non spcifi ---Simulation de systmes dansplusieurs paysNon spcifi---valuation des cots Oui ---Optimisation des systmes Non spcifi ---En explorant plus attentivement ces logiciels, on remarque quil ne reste que les logicielsHOMER (Tableau 2.4) et RETScreen (Tableau 2.5) qui rpondent la majorit des paramtressouhaits. RETScreen ne permet pas loptimisation des systmes, il offre plutt une analysedtaille des cots. Le logiciel de base pour les simulations sera donc HOMER. RETScreen serautilis pour comparer les cots. Ces logiciels sont aussi reconnus par beaucoup dassociations oudagences en nergie ainsi que de nombreux sites gouvernementaux. Ils sont aussi utiliss par desdizaines de milliers dutilisateurs dans des centaines de pays.26Tableau 2.4 Paramtres pour le choix des logiciels HOMERParamtres Oui / Non /En partieExplicationsLangue Oui En anglaisAccessibilit tous Oui Gratuit, tlchargement disponible en ligne,aide et tutoriel, fichiers dexempledisponibles en ligne.Plusieurs technologiesdisponiblesOui olien, diesel et photovoltaqueSystmes hors rseau Oui ---Simulation de systmes dansplusieurs paysOui Partout travers le monde, partir decoordonnes (longitude et latitude)valuation des cots Oui ---Optimisation des systmes Oui Il donne la meilleure solution parmi uneslection de systmes.27Tableau 2.5 Paramtres pour le choix des logiciels RETScreenParamtres Oui / Non /En partieExplicationsLangue Oui En anglaisAccessibilit tous Oui Gratuit, tlchargement disponible en ligne,aide et tutoriel, fichiers dexempledisponibles en ligne.Plusieurs technologiesdisponiblesOui olien, diesel et photovoltaqueSystmes hors rseau Oui ---Simulation de systmes dansplusieurs paysOui Partout travers le monde selon des lieuxprdtermins.valuation des cots Oui ---Optimisation des systmes Non ---2.4 Prsentation de HOMERHomer est un logiciel dvelopp pour des systmes de production dnergie de petites puissances.Il permet de faire des simulations de systmes avec des nergies renouvelables et avec desnergies fossiles. Un de ses grands atouts est la possibilit de pouvoir simuler des systmeshybrides combinant diffrentes sources dnergie quelle soit renouvelable ou fossile. Lapremire version a t dveloppe en 1992 pour NREL (US National Renewable EnergyLaboratory), il a ensuite subi de nombreuses amliorations dans plus de 40 nouvelles versions. Laversion utilise pour le prsent projet est HOMER 2.68 beta sortie en juillet 2009. Depuis, il y aeu 2 nouvelles versions disponibles pour 2.75 et 2.76 qui sont maintenant vendues pour un faiblecot 99 $US pour les nouveaux utilisateurs et pour 49 $US pour les anciens utilisateurs. La28version 2.68 beta est toujours disponible gratuitement. Ce logiciel est largement utilis dans plusde 190 pays et par plus de 40 000 utilisateurs.2.4.1 Principales caractristiquesTout dabord, ce logiciel permet de faire des simulations pour ensuite optimiser les systmes etpour finalement terminer avec des analyses de sensibilit sur ces systmes optimiss. La solutionobtenue par HOMER est la solution la moins coteuse parmi diffrentes combinaisons desystmes dnergies renouvelables, dnergies fossiles ou de systmes hybrides comprenant deuxsources dnergie ou plus. Voici, Figure 2.1, le modle conceptuel de HOMER.Figure 2.1 Modle conceptuel de HOMERLe logiciel permet de faire la simulation dun systme selon des donnes de gisement (solaire,olien, diesel, etc.) en fonction dune demande nergtique (besoins en nergie). Par la suite, ilest possible danalyser plusieurs configurations diffrentes pour ce mme systme afin denobtenir un systme optimis au niveau du cot. Le logiciel simule toutes les configurationsdemandes et donne la meilleure solution, la solution la moins chre, parmi celles-ci. Ensuite, ilest finalement possible de faire des analyses de sensibilit afin de savoir si la solution trouvereste la meilleure mme sil y a certains changements dans les diffrents paramtres entrs(variation du cot de la technologie, variation dans les donnes de gisement, etc.). Il est doncpossible de faire bon nombre danalyses avec de nombreuses configurations diffrentes en moinsde quelques minutes de simulation.Le logiciel permet de faire des simulations avec diffrents systmes de production dnergie :o panneaux solaires photovoltaque,o oliennes,o barrage hydrolectrique au fil de leau,o biomasse,29o gnratrices (diesel, essence, biogaz, combustibles alternatifs et combustiblespersonnaliss, co-alimente),o rseau lectrique,o microturbines,o piles combustible.Homer offre aussi une vaste gamme de dispositifs daccumulation ou de rcupration dnergie :o banque de batteries,o volants dinertie (flywheels),o flow batteries,o hydrogne.On peut aussi entrer divers types de besoins nergtiques :o profils de consommation journaliers avec des variations selon les saisons,o charge diffre pour le pompage deau ou pour la rfrigration,o charge thermique,o mesures defficacit nergtique.Homer peut donc simuler un large ventail de systmes diffrents en plus de toutes lescombinaisons possibles de systmes hybrides.2.4.2 InterfacesLe logiciel HOMER est facile utiliser et son interface est similaire aux logiciels usuels, il estdonc muni dun menu dans le haut ainsi que des icnes que lon peut utiliser sans aller dans lesmenus. On peut considrer que linterface dHOMER a trois zones importantes comme indiqusur la Figure 2.2 : la zone de dfinition du systme, celle des ressources et celle des rsultats.30Figure 2.2 Interface HOMER Fichier viergeLa zone de dfinition du systme permet de choisir les quipements qui seront inclus dans lesystme modliser. Il suffit de cocher les lments utiliser selon les choix illustrs la Figure2.3. De plus, dans cette mme fentre, il est possible de choisir : de modliser le rseaulectrique, den faire la comparaison avec un systme hors rseau ou simplement de ne pasmodliser le rseau.31Figure 2.3 Interface HOMER quipements ajouterUne fois slectionns, les divers quipements apparaissent dans la zone 1 de dfinition dusystme comme la Figure 2.4 et les ressources ncessaires aux quipements slectionnsapparaissent, elles, dans la zone 2 de dfinition des ressources comme la Figure 2.5.Figure 2.4 Interface HOMER quipements slectionns32Figure 2.5 Interface HOMER RessourcesDans ces deux zones, pour chaque icne, il y a une fentre remplir ; ce sont les donnes fournir pour faire une simulation. Les donnes entres pour le prsent projet seront dfinies dansla 4. Une fois les donnes entres, on peut faire calculer HOMER, en cliquant sur licne commeillustr dans la Figure 2.6.Figure 2.6 Interface HOMER Fichier compltLorsque le calcul est complt, les rsultats apparaissent et la solution la plus conomique est lapremire comme illustr la Figure 2.7. Un rsum du systme et des cots relis sont affichsdans la zone des rsultats.33Figure 2.7 Interface HOMER Rsultats des calculs2.4.3 Donnes entrerEn bref, les donnes entrer sont celles relies aux zones 1 et 2 de HOMER. Il sagit de donnesrelies la consommation nergtique, aux quipements (panneaux solaires photovoltaques,oliennes, gnratrices, onduleur, batteries ou autres quipements) et aux ressources ncessairescomme les donnes de gisement solaire ou olien, aussi bien que les donnes relies aucombustible utilis par la gnratrice. Dans la zone 2 des ressources, il y a aussi certainsparamtres conomiques que lon peut modifier. Dautres paramtres permettent un diffrentcontrle du systme (surtout au niveau de la simulation des banques de batteries et desgnratrices). Dans la zone des ressources, on peut aussi mettre des pnalits montaires pour lesmissions mises ou bien un seuil limite dmissions ne pas dpasser lorsque la simulation seraeffectue. Finalement, certaines contraintes peuvent tre exiges comme une fraction minimalednergie renouvelable avoir dans le systme ou encore accepter un certain pourcentage de34dficit en nergie. Une fois toutes les sections remplies, Figure 2.8, on peut lancer la simulationen cliquant sur licne calculer .Figure 2.8 Donnes fournirPlus de dtails sont dfinis dans lannexe 1 pour mieux dcrire les informations fournir pourchacun des icnes illustrs dans la Figure 2.8. Ces icnes sont ceux utiliss pour le prsent projetet seuls ces icnes sont dtaills dans lannexe.352.4.4 Rsultats pouvant tre obtenusFigure 2.9 Rsultats obtenus aprs simulationUne fois toutes les donnes entres et la simulation lance, on obtient de nombreux rsultatscomme illustr la Figure 2.9 tant donn quil est possible dentrer de nombreusesconfigurations diffrentes pour un mme type de systme. Il est possible de visualiser la liste desrsultats de deux faons : categorized et overall . Si on choisit loption categorized , laliste prsente loption la plus conomique pour chaque catgorie de systme, donc par type desystme. Par exemple, HOMER affichera seulement la meilleure option pour un systme de typephotovoltaque avec batteries mme si la simulation a t faite selon plusieurs configurationsdiffrentes (diffrents nombres de panneaux, diffrents nombres de batteries). Pour loption overall , HOMER affiche tous les systmes sur la mme la liste. Le premier rsultat affich estle plus conomique parmi tous les types de systmes simuls. Il est donc important doptimiserchaque type de systme afin dliminer les systmes qui ne sont pas viables. Pour ce faire, oneffectue plusieurs simulations dans le but de converger vers un systme optimal pour chaque typede systme.36Il est trs important de se rappeler que le premier rsultat donn par HOMER dans la liste desrsultats est toujours le systme le plus conomique trouv selon Net Present Cost (cot valeur actuelle) parmi tous les systmes et toutes les configurations simuls. Comme mentionnprcdemment, les rsums des systmes et des cots relis sont affichs dans la zone desrsultats. Un exemple de rsum est montr la Figure 2.10. On y retrouve les informationssuivantes : icnes des quipements du systme (partie 1) et leur capacit ou le nombre debatteries (partie 2), linvestissement initial devant tre fait (partie 3), les cots dopration par an(partie 4), le cot total du systme la valeur actuelle (partie 5), le cot de lnergie en $/kWh(partie 6) et finalement, la proportion dnergie renouvelable utilise dans le systme (partie 7).Figure 2.10 Rsum des rsultatsPour plus de dtails sur les diffrents rsultats obtenus dans HOMER, il faut cliquer sur lersultat dsir et une fentre, Figure 2.11, souvre avec plus dinformation.37Figure 2.11 Fentre des rsultats dtaillsDans cette fentre, on retrouve des onglets comme le rsum des cots, le flux montaire, desinformations sur llectricit (production, consommation, excs dnergie, etc.), des dtails surlnergie et la puissance offertes des quipements (panneaux, batteries, convertisseur), le dtaildes missions et finalement, on peut visualiser les donnes simules dheure en heure.2.4.5 Options possiblesLoption la plus intressante quoffre HOMER est les analyses de sensibilit. Une fois lessystmes optimiss, on peut faire ces analyses. Il faut tout dabord identifier les donnes jugessensibles, moins fiables ou plus alatoires. Ensuite, il est possible dentrer plusieurs valeursdiffrentes pour une mme donne afin de vrifier si la solution optimale trouve reste lameilleure dans tous les cas ou sinon, partir de quelle valeur cette solution nest plus valable. Cetype danalyse permet de vrifier les rsultats obtenus en tenant compte de ces donnesparticulires. Les donnes qui peuvent subir des analyses de sensibilit sont toutes celles qui ont38des accolades dans HOMER comme encercl la Figure 2.12. Les donnes sur lesquellespeuvent tre faites les analyses de sensibilit sont pratiquement toutes les donnes entres dansHOMER comme lindiquent les flches sur la Figure 2.12.Figure 2.12 Donnes pour les analyses de sensibilitLes valeurs entrer pour les analyses de sensibilits doivent tre inscrites dans la fentre, Figure2.13, qui souvre lorsquon clique sur laccolade dsire.39Figure 2.13 Fentre des valeurs entrer pour les analyses de sensibilit2.5 Prsentation de RETScreenRETScreen International est un logiciel danalyse de projets dnergie propre . Il offre doncune approche oriente sur la ralisation de projets plutt quune approche doptimisation desystmes comme le logiciel HOMER. RETScreen International est support parCanmetNERGIE de Ressources naturelles Canada. Ce logiciel est trs populaire et est utilisdans plus de 200 pays et par plus de 260 000 utilisateurs. Pour le prsent projet, la version utiliseest RETScreen 4 et elle est disponible gratuitement.2.5.1 Principales caractristiquesLe logiciel RETScreen permet de simuler diffrents types de projets, pour diffrents typesdtablissement ou de technologies et selon diffrentes mthodes danalyse. Les types de projetspossibles sont :o mesures defficacit nergtique,o production dlectricit,o production dlectricit multiples technologies,40o production de chaleur,o production de froid,o production de chaleur et dlectricit,o production de froid et dlectricit,o production de chaleur et de froid,o production de froid, de chaleur et dlectricit,o dfini par lutilisateur.Pour chacune des options, il est possible de dfinir des sous-options. Pour les projets de mesuresdefficacit nergtique, on peut choisir le type dtablissement du projet parmi les optionssuivantes :o rsidentiel,o commercial,o institutionnel,o industriel,o autre.Pour la production dlectricit, les technologies disponibles sont nombreuses :o lectricit gothermique,o lectricit solaire thermique,o nergie de la houle,o nergie des courants ocaniques,o nergie marmotriceo olienne,o moteur pistonso photovoltaque,o piles combustible,41o turbine gaz,o turbine gaz cycle combin,o turbine vapeur,o turbine hydrolectrique,o autre.Pour la production de froid et de chaleur, de nombreuses technologies sont aussi disponibles.Finalement, il est aussi possible de dterminer le type de rseau parmi les options suivantes :o rseau central,o rseau central et charge interne,o rseau isol,o rseau isol et charge interne,o hors rseau.RETScreen permet donc un bon nombre danalyses pour des projets trs diversifis. De plus, ilest possible de faire deux types danalyse pour un mme projet : une analyse simple et courte(mthode 1) ou une analyse approfondie ncessitant de nombreuses donnes (mthode 2). Pour laprsente tude, la production dnergie sera le type de projet utilis et pour une situation horsrseau.2.5.2 InterfacesUn grand avantage de RETScreen est son interface commune et dj bien connue de tous. Celogiciel est en fait des feuilles de calculs sophistiques qui souvrent dans Excel comme montr la section 1 de la Figure 2.14.42Figure 2.14 Interface RETScreenSon utilisation est donc simple et intuitive. Il suffit de choisir les options ou dentrer les donnesen commenant par le haut de la feuille de calculs et onglet par onglet comme indiqu la section2 et 3 de la Figure 2.14. Les rsultats saffichent et se mettent jour au fur et mesure que lesinformations sont entres.43Figure 2.15 Interface RETScreen Onglet dmarrer Longlet dmarrer est relativement court remplir (Figure 2.15). Ce sont les informationsgnrales du projet. Longlet modle nergtique (si on choisit la mthode danalyse 1)comprend les donnes sur le systme de production dnergie, lanalyse des missions etlanalyse financire. Si la mthode danalyse 2 est choisie, longlet modle nergtique necomprend que les informations relies au systme de production dnergie, les autres sectionssont dfinies dans des onglets spars : analyse des cots, analyse des missions, analysefinancire et analyse de risque.2.5.3 Donnes entrerPour les donnes entres, on dbute avec longlet dmarrer , on entre les informations duprojet donc le nom du projet, le lieu du projet et pour qui et par qui le projet est ralis, ensuite onchoisit selon les options dfinies le type de projet, la technologie dsire et le type de rseau simuler. Il faut aussi choisir le type danalyse, mthode 1 ou mthode 2, et le pouvoir calorifiquede rfrence, pouvoir calorifique suprieur ou pouvoir calorifique infrieur.44Une autre partie importante de longlet dmarrer est la dfinition du site. Certains sites departout travers le monde sont dj entrs dans la base de donnes de RETScreen avec desdonnes moyennes par mois de gisement solaire (en kWh/m2/jour) et olien (en m/s). Il ne suffitque de slectionner le pays, la province ou ltat et finalement la ville dsire.Pour les autres donnes, prenons lexemple avec un projet en utilisant le type danalyse : mthode1. En choisissant, ce type danalyse simplifie, on comprend bien les donnes ncessaires pourRETScreen.Pour dfinir le systme de production dlectricit, les panneaux solaires photovoltaques ou lesoliennes doivent tre slectionns parmi la base de donnes des quipements de RETScreen. Ondoit dterminer leur facteur dutilisation en pourcentage et indiquer le prix de llectricitexporte en $/MWh.Dans la section analyse dmissions, les frais de transactions pour les crdits de GES enpourcentage et le crdit pour rduction de GES en $/tonne de CO2 doivent tre entrs. On peutaussi choisir une option pour comparer la rduction nette dmissions de GES en tonnes de CO2 :o automobiles et camions lgers non utiliss,o litres dessence non consomms,o barils de ptrole brut non consomms,o individus rduisant leur consommation nergtique de 20%,o acres de fort absorbant du carbone,o hectares de fort absorbant du carbone,o tonnes de dchets recycls.Pour la section de lanalyse financire, les paramtres financiers dfinir sont le taux dinflation,la dure de vie du projet et le ratio dendettement. Le cot pour le systme de productiondlectricit doit tre dtermin (cot initial pour les oliennes ou les panneaux et pour les autresquipements). Les autres sections remplir sont les encouragements et subventions, les fraisannuels et paiements de la dette et les conomies et revenus annuels.45En rsum, les informations fournir sont plutt dordre financier une fois que le systme estdfini.2.5.4 Rsultats pouvant tre obtenusLes rsultats obtenus par RETScreen sont une analyse financire et une analyse des missions.Dans lanalyse financire, le graphique des flux montaires cumulatifs est trs intressant et trsvisuel.46CHAPITRE 3 MTHODOLOGIE3.1 Dmarche gnrale du projetLa dmarche gnrale pour effectuer le projet est dfinie dans la Figure 3.1.Revue de littrature gnraleHypothses de rechercheChoix deslogicielsListe des donnesncessaires insrer dansles logicielsQuestions de rechercheObjectifs du projetTches spcifiquesLogiciel 1Logiciel 2Revue des logicielstude des logicielsMthodologieStratgie pour ltude dessystmes seulsStratgie pour ltude dessystmes hybridesStratgie danalyseMthodologies desimulationsSimulations RsultatsAnalyseDiscussionConclusionsRecommandationsRapport critMmoirePrsentationRevue de littrature prliminaire Sujet de rechercheFigure 3.1 Dmarche gnrale du projet47Tout dabord, une revue de littrature prliminaire est effectue afin de dterminer le sujet prcisdu projet. Par la suite, la revue de littrature gnrale a permis de dterminer les hypothses derecherche, les questions de recherche, les objectifs du projet et les tches spcifiques ncessaires.Une revue des logiciels est faite pour aider mieux choisir les logiciels utiliser. Une foisslectionns, les logiciels doivent tre tudis et utiliss afin de prciser les donnes ncessaires insrer dans le logiciel pour obtenir des rsultats probants. La mthodologie comprend lastratgie pour ltude des systmes seuls, celle pour ltude des systmes hybrides et la stratgiedanalyse. Des mthodologies de simulations sont aussi dtermines qui sont une extensionfaisant partie de la stratgie pour ltude des systmes hybrides. Ensuite, les simulations sontfaites pour parvenir aux rsultats utiliss pour lanalyse qui amne une discussion, desconclusions et des recommandations. Finalement, le tout est consign dans ce mmoire et uneprsentation est effectue pour des fins de diffusion.3.2 Stratgie pour ltude des systmes seulsLes donnes ncessaires pour ltude sont identifies et une recherche documentaire pour trouverles donnes manquantes est effectue. Le dimensionnement manuel est ensuite ralis. Ltudedes systmes seuls (olien, disel et photovoltaque) est faite sur chacun des logiciels HOMER etRETScreen. Tout dabord, certaines validations sont faites : validation des donnesdensoleillement entre HOMER et RETScreen, validation des simulations sur HOMER encomparant les simulations et les calculs manuels, en comparant Saint-Hubert un lieu trsensoleill et en comparant Saint-Hubert un lieu trs venteux. Une dernire validation estenvisage, celle avec les fichiers disponibles dans HOMER ou RETScreen. Par la suite, lessystmes seuls sont compars entre eux.3.3 Stratgie pour ltude des systmes hybridesUne fois les simulations valides avec les systmes seuls, les donnes sont utilises pour lessystmes hybrides. Ensuite, les diffrentes combinaisons de scnarios sont tudies et compares.Parmi ces scnarios, on considre la comparaison avec la situation connecte au rseau.483.4 Mthodologies spcifiques aux simulationsUne dmarche pour le dimensionnement est dfinie conjointement avec une dmarche pour lessimulations sur HOMER pour les systmes simples. Des dmarches ont t labores pour lessystmes photovoltaque, olien et disel seuls et pourront tre rutilises par des tudiants pourles cours ENE8210-Efficacit des sources dnergie et MET8220-Technologies solairesphotovoltaques dans le cadre du projet de cours. Elles ont t dveloppes pour le logicielHOMER, mais les principes de dimensionnement sont les mmes, peu importe le logiciel.La dmarche gnrale pour le dimensionnement et les simulations est rsume en quelquestapes :1. valuation de la demande nergtique (consommation dnergie);2. Pr-dimensionnement la main des quipements;3. Identifier les quipements ncessaires pour le systme (panneaux solaires, convertisseur,batteries) dans le logiciel HOMER;4. Entrer les donnes ncessaires dans le logiciel :a. de consommation nergtique;b. de gisement solaire pour le lieu dsir;c. pour les quipements (prix des quipements et cot dopration et dentretien);5. Lancer le calcul dans HOMER;6. Optimiser les rsultats de HOMER de faon itrative pour arriver la solution optimalepour ce systme;7. Faire des analyses de sensibilit, si ncessaire;8. Valider le systme.3.5 Mthodologie pour le systme photovoltaqueLa mthodologie est dtaille lannexe 2 pour le dimensionnement du systme photovoltaque.493.6 Mthodologie pour le systme olienCelle du systme olien se trouve lannexe 3.3.7 Mthodologie pour le systme diselFinalement, celle du disel est lannexe 4.3.8 Rsultats analyserLes rsultats qui seront analyss sont les donnes de dimensionnement pour les panneauxsolaires, les oliennes, la gnratrice disel et pour londuleur pour les diffrents systmes.Ensuite, les cots dopration (les annuits), le cot total sa valeur actuelle du systme ainsi quele cot de lnergie en $/kWh et le pourcentage dexcs dnergie seront analyss. Diffrentesanalyses de sensibilit sur les cots seront aussi dtailles.50CHAPITRE 4 PRSENTATION DES DONNES UTILISES4.1 Demande nergtique globale dune rsidence au QubecLes donnes de demande nergtique sont offertes par Hydro-Qubec pour le secteur rsidentiel.Elles sont offertes dheure en heure pour les 365 jours de lanne. La consommation pour uneseule rsidence est dfinie partir du fichier produit par Hydro-Qubec. Pour obtenir cetteconsommation, jai divis la consommation totale du secteur rsidentiel par le nombre dersidences au Qubec obtenant ainsi une consommation moyenne pour une rsidence.4.1.1 Profil de consommation par mois pour lanneSur ce profil (Figure 4.1) la consommation journalire est identifie, tous les jours de lannesont reprsents et chaque mois est dune couleur diffrente. On remarque bien que les mois dt(juin, juillet, aot et septembre) sont les mois ncessitant une demande nergtique moins leve.Au contraire, les durs mois de lhiver (janvier, fvrier et dcembre) montrent une forteconsommation dnergie. Une reprsentation de la consommation journalire moyenne par moisest affiche la Figure 4.2.Profils mensuels - Anne01020304050607080901001100 365JourConsommation en kWhJanvierFvrierMarsAvrilMaiJuinJuilletAotSeptembreOctobreNovembreDcembreFigure 4.1 Profils de consommation pour lanne, identifis par mois1 23456 7 8 910111212345678910111251Moyennes mensuelles de consommation journalire01020304050607080901001100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13MoisConsommation en kWhMoisFigure 4.2 Consommation journalire moyenne par mois4.1.2 Profils journaliersLes profils journaliers refltent la consommation des rsidences pour les 24 heures dune journe.Il est difficile de dduire une volution en utilisant tous les profils de lanne la fois. Ensparant les profils de janvier avril (Figure 4.3), de mai septembre (Figure 4.4) et doctobre dcembre (Figure 4.5), il est plus ais de remarquer une progression.On remarque trs bien que de janvier avril, la consommation journalire diminueprogressivement. Pour mai septembre, les profils journaliers mensuels se ressemblentbeaucoup, seul le mois de mai montre une consommation un peu plus accrue et un profil un peudiffrent. Doctobre dcembre, la consommation journalire recommence progresser de faonsignificative.En portant un regard sur toute lanne, on note que les heures de consommation importante sontles mmes pour tous les mois de lanne. Les plus fortes heures de consommation sont au retourdu travail jusqu'au coucher (entre 16h00 et 22h00) et le matin entre le rveil et le dpart (entre6h00 et 9h00).52Profils journaliers - Janvier Avril00.511.522.533.544.50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24HeurekWhJanvierFvrierMarsAvrilFigure 4.3 Profils journaliers Janvier avrilProfils journaliers - Mai Septembre00.511.522.533.544.50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24HeurekWhMaiJuinJuilletAotSeptembreFigure 4.4 Profils journaliers Mai septembre53Profils journaliers - Octobre Dcembre00.511.522.533.544.50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24HeurekWhOctobreNovembreDcembreFigure 4.5 Profils journaliers Octobre dcembre4.1.3 Rpartition de la demande nergtique pour le secteur rsidentielLa rpartition dnergie dans une rsidence se rpartit comme au Tableau 4.1 (Canada, 2010)entre le chauffage des locaux, le chauffage de leau, les appareils mnagers, lclairage et laclimatisation. On remarque que le chauffage ncessite plus de 60 % des besoins en nergie, alorsque la climatisation ne vaut environ 1 %.Tableau 4.1 Consommation dnergie par utilisation finale en pourcentage entre 1990 et 2007Minimum Maximum MoyenneChauffage deslocaux62.2 66.7 64.8Chauffage de leau 12.1 15.0 13.5Appareilsmnagers15.4 17.7 16.4clairage 4.1 5.1 4.5Climatisation 0.2 1.5 0.754Dans une rsidence au Qubec relie au rseau lectrique, llectricit est souvent utilise pourcouvrir tous les besoins nergtiques de cette rsidence y compris le chauffage. Au Qubec, plusde 70% des logements utilise llectricit pour se chauffer (Funk, 2010). tant donn laconsommation leve dnergie dune maison moyenne, il est aberrant dutiliser les nergiesoliennes et photovoltaques pour le chauffage de leau et des locaux quand dautres alternativessont disponibles et plus efficaces (gothermie, solaire thermique). Pour le chauffage de leau, parexemple, sur toute lanne, un chauffe-eau solaire au Qubec peut combler entre 30% et 90% desbesoins en eau chaude. Comme de nombreux ouvrages en tmoignent, un kWh conomis vautmieux quun kWh produit.Il est absurde dutiliser les panneaux photovoltaques pour produire de llectricit qui servira auchauffage des locaux ou au chauffage de leau. Le rendement de conversion dnergie nest passuffisant pour imaginer utiliser cette technologie alors que dautres solutions sont plus efficaceset moins coteuses.Si on utilise les oliennes et le solaire photovoltaque que pour les besoins en lectricit, on peutdonc inclure la consommation dnergie des appareils mnagers, lclairage et mme laclimatisation.De plus, si un effort est fait pour utiliser des appareils co-nergtiques, la consommation peuttre significativement diminue. (1500 kWh/an en lectricit, exemple allemand maisons, 4personnes (Luque & Hegedus, 2003). Des appareils efficaces et ultra-efficaces permettent desconomies dnergie de 30 60 % comparativement des appareils standards (RNCREQ, 2009).De plus, le surcot lachat de ces appareils est largement justifi par les conomies faites par ladiminution de la grandeur du systme photovoltaque ncessaire (RNCREQ, 2009).4.2 valuation de la demande nergtique en lectricit pour une rsidencemoyennePour la localisation de Saint-Hubert, la consommation totale a tout dabord t utilise(48,88 kWh/j), ensuite la consommation sans chauffage a t estime (19,5kWh/j) et finalementla consommation sans chauffage, mais avec des appareils efficaces a t modlise (11,7kWh/j).On a donc trois consommations diffrentes : consommation totale, consommation sans chauffageet consommation sans chauffage et avec utilisation dappareils efficaces.55Les besoins nergtiques pour le chauffage ont t estims 60 % de la consommation totale. Lesbesoins en chauffage ont t retirs de la consommation totale. La quantit retirer par mois a tdtermine selon la rpartition des degrs-jour, ensuite cette quantit a t rpartie sur toutes lesheures du mois. Le modle a ensuite t mis lchelle.Les appareils efficaces offrent une conomie de 40 % dnergie. La consommation sanschauffage et avec lutilisation dappareils efficaces est donc estime 60 % de la consommationsans chauffage.4.2.1 Comparaison des donnes de gisement solaire RETScreen et HOMERLes donnes de gisement solaire intgres dans RETScreen et celles disponibles dans HOMERen le liant avec le site de la NASA prsentent des diffrences. Plusieurs raisons expliquent cettedivergence. Tout dabord, dans RETScreen, certaines donnes sont issues dune base de donnesde CANMET Energy, organisme qui supporte RETScreen, et sont rfrences comme donnesprises au sol. Les autres donnes proviennent des donnes disponibles sur le site de la NASA.Pour ce qui est de HOMER, il est possible de lier ce logiciel avec le site de donnes de la NASA.Une fois le logiciel li, on peut obtenir des donnes de gisement solaire partout sur le globe. Ilexiste cependant des diffrences entre les donnes de HOMER et celles issues du site de laNASA. Lorsquune localisation est entre, HOMER va dabord chercher dans la base de donnesde NREL dans laquelle des donnes de gisement solaire sont disponibles pour environ 25 % duglobe. Sil la localisation ne se trouve pas dans cette base de donnes, HOMER va rechercherdans les donnes de la NASA. HOMER priorise les donnes de NREL puisquelles sont plusprcises.56CHAPITRE 5 VALIDATION DES SIMULATIONS ET EFFET DUGISEMENT SUR LA CONSOMMATION5.1 Validation des donnes densoleillement de RETScreen et dHOMERtant donn des carts entre les donnes dHOMER et celles de RETScreen, des simulations ontt faites la fois avec les donnes densoleillement dHOMER et celles de RETScreen afin devrifier si les rsultats diffrent beaucoup pour le systme photovoltaque simul sous HOMER.Lexercice a t fait avec les trois diffrentes donnes de consommation tudies : Consommation totale moyenne pour une rsidence, Consommation sans chauffage pour une rsidence, Consommation sans chauffage et utilisant des appareils efficaces.Au Tableau 5.1, la comparaison est faite pour la consommation totale tandis quau Tableau 5.2,cest la comparaison avec la situation sans chauffage qui est dfinie et finalement, le Tableau 5.3prsente le dernier cas, donc le calcul a t fait avec la consommation sans chauffage et enutilisant des appareils efficaces. Dans tous les cas, un plus petit systme est ncessaire lorsquonutilise les donnes de gisement solaire issues du logiciel RETScreen; il ncessite moins depuissance crte installe et un nombre de batteries quivalent ou infrieur. Les plus grandesdiffrences sont observes au niveau des donnes pour les cots qui dcoulent de la dimensiondu systme install. Les donnes de gisement sont divergentes jusqu 11 % pour certains mois,alors que les valeurs issues des simulations prsentent au maximum un cart de 8 %. Pour ce quiest de lexcs dnergie, les valeurs trouves sont similaires avec un maximum de 2 % dcart.Globalement, les carts sont sous les 10 %, donc du mme ordre de grandeur. Dans ltudeprincipale, les donnes de HOMER sont utilises reprsentant ainsi le plus gros systmencessaire, donc le pire cas.57Tableau 5.1 Systme photovoltaque valu avec les gisements de HOMER et de RETScreenpour la consommation totale de 48,88 kWh/jConso totale, moy : 48.88 kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcost ($/an)TotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)PV seul (DHOMER) 65kWc, 195*200Ah (2.4kWh), 6kW CONV 392553 8434 500362 2.199 73.6PV seul (DRET) 60kWc, 195*200Ah (2.4kWh), 6kW CONV 371853 8424 479534 2.107 73.8cart en % -5.3 -0.1 -4.2 -4.2 0.3Tableau 5.2 Systme photovoltaque valu avec les gisements de HOMER et de RETScreenpour la consommation sans chauffage de 19,5 kWh/jConso sans chauffage scaled, scaled 19.5 : moy : 19.5 kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcostTotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)PV seul (DHOMER) 23kWc, 56*200Ah (2.4kWh), 2kW CONV 130908 2437 162063 1.782 70.3PV seul (DRET) 22kWc, 51*200Ah (2.4kWh), 2kW CONV 123733 2226 152187 1.674 71.6cart en % -5.5 -8.7 -6.1 -6.1 1.8Tableau 5.3 Systme photovoltaque valu avec les gisements de HOMER et de RETScreenpour la consommation sans chauffage et avec appareils efficaces de 11,7 kWh/jConso sans chauffage scaled, scaled 11.7 (appareils efficaces), moy : 11.7 kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcostTotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)PV seul (DHOMER) 14kWc,34*200Ah (2.4kWh), 1kW CONV 79446 1475 98298 1.801 70.7PV seul (DRET) 13kWc,32*200Ah (2.4kWh), 1kW CONV 74092 1389 91848 1.683 71.1cart en % -6.7 -5.8 -6.6 -6.6 0.65.2 Validation des simulations avec la consommation totale Saint-HubertLa validation se fait avec les donnes de consommation dune rsidence moyenne pour la villede Saint-Hubert. Les systmes valids sont les systmes seuls, donc : olien, disel etphotovoltaque. Les calculs de dimensionnement manuels sont compars aux rsultats donns parHOMER. De plus, une comparaison de la situation Saint-Hubert est ralise avec la situationpour un lieu trs ensoleill et un lieu trs venteux.585.2.1 Comparaison des calculs manuels et des simulations pour ledimensionnementNormalement, le dimensionnement la main se fait partir des donnes de consommations lesplus importantes et avec la donne du gisement le plus faible. Cette faon est trs rapide etpermet dobtenir un ordre de grandeur, cependant pour des rgions comme le Qubec, le systmesen retrouve surdimensionn. Jai donc calcul diffrents cas possibles.Pour le systme photovoltaque, les cas de dimensionnement tudis sont les suivants : Avec la donne mensuelle de la plus grande consommation journalire moyenneet avec la donne mensuelle du plus faible gisement moyen, Avec la donne annuelle de la consommation journalire moyenne et avec ladonne mensuelle du plus faible gisement moyen, Avec la donne mensuelle de la plus grande consommation journalire moyenneet avec la donne du gisement moyen annuel, Avec la donne annuelle de la consommation journalire moyenne et avec ladonne du gisement moyen annuel.Dans le Tableau 5.4 sont dcrits les diffrents cas dfinis prcdemment et ils sont compars ausystme optimal tel quobtenu avec HOMER. On remarque tout dabord que les rsultats sont dumme ordre de grandeur que les calculs manuels. Pour la puissance totale des panneauxncessaires, le rsultat dHOMER se situe entre les deux premiers cas tudis : le cas pour lequelle systme on prend la pire donne de consommation et la pire donne de gisement et le cas pourlequel on utilise la pire donne moyenne de consommation et la donne du pire gisement. Lecalcul manuel de dimensionnement de base ne peut pas tre aussi raffin que celui dHOMERpuisquHOMER optimise selon les donnes de consommation fournies pour chaque heure delanne. Si lon veut faire des calculs de dimensionnement aussi prcis, on se retrouve faire unsystme quivalent un logiciel comme HOMER, cest pourquoi un simple dimensionnement debase a t ici utilis. Au niveau des batteries, le dimensionnement manuel se base sur 8 joursdautonomie, nombre de jours ncessaire selon les donnes statistiques de jours sansensoleillement. Dans mon dimensionnement manuel, jai tenu compte du nombre de batteries ensrie et en parallle. Jai obtenu que pour combler les besoins plus de deux sries de 60 batteries59de 200 Ah mises en parallle taient ncessaires, donc entre 160 et 240 batteries sont ncessaires.Dans HOMER, je nai pas utilis la fonction permettant de mettre les batteries en srie et enparallle afin dobtenir un rsultat plus prcis, ce rsultat est de 195 batteries. Le nombre debatteries propos par HOMER se situe entre les valeurs trouves par calcul. Pour la puissance delonduleur, les deux valeurs sont semblables. Somme toute, les rsultats obtenus par HOMERsont senss et je les considre comme valides.Tableau 5.4 Comparaison des calculs manuels et des simulations sous HOMER pour Saint-Hubert avec la consommation moyenne dune rsidence pour le systme photovoltaqueRsultats du calculs Information sur les calculs97.5kWc Consommation du pire mois avec gisement du pire mois56.5kWc Consommation moyenne avec gisement du pire mois34.4kWc Consommation du pire mois avec gisement moyen20.0 kWc Consommation moyenne avec gisement moyenBatteries 195*200Ah 160 ou 240 batteries 8 jours d'autonomieOnduleur 6 kW 6.5625kW partir de la puissance instantane maximaleCalculsPanneaux 65kWcType d'appareils SimulationsHOMERLe Tableau 5.5 prsente la mme comparaison, mais cette fois-ci pour le systme olien. Commedj relat dans la revue de littrature, peu de documents existent pour le dimensionnementsimple de systme olien non raccord au rseau. La littrature dcrit plutt comment concevoirune olienne plutt que dexposer comment dimensionner partir doliennes existantes. Ledimensionnement seffectue normalement en se basant sur la courbe de puissance dune olienneet la distribution des vents selon leur vitesse. Une olienne a donc t slectionne afin depouvoir effectuer les calculs et de pouvoir faire une comparaison. Plusieurs cas dedimensionnement ont aussi t tudis : Avec la puissance ncessaire pour rpondre aux besoins et la puissance maximalethorique pouvant tre retire du gisement moyen du pire mois, Avec la puissance ncessaire pour rpondre aux besoins et la puissance maximalepouvant tre retire du gisement olien (en effectuant une moyenne pondre avecles donnes de gisement et en fonction de la frquence des vents), Avec la puissance ncessaire pour rpondre aux besoins et la puissance desoliennes (cette puissance des oliennes est une moyenne pondre selon lacourbe de puissance et la frquence des vents).60Au Tableau 5.5, on observe que le dimensionnement des oliennes selon le premier cas mne un surdimensionnement, alors que les deux autres valeurs offrent un intervalle du mme ordre degrandeur. Le rsultat trouv par HOMER se situe effectivement entre ces deux valeurs. Auniveau du dimensionnement des batteries pour le systme olien, il est difficile darriver unebonne estimation sauf si des mesures ont t prises sur place. Les donnes normalementdisponibles sont la frquence des vents selon diffrents intervalles de vitesse. Il est difficile detrouver le nombre de jours sans vent alors quil est facile de trouver le nombre de jours sansensoleillement pour les gisements solaires. Lestimation a donc t faite comme si toute laproportion de vent entre 0 et 2 m/s, vent insuffisant pour faire tourner lolienne, taitconscutive, cest pourquoi le nombre de batteries est surestim. Les quantits trouves sontdonc des bornes suprieures, mais la vraie quantit doit tre significativement moindre. HOMERoffre un rsultat de 65 batteries 12 V de 200 Ah. Ce serait donc acceptable. Pour londuleur,tant donn que la consommation est la mme, londuleur est de mme puissance que pour lesystme photovoltaque. Au Tableau 5.6, le systme disel seul est compar aux calculs manuels.Les deux valeurs sont similaires, elles ont un cart de 5 %.Tableau 5.5 Comparaison de calculs manuels et des simulations sous HOMER pour Saint-Hubertavec la consommation moyenne dune rsidence pour le systme olienRsultats du calculs Information sur les calculs39 oliennes Pncessaire / Pmax pouvant tre retire du vent du pire mois17 oliennesPncessaire / Pmax pouvant tre retire du vent avecmoyenne pondre du vent (en fc de la frquence des vents)10 oliennesP ncessaire / P des oliennes (moyenne pondre) selon lacourbe de puissance et la frquence des vents243 batteries Avec consommation moyenne (surestime*)419 batteries Avec consommation du pire mois (surestime*)Onduleur 6kW 6.5625kW partir de la puissance instantane maximaleType d'appareils SimulationsHOMERCalculsoliennes 13*2kWBatteries 65*200AhTableau 5.6 Comparaison de calculs manuels et des simulations sous HOMER pour Saint-Hubertavec la consommation moyenne dune rsidence pour le systme diselRsultats du calculs Information sur les calculsGnratrice 6kW 6.3kW partir de la puissance instantane maximaleType d'appareils SimulationsHOMERCalculs615.2.2 Comparaison entre Saint-Hubert et un lieu trs ensoleillUne comparaison entre Saint-Hubert du Qubec et Djibo du Burkina Faso (situation trsensoleille) a t faite. Jai donc impos la mme consommation pour les 2 lieux afin de voirleffet de lensoleillement sur le dimensionnement et les cots du systme. Cette comparaison at faite pour les trois profils de consommation pour une rsidence dans le cas du systmephotovoltaque.Pour les donnes densoleillement (rayonnement global sur une surface horizontale), enmoyenne, Djibo offre 68 % de plus densoleillement que Saint-Hubert (Tableau 5.7). Saint-Hubert a de plus grands carts : un minimum de 1.280 kWh/(m2j) en dcembre et un maximumde 5.610 kWh/(m2j) en dcembre. Les variations sont moindres pour Djibo : un maximum de6.524 kWh/(m2j) en mai et un minimum de 5.111 kWh/(m2j) en janvier.Tableau 5.7 Moyenne densoleillement pour Saint-Hubert et DjiboSaint-Hubert en kWh/(m2j) Djibo en kWh/(m2j) DiffrenceMoyenne 3.522 5.941 69%Les systmes installs requis pour les 2 lieux sont dtaills dans le Tableau 5.8. Le systme Djibo ncessite 63 % moins de panneaux que celui install Saint-Hubert et cest donc cohrentavec lensoleillement supplmentaire de 68 % Djibo. Au niveau des cots, les cots initiauxsont de 56 % moins levs pour Djibo, alors que le cot total et le cot de lnergie par kWh sontde 51 % moins levs. La diffrence est moins leve pour les cots dopration qui sontprincipalement relis aux cots dopration, dentretien et de remplacement des batteries.Tableau 5.8 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs ensoleill sous HOMER avec laconsommation moyenne dune rsidence pour le systme photovoltaqueConso totale, moy : 48.88 kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcost ($/an)TotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)PV seul (DHOMER)St-Hubert 65kWc, 195*200Ah (2.4kWh), 6kW CONV 392553 8434 500362 2.199 73.6PV seul (DHOMER)Djibo 24kWc, 110*200Ah (2.4kWh), 6kW CONV 171218 5622 243083 1.068 51Comparaison en % : -56 -33 -51 -51 -3162Les cots dopration comprennent globalement les frais dopration et dentretien en plus descots en carburant (ici, nul) et des frais de remplacement dquipement, tout ceci remis en uncot par anne; on y enlve aussi le prix rcupr de lquipement qui nest pas sa fin de vie la fin du projet. Djibo ncessite 43 % moins de batteries et les cots dopration sont diminus de33 %. Les Tableau 5.9 et Tableau 5.10 prsentent le dtail des cots dopration pour le systme Djibo et Saint-Hubert.Tableau 5.9 Dtail des cots dopration pour le systme photovoltaque Djibo pour unersidence moyenneRemplacement O&M Fuel Salvage Operating costsPV 0 48 0 0 48Batteries 4,979 668 0 -215 5432Onduleur 166 6 0 -31 141Systme 5,146 722 0 -245 5623Tableau 5.10 Dtail des cots dopration pour le systme photovoltaque Saint-Hubert pourune rsidence moyenneRemplacement O&M Fuel Salvage Operating costsPV 0 130 0 0 130Batteries 8,057 1,184 0 -1,079 8162Onduleur 166 6 0 -31 141Systme 8,224 1,320 0 -1,110 8434Au niveau de lexcs dnergie, Djibo a 31 % moins de surplus en nergie par rapport Saint-Hubert. Le systme peut donc tre mieux dimensionn ou mieux adapt, dans ce cas-ci, lesystme photovoltaque est mieux adapt pour une situation plus ensoleille et avec un gisementplus uniforme. Il est normal davoir beaucoup de surplus dnergie Saint-Hubert puisque lademande nergtique est leve quand le gisement est faible et quand le gisement est fort, lademande est faible, bref ce sont des profils opposs. Une tude par calculs a t faite afin devrifier si lexcs dnergie tait cohrent pour Djibo et Saint-Hubert pour le systmephotovoltaque pour une rsidence. Le dtail de ces calculs est dfini au Tableau 5.11 pour Saint-Hubert et au Tableau 5.12 pour Djibo. Pour Saint-Hubert, on aurait en moyenne, par calculs,63 % dexcs dnergie si on considre un systme de panneaux qui peut rpondre au cas du piremois et pour Djibo, ce serait environ 49 %. HOMER propose un systme avec prs de 74 %dexcs dnergie pour Saint-Hubert et avec 51 % dexcs dnergie pour Djibo. Les rsultats63sont similaires, mais pas identiques donc les systmes valus par HOMER pourraient tre plusoptimiss au niveau de lexcs dnergie. Ceci sexplique puisque le logiciel HOMER optimisele systme en fonction des cots sur un systme entier et non pas par rapport lexcs dnergieproduit par le systme.Tableau 5.11 Calculs dexcs dnergie pour Saint-Hubert pour le systme photovoltaque pourune rsidence moyenneCONSOTOTALEnergiefournieavecpanneauxmaxExcs p/r nergieproduitekWh/j kWh/j %Janvier 84.43 91 8Fvrier 74.70 146 49Mars 62.60 209 70Avril 46.61 258 82Mai 33.07 295 89Juin 29.63 324 91Juillet 29.08 319 91Aot 30.06 284 89Septembre 29.11 218 87Octobre 38.66 138 72Novembre 54.59 84 35Dcembre 73.96 74 0min 74 0max 324 91moy 203 6364Tableau 5.12 Calculs dexcs dnergie pour Djibo pour le systme photovoltaque pour unersidence moyenneCONSOTOTALEnergiefournieavecpanneauxmaxExcs p/r nergieproduitekWh/j kWh/j %Janvier 84.43 84 0Fvrier 74.7 99 25Mars 62.6 105 41Avril 46.61 107 56Mai 33.07 108 69Juin 29.63 102 71Juillet 29.08 98 70Aot 30.06 99 70Septembre 29.11 100 71Octobre 38.66 98 61Novembre 54.59 92 41Dcembre 73.96 86 14min 84 0max 108 71moy 98 49Le Tableau 5.13 permet de comparer les systmes ncessaires Djibo et Saint-Hubert pourrponde la consommation nergtique de laquelle la proportion du chauffage a t retire. Cettetude avec la consommation sans chauffage a t faite dans le but de dterminer si ctait legisement ou la consommation qui entranait un si grand excs dnergie. En enlevant laproportion du chauffage de la consommation totale, on obtient une demande nergtique plusnivele. Pour Saint-Hubert la proportion du surplus dnergie est trs similaire celle pour le casdu la consommation totale (74 % vs 70 %), jen dduis donc que dans ce cas ce serait le gisementqui influence grandement le surplus dnergie. Pour Djibo, on observe une nette diminution de laproportion dexcs dnergie entre le cas de la consommation totale (51 % dexcs dnergie) etle cas sans chauffage (33 %), donc dans le cas de Djibo, ce serait la demande nergtique quiaffecte plus le surplus dnergie. Au niveau des cots, la diffrence entre Saint-Hubert et Djiboest sensiblement la mme sauf pour les cots dopration qui sont en trs grande partie lis au65systme de batteries. Ceci est explicable puisque, pour Djibo avec une consommation nivele, legisement est suffisant pour remplir un bon nombre de batteries tout en ayant un moins grandnombre de panneaux, ainsi le nombre de batteries Djibo est similaire celui de Saint-Hubert.On peut aussi remarquer que bien que la consommation ait diminue de 60 %, le COE en $/kWhna diminu que de 13 % pour Djibo et 9 % pour Saint-Hubert, alors bien que la consommationsoit plus faible et nivele, les conomies du systme en terme de $/kWh produit ne sont passignificatifs ce qui pourrait dire que le COE en $/kWh produit est plutt li au gisement qu lademande nergtique.Tableau 5.13 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs ensoleill sous HOMER avec laconsommation sans chauffage dune rsidence pour le systme photovoltaqueConso sans chauffage scaled, scaled 19.5 : moy : 19.5 kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcostTotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)PV seul (DHOMER)St-Hubert 23kWc, 56*200Ah (2.4kWh), 2kW CONV 130908 2437 162063 1.782 70.3PV seul (DHOMER)Djibo 7kWc, 40*200Ah (2.4kWh), 2kW CONV 54956 2337 84833 0.933 32.8Comparaison en % : -58 -4 -48 -48 -53Pour le Tableau 5.14, la situation de consommation sans chauffage et en utilisant des appareilsefficaces a t tudie pour Djibo et Saint-Hubert. En passant de la consommation sanschauffage la consommation sans chauffage et en utilisant des appareils efficaces, lexcsdnergie a grandement diminu pour Saint-Hubert passant de 70 % 59 %, alors que pour Djibola proportion de surplus dnergie est reste stable de 33 % 29 %. Pour un lieu avec de grandscarts de gisement solaire au fil de lanne comme Saint-Hubert, le gisement est plus influentpour de grandes consommations gardant ainsi la proportion de surplus dnergie importante,alors que pour de petites consommations, la diminution de la demande nergtique entrane unediminution de la proportion du surplus dnergie. La relation semble inverse pour un lieu commeDjibo pour lequel le gisement solaire est similaire tout au long de lanne, pour de grandesconsommations, limportance de la demande nergtique ou du caractre erratique de lademande influence beaucoup la proportion du surplus dnergie, alors que pour des demandes deprofils similaires plus faibles, la diminution de la demande nergtique affecte peu la proportiondu surplus dnergie.66Tableau 5.14 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs ensoleill sous HOMER avec laconsommation sans chauffage et avec lutilisation dappareils efficaces dune rsidence pour lesystme photovoltaqueConso sans chauffage scaled, scaled 11.7 (appareils efficaces), moy : 11.7 kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcostTotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)PV seul (DHOMER)St-Hubert 10kWc,56*200Ah (2.4kWh), 1kW CONV 76240 2388 106762 1.957 58.9PV seul (DHOMER)Djibo 4kWc,28*200Ah (2.4kWh), 1kW CONV 34404 1340 51534 0.944 29.4Comparaison en % : -55 -44 -52 -52 -505.2.3 Comparaison entre Saint-Hubert et un lieu trs venteuxUne comparaison entre Saint-Hubert du Qubec et Drogden du Danemark (lieu trs venteux) at faite. Tout comme pour le systme photovoltaque, jai donc impos la mme consommationpour les 2 lieux afin de voir leffet de lensoleillement sur le dimensionnement et les cots dusystme. Cette comparaison a t faite pour les trois profils de consommation pour une rsidencedans le cas du systme olien.Pour les donnes de gisement olien, en moyenne, Drogden offre 78 % de plus de ventque Saint-Hubert (Tableau 5.15).Tableau 5.15 Moyenne de gisement olien pour Saint-Hubert et DrogdenSaint-Hubert en m/s Drogden en m/s DiffrenceMoyenne 4.446 7.936 78%Les systmes installs requis pour les 2 lieux sont dtaills dans le Tableau 5.16. Le systme Drogden ncessite 54 % moins doliennes que celui install Saint-Hubert, cest donc un peuplus faible que pour la diffrence de gisement entre les 2 lieux (78 %). Au niveau des cots, lescots initiaux sont de 47 % moins levs pour Drogden ainsi que le cot de lnergie par kWh,alors que le cot total et les cots dopration sont de 46 % moins levs. Les 2 lieux ont lemme pourcentage dexcs dnergie.67Tableau 5.16 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs venteux sous HOMER avec laconsommation moyenne dune rsidence pour le systme olienConso totale, moy : 48.88 kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcost ($/an)TotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)olien seul St-Hubert 13*2kW ol, 65*200Ah (2.4kWh), 6kW CONV 122543 6494 205559 0.903 68.9olien seulDrogden 6*2kW ol, 40*200Ah (2.4kWh), 6kW CONV 65368 3492 110006 0.483 68.2Comparaison en % : -47 -46 -46 -47 -1Rappelons que les cots dopration comprennent globalement les frais dopration et dentretienen plus des cots en carburant (ici, nul) et des frais de remplacement dquipement, tout ceciremis en un cot par anne; on y enlve aussi le prix rcupr de lquipement qui nest pas safin de vie la fin du projet. Drogden ncessite 38 % moins de batteries et les cots doprationsont diminus de 46 %. Les Tableau 5.17 et Tableau 5.18 prsentent le dtail des cotsdopration pour le systme Djibo et Saint-Hubert.Tableau 5.17 Dtail des cots dopration pour le systme olien Drogden pour une rsidencemoyenneRemplacement O&M Fuel Salvage Operating costsolienne 1,175 720 0 -219 1676Batteries 1,653 243 0 -221 1675Onduleur 166 6 0 -31 141Systme 2,994 969 0 -471 3492Tableau 5.18 Dtail des cots dopration pour le systme olien Drogden pour une rsidencemoyenneRemplacement O&M Fuel Salvage Operating costsolienne 2,546 1,560 0 -474 3632Batteries 2,686 395 0 -360 2721Onduleur 166 6 0 -31 141Systme 5,398 1,961 0 -864 6495Le Tableau 5.19 permet de comparer les systmes ncessaires Drogden et Saint-Hubert pourrponde la consommation nergtique de laquelle la proportion du chauffage a t retire. PourSaint-Hubert la proportion du surplus dnergie est trs similaire celle pour le cas du la68consommation totale (69 % vs 68 %), jen dduis donc que dans ce cas ce serait le gisement quiinfluence grandement le surplus dnergie. Pour Drogden, on observe une certaine diminution dela proportion dexcs dnergie entre le cas de la consommation totale (68 % dexcs dnergie)et le cas sans chauffage (62 %), donc dans le cas de Drogden, la demande nergtique affecteraitle surplus dnergie. Au niveau des cots, la diffrence entre Saint-Hubert et Drogden anettement diminu passant de 46-47 % pour le cas de la consommation totale entre 24 et 30 %pour le cas sans chauffage. Pour Saint-Hubert, ce serait le gisement qui affecte le surplusdnergie alors que pour Drogden ce serait aussi selon le profil de consommation qui affecteraitla proportion de surplus dnergie. On peut aussi remarquer que bien que la consommation aitdiminue de 60 %, le COE en $/kWh na diminu que de 16 % pour Saint-Hubert et ce cot augment de 14 % pour Drogden, alors bien que la consommation soit plus faible et nivele, lesconomies du systme en terme de $/kWh produit ne sont pas significatifs et on obtient mmeune augmentation pour Drogden, ce qui pourrait dire que le COE en $/kWh produit dans le casde Saint-Hubert est plutt li au gisement qu la demande nergtique, alors que pour Drogden,le profil de consommation semble avoir une influence.Tableau 5.19 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs venteux sous HOMER avec laconsommation sans chauffage dune rsidence pour le systme olienConso sans chauffage scaled, scaled 19.5 : moy : 19.5 kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcostTotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)olien seul St-Hubert 5*2kW ol, 16*200Ah (2.4kWh), 2kW CONV 41408 2162 69048 0.759 67.7olien seulDrogden 3*2kW ol, 15*200Ah (2.4kWh), 2kW CONV 28871 1652 49993 0.549 61.7Comparaison en % : -30 -24 -28 -28 -9Pour le Tableau 5.20, la situation de consommation sans chauffage et en utilisant des appareilsefficaces a t tudie pour Drogden et Saint-Hubert. En passant de la consommation sanschauffage la consommation sans chauffage et en utilisant des appareils efficaces, la proportionde surplus dnergie est reste stable 68 % pour Saint-Hubert et a augment pour Drogden de62 % 73 %.69Tableau 5.20 Comparaison de Saint-Hubert et dun lieu trs venteux sous HOMER avec laconsommation sans chauffage et avec lutilisation dappareils efficaces dune rsidence pour lesystme olienConso sans chauffage scaled, scaled 11.7 (appareils efficaces), moy : 11.7 kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcostTotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)olien seul St-Hubert 3*2kW ol, 15*200Ah (2.4kWh), 1kW CONV 27953 1490 46995 0.861 67.7olien seulDrogden 2*2kW ol, 10*200Ah (2.4kWh), 2kW CONV 19766 1024 32862 0.602 73.3Comparaison en % : -29 -31 -30 -30 85.2.4 Validation avec les fichiers disponibles dans HOMER ou RETScreenIl tait prvu quune validation soit faite en utilisant les fichiers disponibles dans HOMER etdans RETScreen, cependant le manque de dtails sur les informations entres dans les fichiers nepermet pas de faire une bonne comparaison avec les fichiers crs pour ce projet. De plus pourles systmes photovoltaques, le cot des panneaux a diminu substantiellement ces derniresannes et si lanne de rfrence du fichier nest pas indique, il est difficile de comparer encoreune fois le cot des systmes. Des analyses de sensibilits ont donc t faites.70CHAPITRE 6 TUDE COMPARATIVE DES SYSTMES SEULS,HYBRIDES AUTONOMES ET HYBRIDES CONNECTES AU RSEAU6.1 tudes des systmes seuls avec HOMER et RETScreenLes systmes seuls (photovoltaque, olien et disel) sont tudis tout dabord avec le logicielHOMER et les rsultats issus du cas tudi avec la consommation totale sont ensuite compars une simulation RETScreen.6.1.1 Systmes seuls avec HOMERLes systmes seuls (photovoltaque, olien et disel) sont compars les uns aux autres pour les 3cas de consommation tudis. Dans le Tableau 6.1, les systmes seuls qui rpondent laconsommation totale sont dtaills. Le systme photovoltaque demande un cot initial trsimportant, le cot total en est donc affect et le cot par kWh est lev. Pour le systme olien, lecot initial est largement moins lev que pour celui du systme photovoltaque, mais les cotsdopration sont tout de mme lev, en plus des batteries qui sont une grande partie des cotsdopration, les oliennes ncessitent plus dentretien que les panneaux solaires. Le systmedisel quant lui ncessite un investissement initial minimal et la majeure partie du cot total dusystme provient des cots dopration qui sont majoritairement lis lutilisation de carburant.Les systmes olien et photovoltaque ont tous deux une proportion dexcs dnergie similairesimportantes alors que le systme disel est plutt bien adapt pour lutilisation de toute lnergieproduite. Les systmes olien et disel offrent un cot similaire par kWh produit.Tableau 6.1 Rsum des systmes simples tudis avec HOMER pour Saint-Hubert pour laconsommation totale de 48,88kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcost ($/an)TotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)PV seul (DHOMER) 65kWc, 195*200Ah (2.4kWh), 6kW CONV 392553 8434 500362 2.199 73.6PV seul (DRET) 60kWc, 195*200Ah (2.4kWh), 6kW CONV 371853 8424 479534 2.107 73.8olien seul 13*2kW ol, 65*200Ah (2.4kWh), 6kW CONV 122543 6494 205559 0.903 68.9Diesel seul 5kW GEN 6000 14298 188772 0.829 5.8571Le Tableau 6.2 reprsente le sommaire des systmes seuls pour le cas de la consommation sanschauffage. Le profil de consommation est plus liss et la consommation est rduite de 60 %, lessystmes ncessaires sont donc moins importants. Les systmes dnergies renouvelables ont unprix de revient de lnergie qui est diminue par rapport au cas de la consommation totale. Pourle systme photovoltaque, la diminution est de 19 % et pour le systme olien, 16 %. Le cotCOE est le mme pour le systme disel. Le surplus dnergie pour chaque systme est similairedans les 2 cas. La rpartition des autres cots pour chacun des systmes (cots initiaux, cotsdopration et cots totaux) est la similaire celle pour la situation de la consommation totale.Tableau 6.2 Rsum des systmes simples tudis avec HOMER pour Saint-Hubert pour laconsommation totale de 19,5kWh/jConso sans chauffage scaled, scaled 19.5 : moy : 19.5 kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcostTotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)PV seul (DHOMER) 23kWc, 56*200Ah (2.4kWh), 2kW CONV 130908 2437 162063 1.782 70.3PV seul (DRET) 22kWc, 51*200Ah (2.4kWh), 2kW CONV 123733 2226 152187 1.674 71.6olien seul 5*2kW ol,16*200Ah (2.4kWh), 2kW CONV 41408 2162 69048 0.759 67.7Diesel seul 2kW GEN 2400 5623 74282 0.816 1.78Au Tableau 6.3, le dernier cas de consommation est prsent. Pour le photovoltaque, le prix derevient a lgrement augment alors que la proportion dexcs dnergie a diminu. Pour lesystme olien, le prix de revient a aussi augment, mais la proportion de surplus dnergie estreste la mme. Pour le systme disel, le cot de revient a diminu lgrement et la proportiondexcs dnergie est toujours faible. La rpartition des autres cots pour chacun des systmesest elle-aussi similaire aux cas prcdents.Tableau 6.3 Rsum des systmes simples tudis avec HOMER pour Saint-Hubert pour laconsommation totale de 11,7kWh/jConso sans chauffage scaled, scaled 11.7 (appareils efficaces), moy : 11.7 kWh/jType de systme Rsum du systme Initial costOperatingcostTotalNPCCOE$/kWhExcsd'nergie(%)PV seul (DHOMER) 10kWc,56*200Ah (2.4kWh), 1kW CONV 76240 2388 106762 1.957 58.9PV seul (DRET) 13kWc,32*200Ah (2.4kWh), 1kW CONV 74092 1389 91848 1.683 71.1olien seul 3*2kW ol,15*200Ah (2.4kWh), 1kW CONV 27953 1490 46995 0.861 67.6Diesel seul 1kW GEN 1200 3011 39688 0.727 0.39726.1.2 Comparaison des rsultats des systmes seuls de HOMER et RETScreenPour le cas de la consommation totale, une simulation RETScreen a t faite pour les 3 systmessimples : photovoltaque, olien et disel. Les mmes donnes entres dans HOMER ont tentres dans RETScreen (Figure 6.1, Figure 6.2 et Figure 6.3). Le cot de revient par anne dusystme avec RETScreen est de 39 142$ qui est le mme cot que pour HOMER. Au niveau dugraphique des flux montaires ( droite dans la Figure 6.1), on est un peu moins de 1 000 000$pour le cot total du systme. Le cot total de HOMER est le Net Present Cost (500 362$) quiest diffrent du cot total de RETScreen (25ans*39 142$= 978 550$) reprsent sur le graphique.Si on calcule la valeur future (capitalise du systme), on obtient que le systme vaudra2 147 489$ dans 25 ans. De cette valeur, on peut trouver les annuits qui seraient de 39 147$,donc la valeur de HOMER. Cette valeur multiplie par 25 ans donne la valeur de RETScreen.73Figure 6.1 Analyse financire RETScreen pour la consommation totale pour le systme photovoltaque seul Saint-HubertLe cot de revient par anne du systme avec RETScreen est de 16 081$ qui est le mme cot que pour HOMER. Au niveau dugraphique des flux montaires ( droite dans la Figure 6.2), on est un peu plus de 400 000$ pour le cot total du systme. Le cottotal de HOMER est le Net Present Cost (205 559$) qui est diffrent du cot total de RETScreen (25ans*16 081$= 402 025$)reprsent sur le graphique. Si on calcule la valeur future (capitalise du systme), on obtient que le systme vaudra 882 233$ dans25 ans. De cette valeur, on peut trouver les annuits qui seraient de 16 080$, donc la valeur de HOMER. Cette valeur multiplie par25 ans donne la valeur de RETScreen.74Figure 6.2 Analyse financire RETScreen pour la consommation totale pour le systme olien seul Saint-HubertLe cot de revient par anne du systme avec RETScreen est de 13 074$ qui est similaire au cot de HOMER de 14 767$. Au niveaudu graphique des flux montaires ( droite dans la Figure 6.3), on est un peu plus de 325 000$ pour le cot total du systme. Le cottotal de HOMER est le Net Present Cost (188 772$) qui est diffrent du cot total de RETScreen (25ans*13 074$= 326 850$)reprsent sur le graphique. Il y a une diffrence pour le cot en combustible qui est annuellement de 9 880$ dans HOMER et que de8 187$ dans RETScreen en entrant une consommation spcifique (15 409kJ/kWh) quivalente celle entre dans HOMER. Si onentre une consommation spcifique de 18 600kJ/kWh dans RETScreen, on obtient les mmes cots de combustible quHOMER. Vu lemanque dinformations fournies par laide de RETScreen, on ne sait pas comment RETScreen prend en compte la consommationspcifique.75Figure 6.3 Analyse financire RETScreen pour la consommation totale pour le systme disel seul Saint-HubertSi on calcule la valeur future (capitalise du systme), on obtient que le systme vaudra 810 185$ dans 25 ans. De cette valeur, on peuttrouver les annuits qui seraient de 14 767$, donc la valeur de HOMER. Cette valeur multiplie par 25 ans donne la valeur deRETScreen.766.2 Systmes hybrides6.2.1 Systmes hybrides avec analyses de sensibilit avec consommation totaleEn considrant la consommation totale dune rsidence moyenne, les diffrents systmeshybrides en situation hors rseau comprenant des panneaux solaires, des oliennes, des batterieset une gnratrice ont t analyss. La Figure 6.4 montre les systmes en ordre : du plusconomique au moins conomique selon le NPC (Net Present Cost).Figure 6.4 Analyse des systmes hors rseau pour la consommation dune maison moyenne avecles cots valus initialementOn remarque donc que le meilleur systme serait celui olien, disel et batteries et le deuximemeilleur serait le systme hybride comprenant toutes les composantes possibles oliennes,panneaux photovoltaques, gnratrice disel et batteries. Les deux pires systmes sont lessystmes olien seul avec batteries et photovoltaque seul avec batteries. Le systme disel seulnest pas, au fil des ans, la solution la plus conomique choisir. Le systme olien-photovoltaque avec batteries vient aprs les systmes avec gnratrice disel et batteriesensemble lexception de la gnratrice et des batteries seules. Le Tableau 6.4 montre uneanalyse de sensibilit sur le cot des batteries en conservant le cot des autres quipements fixeset il prsente lanalyse avec un cot de batteries lachat de 25 % plus faible et 15 % plus lev.77Tableau 6.4 Analyse de sensibilit pour les systmes hybrides avec modification du cot desbatteriesModification du cot des batteries et cots des autres quipements fixes15% de plus du cot initial des batteries25% de moins du cot initial des batteriesEn comparaison avec la situation initiale, laugmentation du cot de 15 % des batteries naffectepas le classement des diffrents systmes, alors quen diminuant de 25 % ce mme cot, lesystme olien avec batteries passe de lavant-dernier rang au 5e rang. En somme, la variation ducot des batteries dans ce cas influence peu le classement de systme donc les systmes prioriser.Au Tableau 6.5, une analyse similaire est faite en faisant varier le cot des oliennes.78Tableau 6.5 Analyse de sensibilit pour les systmes hybrides avec modification du cot desoliennesModification du cot des oliennes15% de plus du cot initial des oliennes25% de moins du cot initial des oliennesEn comparaison avec la situation initiale, laugmentation du cot de 15 % des oliennes naffectepas le classement des 3 premiers et des 3 derniers systmes, alors que les positions mdianes sontmodifies. Parmi ces positions mdianes, les systmes ayant des oliennes ont reculs dune 2positions. En diminuant de 25 % le cot des oliennes, les 4 premires positions et la dernirerestent les mmes par rapport celle du cas initial, alors que les positions 5 10 sont changes.Le systme olien disel sans batteries a augment de 2 positions, le systme olien avecbatteries a gagn 3 positions et finalement, le systme disel seul est descendu de 3 positions. En79somme, en faisant varier le cot des oliennes les 3 premiers systmes prioriser restent lesmmes ainsi que le dernier systme, celui viter reste le photovoltaque seul avec batteries.Tableau 6.6 Analyse de sensibilit pour les systmes hybrides avec modification du cot despanneauxModification du cot des panneaux15% de plus du cot initial des panneaux50% de moins du cot initial des panneauxAu Tableau 6.6, lanalyse de sensibilit est faite pour le cot des panneaux. Une augmentation de15 % a t considre et une diminution de 50 % du cot des panneaux tant donn que depuisles dernires annes le cot des panneaux ne cesse de diminuer. Pour laugmentation de 15 %, leclassement reste inchang donc laugmentation du cot na pas dinfluence sur les systmes prioriser dans ce cas-ci. En imposant une diminution du cot des panneaux de 50 % du cotinitial, le systme hybride olien-disel-photovoltaque avec batteries passe de la 2e position aupremier rang et les 3 derniers systmes restent leur position initiale. Un autre changement de80position est notable, le systme photovoltaque passe du 8e au 5e rang. En somme, mme unediminution significative du cot des panneaux amliore peu le sort des systmes photovoltaque,cependant le systme hybride olien-disel-photovoltaque avec batteries est favoriser.Une autre analyse de sensibilit a t effectue pour le cot du disel (Tableau 6.7). Le cotestim de dpart est de 1,2$/L. Les autres cots analyss sont 1,4$/L, 1,6$/L, 1,8$/L et 2$/L.Pour 1,4$/L pour la disel, le classement est inchang pour les 4 premires positions et pour ladernire par rapport la situation initiale. Pour les positions 5 10, globalement les systmesutilisant le disel sont descendus dun 2 positions et les systmes nayant pas de gnratricedisel ont augment dune 2 positions. Pour le cot du disel de 1,6$/L et de 1,8$/L, seules les6e, 7e, 8e et la dernire place est inchange. Le premier systme favoriser est donc maintenant lesystme hybride olien-disel-photovoltaque avec batteries. Le systme olien avec batteries afait un bond de la 10e place la 5e alors que le systme disel seul a subi une chute de la 5eposition la 9e. Les autres systmes avec une gnratrice disel tudis ont subi une perte duneposition. Pour 2$/L, les positions 6, 7, 8 et la dernire ne sont toujours pas changes. Le premiersystme est aussi hybride olien-disel-photovoltaque avec batteries. Le systme olien-photovoltaque avec batteries a augment dune place, le systme olien avec batteries de 6positions et le systme photovoltaque-disel avec batteries de 3 places. Les autres systmes avecgnratrice disel ont diminu dune place. Ces analyses du cot du disel montrent que ds quily a une augmentation du cot du disel, le systme hybride olien-disel-photovoltaque avecbatteries est privilgier, alors que le systme photovoltaque avec batteries est toujours proscrire.De toutes ces analyses, on en ressort que le systme photovoltaque avec batteries est toujours proscrire pour la situation tudie, alors que le systme olien disel avec batteries est favorisermme avec une variation du cot des batteries et des oliennes et mme pour une augmentationdu cot des panneaux, mais le systme hybride olien-disel-photovoltaque avec batteries est favoriser pour une diminution du cot des panneaux de 50 % ou encore ds quil y aaugmentation du cot du disel. Globalement, les systmes envisager sont le systme hybrideolien-disel-photovoltaque avec batteries dans un futur proche (vu que le cot des panneaux est la baisse et que le cot du disel est la hausse) et le systme olien-disel avec batteries est unchoix pour les systmes daujourdhui, mais il ne sera pas la solution long terme.81Tableau 6.7 Analyse de sensibilit pour les systmes hybrides avec modification du cot dudiselModification du cot du disel1.4$/L1.6$/L1.8$/L2$/L82Deux autres analyses dtailles sont effectues par graphique reprsentant les zones de systmes privilgier pour lvolution du cot des panneaux en fonction du cot du disel, les deux cotssont sujets changement dans les prochaines annes, le cot des panneaux tend diminuer alorsque le cot du carburant tend augmenter.Au Tableau 6.8, lanalyse graphique du cot des panneaux est prsente en fonction du cot dudisel et ce pour un cot des oliennes donn (graphique 1 : 75 % du cot des oliennes initial,graphique 2 : le cot initial et graphique 3 : pour 115 % du cot initial). Le cot des batteries estfixe. La rgion 1 reprsente la zone pour laquelle le systme hybride olien-disel avec batteriesest prioriser alors que la 2 reprsente celle pour laquelle le systme hybride photovoltaque-disel-olien avec batteries est privilgier. On remarque donc que plus le cot des oliennesaugmente, plus la zone du systme hybride photovoltaque-disel-olien avec batteries est grandeet quil faut un cot lev des panneaux pour que le systme olien-disel avec batteries soit prioriser.Au Tableau 6.9, lanalyse graphique du cot des panneaux est prsente en fonction du cot dudisel et ce, pour un cot de batteries donn (graphique 1 : 75 % du cot des batteries initial,graphique 2 : le cot initial et graphique 3 : pour 115 % du cot initial). Le cot des oliennes estfixe. Pour le cas de 75 % du cot des batteries, il faut un cot lev des panneaux et un faiblecot du disel pour que le systme olien-disel avec batteries soit favoriser. Pour le cot initialdes batteries, aussitt que le cot des panneaux est lev, le systme hybride olien-disel avecbatteries peut tre favoris, cependant pour ce systme continue dtre privilgi plus le cot dudisel augmente, il faut que le cot des panneaux soit trs lev. Si le cot des panneaux tendtoujours diminuer dans les prochaines annes, le systme hybride photovoltaque-disel-olienavec batteries sera prfrable. Lorsque le cot des batteries est de 15 % plus lev, il faut que lecot des panneaux soit lev et que le cot du disel soit faible pour que le systme olien-diselavec batteries soit favorable. Majoritairement, le systme olien-disel avec batteries estrecommand.83Tableau 6.8 Analyse graphique du cot des panneaux en fonction du cot du disel selonlvolution du cot des oliennes en conservant le cot des batteries fixeGraphe 1Graphe 2Graphe 32121211111 2184Tableau 6.9 Analyse graphique du cot des panneaux en fonction du cot du disel selonlvolution du cot des batteries en conservant le cot des oliennes fixeGraphe 1Graphe 2Graphe 31211 2112112185Pour le cot initial estim des panneaux et des batteries, lanalyse graphique est faite pour le cotdes oliennes en fonction du cot du disel la Figure 6.5. Globalement, pour un faible cot dudisel, le systme olien-disel avec batteries est prfrable, alors que pour un cot de disellev le systme photovoltaque-disel-olien avec batteries est suggr.Figure 6.5 Analyse graphique du cot des oliennes en fonction du cot du disel en conservantle cot des panneaux et des batteries fixePour le cot initial estim des oliennes et des panneaux, lanalyse graphique est faite pour lecot des batteries en fonction du cot du disel la Figure 6.6. Sommairement, pour un faiblecot du disel, le systme olien-disel avec batteries est favorable, alors que pour un cot dedisel lev le systme photovoltaque-disel-olien avec batteries est recommand.1 2121186Figure 6.6 Analyse graphique du cot des batteries en fonction du cot du disel en conservant lecot des panneaux et des oliennes fixeUne petite tude a aussi t faite pour le cas du cot des panneaux valant 50 % du cot initial auxFigure 6.7 et Figure 6.8. la Figure 6.7, le cot des oliennes est en fonction du cot du diselalors que pour la Figure 6.8, cot des batteries est prsent en fonction du cot du disel. Dansles 2 cas, le systme photovoltaque-disel-olien avec batteries est prfrable, ce qui veut direque peut importe lvolution du cot des batteries, des oliennes ou du disel, si le cot despanneaux est diminu des 50 %, le systme photovoltaque-disel-olien avec batteries esttoujours la solution privilgier.11212187Figure 6.7 Analyse graphique du cot des oliennes en fonction du cot du disel en conservantle cot batteries fixe avec le cot des panneaux 50 %Figure 6.8 Analyse graphique du cot des batteries en fonction du cot du disel en conservant lecot des oliennes fixe avec le cot des panneaux 50 %886.2.2 Comparaison des systmes sans gnratrice avec ceux connects aurseau et analyses de sensibilit6.2.2.1 tude des systmes photovoltaques connects au rseauDans cette section sont prsentes diverses tudes pour les systmes photovoltaques encomparaison avec la situation connect au rseau . Des analyses de sensibilit ont aussi teffectues.6.2.2.1.1 tudes des systmes photovoltaques connects au rseau avec de multiplespossibilitsLe systme a t modlis comme tant connect au rseau. De nombreuses dimensions duchamp de panneaux ont t utilises pour la simulation. HOMER donne toujours la solutionoptimise avec la plus petite puissance du champ de panneaux. Dans le cas de la Figure 6.9,5kWc tait la plus petite puissance de panneaux insre dans HOMER. Il nest pas avantageuxdajouter des panneaux un systme qui est connect au rseau si les cots dlectricit et lescots de rachat ceux prsentement offerts au Qubec.Figure 6.9 Rsultats tabuls de lanalyse des systmes photovoltaques connects rseau pour laconsommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement la Figure 6.10, lanalyse de sensibilit de ce systme est illustre graphiquement. Lesparamtres tudis sont le prix de rachat de llectricit au rseau sur laxe des ordonnes et lecot de llectricit du rseau sur laxe des abscisses. La zone 1 est celle pour laquelle le rseauest prfrablement alors que dans la zone 2, il devient avantageux dajouter des panneaux solairesde 5kWc au systme.89Figure 6.10 Rsultats graphiques de lanalyse des systmes photovoltaques connects rseaupour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement6.2.2.1.2 Comparaison du systme photovoltaque optimal et la situation connect au rseau 6.2.2.1.2.1 tudes du systme photovoltaque seul optimal et celui connect au rseauDans le cas de la Figure 6.11, 65kWc tait la puissance de panneaux insre dans HOMER. Ilnest pas avantageux dajouter des panneaux un systme qui est connect au rseau si les cotsdlectricit et les cots de rachat ceux prsentement offerts au Qubec.Figure 6.11 Rsultats tabuls de lanalyse du systme photovoltaque seul optimal connect aurseau pour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement la Figure 6.12, lanalyse de sensibilit de ce systme est dtaille graphiquement. Lesparamtres tudis sont le prix de rachat de llectricit au rseau sur laxe des ordonnes et lecot de llectricit du rseau sur laxe des abscisses. La zone 1 est celle pour laquelle le rseau112290est prfrablement alors que dans la zone 2, il devient avantageux dajouter des panneaux solairesde 65kWc au systme.Figure 6.12 Rsultats graphiques de lanalyse du systme photovoltaque seul optimal connectau rseau pour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement6.2.2.1.3 Analyse de la distance minimale du rseau pour le seuil de rentabilit pour le systmephotovoltaque seulLe systme photovoltaque optimal est compar avec la situation connecte au rseau dans le caso le rseau nest pas dj disponible proximit. La distance de la rsidence au rseau partirde laquelle il devient rentable davoir un systme autonome photovoltaque est 56.9 km (Figure6.13).112291Figure 6.13 Analyse de la distance du rseau pour le seuil de rentabilit du systmephotovoltaque en comparaison avec le systme connect au rseau6.2.2.2 tude des systmes oliens connects au rseauDans cette section sont prsentes diverses tudes pour les systmes oliens en comparaison avecla situation connect au rseau . Des analyses de sensibilit ont aussi t effectues.6.2.2.2.1 tudes des systmes oliens connects au rseau avec toutes les possibilitsLe systme a t modlis comme tant connect au rseau. De nombreuses quantits doliennesont t values pour la simulation. HOMER donne toujours la solution optimise avec le moinsdoliennes possible. Dans le cas de la Figure 6.14, une olienne tait la quantit analyse dansHOMER. Il nest pas avantageux dajouter des oliennes un systme qui est connect au rseausi les cots dlectricit et les cots de rachat ceux prsentement offerts au Qubec.92Figure 6.14 Rsultats tabuls de lanalyse des systmes oliens connects rseau pour laconsommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement la Figure 6.15, lanalyse de sensibilit de ce systme est illustre graphiquement. Lesparamtres tudis sont le prix de rachat de llectricit au rseau sur laxe des ordonnes et lecot de llectricit du rseau sur laxe des abscisses. La zone 1 est celle pour laquelle le rseauest prfrablement alors que dans la zone 2, il devient avantageux dajouter une olienne ausystme et la zone 3 reprsente la zone pour laquelle il est aussi intressant dajouter des batteriesen plus de lolienne au systme. Il faut cependant que le cot de llectricit du rseau soit trslev et que le cot de rachat soit faible.Figure 6.15 Rsultats graphiques de lanalyse des systmes oliens connects au rseau pour laconsommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement112233936.2.2.2.2 Comparaison du meilleur systme olien seul et la situation connect au rseau 6.2.2.2.2.1 tudes du systme olien seul et celui connect au rseauDans le cas de la Figure 6.16, 13 oliennes de 2kW tait la puissance de quantit doliennesinsre dans HOMER. Il nest pas avantageux dajouter des oliennes un systme qui estconnect au rseau si les cots dlectricit et les cots de rachat ceux prsentement offerts auQubec.Figure 6.16 Rsultats tabuls de lanalyse du systme olien seul optimal connect au rseau pourla consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement la Figure 6.17, lanalyse de sensibilit de ce systme est dtaille graphiquement. Comme pourle cas du photovoltaque, les paramtres tudis sont le prix de rachat de llectricit au rseau surlaxe des ordonnes et le cot de llectricit du rseau sur laxe des abscisses. La zone 1 est cellepour laquelle le rseau est prfrablement alors que dans la zone 2, il devient prfrable dajouterles oliennes au systme.94Figure 6.17 Rsultats graphiques de lanalyse du systme olien seul optimal connect au rseaupour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement6.2.2.2.2.2 Analyse de la distance tant le seuil minimal de rentabilit pour le systme olien seulLe systme olien optimal est compar avec la situation connecte au rseau dans le cas o lerseau nest pas dj disponible proximit. La distance de la rsidence au rseau partir delaquelle il devient rentable davoir un systme autonome olien est 22.6 km (Figure 6.18).Figure 6.18 Analyse de la distance du rseau pour le seuil de rentabilit du systme olien encomparaison avec le systme connect au rseau1122956.2.3 Comparaison des systmes hybrides avec systmes connects au rseauet analyses de sensibilitEn considrant la consommation totale dune rsidence moyenne, les diffrents systmeshybrides en situation connecte rseau comprenant des panneaux solaires, des oliennes et desbatteries ont t analyss. la Figure 6.19, on remarque quencore une fois, si le cot de llectricit et le prix de rachatsont les mmes quen ce moment, le rseau est la situation privilgier.Figure 6.19 Rsultats tabuls de lanalyse des systmes, sans gnratrice disel, connects rseaupour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialement la Figure 6.20, la zone 1 reprsente le rseau alors que la zone 2 est le systme combin durseau et de lolien et finalement, la zone 3 identifie la rgion pour laquelle le systme avec lerseau, lolien et les panneaux est abordable. Comme on peut le remarquer, ds quil y a unelgre augmentation dans le prix de rachat de llectricit, le systme de la zone 3 devientintressant.96Figure 6.20 Rsultats graphiques de lanalyse des systmes, sans gnratrice disel, connectsrseau pour la consommation dune maison moyenne avec les cots valus initialementEn considrant la consommation totale dune rsidence moyenne, les diffrents systmeshybrides en situation connecte rseau comprenant des panneaux solaires, des oliennes, desbatteries et une gnratrice ont t analyss.Figure 6.21 Analyse des systmes connects rseau pour la consommation dune maisonmoyenne avec les cots valus initialement la Figure 6.22, le cot de rachat est sur laxe des ordonnes et le prix de llectricit est sur lesabscisses. La zone 1 reprsente la rgion pour laquelle le rseau est la meilleure option, la zone 2celle pour le rseau et une gnratrice disel, la zone 3 celle pour le rseau et lolien, la zone 4celle pour le rseau, lolien et une gnratrice disel, la zone 5 celle pour le rseau, lolien et le11223397photovoltaque et finalement, la zone 6 celle pour le rseau, lolien, le photovoltaque et lagnratrice disel. De faon gnrale, on remarque que ds que le cot de rachat et le prix dellectricit sont plus de 0.10$/kWh, le systme avec le rseau, lolien, le photovoltaque et lagnratrice devient favorable.Figure 6.22 Analyse de sensibilit sur le cot de rachat de llectricit et le prix de llectricitpour des systmes connects rseau pour la consommation dune maison moyenne avec les cotsvalus initialement11 2233445 56 698CHAPITRE 7 RSULTATS GNRAUX DES ANALYSES ET DESSIMULATIONSEn faisant un survol de tous les rsultats et simulations, on en dduit tout dabord que le profil deconsommation et le gisement ont une influence complexe sur les cots et lexcs dnergie, alorsque le cot de revient de lnergie en $/kWh est simplement li au gisement de la sourcednergie (solaire ou olienne).Dans le cas des systmes seuls autonomes, les cots initiaux pour le photovoltaque sont trslevs et le cot de revient dnergie aussi, alors que pour lolien et le disel, le cot de revientest similaire. La seule diffrence est issue de la provenance des cots, le systme olien a descots initiaux importants, alors que la gnratrice disel a des cots en carburant nonngligeables.Lanalyse RETScreen pour les cots donne des rsultats quivalents HOMER en comparant lesannuits des diffrents systmes.Pour la comparaison des systmes hybrides hors rseau, le systme olien-disel avec batteriesest le choix optimal avec les cots offerts prsentement. Si on effectue des analyses de sensibilitsur les diffrents cots des quipements, le systme photovoltaque-olien-disel avec batteriesdevient intressant et le systme photovoltaque avec batteries est toujours bon dernier.Globalement, les systmes olien-photovoltaques sans gnratrice performent mieux que lessystmes photovoltaque et olien seuls et ncessitent moins de batteries.Si on tudie la situation connecte au rseau en ajoutant des panneaux solaires ou des oliennes,par dfaut avec les cots dlectricit prsents et le cot de rachat de llectricit nul, le rseau estfavorable, mais si les cots augmentent lajout de panneaux ou doliennes peut devenir rentable.En faisant la comparaison du systme autonome et de la situation connecte au rseau, on obtientpour le systme photovoltaque que le rseau doive tre plus de 57 km pour tre intressant,alors quil ne faut que 23 km pour que le systme olien devienne rentable.Pour la situation connecte au rseau tudie la fois avec panneaux solaires et oliennes sansgnratrice disel, avec une lgre augmentation des cots dlectricit, il devient rentabledajouter des oliennes et des panneaux solaires au systme.99Finalement, ltude du cas connect au rseau avec les panneaux, les oliennes, les batteries et lagnratrice disel, on remarque que ds que le cot de rachat est suprieur 0.10$/kWh et que lecot de llectricit est dun peu plus de 0.10$/kWh, le systme photovoltaque-olien-diselconnect au rseau devient intressant.100CONCLUSIONLa conclusion gnrale est donc quil est rentable conomiquement dajouter des oliennes auxsystmes avec gnratrice disel et si les cots des quipements ou du disel voluent, lajout depanneaux solaires ces systmes sera justifi. Quand les cots dlectricit auront lgrementaugment et que les cots de rachat de llectricit par le rseau seront intressants, lajout depanneaux solaires, doliennes et de gnratrices disel au systme sera rentable pour leparticulier. La distance (23 km pour lolien et 57 km pour le photovoltaque) entre le site de lademande nergtique et le rseau justifie un systme isol et autonome pour la consommationquivalente une rsidence moyenne du Qubec.Voici maintenant un retour sur lhypothse principale, les questions et objectifs de recherche etune prsentation des nouvelles voies tudier entourant le sujet de ce mmoire.Hypothse principale et vrification. Effectivement, lajout dun systme photovoltaque unsystme olien hors rseau au Qubec permet de diminuer lintermittence du systme et donc, dediminuer la quantit daccumulateurs ncessaires. Cette diminution du nombre daccumulateurset de la taille des systmes installs permet de raliser des conomies qui justifient le surcotengendr par lajout du systme photovoltaque au systme olien.Questions de recherche. Les questions de recherche ont t rsolues : Est-ce quen rgion isole au Qubec, les systmes hybrides oliens-photovoltaques sontconomiquement et techniquement viables en comparaison avec les systmesphotovoltaque et olien seuls? Oui, ils sont prfrables aux systmes seuls. Est-ce ce que ces mmes systmes sont viables en comparaison avec la situation actuellegnratrice diesel ou le rseau ? Les systmes hybrides avec gnratrice disel sontprfrables au systme disel seul, mais les systmes hybrides sans gnratrice ne sontpas prfrables. Pour la situation connecte au rseau, il est rentable dajouter despanneaux solaires ou des oliennes au systme si les cots dlectricit augmentent et si lecot de rachat de llectricit augmente. Quels logiciels sont reconnus et facilement accessibles (cot, facilit dutilisation, champdapplication) pour raliser de telles tudes ? Le logiciel HOMER est un outil trs fiable,robuste et facile dutilisation avec de nombreuses possibilits danalyses.101Objectifs spcifiques. Les objectifs spcifiques du projet ont t atteints :1. Identifier au moins deux logiciels ncessaires pour la ralisation du projet : HOMERet RETScreen,2. Slectionner les sites pour ltude : Saint-Hubert pour le Qubec, Djibo du BurkinaFaso pour son gisement solaire lev et Drogden au Danemark pour son gisementolien lev,3. Dfinir et modliser les diffrentes composantes des systmes comparer : desmthodologies ont t dveloppes,4. Effectuer la comparaison en tenant compte du ct technique et conomique : ledimensionnement a t russi pour les quipements des systmes et les cots ont tvalus,5. Faire une analyse comparative entre les donnes fournies par les deux logiciels :ltude des cots pour les systmes seuls a t ralise avec HOMER et RETScreen.Objectifs gnraux. Les objectifs ont t atteints en comparant des systmes hybrides oliens-photovoltaques avec des systmes photovoltaque ou olien seuls pour certains sites hors rseauau Qubec et par rapport d'autres sites ailleurs dans le monde. La comparaison avec dessystmes avec des gnratrices au disel et avec la situation connecte au rseau a t faite. Lebut de ce mmoire a donc t atteint.Nouvelles voies tudier. Des tudes similaires pourraient tre faites pour diffrents lieux auQubec, et mme dans dautres pays. Des analyses de sensibilit pourraient tre ralises auniveau des diffrentes technologies de panneaux solaires et avec diffrentes oliennes. Il pourraity avoir une analyse dtaille avec les autres consommations, consommation sans chauffage etconsommation en utilisant des appareils lectriques efficaces et une comparaison des rsultatsavec la prsente tude afin de dterminer si les conclusions sont maintenues ou si le profil deconsommation apporte du changement. Dans ce rapport, le dimensionnement, donc la dimensiontechnique, a t abord et lanalyse conomique sur toute la dure de vie du projet, mais ilpourrait y avoir une analyse sociale et environnementale sur les systmes tudis dans cemmoire. Il pourrait y avoir des recherches qui mneraient des mthodologies dedimensionnement pratique pour les systmes seuls et hybrides qui pourraient alimenter et enrichir102la littrature dficiente ce sujet. Au niveau des donnes de gisement, avec les statistiques djaccumules, il pourrait tre intressant de ne pas fournir simplement le nombre possible de joursconscutifs sans soleil, mais aussi le nombre de jours conscutifs sans vent et surtout, le nombrede journes conscutives sans soleil ni vent, ces donnes faciliteraient le dimensionnement desappareils et les tudes prliminaires limplantation des technologies solaires photovoltaques,oliennes et hybrides.Apport de ce mmoire. Jespre avoir apport des conclusions intressantes pour ceux quiveulent installer des systmes autonomes en rgions isoles et davoir soulev des questions ounouvelles pistes de recherche pertinentes au domaine. Ce mmoire, surtout les parties sur lamthodologie et sur les donnes utiliser, a t ralis de faon ce que des tudiants puissentintgrer et utiliser ces notions dans les projets de cours notamment pour les cours ENE8210 -Efficacit des sources dnergie et MET8220 - Technologies solaires photovoltaques. Pour moi,la transmission des connaissances est trs importante et elle est dautant plus cruciale dans lesdomaines mergents comme lutilisation des nergies renouvelables non traditionnelles et plusglobalement, dans la perspective du dveloppement durable afin de sensibiliser la relve auxnouvelles voies et solutions qui souvrent eux.103LISTE DES RFRENCESAi, B., Yang, H., Shen, H., & Liao, X. (2003). Computer-aided design of PV/wind hybrid system.Renewable Energy, 28(10), 1491-1512.Bernard, J. (2004). nergie solaire : calculs et optimisation. Paris: Ellipses.Cabral, A. (2007). Dveloppement durable et gestion environnementale. Notes de cours GCI520.Universit de Sherbrooke. Sherbrooke.Canada, R. n. (2010). Tableaux de la Base de donnes complte sur la consommation d'nergie.L'Office de l'efficacit nergtique. Retrieved 29 novembre, 2011, fromhttp://oee.nrcan.gc.ca/organisme/statistiques/bnce/apd/evolution_res_qc.cfmCanmetnergie. (2009). nergies renouvelables. Canmetnergie. 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Dans cette section, une simple numrationdes lments dterminer est fournie.Demande nergtiqueFigure 1 HOMER - Fentre de la demande nergtiqueLa demande nergtique, dont la fentre est illustre la figue 1, est simplement laconsommation nergtique auquel le systme doit rpondre. Voici les lments fournir :o Nom ou titre de la demande nergtique,o Type de charge : AC ou DC (courant alternatif ou courant continu),o Source des donnes de demande nergtique,107 Profils journaliers de consommation (entrer les donnes dans la section BaselineData ),ou Importer un fichier (identifier lemplacement du fichier importer),o Variabilit des donnes, Variabilit des donnes jour par jour (%), Variabilit des donnes dheure en heure (%),o Moyenne annuelle mise lchelle (kWh/jour),o Mesures defficacit nergtique, Coefficient multiplicateur pour lefficacit, Cot en capital ($), Dure de vie (annes).o Type de graphiques possiblesPlothourly heures en heuresmonthly average value, min, max (quartile) /mois et annedmap help to see a patternprofile moy./heure pour chaque moispdf frquence des donnescdf cumulative distribution functiondcduration curve a graph that indicates the distribution of() as a function of the cumulative number of hoursthat the () exceeds a given () in a year108quipementsPanneaux solaires photovoltaquesFigure 2 HOMER Fentre des panneaux solaires photovoltaquesPour cette fentre, figure 2, il y a 4 sections remplir : la section des cots des panneaux,les grandeurs de champ de panneaux considrer, les proprits associes aux panneaux et desproprits avancs que lon peut complter. Voici les informations dterminer pour les cots :o Puissance de panneaux auquel le prix est associ (kW),o Cot en capital de ce type de panneaux ou associ cette puissance ($),o Cot pour le remplacement de ce panneau ($),o Cot dopration et dentretien des panneaux ($/an).Ensuite, il faut indiquer quelles sont les puissances de panneaux solaires en kW aveclesquelles le logiciel doit faire les simulations dans la section sizes to consider . Dans lesproprits, on doit indiquer :109o Type de courant de sortie des panneaux, AC ou DC (gnralement, courantcontinu),o Dure de vie (annes),o Facteur de dvaluation (%),o Pente des panneaux installs (degrs),o Azimut (degrs louest du sud),o Coefficient de rflexion du sol (%).Finalement, la section des proprits avances peut tre complte. Elle comprend lesinformations sur le systme de suivi du soleil et des informations sur leffet de la temprature surles panneaux. Pour le systme de suivi de systme, on peut choisir que notre systme nen a pasou quil en a un et quil suit le soleil selon laxe horizontal, selon laxe vertical ou selon les deuxaxes. Pour considrer leffet de la temprature sur lefficacit des panneaux, il faut avoir lesdonnes suivantes :o Coefficient de perte de puissance selon la temprature (%/C),o Temprature nominale dopration des cellules du panneau (C),o Efficacit des panneaux aux conditions de tests standards.110oliennesFigure 3 HOMER - Fentre des oliennesPour les oliennes, figure 3, on doit choisir un type dolienne dj entre dans HOMERou choisir une olienne gnrique ou encore entrer un modle dolienne qui nest pas dans labase de donnes de HOMER. Une fois le type dolienne choisi, les proprits vont safficherautomatiquement. Tout comme pour les panneaux solaires, il faut entrer les donnes des cots :o Quantit doliennes (nombre doliennes),o Cot en capital de cette olienne ($),o Cot pour le remplacement de cette olienne ($),o Cot dopration et dentretien des oliennes ($/an).Ensuite, il faut indiquer quelles sont les quantits doliennes avec lesquelles le logicieldoit faire les simulations dans la section sizes to consider . Finalement, il faut aussi indiquer ladure de vie en annes et la hauteur du moyeu de lolienne en mtres.111GnratriceFigure 4 HOMER Fentre pour la gnratricePour la gnratrice, figure 4, il y a 4 onglets remplir, un pour les cots, un pour lesinformations concernant le combustible, un autre pour lhoraire de lutilisation de la gnratriceet un dernier pour les missions mises. Dans longlet des cots, il y a la section des cotsassocis la gnratrice. Il faut entrer les donnes suivantes :o Puissance des gnratrices (kW),o Cot en capital de cette gnratrice ($),o Cot pour le remplacement de cette gnratrice ($),o Cot dopration et dentretien des gnratrices ($/an).Ensuite, il faut indiquer quelles sont les puissances (kW) avec lesquelles le logiciel doitfaire les simulations dans la section sizes to consider . Dans la section des proprits de la112gnratrice, les zones description et abrviation ne servent qu identifier ce type de gnratrice.Ensuite, le type de gnratrice doit tre identifi soit du type courant alternatif ou courantcontinu. Finalement, la dure de vie en heures et la proportion minimale de charge de lagnratrice doivent tre dtermines.Pour longlet concernant le combustible, il faut tout dabord choisir le type decombustible parmi les choix suivants :o Diesel,o Biogaz,o Ethanol,o Essence,o Mthanol,o Gaz naturel,o Hydrogne emmagasin.Il est aussi possible de dterminer des combustibles diffrents en modifiant leursproprits. Intercept coefficient et slope sont aussi dfinir. Dans la section des propritsavances, il est possible dentrer un ratio de rcupration de chaleur (en %) pour une chargednergie thermique et si la gnratrice est co-alimente par du biogaz. Dans longlet de lhorairedutilisation, on peut forcer la gnratrice fonctionner ou ne pas fonctionner pour des horairesdtermins. Finalement, dans longlet des missions, on peut modifier les donnes dmissionsentres par dfaut.113BatteriesFigure 5 HOMER Fentre pour les batteriesComme pour les oliennes, pour les batteries, figure 5, on peut choisir un type de batteriesdj entre dans HOMER ou entrer un modle de batteries qui nest pas dans la base de donnesde HOMER. Une fois le type de batteries choisi, les proprits vont safficher automatiquement.Il faut aussi entrer les donnes des cots :o Quantit de batteries (nombre de batteries),o Cot en capital de ces batteries ($),o Cot pour le remplacement de ces batteries ($),o Cot dopration et dentretien des batteries ($/an).Ensuite, il faut indiquer quelles sont les quantits de batteries avec lesquelles le logicieldoit faire les simulations dans la section sizes to consider . Finalement, dans la section deproprits avances, on peut dterminer le nombre de batteries en srie quil y a dans chaquebranche qui sera en parallle et on peut aussi dfinir une dure de vie minimale des batteries.114Convertisseur (onduleur)Figure 6 HOMER Fentre du convertisseurPour les convertisseurs, figure 6, il a la section des cots associs au convertisseur. Il fautentrer les donnes suivantes :o Puissance du convertisseur (kW),o Cot en capital du convertisseur ($),o Cot pour le remplacement du convertisseur ($),o Cot dopration et dentretien du convertisseur ($/an).Ensuite, il faut indiquer quelles sont les puissances (kW) avec lesquelles le logiciel doitfaire les simulations dans la section sizes to consider . On doit dfinir la dure de vie enannes et lefficacit (en %) dans la zone de londuleur. Ensuite, on identifie si le convertisseuragit simplement comme onduleur (de DC AC) ou sil agit aussi comme un redresseur (de AC DC). On doit aussi dterminer lefficacit du redresseur (en %).115RessourcesGisement solaireFigure 7 HOMER Fentre du gisement solairePour les donnes de gisement solaire, il ne suffit que dentrer la longitude et la latitude dulieu dsir, lier le logiciel avec le site de donnes de gisement de la NASA et cliquer sur licne Get Data Via Internet . On peut aussi importer un fichier comprenant des donnes rcoltessur le site mme. La dernire option est dentrer des moyennes mensuelles de gisement solaire(kWh/m2/jour). Il est aussi possible de mettre les donnes lchelle par rapport une moyenneannuelle (kWh/m2/jour).116Gisement olienFigure 8 HOMER Fentre de gisement olienPour le gisement olien, figure 8, on doit entrer des moyennes mensuelles de gisementolien (m/s). Il est aussi possible de mettre les donnes lchelle par rapport une moyenneannuelle (m/s). Dautres paramtres peuvent tre entrs : laltitude au-dessus du niveau de la mer(en m) et la hauteur de lanmomtre (en m). Pour les paramtres avancs, les donnes suivantespeuvent tre dtermines :o Facteur Weibull,o Facteur dauto-correction,o Diurnal pattern strength,o Heure de vent maximum.117CombustibleFigure 9 HOMER Fentre du combustiblePour le combustible, figure 9, les informations fournir sont simples : le prix ($/L) et, sille faut, une limite de consommation du carburant.118Autres donnesDonnes conomiquesFigure 10 HOMER Fentre des donnes conomiquesDans HOMER, les donnes conomiques, figure 10, pouvant tre entres sont :o Taux dintrt annuel (%),o Dure de vie du projet (annes),o Cots fixes en capital ($),o Cots fixes en opration et en entretien ($/an),o Pnalit pour manque dnergie ($/kWh).119Contrle du systmeFigure 11 HOMER Fentre de contrle du systmeLa fentre de contrle du systme, figure 11, permet de choisir certaines donnes pour lasimulation du systme dans HOMER. On peut dcider des intervalles de temps pour lasimulation, de la stratgie de rpartition dnergie et du contrle des gnratrices. Dautresparamtres sont aussi disponibles : permettre des systmes utilisant 2 types doliennes,permettre un surplus dnergie pour une charge dnergie thermique et limiter le surplusdnergie.120missionsFigure 12 HOMER Fentre pour les missionsDans HOMER, on peut tenir compte des pnalits financires imposes pour lesmissions dans lair en $/tonne et on peut aussi indiquer une limite pour ces mmes missions enkg/an, voir figure 12. Voici les substances concernes :o Dioxyde de carbone et monoxyde de carbone,o Hydrocarbures non brls,o Particules,o Dioxyde de souffre,o Oxydes dazote.121ContraintesFigure 13 HOMER Fentre des contraintesLes contraintes sont des conditions que le systme doit rencontrer. On peut indiquer si onpermet un dficit en nergie et imposer une proportion minimale dnergie renouvelable requisedans le systme. Dans cette section, on dtermine aussi les rserves dnergie en pourcentage soiten fonction de la charge, soit en fonction du type dnergie. Les rserves permettent davoir unsurplus dnergie pour assurer lalimentation continue.122ANNEXE 2 Mthodologie pour le photovoltaque avec HomerPour effectuer le dimensionnement avec le logiciel HOMER, on peut simplement entrer une sriede donnes et le logiciel donne la solution optimale parmi les donnes soumises. Ce nestcependant pas ncessairement la solution optimale absolue, mais plutt la solution optimaleparmi les choix soumis. Avec une mthode itrative, on pourrait arriver la solution optimalepour un lieu donn, mais le processus peut savrer long si on na pas dordre de grandeur de lataille du systme. De plus, on na aucune base de comparaison pour valuer la justesse desrsultats si on ne fait aucun calcul pralable.Je prconise donc un dimensionnement pralable la main, principalement bas sur la mthodedcrite dans (Labouret & Villoz, 2005), de tout le systme photovoltaque ; cest--dire ledimensionnement des panneaux solaires et de tout lquipement associ (batteries, convertisseur,onduleur, etc.). Jai donc tabli une mthodologie afin darriver des rsultats concluants enutilisant des calculs manuels et le logiciel HOMER.Dmarche globale pour le photovoltaqueLa dmarche globale est logique et lmentaire :1. valuer de la demande nergtique (consommation dnergie);2. Pr-dimensionner la main des panneaux et des quipements;3. Identifier les quipements ncessaires pour le systme (panneaux solaires, convertisseur,batteries) dans le logiciel HOMER;4. Entrer les donnes ncessaires dans le logiciel :a. de consommation nergtique;b. de gisement solaire pour le lieu dsir;c. des quipements (prix des quipements et cot dopration et dentretien);5. Lancer le calcul dans HOMER;6. Optimiser les rsultats de HOMER de faon itrative pour arriver la solution optimalepour ce systme;1237. Faire des analyses de sensibilit, si ncessaire;8. Valider le systme.Lutilisation du logiciel HOMER est simple et intuitive, mais un travail de recherche en amontdoit tre fait minutieusement et rigoureusement pour les donnes entres, surtout au niveau descots des quipements. Si ce travail nest pas effectu correctement et srieusement, les rsultatsobtenus ne reprsenteront pas un systme fonctionnel rel ou du moins plausible.tape 1 : valuer de la demande nergtiqueLes donnes de consommation doivent prfrablement tre values. Le tableau 1, un tableauclassique pour dterminer la consommation journalire dune famille ou dune maison, permet delister les appareils utiliss (RNCREQ, 2009). Par la suite, on indique la tension, la puissance et letemps dutilisation par jour des appareils. Une fois ce travail complt, il est possible de faire letotal de la consommation de chaque appareil en Wh/j (puissance * temps dutilisation). Pour lecas des tensions C.A., il faut tenir compte des pertes dues londuleur.Tableau1 : valuation de la demande nergtique journalireNom delappareillectriqueTensionC.A. ou C.C.PuissanceWattRendementonduleurpour C.A.PuissanceWatt, avecpertesUtilisationheures /jourTotal enWh/jLorsque le tableau est complt, on peut sommer la dernire colonne pour obtenir la demandenergtique globale pour une journe en Wh/j. Si des donnes sont disponibles dheure en heureou par jour, il est possible de les utiliser directement dans le logiciel HOMER.124tape 2 : Pr-dimensionnerLe pr-dimensionnement peut tre fait pour tous les quipements principaux selon la dmarcheexplicite dans le livre nergie solaire photovoltaque. Pour un systme photovoltaque horsrseau, il est ncessaire de pralablement dimensionner au minimum le champ de panneauxphotovoltaques, et je recommande aussi de dimensionner les accumulateurs (systme debatteries). Pour de meilleurs rsultats, une meilleure analyse et une meilleure comprhension dusystme, il est mieux de dimensionner tous les quipements importants, rgulateur et onduleurinclus. On peut mme dimensionner le cblage et les quipements connexes (fusibles, para-foudre, etc.) pour une analyse plus dtaille. Des schmas du champ de panneaux, desaccumulateurs et du cblage peuvent aussi tre effectus. Le logiciel HOMER, bien que trs bienfait et trs utile, nest quun outil. Ainsi, sil est lanc avec des donnes farfelues ou errones, lesrsultats quil produira ne reprsenteront pas la ralit. Parfois, cause du format des donnesentres, on doit forcer certaines donnes pour obtenir un systme qui reprsente la ralit.Il est important de garder en mmoire que les logiciels ne sont que des outils et on se doit decomprendre leur fonctionnement correctement afin dobtenir des rsultats concluants.2.a. Dimensionnement du champ de panneauxPour le dimensionnement du champ de panneaux, deux quations sont ncessaires :quation 1 : Relation entre le gisement solaire et le nombre dheures quivalentNe : nombre dheures quivalent en h/jEsol : gisement solaire en Wh/(m2j)1000 : ensoleillement optimum de 1000 W/m2125quation 2 : Relation entre la demande nergtique et la puissance crteEelec : demande nergtique journalire en Wh/jN : nombre dheure en h/jPc : puissance crte en WcLa premire permet de calculer le nombre dheures quivalent densoleillement, Ne, pour unejourne partir des donnes de gisement solaire, Esol en Wh/(m2j) -- nergie reue par 1 m2 en unjour.En fait, la puissance des panneaux solaires est dtermine sous des conditions standardises(ensoleillement optimum de 1000W/m2, une temprature de 25C et sous un ciel clair), donc lapremire quation permet de dterminer le nombre dheures quivalent Ne de cet ensoleillementoptimal de 1000W/m2 en utilisant le gisement solaire.Ayant obtenu le Ne, on peut ensuite prendre la deuxime formule. Celle-ci met en relation lapuissance ncessaire notre systme, Pc, partir de la demande nergtique, Eelec en Wh/j. Lapuissance crte est la puissance des panneaux ncessaires, note Pc en Watt. La puissance crteest souvent indique en Wc pour viter les confusions dunits.En rsum, on trouve dabord Ne, le nombre dheures quivalent partir du gisement solaire,ensuite on calcule Pc, la puissance des panneaux (puissance crte) avec la demande nergtique etle nombre dheures quivalent.La demande nergtique utilise est celle value laide du tableau 1 ou laide de donnesdisponibles. Dans le cas de donnes dj disponibles, lutilisation du pire cas (plus grandeconsommation) est approprie pour le pr-dimensionnement. Ensuite on peut ajouter des pertes(pertes dans le systme photovoltaque et pertes de londuleur si ce nest pas dj pris en compte).126quation 3 : Puissance crte avec pertesPcfinale = Pc / (Cp*Cond)Pcfinale : puissance crte finale en tenant compte des pertes en WcPc : puissance crte avant pertes en WcCond : efficacit de londuleur en dcimaleCp : coefficient associ aux pertes de courant de sources variesSources de pertes :- Salissure du panneau neige, sable, vitrage (courant), 5-15%- Aux bornes de diodes srie (tension)- Aux bornes du rgulateur srie (tension)- Aux bornes des cbles (tension), pertes considres nulles si cblage optimis- Temprature leve, pays chaud seulement et selon le type de technologie (tension)- Rgulateur classique (si rgulateur MPPT, pas de pertes)- Efficacit de la batterie- Perte de dbut et fin de journe (tension)- Diffrence entre puissance relle du panneau et puissance annonce (parfois ncessaire)Si le systme est bien dimensionn en tension (modules avec une tension suffisante pour pallieraux pertes en tension), les pertes se rsument aux salissures et lefficacit de la batterie. Le Cpvarie gnralement entre 0,65 et 0,9.Une fois la puissance du champ de panneaux dtermine, on peut trouver, en premireapproximation, le nombre de panneaux ncessaires, on na qu diviser la puissance crte par lapuissance du modle de panneaux utiliss. Le nombre de panneaux ncessaires est intressant connatre pour valuer la surface qui serait utilise par les panneaux. Ceci peut tre un indice dela viabilit du projet. la suite du dimensionnement, on peut obtenir 2 valeurs de puissancecrte, celle avec le gisement du pire mois, lautre avec le gisement moyen de tous les mois.127Lorsquon dimensionne simplement, on prend le gisement du pire mois. Pour loptimisation dusystme, les 2 valeurs sont intressantes afin dobtenir un intervalle de possibilits.De plus, une fois la puissance crte calcule, on peut dterminer la tension du systme. Cettetension est recommande en fonction de la taille du systme selon le tableau 2.Tableau 2 : Tension recommande pour un systme photovoltaquePuissance duchamp0-500Wc 500 Wc- 2kWc 2-10kWc plus de 10kWcTensionsuggre12VDC 24VDC 48 VDC plus de 48VDCLa tension issue de ce tableau est la tension nominale du systme. Afin de combler les pertes entension, la tension doit tre suprieure. Par exemple, la tension maximale, Vm, sera de 17-18Vpour les pays chauds et de 15-16V pour les pays temprs pour une tension nominale de 12V.Les besoins journaliers peuvent aussi tre dfinis en Ah/j. On doit donc diviser les besoinsnergtiques en Wh par la tension nominale du systme (tension identifie prcdemment laidede la puissance crte du systme avec le tableau 2).quation 4 : Besoins journaliers en Ah/jBj=Eelec/VnomBj : besoin journalier en Ah/jEelec : demande nergtique en Wh/jVnom : tension nominale du systme en V128quation 5 : Courant maximal ncessaireIm=Bj/(Esol*Cp)Im : Courant associ la puissance maximale en ABj : besoin journalier en Ah/jEsol : gisement solaire en Wh/(m2j)Cp : coefficient associ aux pertes de courant de sources variesLa puissance crte minimale ncessaire du systme tiendra compte de la tension maximale et ducourant maximal.quation 6 : Puissance minimale requise pour le systmePc=Vm*ImPc : puissance crte minimale du systme en WcVm : tension maximale en VIm : courant maximal en ALa puissance crte ncessaire peut tre mise jour et le nombre de panneaux ncessaires rvis.Il est possible quun systme soit trs gros et exige de le diviser en sous-systmes afin de rduireles pertes par dissipation de chaleur cause du courant trop lev. La tension globale du systmepeut tre augmente (240, 480, 720, 960 Volt). Je suggre de diviser les sous-systmes de faon ce que le courant nominal total soit de moins de 100 A.2.b. BatteriesLe pr-dimensionnement des accumulateurs est aussi dterminant. HOMER permet de dfinirplusieurs sries de batteries en parallle. Les batteries sont gnralement dfinies en Ah, onutilise donc les besoins journaliers, Bj, en Ah/j.Pour dterminer le systme de batteries, il faut donc connatre le nombre de jours dautonomiencessaire, cest--dire le nombre de jours susceptibles dtre sans apport dnergie solaire et lestempratures pour le lieu choisi. Des tempratures basses sont nocives pour les batteries. Il fautdonc appliquer un coefficient rducteur qui tient compte de ce fait. On doit aussi connatre la129profondeur de dcharge du type de batteries choisi (seuil sous lequel la batterie ne peut tredcharge, sinon elle sera endommage). Avec ces donnes et la demande nergtique, on calculela capacit des batteries et la capacit en tenant compte des coefficients de rduction commedcrit dans (Labouret & Villoz, 2005).quation 7 : Calcul de la capacit des batteriesCAh=Nja*BjCAh : capacit en AhNja : nombre de jours dautonomie ncessaires en joursBj : besoin journalier en AhPour trouver le nombre de jours ncessaires pour le dimensionnement des batteries, le site de laNASA SSE offre des donnes de jours quivalents sans soleil. Ces donnes peuvent tre utilisespour identifier le nombre de jours dautonomie ncessaire.quation 8 : Calcul avec coefficients rducteursCnom= CAh/(Pd*Rt) = (Nja*Bj)/(Pd*Rt)Cnom : capacit nominale en AhPd : profondeur de dcharge maximale autorise (gnralement 0.7 ou 0.8)Rt : coefficient rducteur tant compte de la temprature(dpend de la batterie choisie)Il faut donc obtenir la tension dsire en mettant plusieurs batteries en srie et pour obtenir lesystme final voulu, il faut mettre plusieurs sries de batteries en parallle.Infos supplmentaires : http://www.majorpower.com/inverters/battery_sizing_faq.pdf2.c. Autres quipementsLe rgulateur, le convertisseur et le cblage peuvent aussi tre dimensionns pour une meilleureapproximation des cots. Le dimensionnement des autres quipements accessoires (protectionscontre la foudre, fusibles, disjoncteurs et autres) est superflu pour une tude macroscopique.130Seul le convertisseur est reprsent dans HOMER. Le rgulateur et le cblage peuvent tredimensionns selon (Labouret & Villoz, 2005) et leurs cots associs ainsi estims. Le rgulateurdoit tre inclus dans les cots de panneaux solaires ainsi que le cblage et autres fournituresncessaires dans le cas de simulations dans HOMER.Convertisseurquation 9 : Dimensionnement du convertisseur/onduleur selon puissance du systmePuissanceonduleur = coeff* puissance de sortie des panneauxPour systme hors rseau :Coeff : 1.25 1.3 (25 30% de plus que la puissance des panneaux)http://www.leonics.com/support/article2_12j/articles2_12j_en.phpPour systme connect au rseau :Coeff : 1.1*puissance de linstallationhttp://www.infinitepower.org/pdf/FactSheet-24.pdfOuquation 10 : Dimensionnement du convertisseur/onduleur selon puissance instantane maximalePuissanceonduleur = coeff* puissance instantane maximaleCoeff : 1.25* puissance instantane maximalehttp://www.infinitepower.org/pdf/FactSheet-24.pdfSi la puissance instantane maximale est connue, les 2 calculs sont faits et la valeurmaximale est utilise.RgulateurLe rgulateur est dimensionn selon 3 paramtres : tension nominale, courant dentre et courantde sortie. La tension doit tre quivalente celle des panneaux (tension nominale : 12 V, 24 V ou48 V). Le courant dentre correspond au courant instantan maximal que les panneaux peuventdbiter. Le courant de sortie doit correspondre au courant instantan maximal de la demande.quation 11 : Dimensionnement du rgulateur (courant)131Courant = 1,5* Courant nominalpour un rgulateur shunt : 1.5* courant de court-circuit total du champpour un rgulateur srie : 1.5* courant Im total au point de puissance maximalequation 12 : Dimensionnement du rgulateur (tension)Tension maximale = 2* tension nominaleCblageUn schma de cblage peut tre effectu, mais nest pas ncessaire pour ltude macroscopique.La dmarche est dcrite dans (Labouret & Villoz, 2005).tape 3 : Identifier les quipements ncessairesCette tape est trs rapide. Elle consiste identifier les quipements ncessaires pour le systmequon veut modliser. Dans le cas du systme photovoltaque hors rseau, on a besoin depanneaux solaires, de batteries, dun convertisseur/onduleur, il ne sagit que de choisir lesquipements dans HOMER afin de pouvoir, par la suite, entrer les donnes qui leur sontassocies. Dans la zone quipement (equipment to consider), il faut aussi inclure la demande nergtique (primary load). Sans demande nergtique, HOMER donne un messagederreur, le logiciel tant fait pour optimiser le systme de production dnergie en fonction de lademande nergtique.Figure 7.1 : quipements slectionns dans HOMER132tape 4 : Donnes entrerLa qualit et lexactitude des donnes entres sont trs importantes parce que le logiciel HOMERse base sur ces donnes pour effectuer les calculs. Celles-ci ont donc un impact direct sur lajustesse des rsultats obtenus.Il est impratif de consulter laide de HOMER lorsquon entre les donnes.Laide dcrit ce quil faut inclure et dfinit prcisment les termes utiliss dans le logiciel.Parfois, laide de HOMER suggre des sites internet consulter ou mme des valeurs entrer.Laide est un outil essentiel pour tout projet.4a. Donnes de consommation nergtiquePour les donnes de consommation nergtique, un profil peut tre entr pour chaque heure de lajourne et ce pour tous les jours de lanne. Dans le cas o la demande a t value avec letableau 1, il est bien de dterminer les moments de la journe quand les appareils sontsusceptibles dtre utiliss et de faire un profil de consommation journalier le plus prcispossible. Les pointes de consommation pour une rsidence sont souvent le matin avant que lesgens partent travailler et les soirs, du retour du travail jusquau coucher. Cependant, le profiljournalier dpend totalement des activits effectues (rsidence, chalet, industrie, observatoire,camp de chasse, etc.) et du mode dutilisation des quipements.Il est donc important dajuster le profil de consommation la situation donne.4b. Donnes de gisement solaireIl est possible dentrer la main les donnes de gisement solaire pour chaque mois, mais dautrespossibilits sont offertes: entrer des donnes pour chaque heure du jour et chaque jour de lanne,ou lier le logiciel avec les donnes de la NASA, ce qui permet dobtenir les donnes de gisement133du lieu indiqu pour chaque mois simplement en entrant les coordonnes gographiques (latitudeet longitude). Il est certain que si les donnes sont disponibles pour toutes les heures de lanne etque le profil de consommation est aussi disponible dans ce format, les rsultats seront optimaux.Dans les autres cas, lier le logiciel aux donnes disponibles la NASA pour le gisement solaireest appropri.4c. Donnes dquipementLes donnes pour lquipement concernent lquipement qui sera utilis pour le systme deproduction dlectricit.Grandeurs considrer- Champ de panneaux solaires la suite de plusieurs essais et calculs sur HOMER, les donnes de gisement utiliser pour ledimensionnement sont la moyenne de tous les mois de lanne et la donne du pire mois delanne. La solution optimale calcule par HOMER pour la puissance crte se situe, en gnral,entre les valeurs de puissances crtes calcules avec ces donnes.Donnecalculeaveclamoyenne de tous lesmoisDonnecalculeaveclepire moisSolutionoptimale134Je suggre donc dutiliser les valeurs suivantes comme entres dans HOMER pour un premiercalcul:Une valeur plus faible que la plus petite valeur calculeDonne de puissance crte calcule avec la moyenne de tous les moisQuelques valeurs mdianesDonne de puissance crte calcule avec le pire moisUne valeur plus leve que la plus grande valeur calculeLes valeurs, plus faible et plus leve, permettent de sassurer quil ny a pas de solution quincessite moins de panneaux ou plus de panneaux que les solutions auxquelles on sattend.- BatteriesIl faut entrer les valeurs obtenues par le pr-dimensionnement. Si on a seulement une srie debatteries, on doit entrer directement le nombre de batteries dsires. Pour dfinir plusieurs sriesde batteries, on doit entrer le nombre de batteries en srie et le nombre de sries de batteries quiseront en parallle.135- ConvertisseurIl faut entrer la valeur du pr-dimensionnement. On peut mettre dautres valeurs dans HOMER,mais il faut faire une bonne analyse des rsultats optimiss que donnent HOMER dans ce cas cause du format des donnes entres. Les donnes de demande nergtique sont entres en kWpour chaque heure de la journe : on entre donc une puissance moyenne sur une heure. HOMERne connat donc pas la valeur maximale de puissance instantane requise par le systme.Cots des quipementsLes cots peuvent tre trouvs sur de nombreux sites internet en fonction de la rgion o le projeta lieu. Les sites internet sont de bonnes ressources tant quon sattarde la fiabilit et validitde la source (sites dorganismes reconnus ou sites gouvernementaux). Ils sont souvent plus jourque les livres et plus accessibles que les articles scientifiques. Il est important de porter uneattention particulire au lieu gographique et aux prix trouvs : dans certains pays lesquipements sont plus chers. Le prix peut tre dfini selon une moyenne de prix trouvs surplusieurs sites pour des quipements bien prcis ou il peut tre dtermin selon des prixgnraux. Par exemple, on peut trouver le prix moyen des panneaux par Wc au lieu dun prixpour un modle de panneaux prcis. Lorsquon entre les donnes, il faut faire attention : le prixdoit parfois tre entr par quipement (par batterie), et parfois selon la puissance de lquipement(panneaux solaires, prix pour une certaine puissance).- Panneaux solairesIl est important de noter que le prix entrer doit tenir compte du prix des panneaux solaires, desfixations des panneaux, du systme de suivi du soleil sil y en a un, des rgulateurs, du cblage etde linstallation. Pour les cots des panneaux, on peut entrer plusieurs puissances de panneaux etle prix associ. Cette possibilit est intressante parce que les panneaux de petites puissances ontsouvent un prix par Wc plus lev que les panneaux de grandes puissances, donc si on a le loisirde choisir le type de panneaux quon veut, le prix global sera mieux adapt la situation. Pour degrandes demandes nergtiques, on prend les panneaux de plus grandes puissances afin davoir leplus faible cot et le moins de panneaux possible. Voici quelques rfrences en termes depourcentage pour les cots des autres quipements inclus dans le cot des panneaux pour lelogiciel HOMER.Modules : 50-60% des cots totaux du systme136http://www.solarbuzz.com/Moduleprices.htmRgulateur : cot moins de 5% du cot total du systmeInstallation : 10 % des cots totaux du systmehttp://www.retscreen.net/fr/speakers_notes_photovoltaic_project_analysis.php- BatteriesLes batteries gnralement utilises en pv sont les batteries au plomb. Voici quelques indicationsdes frais associs aux batteries pour des systmes photovoltaques.13-15% des cots initiauxJusqu 50% des cots totaux- Convertisseur/onduleurOnduleur : 10-15% des cots totaux du systmehttp://www.retscreen.net/fr/speakers_notes_photovoltaic_project_analysis.phphttp://www.solarbuzz.com/Moduleprices.htm(Luque & Hegedus, 2003)tape 5 : Lancer le calculUne fois toutes les donnes entres, il faut lancer le calcul sur HOMER. Le temps de calcul estrapide. Les rsultats sont ensuite affichs, avec la solution la moins chre en premier. On peutvoir tous les rsultats de tous les systmes overall ou les rsultats par type de systme categorized . HOMER produit parfois aussi des avertissements. En gnral, il ne faut plusavoir davertissements, sauf dans certains cas pour lesquels on impose des valeurs. Il faut doncbien comprendre la nature des avertissements et des erreurs donns par HOMER et agir avecdiscernement.tape 6 : Optimiser les rsultatsLa phase doptimisation des rsultats est le cur mme de la dmarche. Loptimisation se fait defaon itrative, on tient tendre vers la solution optimale. HOMER donne la solution optimale137parmi les grandeurs de systme proposes. Le principe est donc simple; on utilise la solutionoptimale donne par HOMER, on remet cette valeur dans HOMER ainsi que la valeur au-dessuset au-dessous et des valeurs intermdiaires. On refait le mme processus jusqu ce quonobtienne une solution optimale. On peut se guider avec une donne intressante des rsultatsautre que le cot : lexcs dnergie du systme. Il est certain que lexcs dnergie est de plus enplus grand pour des latitudes leves pour des systmes photovoltaques hors rseau. Pour deslieux prs de lquateur, il est possible davoir un systme ayant moins de 5 % dexcs dnergieet mme prs de 0 %, ce qui est excellent. Aprs avoir obtenu le systme optimis, on peut mettreun facteur de scurit sur la solution trouve.tape 7 : Faire des analyses de sensibilit (facultatif)Des paramtres jugs influents, ayant une grande incertitude, ou ayant une plus grande variabilitdoivent tre cerns. Les analyses de sensibilit servent savoir si, mme avec une variation deces paramtres, les rsultats restent les mmes et sinon, quelles influences ils apportent. Cesparamtres peuvent tre : le cot des quipements, le cot de rachat de llectricit par le rseau,les donnes de gisement solaire, la demande nergtique. La plupart des donnes entres peuventtre utilises pour des analyses de sensibilit. Celles-ci multiplient le nombre de calculs effectuer par le logiciel et, par consquent, le temps de calcul. Cest pourquoi il est prfrable decerner les paramtres les plus sensibles pour notre tude. De plus, ces analyses doivent treexcutes sur les systmes optimiss pour lesquels les donnes des systmes obsoltes ont tenleves.tape 8 : Valider le calcul HOMERCOE cost of energyParmi les rsultats, le cot de revient de lnergie en $/kWh peut tre un bon indice pour validerle systme. Pour des systmes photovoltaques autonomes, ce cot est denviron quelques dollars(1 3$/kWh environ) alors que pour les systmes raccords au rseau le prix de revient peut treaussi faible que 30/kWh (varie entre 30/kWh et 60/kWh). Si lordre de grandeur nest pas bon(ex : plus de 10$/kWh), les cots entrs ont t mal valus.http://www.retscreen.net/fr/speakers_notes_photovoltaic_project_analysis.php138http://www.mrnf.gouv.qc.ca/energie/innovation/innovation-solaire.jspPourcentage dexcs dnergieLe pourcentage dexcs dnergie permet de dduire si le systme a bien t optimis. Plus lalatitude est leve, plus le systme photovoltaque a dexcs dnergie pour pouvoir rpondre lademande nergtique forte en priode pour laquelle le gisement est faible. Pour des systmes prsde lquateur, lexcs dnergie devrait tre presque nul.Pourcentage des cots de chaque quipement vs la moyenneOn peut comparer le pourcentage des cots obtenus par HOMER et le pourcentage normal descots des quipements par rapport aux cots totaux du systme. Sil y a des divergences, on doitles expliquer.Comparaison des valeurs de dimensionnement manuel et des rsultatsHOMERDes calculs de pr-dimensionnement manuel des quipements peuvent tre compars auxrsultats issus de HOMER. Des calculs approxims de cots peuvent aussi tre compars auxrsultats de HOMER. La situation idale est que tout soit du mme ordre de grandeur. comparer :- taille des quipements- cots initiaux- cots totauxIl est aussi possible de vrifier les rsultats obtenus avec des rsultats dtudes dj ralises etpublies dans des articles de revues ou disponibles sur les sites internet dorganismes reconnus.139ANNEXE 3 Mthodologie pour lolien avec HomerPour effectuer le dimensionnement avec le logiciel HOMER, on peut simplement entrer une sriede donnes et le logiciel donne la solution optimale parmi les donnes soumises. Ce nestcependant pas ncessairement la solution optimale absolue, mais plutt la solution optimaleparmi les choix soumis. Avec une mthode itrative, on pourrait arriver la solution optimalepour un lieu donn, mais le processus peut savrer long si on na pas dordre de grandeur de lataille du systme. De plus, on na aucune base de comparaison pour valuer la justesse desrsultats si on ne fait aucun calcul pralable.Je prconise donc un dimensionnement pralable la main de tout le systme olien ; cest--direle dimensionnement de la puissance des oliennes et de tout lquipement associ (batteries,convertisseur, onduleur, etc.). Jai donc tabli une mthodologie afin darriver des rsultatsconcluants en utilisant des calculs manuels et le logiciel HOMER.Dmarche globale pour lolienLa dmarche globale est logique et lmentaire :1. valuer de la demande nergtique (consommation dnergie);2. Pr-dimensionner la main des panneaux et des quipements;3. Identifier les quipements ncessaires pour le systme (oliennes, convertisseur,batteries) dans le logiciel HOMER;4. Entrer les donnes ncessaires dans le logiciel :d. de consommation nergtique;e. de gisement olien pour le lieu dsir;f. des quipements (prix des quipements et cot dopration et dentretien);5. Lancer le calcul dans HOMER;6. Optimiser les rsultats de HOMER de faon itrative pour arriver la solution optimalepour ce systme;7. Faire des analyses de sensibilit, si ncessaire;1408. Valider le systme.Lutilisation du logiciel HOMER est simple et intuitive, mais un travail de recherche en amontdoit tre fait minutieusement et rigoureusement pour les donnes entres, surtout au niveau descots des quipements. Si ce travail nest pas effectu correctement et srieusement, les rsultatsobtenus ne reprsenteront pas un systme fonctionnel rel ou du moins plausible.tape 1 : valuer de la demande nergtiqueLes donnes de consommation doivent prfrablement tre values. Le tableau 1, un tableauclassique pour dterminer la consommation journalire dune famille ou dune maison, permet delister les appareils utiliss (RNCREQ, 2009). Par la suite, on indique la tension, la puissance et letemps dutilisation par jour des appareils. Une fois ce travail complt, il est possible de faire letotal de la consommation de chaque appareil en Wh/j (puissance * temps dutilisation). Pour lecas des tensions C.A., il faut tenir compte des pertes dues londuleur.Tableau 1 : valuation de la demande nergtique journalireNom delappareillectriqueTensionC.A. ou C.C.PuissanceWattRendementonduleurpour C.A.PuissanceWatt, avecpertesUtilisationheures /jourTotal enWh/jLorsque le tableau est complt, on peut sommer la dernire colonne pour obtenir la demandenergtique globale pour une journe en Wh/j. Si des donnes sont disponibles dheure en heureou par jour, il est possible de les utiliser directement dans le logiciel HOMER.141tape 2 : Pr-dimensionnerLe pr-dimensionnement peut tre fait pour tous les quipements principaux. Pour un systmeolien hors rseau, il est ncessaire de pralablement dimensionner au minimum la puissance et lenombre doliennes, et je recommande aussi de dimensionner les accumulateurs (systme debatteries). Pour de meilleurs rsultats, une meilleure analyse et une meilleure comprhension dusystme, il est mieux de dimensionner tous les quipements importants, rgulateur et onduleurinclus. On peut mme dimensionner le cblage et les quipements connexes (fusibles, para-foudre, etc.) pour une analyse plus dtaille. Des schmas des oliennes, des accumulateurs et ducblage peuvent aussi tre effectus. Le logiciel HOMER, bien que trs bien fait et trs utile,nest quun outil. Ainsi, sil est lanc avec des donnes farfelues ou errones, les rsultats quilproduira ne reprsenteront pas la ralit. Parfois, cause du format des donnes entres, on doitforcer certaines donnes pour obtenir un systme qui reprsente la ralit.Il est important de garder en mmoire que les logiciels ne sont que des outils et on se doit decomprendre leur fonctionnement correctement afin dobtenir des rsultats concluants.2.a. Dimensionnement des oliennesPour le dimensionnement des oliennes, on peut calculer la puissance maximale pouvant treretire du vent et la puissance pouvant tre retire dune olienne donne. Pour calculer lapuissance maximale pouvant tre retire du vent une certaine hauteur, deux quations peuventtre utilises :quation 13 : Puissance maximale pouvant tre retir du potentiel olienP max = Cp**Ap*V3Pmax :puissance maximale pouvant tre retire du vent en WCp : coefficient (Cp max = 16/27 0.59) sans unit : densit de lair en kg/m3Ap : aire en m2142V : vitesse en m/s(Dubois, 2009) (Mathew, 2006)quation 14 : Vitesse du vent en fonction de la hauteurV=Vo*(H/Ho)V : vitesse la hauteur dsire (finale) en m/sVo : vitesse la hauteur initiale en m/sH : hauteur dsire (finale) en mHo : hauteur initiale en m : coefficient de rugosit du sol entre 0,1 et 0,4(Dubois, 2009) et site web de la NASA SSEEn reliant la les 2 quations prcdentes, on peut dduire cette quation :quation 15 : Puissance en fonction de la hauteurP=Po(H/Ho)3P : puissance la hauteur dsire (finale) en m/sPo : puissance la hauteur initiale en m/sH : hauteur dsire (finale) en mHo : hauteur initiale en m : coefficient de rugosit du sol entre 0,1 et 0,4(Dubois, 2009)Si lon veut connatre la puissance pouvant tre retire dune olienne, on doit utiliser sa courbede puissance afin de dterminer quelle puissance peut tre fournie pour une vitesse de ventdonne. Ces courbes sont dans les spcifications des oliennes soit donnes sous forme graphiqueou de tableaux. Dans certains logiciels comme HOMER et RETScreen, il y a des bases dedonnes de produits offrant le dtail des courbes de puissance des oliennes. En gnral, ilfaudrait choisir une olienne qui fonctionne une bonne capacit par rapport sa capacitmaximale.143http://www.retscreen.net/fr/templates_1_kw_wind_turbine_off_grid.phpLes donnes souvent disponibles sont les moyennes de vent mensuelles. Dautres donnescomme la frquence et la direction des vents peuvent aussi tre trouves. Le site de la NASAhttp://eosweb.larc.nasa.gov/sse/ et le site Canadian Wind Energy Atlashttp://www.windatlas.ca/en/maps.php offrent un tableau reprsentant la distribution des ventsselon certains intervalles en fonction de la latitude et la longitude dun lieu dtermin. Avec cesdonnes, on peut connatre quel intervalle de vent est le plus frquent. partir de la demande nergtique journalire value laide du Error! Reference source notfound. ou laide de donnes disponibles, on peut en retirer une valeur moyenne de puissancencessaire pour le systme.quation 16 : Puissance moyenne value partir de la consommation nergtiquequation 16 : Puissance moyenne value partir de la consommation nergtiquePmoy = Eelec / 24hrs/jrPmoy : puissance moyenne en WEelec : consommation (demande) nergtique en Wh/jrDans le cas de donnes dj disponibles, lutilisation du pire cas (plus grande consommation) estapproprie pour le pr-dimensionnement. Ensuite on peut ajouter des pertes (pertes dans lesystme et pertes de londuleur si ce nest pas dj pris en compte).quation 17 : Puissance avec pertes144Pfinale = P / (Cp*Cond)Pfinale : puissance finale en tenant compte des pertes en WP : puissance avant pertes en WCond : efficacit de londuleur en dcimaleCp : coefficient associ aux pertes de courant de sources varies2.b. BatteriesLe pr-dimensionnement des accumulateurs est aussi dterminant. HOMER permet de dfinirplusieurs sries de batteries en parallle. La dmarche pour le dimensionnement des batteries estissue du livre oliennes et arognrateurs (Cunty, 2001). Pour cette dmarche, 2 donnesdoivent tre trouves ou estimes : N1, le nombre de jours conscutifs maximal sans ventproductif (vents qui ne font pas dmarrer lolienne) et N2, le nombre de jours conscutifs de ventpour lequel il a t entre le vent productif et le vent nominal (vent auquel la puissance nominalede lolienne est dtermine). Les seuils de vent productif ou de vent nominal sont dans lesspcifications de lolienne. Une fois les valeurs de N1 et N2 trouves, on peut estimer le nombrede jours dautonomie ncessaire.quation 18 : Nombre de jours dautonomieN1 Nja 1.25*N1Si N1N2, Nja = N1Si N1145CWh : capacit de la batterie en WhNja : nombre de jours dautonomie ncessaires en joursP : puissance ncessaire pour le systme en Wquation 20 : Capacit de la batterie en Wh partir de la consommation nergtiqueCWh = Nja * EelecCWh : capacit utile en WhNja : nombre de jours dautonomie ncessaires en joursEelec : consommation (demande) nergtique en Wh/jrAvec la capacit de la batterie en Wh, on peut en dduire la capacit en Ah selon la tensionnominale du systme.quation 21 : Capacit de la batterie en Ah partir de la consommation nergtiqueCAh= CWh / VnomCAh : capacit utile en AhCWh : capacit utile en WhVnom : tension nominale du systme en Vquation 22 : Capacit de la batterie, calcul avec coefficients rducteursCnom= CAh/(Pd*Rt) = (Nja*Bj)/(Pd*Rt) (Labouret & Villoz, 2005)Cnom : capacit nominale en AhPd : profondeur de dcharge maximale autorise (gnralement 0.7 ou 0.8)Rt : coefficient rducteur tant compte de la temprature(dpend de la batterie choisie)Des tempratures basses sont nocives pour les batteries. Il faut donc appliquer un coefficientrducteur qui tient compte de ce fait. On doit aussi connatre la profondeur de dcharge du typede batteries choisi (seuil sous lequel la batterie ne peut tre dcharge, sinon elle seraendommage). Avec ces donnes et la demande nergtique, on calcule la capacit des batteries146et la capacit en tenant compte des coefficients de rduction comme pour le systmephotovoltaque et dcrit dans nergie solaire photovoltaque dAnne Labouret.Il faut donc obtenir la tension dsire en mettant plusieurs batteries en srie et pour obtenir lesystme final voulu, il faut mettre plusieurs sries de batteries en parallle.2.c. Autres quipementsLe rgulateur, le convertisseur et le cblage peuvent aussi tre dimensionns pour une meilleureapproximation des cots. Le dimensionnement des autres quipements accessoires (protectionscontre la foudre, fusibles, disjoncteurs et autres) est superflu pour une tude macroscopique.Seul le convertisseur est reprsent dans HOMER, si ce dernier est ncessaire. La mme logiqueest utilise pour le dimensionnement du convertisseur pour le systme olien que pour le systmephotovoltaque.quation 23 : Dimensionnement du convertisseur/onduleur selon puissance du systmePuissanceonduleur = coeff* puissance de sortie des oliennesPour systme hors rseau :Coeff : 1.25 1.3 (25 30% de plus que la puissance des panneaux)http://www.leonics.com/support/article2_12j/articles2_12j_en.phpPour systme connect au rseau :Coeff : 1.1*puissance de linstallationhttp://www.infinitepower.org/pdf/FactSheet-24.pdfOuquation 24 : Dimensionnement du convertisseur/onduleur selon puissance instantane maximalePuissanceonduleur = coeff* puissance instantane maximaleCoeff : 1.25* puissance instantane maximalehttp://www.infinitepower.org/pdf/FactSheet-24.pdfSi la puissance instantane maximale est connue, les 2 calculs sont faits et la valeur maximale estutilise.147RgulateurIl est frquent quun rgulateur soit inclus lachat dune olienne, donc il est dj dimensionncorrectement. Dans le cas contraire, le rgulateur est dimensionn selon le courant nominal et latension nominale.quation 25 : Dimensionnement du rgulateur (courant)Courant = 1,5* Courant nominalquation 26 : Dimensionnement du rgulateur (tension)Tension = 2* tension nominaleCblageUn schma de cblage peut tre effectu, mais nest pas ncessaire pour ltude macroscopique.tape 3 : Identifier les quipements ncessairesCette tape est trs rapide. Elle consiste identifier les quipements ncessaires pour le systmequon veut modliser. Dans le cas du systme olien hors rseau, on a besoin de doliennes, debatteries, dun convertisseur/onduleur, il ne sagit que de choisir les quipements dans HOMERafin de pouvoir, par la suite, entrer les donnes qui leur sont associes. Dans la zone quipement (equipment to consider), il faut aussi inclure la demande nergtique (primaryload). Sans demande nergtique, HOMER donne un message derreur, le logiciel tant fait pouroptimiser le systme de production dnergie en fonction de la demande nergtique.148Figure 7.2 : quipements slectionns dans HOMERtape 4 : Donnes entrerLa qualit et lexactitude des donnes entres sont trs importantes parce que le logiciel HOMERse base sur ces donnes pour effectuer les calculs. Celles-ci ont donc un impact direct sur lajustesse des rsultats obtenus.Il est impratif de consulter laide de HOMER lorsquon entre les donnes.Laide dcrit ce quil faut inclure et dfinit prcisment les termes utiliss dans le logiciel.Parfois, laide de HOMER suggre des sites internet consulter ou mme des valeurs entrer.Laide est un outil essentiel pour tout projet.4a. Donnes de consommation nergtiquePour les donnes de consommation nergtique, un profil peut tre entr pour chaque heure de lajourne et ce pour tous les jours de lanne. Dans le cas o la demande a t value avec letableau 1, il est bien de dterminer les moments de la journe quand les appareils sont149susceptibles dtre utiliss et de faire un profil de consommation journalier le plus prcispossible. Les pointes de consommation pour une rsidence sont souvent le matin avant que lesgens partent travailler et les soirs, du retour du travail jusquau coucher. Cependant, le profiljournalier dpend totalement des activits effectues (rsidence, chalet, industrie, observatoire,camp de chasse, etc.) et du mode dutilisation des quipements.Il est donc important dajuster le profil de consommation la situation donne.4b. Donnes de gisement olienIl est possible dentrer la main les donnes de gisement solaire pour chaque mois ou dimporterun fichier avec des donnes dheure en heure. Il est certain que si les donnes sont disponiblespour toutes les heures de lanne et que le profil de consommation est aussi disponible dans ceformat, les rsultats seront optimaux.4c. Donnes dquipementLes donnes pour lquipement concernent lquipement qui sera utilis pour le systme deproduction dlectricit.Grandeurs considrer- oliennes la suite de plusieurs essais et calculs sur HOMER, les donnes de gisement utiliser pour ledimensionnement sont la moyenne de tous les mois de lanne et la donne du pire mois delanne. La solution optimale calcule par HOMER se situe, en gnral, entre les valeurs depuissances calcules avec ces donnes.150Donnecalculeaveclamoyenne de tous lesmoisDonnecalculeaveclepire moisSolutionoptimaleJe suggre donc dutiliser les valeurs suivantes comme entres dans HOMER pour un premiercalcul:Une valeur plus faible que la plus petite valeur calculeDonne de puissance crte calcule avec la moyenne de tous les moisQuelques valeurs mdianesDonne de puissance crte calcule avec le pire moisUne valeur plus leve que la plus grande valeur calcule151Les valeurs, plus faible et plus leve, permettent de sassurer quil ny a pas de solution quincessite moins de panneaux ou plus de panneaux que les solutions auxquelles on sattend.- BatteriesIl faut entrer les valeurs obtenues par le pr-dimensionnement. Si on a seulement une srie debatteries, on doit entrer directement le nombre de batteries dsires. Pour dfinir plusieurs sriesde batteries, on doit entrer le nombre de batteries en srie et le nombre de sries de batteries quiseront en parallle.- ConvertisseurIl faut entrer la valeur du pr-dimensionnement. On peut mettre dautres valeurs dans HOMER,mais il faut faire une bonne analyse des rsultats optimiss que donnent HOMER dans ce cas cause du format des donnes entres. Les donnes de demande nergtique sont entres en kWpour chaque heure de la journe : on entre donc une puissance moyenne sur une heure. HOMERne connat donc pas la valeur maximale de puissance instantane requise par le systme.Cots des quipementsLes cots peuvent tre trouvs sur de nombreux sites internet en fonction de la rgion o le projeta lieu. Les sites internet sont de bonnes ressources tant quon sattarde la fiabilit et validitde la source (sites dorganismes reconnus ou sites gouvernementaux). Ils sont souvent plus jourque les livres et plus accessibles que les articles scientifiques. Il est important de porter uneattention particulire au lieu gographique et aux prix trouvs : dans certains pays lesquipements sont plus chers. Le prix peut tre dfini selon une moyenne de prix trouvs surplusieurs sites pour des quipements bien prcis ou il peut tre dtermin selon des prixgnraux. Par exemple, on peut trouver le prix moyen des oliennes par W au lieu dun prix pourun modle prcis. Lorsquon entre les donnes, il faut faire attention : le prix doit parfois treentr par quipement (par batterie, par olienne), et parfois selon la puissance de lquipement(panneaux solaires, prix pour une certaine puissance).- oliennesPour les cots des oliennes, on peut entrer plusieurs quantits et le prix associ ces quantits.Cette possibilit est intressante parce que les prix nvoluent pas ncessairement linairement152selon la quantit, donc en entrant plusieurs cots selon la puissance de lquipement, le prixglobal sera mieux adapt la situation.http://www.iea.org/Papers/2008/Wind_Brochure.pdfcot : investissements : 1.4 2.7 M US$/MW pour les grosses oliennesO&M : entre 14 et 26 US$ / MWh pour les grosses oliennesPrix pour petites turbines : http://www.canwea.ca/swe/overview.php?id=44Puissance : 0.3-1kW 1-30kW 30-300 kWCot de lolienne 2800 CAN$/kW 3000 CAN$/kW 2200 CAN$/kWCots totaux 5k 6,4k CAN$/kW 6000 CAN$/kW 3300 CAN$/kWEntretien et opration 40-130 CAN$/an 1150 CAN$/an 3300 CAN$/anListe de manufacturier doliennes :http://www.windustry.org/companies?filter0%5B%5D=113&filter1%5B%5D=187- RgulateurIl est frquent que le rgulateur soit compris avec lolienne lachat.tape 5 : Lancer le calculUne fois toutes les donnes entres, il faut lancer le calcul sur HOMER. Le temps de calcul estrapide. Les rsultats sont ensuite affichs, avec la solution la moins chre en premier. On peutvoir tous les rsultats de tous les systmes overall ou les rsultats par type de systme categorized . HOMER produit parfois aussi des avertissements. En gnral, il ne faut plusavoir davertissements, sauf dans certains cas pour lesquels on impose des valeurs. Il faut doncbien comprendre la nature des avertissements et des erreurs donns par HOMER et agir avecdiscernement.tape 6 : Optimiser les rsultats153La phase doptimisation des rsultats est le cur mme de la dmarche. Loptimisation se fait defaon itrative, on tient tendre vers la solution optimale. HOMER donne la solution optimaleparmi les grandeurs de systme proposes. Le principe est donc simple; on utilise la solutionoptimale donne par HOMER, on remet cette valeur dans HOMER ainsi que la valeur au-dessuset au-dessous et des valeurs intermdiaires. On refait le mme processus jusqu ce quonobtienne une solution optimale. On peut se guider avec une donne intressante des rsultatsautre que le cot : lexcs dnergie du systme. Il est certain que lexcs dnergie est de plus enplus grand pour des latitudes leves pour des systmes photovoltaques hors rseau. Pour deslieux prs de lquateur, il est possible davoir un systme ayant moins de 5 % dexcs dnergieet mme prs de 0 %, ce qui est excellent. Aprs avoir obtenu le systme optimis, on peut mettreun facteur de scurit sur la solution trouve.tape 7 : Faire des analyses de sensibilit (facultatif)Des paramtres jugs influents, ayant une grande incertitude, ou ayant une plus grande variabilitdoivent tre cerns. Les analyses de sensibilit servent savoir si, mme avec une variation deces paramtres, les rsultats restent les mmes et sinon, quelles influences ils apportent. Cesparamtres peuvent tre : le cot des quipements, le cot de rachat de llectricit par le rseau,les donnes de gisement solaire, la demande nergtique. La plupart des donnes entres peuventtre utilises pour des analyses de sensibilit. Celles-ci multiplient le nombre de calculs effectuer par le logiciel et, par consquent, le temps de calcul. Cest pourquoi il est prfrable decerner les paramtres les plus sensibles pour notre tude. De plus, ces analyses doivent treexcutes sur les systmes optimiss pour lesquels les donnes des systmes obsoltes ont tenleves.tape 8 : Valider le calcul HOMERCOE cost of energyParmi les rsultats, le cot de revient de lnergie en $/kWh peut tre un bon indice pour validerle systme.154Pourcentage dexcs dnergieLe pourcentage dexcs dnergie permet de dduire si le systme a bien t optimis. Plus lalatitude est leve, plus le systme photovoltaque a dexcs dnergie pour pouvoir rpondre lademande nergtique forte en priode pour laquelle le gisement est faible. Pour des systmes prsde lquateur, lexcs dnergie devrait tre presque nul.Pourcentage des cots de chaque quipement vs la moyenneOn peut comparer le pourcentage des cots obtenus par HOMER et le pourcentage normal descots des quipements par rapport aux cots totaux du systme. Sil y a des divergences, on doitles expliquer.Comparaison des valeurs de dimensionnement manuel et des rsultatsHOMERDes calculs de pr-dimensionnement manuel des quipements peuvent tre compars auxrsultats issus de HOMER. Des calculs approxims de cots peuvent aussi tre compars auxrsultats de HOMER. La situation idale est que tout soit du mme ordre de grandeur. comparer :- taille des quipements- cots initiaux- cots totauxIl est aussi possible de vrifier les rsultats obtenus avec des rsultats dtudes dj ralises etpublies dans des articles de revues ou disponibles sur les sites internet dorganismes reconnus.Sites consultshttp://www.canwea.ca/swe/faq.php?id=6http://www.canwea.ca/swe/smallwind.php?id=59http://www.canwea.ca/swe/overview.php?id=43155ANNEXE 4 Mthodologie pour le disel avec HomerPour effectuer le dimensionnement avec le logiciel HOMER, on peut simplement entrer une sriede donnes et le logiciel donne la solution optimale parmi les donnes soumises. Ce nestcependant pas ncessairement la solution optimale absolue, mais plutt la solution optimaleparmi les choix soumis. Avec une mthode itrative, on pourrait arriver la solution optimalepour un lieu donn, mais le processus peut savrer long si on na pas dordre de grandeur de lataille du systme. De plus, on na aucune base de comparaison pour valuer la justesse desrsultats si on ne fait aucun calcul pralable.Je prconise donc un dimensionnement pralable la main. Jai donc tabli une mthodologieafin darriver des rsultats concluants en utilisant des calculs manuels et le logiciel HOMER.Dmarche globale pour le dieselLa dmarche globale est logique et lmentaire :9. valuer de la demande nergtique (consommation dnergie);10. Pr-dimensionner la main des panneaux et des quipements;11. Identifier les quipements ncessaires pour le systme (gnratrice, type de combustible :diesel) dans le logiciel HOMER;12. Entrer les donnes ncessaires dans le logiciel :g. de consommation nergtique;h. de gisement solaire pour le lieu dsir;i. des quipements (prix des quipements et cot dopration et dentretien);13. Lancer le calcul dans HOMER;14. Optimiser les rsultats de HOMER de faon itrative pour arriver la solution optimalepour ce systme;15. Faire des analyses de sensibilit, si ncessaire;16. Valider le systme.156Lutilisation du logiciel HOMER est simple et intuitive, mais un travail de recherche en amontdoit tre fait minutieusement et rigoureusement pour les donnes entres, surtout au niveau descots des quipements. Si ce travail nest pas effectu correctement et srieusement, les rsultatsobtenus ne reprsenteront pas un systme fonctionnel rel ou du moins plausible.tape 1 : valuer de la demande nergtiqueLes donnes de consommation doivent prfrablement tre values. Le tableau 1, un tableauclassique pour dterminer la consommation journalire dune famille ou dune maison, permet delister les appareils utiliss (RNCREQ, 2009). Par la suite, on indique la tension, la puissance et letemps dutilisation par jour des appareils. Une fois ce travail complt, il est possible de faire letotal de la consommation de chaque appareil en Wh/j (puissance * temps dutilisation). Pour lecas des tensions C.A., il faut tenir compte des pertes dues londuleur.Tableau 1 : valuation de la demande nergtique journalireNom delappareillectriqueTensionC.A. ou C.C.PuissanceWattRendementonduleurpour C.A.PuissanceWatt, avecpertesUtilisationheures /jourTotal enWh/jLorsque le tableau est complt, on peut sommer la dernire colonne pour obtenir la demandenergtique globale pour une journe en Wh/j. Si des donnes sont disponibles dheure en heureou par jour, il est possible de les utiliser directement dans le logiciel HOMER.Cependant, pour dimensionner une gnratrice, des informations supplmentaires sontncessaires. Ces informations sont indiques dans le tableau 2.157Tableau 2 : valuation de la puissance des appareilsNom delappareil lectriqueQuantit de cetappareilPuissance defonctionnementWattPuissance dedmarrageWattPuissance totale pource type dappareilWattPour des appareils de type rsistif, la puissance de fonctionnement est la mme que celle dedmarrage. Pour des appareils de type ractif, on tient compte pour le calcul de la puissance dedmarrage. La puissance totale est donc, pour un appareil rsistif, la puissance de lappareilmultiplie par la quantit de cet appareil. Pour un appareil ractif, la puissance totale sera lapuissance au dmarrage de cet appareil multiplie par la quantit de cet appareil.Si tous les quipements fonctionnent simultanment, les lments de la colonne de puissancetotale doivent tre additionns.tape 2 : Pr-dimensionnerLe logiciel HOMER, bien que trs bien fait et trs utile, nest quun outil. Ainsi, sil est lancavec des donnes farfelues ou errones, les rsultats quil produira ne reprsenteront pas laralit. Parfois, cause du format des donnes entres, on doit forcer certaines donnes pourobtenir un systme qui reprsente la ralit.Il est important de garder en mmoire que les logiciels ne sont que des outils et on se doit decomprendre leur fonctionnement correctement afin dobtenir des rsultats concluants.1582.a. Dimensionnement de la gnratricePour les gnratrices, il existe 2 types de charges diffrentes : Charge rsistive Charge ractiveLa charge rsistive est similaire une rsistance donc comme une ampoule incandescente ou unsystme de chauffage lectrique. Cette charge est constante et on la calcule en kW(ampres*volts). La charge ractive est plutt associe aux moteurs, condensateurs ou inducteuret elle est non constante. Notamment, la puissance ncessaire au dmarrage est beaucoup plusgrande que celle en mode de fonctionnement continu. La charge ractive est exprime en kAV(ampres*volts*facteur de charge).En utilisant les informations recueillies pour les tableau 1 et tableau 2, on peut faire un pr-dimensionnement simple.En sommant la dernire colonne du tableau 2, on trouve la puissance ncessaire notre systmesi tous les quipements sont en fonction simultanment. De plus, on suggre de ne jamais utiliserune gnratrice 100% de sa charge maximale pour plus de 30 minutes. On suggre de ne pasdpasser les 90% de la charge de la gnratrice. Le fonctionnement optimal dune gnratrice est 80% de sa charge. On peut donc ajouter un coefficient de scurit dau moins 1,1 et mme de1,2.Si ces informations ne sont pas disponibles, on peut trouver lheure pour laquelle la puissancemaximale moyenne est connue et multiplier cette valeur moyenne par 3 ou 5 afin de tenir comptedes puissances de dmarrage. Sinon, on ajoute les coefficients de 1.1 ou 1.2 la puissanceinstantane maximale.Dans la littrature, il est souvent question de systmes de 7 30 kW pour le secteur rsidentiel,les petites usines et les petits bureaux. Dans une tude de Canmetnergie, on parle dunegnratrice de 5,8kWe pour combler 55,8% des besoins qui sont environ de 24 kWh/j.tape 3 : Identifier les quipements ncessaires159Cette tape est trs rapide. Elle consiste identifier les quipements ncessaires pour le systmequon veut modliser. Dans le cas du systme diesel hors rseau, on a besoin dune gnratrice, ilne sagit que de choisir les quipements dans HOMER afin de pouvoir, par la suite, entrer lesdonnes qui leur sont associes. Dans la zone quipement (equipment to consider), il fautaussi inclure la demande nergtique (primary load). Sans demande nergtique, HOMERdonne un message derreur, le logiciel tant fait pour optimiser le systme de productiondnergie en fonction de la demande nergtique.Figure 7.3 : quipements slectionns dans HOMERtape 4 : Donnes entrerLa qualit et lexactitude des donnes entres sont trs importantes parce que le logiciel HOMERse base sur ces donnes pour effectuer les calculs. Celles-ci ont donc un impact direct sur lajustesse des rsultats obtenus.Il est impratif de consulter laide de HOMER lorsquon entre les donnes.160Laide dcrit ce quil faut inclure et dfinit prcisment les termes utiliss dans le logiciel.Parfois, laide de HOMER suggre des sites internet consulter ou mme des valeurs entrer.Laide est un outil essentiel pour tout projet.4a. Donnes de consommation nergtiquePour les donnes de consommation nergtique, un profil peut tre entr pour chaque heure de lajourne et ce pour tous les jours de lanne. Dans le cas o la demande a t value avec letableau 2, il est bien de dterminer les moments de la journe quand les appareils sontsusceptibles dtre utiliss et de faire un profil de consommation journalier le plus prcispossible. Les pointes de consommation pour une rsidence sont souvent le matin avant que lesgens partent travailler et les soirs, du retour du travail jusquau coucher. Cependant, le profiljournalier dpend totalement des activits effectues (rsidence, chalet, industrie, observatoire,camp de chasse, etc.) et du mode dutilisation des quipements.Il est donc important dajuster le profil de consommation la situation donne.4b. Donnes sur le combustiblePrincipalement, il faut trouver le prix du combustible, donc dans ce cas-ci, le prix du diesel aulitre. Les prix varient selon lendroit o le diesel est achet. Bien que le prix avant taxes estsimilaire dans plusieurs pays (autour de 80/litre en 2010), les taxes ajoutes pour chaque payssont diffrentes. De plus, comme tous les combustibles fossiles, le prix de diesel est en constanteaugmentation. Il faut donc trouver une donne jour pour le prix du combustible. Au Qubec, leprix du diesel tourne autour de 1,20$/litre en ce dbut danne 2011, par contre il y a eu unepointe plus de 1,50$/litre en 2009. Il faut donc tenir compte de la variabilit de cette donne.Une analyse de sensibilit avec le prix du carburant serait justifie.http://www.regie-energie.qc.ca/energie/petrole_tarifs.phphttp://www.aip.com.au/pricing/marketwatch.htm161http://www.eia.doe.gov/oog/info/gdu/gasdiesel.aspPour la consommation, un estim denviron 0,30 0,4 litre/kWhe peut tre utilis.4c. Donnes dquipementLes donnes pour lquipement concernent lquipement qui sera utilis pour le systme deproduction dlectricit.Grandeurs considrer- GnratricesIl faut entrer les valeurs du pr-dimensionnement. tant donn le format des donnes pris encompte dans HOMER, il faut sassurer dimposer la valeur de dimensionnement pour que lesystme soit capable de subvenir aux besoins de la puissance instantane maximale.Cots des quipementsLes cots peuvent tre trouvs sur de nombreux sites internet en fonction de la rgion o le projeta lieu. Les sites internet sont de bonnes ressources tant quon sattarde la fiabilit et validitde la source (sites dorganismes reconnus ou sites gouvernementaux). Ils sont souvent plus jourque les livres et plus accessibles que les articles scientifiques. Il est important de porter uneattention particulire au lieu gographique et aux prix trouvs : dans certains pays lesquipements sont plus chers. Le prix peut tre dfini selon une moyenne de prix trouvs surplusieurs sites pour des quipements bien prcis ou il peut tre dtermin selon des prixgnraux. Par exemple, on peut trouver le prix moyen des panneaux par Wc au lieu dun prixpour un modle de panneaux prcis. Lorsquon entre les donnes, il faut faire attention : le prixdoit parfois tre entr par quipement (par batterie), et parfois selon la puissance de lquipement(panneaux solaires, prix pour une certaine puissance).- GnratricesPour une gnratrice utilise quen cas durgence, les cots initiaux seront les plus importantsalors que pour une gnratrice qui est la source principale de production dlectricit, ce sontplutt les cots en carburants qui seront significatifs. Pour les gnratrices de grosses puissances(quelques dizaines de kW), le prix dachat est aussi peu que 0,60/W alors que pour les petitesgnratrices (moins de 10kW), le prix peut slever jusqu 1,20$/W.162Pour lentretien, environ 1,25/kWh 2,5/kWh est estim.tape 5 : Lancer le calculUne fois toutes les donnes entres, il faut lancer le calcul sur HOMER. Le temps de calcul estrapide. Les rsultats sont ensuite affichs, avec la solution la moins chre en premier. On peutvoir tous les rsultats de tous les systmes overall ou les rsultats par type de systme categorized . HOMER produit parfois aussi des avertissements. En gnral, il ne faut plusavoir davertissements, sauf dans certains cas pour lesquels on impose des valeurs. Il faut doncbien comprendre la nature des avertissements et des erreurs donns par HOMER et agir avecdiscernement.tape 6 : Optimiser les rsultatsLa phase doptimisation des rsultats est le cur mme de la dmarche. Loptimisation se fait defaon itrative, on tient tendre vers la solution optimale. HOMER donne la solution optimaleparmi les grandeurs de systme proposes. Le principe est donc simple; on utilise la solutionoptimale donne par HOMER, on remet cette valeur dans HOMER ainsi que la valeur au-dessuset au-dessous et des valeurs intermdiaires. On refait le mme processus jusqu ce quonobtienne une solution optimale. On peut se guider avec une donne intressante des rsultatsautre que le cot : lexcs dnergie du systme. Aprs avoir obtenu le systme optimis, on peutmettre un facteur de scurit sur la solution trouve.tape 7 : Faire des analyses de sensibilit (facultatif)Des paramtres jugs influents, ayant une grande incertitude, ou ayant une plus grande variabilitdoivent tre cerns. Les analyses de sensibilit servent savoir si, mme avec une variation deces paramtres, les rsultats restent les mmes et sinon, quelles influences ils apportent. Cesparamtres peuvent tre : le cot des quipements, le cot de rachat de llectricit par le rseau,les donnes de gisement solaire, la demande nergtique. La plupart des donnes entres peuventtre utilises pour des analyses de sensibilit. Celles-ci multiplient le nombre de calculs effectuer par le logiciel et, par consquent, le temps de calcul. Cest pourquoi il est prfrable decerner les paramtres les plus sensibles pour notre tude. De plus, ces analyses doivent tre163excutes sur les systmes optimiss pour lesquels les donnes des systmes obsoltes ont tenleves.Dans le cas du systme diesel, il serait intressant de faire une analyse de sensibilit sur le prix ducarburant afin de vrifier la robustesse de la solution optimise trouve.tape 8 : Valider le calcul HOMERCOE cost of energyParmi les rsultats, le cot de revient de lnergie en $/kWh peut tre un bon indice pour validerle systme. Pour des systmes de gnratrices diesel, ce cot peut tre trs diffrent si lagnratrice est utilise seulement pour les cas durgence ou si elle est constamment en fonction.Pourcentage dexcs dnergieLe pourcentage dexcs dnergie permet de dduire si le systme a bien t optimis.Pourcentage des cots de chaque quipement vs la moyenneOn peut comparer le pourcentage des cots obtenus par HOMER et le pourcentage normal descots des quipements par rapport aux cots totaux du systme. Sil y a des divergences, on doitles expliquer.Comparaison des valeurs de dimensionnement manuel et des rsultatsHOMERDes calculs de pr-dimensionnement manuel des quipements peuvent tre compars auxrsultats issus de HOMER. Des calculs approxims de cots peuvent aussi tre compars auxrsultats de HOMER. La situation idale est que tout soit du mme ordre de grandeur. comparer :- taille des quipements- cots initiaux- cots totaux164Il est aussi possible de vrifier les rsultats obtenus avec des rsultats dtudes dj ralises etpublies dans des articles de revues ou disponibles sur les sites internet dorganismes reconnus.Sites consultshttp://www.powerlite.com.au/default.asp?id=39http://www.powerlite.com.au/default.asp?id=40http://www.homepower.htmlplanet.com/solar-vs-diesel-generators.htmlhttp://www.powerlite.com.au/default.asp?id=19http://www.powerlite.com.au/images/portable%20petrol/average%20watts%20table.pdfhttp://www.powerlite.com.au/default.asp?id=28http://generatorsforhomeuse.org/http://www.findgenerators.net/Choosing_The_Right_Generator.htmlhttp://www.dieselgeneratorset.us/sizingofdieselgeneratorset.htmhttp://en.wikipedia.org/wiki/Diesel_generatorhttp://www.dieselserviceandsupply.com/Sizing_A_Generator.aspx165ANNEXE 5 Donnes entres pour le photovoltaqueSimulations HOMERLOGICIEL : HomerLIEU : Saint-Hubert (1er cas simul, explications dtailles)LATITUDE : 45.5 N = 45 deg 30 min NLONGITUDE : -73.4 E = 73 deg 24 min OTYPE DE SYST : PV seulNbre de Rsidences : 1tape 1 : VALUER LA DEMANDE NERGTIQUEPour la demande, le fichier obtenu dHydro-Qubec est utilis. La consommation totale dusecteur rsidentiel est donne dheure en heure pour une anne entire. Pour obtenir laconsommation dune rsidence moyenne jai fait :1 maison moyenne = total conso rs. / nbre de rsidences.Pour chaque mois, jai calcul la moyenne de consommation journalire pour le mois. Le piremois est janvier avec 84.43 kWh/j. Cette valeur sera donc utilise pour le pr-dimensionnement.Mois 1 rs.Janvier 84.43 kWhFvrier 74.70 kWhMars 62.60 kWhAvril 46.61 kWhMai 33.07 kWhJuin 29.63 kWhJuillet 29.08 kWhAot 30.06 kWhSeptembre 29.11 kWhOctobre 38.66 kWhNovembre 54.59 kWhDcembre 73.96 kWhMoy./jourMensuelle 48.88 kWh166tape 2 : PR_DIMENSIONNER2.a. CHAMP DE PANNEAUXSaint-HubertRETscreenkWh/m2/jJanvier 1.72Fvrier 2.80Mars 4.05Avril 4.64Mai 5.73Juin 6.11Juillet 6.14Aot 5.18Septembre 3.85Octobre 2.52Novembre 1.49Dcembre 1.343.8Selon la moyenne journalire du pire mois de consommation, le gisement moyen et le piregisement mensuel, on peut obtenir 2 valeurs pour la puissance crte.Nombre dheures quivalent :Ne = Esol/1000Avec la moyenne des gisementsNe = 3.8 kWh/m2/j / 1000 = 3.8 h/jAvec le gisement du pire moisNe = 1.34 kWh/m2/j / 1000 = 1.34 h/jPuissance crte :Pc = Eelec / NPcfinale = Pc / (Cp*Cond)Cond = 0.85Cp = 0.76 (0.8 pour pertes efficacit batterie * 0.95 pour pertes salissures, neige)Cond*Cp=0.646Consommation du pire mois avec la moyenne des gisementsPc = 84.43 kWh/j / 3.80 h/j = 22.2 kWcPc finale = 22.2 kWc/0.646 = 34.4 kWcConsommation du pire mois avec le gisement du pire moisPc = 84.43 kWh/j / 1.34 h/j = 63.0 kWc167Pc finale = 63.0 kWc/0.646 = 97.5 kWc*Consommation moyenne avec la moyenne des gisementsPc = 48.88 kWh/j / 3.80 h/j = 12.9 kWcPc finale = 12.9 kWc/0.646 = 20.0 kWc*Consommation moyenne avec le gisement du pire moisPc = 48.88 kWh/j / 1.34 h/j = 36.5 kWcPc finale = 36.5 kWc/0.646 = 56.5 kWcPc finale : *20.0 kWc, 34.4 kWc, *56.5 kWc, 97.5 kWcPuissance duchamp0-500Wc 500 Wc- 2kWc 2-10kWc plus de 10kWcTensionsuggre12VDC 24VDC 48 VDC plus de 48VDCLa tension du systme devrait donc tre dau moins 48 VDC.Si on pose une tension de 48 VDC, on obtient donc des besoins en Ah/j partir des besoins enWh/j.Besoins en Ah/j :Bj = Eelec / VnomBj = 84.43 kWh/j / 48 VDC = 1,76 kAh/j*Bj = 84.43 kWh/j / 72 VDC = 1,17 kAh/j*Bj = 84.43 kWh/j / 96 VDC = .880 kAh/j*Bj = 84.43 kWh/j / 480 VDC = .176 kAh/j*Bj = 84.43 kWh/j / 720 VDC = .117 kAh/j*Bj = 84.43 kWh/j / 960 VDC = .088 kAh/jCourant maximal ncessaire :Im = Bj / (Esol*Cp)Cp = 0.76Avec le gisement du pire mois et 48VDCIm = 1.76 kAh/j / (1.34 h/j * 0.76) = 1.73 kA*Avec le gisement du pire mois et 960VDCIm = 0.088 kAh/j / (1.34 h/j * 0.76) = 0.086 kA=86 APuissance minimale requise pour le systme :Pc = Vm * ImVm = 64-68 VDC pour panneaux de 48 V(Pour 960 VDC, ce serait 20 systmes de 48 V)Avec le gisement du pire mois et 48VDC168Pc = 68VDC * 1.73 kA = 117 kW*(Pc = 68VDC * 0.086 kA = 5.85 kW)Pour la puissance crte, on devra donc mettre des valeurs entre 20 et 120 kWc par exemple pourun premier calcul.Nombre de panneaux global :*Nbre de panneaux min. : 20kWc / 200Wc/panneau = 100 panneauxNbre de panneaux max. : 120kWc/ 200Wc/panneau = 600 panneauxNombre de panneaux en srie (Vnom) :Nbre de panneaux en srie : 960 V/ 48 V = 20 panneauxNombre de panneaux en parallle :Ip : 200 W / 48 V = 4.2 A*86 A / 4.2 A = 21 panneaux117000 W / 960 V = 122 ANbre de panneaux en parallle : 122 A / 4.2 A = 30 panneauxNombre estim de panneaux :20 * 21 = 420 panneaux20*30 = 600 panneaux2.b. BATTERIESCapacit utile :Cu=Nja*BjCu avec Nja de 3 jrsCu= 3 j * 1.76 kAh / j = 5.3 kAhCu avec Nja de 5 jrsCu= 5 j * 1.76 kAh / j = 8.8 kAhCu avec Nja de 8 jrsCu= 8 j * 1.76 kAh / j = 14.1 kAhCu avec Nja de 10 jrsCu= 10 j * 1.76 kAh / j = 17.6 kAh169Du site Nasa SSE :Equivalent Number Of NO-SUN Or BLACK Days (days)Lat 45.5Lon -73.4Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec1 day 0.93 0.95 0.89 0.87 0.94 0.9 0.89 0.96 0.9 0.95 0.95 0.963 day 2.04 1.89 1.94 2.41 2.46 2.01 1.71 2.03 1.97 2.47 2.1 2.147 day 2.88 2.69 3.06 4.43 3.4 3.5 2.55 3.17 3.4 4.86 3.5 3.5314 day 3.91 4.59 4.33 6.74 3.85 4.1 2.96 4.4 5.49 6.5 4.8 6.6721 day 4.62 5.11 4.74 6.81 4.99 5 2.85 5.13 5.61 8.28 6.18 7.35Month 4.51 5.86 3.51 5.98 6.99 5.61 2.63 5.24 5.72 8.98 4.13 7.5Le pire mois est le mois doctobre pour lequel il pourrait y avoir 8.98 jours sans apport solaire,cependant le mois doctobre nest pas un mois citrique. Les mois critiques sont dcembre, janvieret fvrier. Ce sont les mois pour lesquels la demande est grande et le gisement solaire est faible.Parmi ces mois, cest dcembre qui est le pire mois. On pourrait avoir besoin de 7.5 jours derserve, donc 8 jrs.Capacit nominale :Cnom = Cu / (Pd*Rt)Pd = .7 (0.7 ou 0.8 normalement)Rt = .6 (coefficient de temprature)Pd*Rt= 0.42Cnom avec Nja de 3 jrsCnom = Cu / (.42) = 12.6 kAhCnom avec Nja de 5 jrsCnom = Cu / (.42) = 21.0 kAhCnom avec Nja de 8 jrsCnom = Cu / (.42) = 33.6 kAhCnom avec Nja de 10 jrsCnom = Cu / (.42) = 41.9 kAh*Tnom 960VNombre de batteries global :Nbre de batteries : 33.6 kAh / 200Ah/batterie = 168 batteriesNombre de batteries en srie (Vnom) :Nbre de batteries en srie : 960 V/ 12 V = 80 batteriesNombre de batteries en parallle (Cnom) :Nbre de batteries en parallle : 168 A / 80 A = 2.1 environ 3 batteriesNombre estim de batteries :80*2= 160 batteries BON80*3 = 240 batteries1702.c. AUTRES QUIPEMENTSPuissance du convertisseur / onduleurPond = coeff* puissance de sortie des panneauxCoeff =1.3Pond = 1.3*117kW = 152 kWouPond = coeff* puissance instantane maximaleCoeff=1.25Pond=1.25*5.25=6.5625kWCourant et tension du rgulateur / contrleur (p.214-215 nergie solaire pv)Courant = 1,5* Courant nominalCourant = 1.5*1720 A = 2580 ATension maximale = 2* tension nominaleTension = 2*960V = 1920Vtape 3 : IDENTIFIER LES QUIPEMENTS NCESSAIRES - HOMERPour la zone quipement (equipment to consider) pour le systme photovoltaque seul, 4icnes sont ncessaires :- Demande nergtique (load)- PV- Battery- ConverterLe rseau nest pas modlis puisque cest un systme autonome.171tape 4 : DONNES ENTRER4a. DONNES DE CONSOMMATION NERGTIQUEDEMANDE NERGTIQUE / LOADDonnes Raison / CommentairesType de tension /Load AC AC permet dutiliser les appareils usuelsData source Import Fichier hydro-qubec, 1 maisonBaseline data ---Random variabilityday-to-day autotime-step-to-time-step autoScaled annual average(kWh/h) moyenne j'ai laiss la moyenneEfficiency inputs nonpour le moment aucune donne entre, ilpourra tre intressant de voir pour unemaison pourvue d'quipement spcialementmoins nergivoreefficiency multiplier ---capital cost $ ---lifetime yr ---La simulation a t faite avec du courant AC, puisque selon n. sol. pv. p.131, ceci permetdutiliser les appareils usuels, choix beaucoup plus vaste, prix plus avantageux.4b. DONNES DE GISEMENTS SOLAIRESGISEMENT SOLAIRE / SOLAR RESOURCEDonnes Raison / Commentaireslatitude 45deg30min Lat. de RETScreen mise en deg/minlongitude 73deg24min Long. de RETScreen mise en deg/minget data viainternet non Donnes HOMER entresdata sourcemonthlyaveragescaled annualaverage moyenne j'ai laiss la moyenne1724c. DONNES DQUIPEMENTSPANNEAUXPANNEAUX SOLAIRES / PVDonnes Raison / CommentairesCosts http://www.solarbuzz.com/Moduleprices.htmsize kW 1 kWccapitals $ 41403.0$/W + 5% rgulateur + 10% autrescomposantes + 13% taxes + 10% pourinstallationreplacement $ autocot du remplacement avant la fin de vie duprojetO&M $/yr 1.656=2souvent considre nulle (ref. aide homer)pour panneaux, 1% pour autres composantesincluesPropertiesOutput current dcLifetime yr 25la plupart des marchands garantissent 25 anspour la puissanceDerating factor % 85%Situation relle / situation aux conditionsstandardSlope degrees 55.5 latitude+10=55.5 ref en sol pv p. 197Azimuth deg W of S 0 panneaux plein sudGround reflectance % 32.5% 20% pour 9 mois (gazon) et 70% pour 3 moisAdvancedTracking sytem nonconsider effect of temperature nontemp coeff of power ---nominal op cell temp ---eff. at std. Test conditions ---Sizes to considerentre 20 et120 kWc,pas de 5 Essai 1173Prix des panneaux solairesLe prix pour le pv dans Homer tient compte : PV panels Mounting hardware Tracking system Control system Wiring InstallationPrix des modules seulementSelon http://www.solarbuzz.com/Moduleprices.htm, le prix des panneaux seuls a tendance adiminu. Le prix est de 3.00US$/W peak aux tats-Unis et le prix ne tient pas compte des taxes.Les taxes slvent 5% pour la TPS et 7.5% pour la TVQ pour un total denviron 13%(1.05*1.125=1.128). Le prix est valable pour des panneaux de 125 W ou plus, ce qui estncessaire dans ce cas-ci tant donn la demande leve en nergie. De faon gnrale, plus lespanneaux ont une puissance leve plus le prix par watt-crte est faible. Les panneauxreprsentent environ 50-60% des cots totaux pour un systme photovoltaque.Le prix pour le rgulateur est denviron 6$/Amp. 2580 A*6=15480$Le prix entr dans le logiciel est 3.00 US$/W +5% rgulateur + 10% autres composantes + 10%installation + taxes donc, 1.38*3US$/W = 4.14US$/W.Bien que les panneaux nont pas besoin dentretien, les autres composantes peuvent bienncessiter un certain entretien donc jai estim 1% du cot intial/W le prix de lentretien /W paran. Alors on a : 1kW*4140$/kW*1/100=41.4$. Remis par an : 41.4$/25 ans = 1.656 $/an/kW.Prix du rgulateurEnviron 10% du montant total du systme photovoltaque selonhttp://www.solarbuzz.com/Moduleprices.htm. Dans nergie solaire photoltaque, on parle de 5%cependant on note que les rgulateurs MPT (max power tracking) sont plus onreux. Je laivalu 5% du prix des panneaux seuls.174CONVERTISSEURCONVERTERDonnes Raison / CommentairesCostssize 1 kwcapitals 848 US$selon solar buzz + 5% pour installation +taxes 13% = 715*1.05*1.13 = 848$replacement 848 US$O&M 0.57$/yr=1 848*1%/15ans = 0.57$/kWInverter inputs DC to ACLifetime 15 Par dfautEfficiency 90 par dfautInverter can operatesimultaneously withan AC generator ouiRectifier inputs AC to DCCapacity relative toinverter 0% DC to ACEfficiency 85% par dfautSizes to consider5, 6, 7, 8,9, 10, 15kW Essai 1175BATTERIESBATTERIES / BATTERYle choix de batteries influence bcp le prix et l'nergie ncessaire batteries vs panneauxDonnes Raison / CommentairesBattery typeVision6FM200D nom. Voltage: 12 V, nom. Capacity : 200AhCosts Solar buzzquantity 1 de 200Ahcapitals 200 Ah*.213*1.05*1.13*12V=607$/batteriereplacement autoO&M 10%*607/10 an = 6.07AdvancedBatteries perstring 80 Essai 1Minimumbattery lifeSizes toconsiderBatteries/strings 1,2,3,4,5176CONOMIECONOMIE / ECONOMICSDonnes Raison / CommentairesAnnual real interestrate 6Project lifetime 25System fixed capitalcost 0System fixed O&Mcost 0Capacity shortagepenalty 0MISSIONSEMISSIONSDonnes Raison / CommentairesEmissions penaltiesCarbon dioxideCarbon monoxideUnburnedhydrocarbonsParticulate matterSulfur dioxideNitrogen dioxidesLimits on emissionsCarbon dioxideCarbon monoxideUnburnedhydrocarbonsParticulate matterSulfur dioxideNitrogen dioxides177CONTRLE DU SYSTMECONTRLE du SYSTME / SYSTEM CONTROLDonnes Raison / CommentairesSimulationSimulation time stepDispatch strategyload followingcycle chargingapply setpoint state fochargeGenerator controlallow systems withmultiple generatorsallow multiplegenerators to operatesimultaneouslyallow systems withgenerator capacityless than peak loadOther settingsallow systems withtwo types of windturbinesallow excesselectricity to servethermal loadlimit excess thermaloutput178CONTRAINTESCONTRAINTES / CONSTRAINTSDonnes Raison / CommentairesMaximum annualcapacity shortageMinimum renewablefractionOperating reserveAs percent of loadHourly loadAnnual peak loadAs percent of renewableoutputsolar powerwind powerPrimary energysavingsMin prim. en. savingsRef electrical eff.Ref thermal eff.179ANNEXE 6 Donnes entres pour lolienSimulations HOMERLOGICIEL : HomerLIEU : Saint-Hubert (1er cas simul, explications dtailles)LATITUDE : 45.5 N = 45 deg 30 min NLONGITUDE : -73.4 E = 73 deg 24 min OTYPE DE SYST : olien seulNbre de Rsidences : 1tape 1 : VALUER LA DEMANDE NERGTIQUEPour la demande, le fichier obtenu dHydro-Qubec est utilis. La consommation totale dusecteur rsidentiel est donne dheure en heure pour une anne entire. Pour obtenir laconsommation dune rsidence moyenne jai fait :1 maison moyenne = total conso rs. / nbre de rsidences.Pour chaque mois, jai calcul la moyenne de consommation journalire pour le mois. Le piremois est janvier avec 84.43 kWh/j. Cette valeur sera donc utilise pour le pr-dimensionnement.Mois 1 rs.Janvier 84.43 kWhFvrier 74.70 kWhMars 62.60 kWhAvril 46.61 kWhMai 33.07 kWhJuin 29.63 kWhJuillet 29.08 kWhAot 30.06 kWhSeptembre 29.11 kWhOctobre 38.66 kWhNovembre 54.59 kWhDcembre 73.96 kWhMoy./jourMensuelle 48.88 kWh180tape 2 : PR_DIMENSIONNER2.a. OLIENNESSaint-HubertRETscreenm/sJanvier 5.000Fvrier 5.000Mars 5.000Avril 4.700Mai 4.500Juin 4.200Juillet 3.600Aot 3.600Septembre 3.900Octobre 4.500Novembre 4.700Dcembre 4.7004.446Dune olienne avec aire de 10.2m2 et pire mois :P max = Cp**Ap*V3 = .5*.59*1*10.2*3.63 = 140.4 WDune olienne avec aire de 10.2m2 et moyenne pondre :P max = Cp**Ap*V3 = .5*.59*1*10.2*4.813 = 334.85 WPmoyenne ncessaire :Pmoy = Eelec / 24hrs/jr = 48.88 kWh/j / 24 = 2.04 kWPmoy = Eelec / 24hrs/jr = 84.43 kWh/j / 24 = 3.52 kWPfinale = P / (Cp*Cond) = 3.52 / .646 = 5.45 kWCond = 0.85Cp = 0.76 (0.8 pour pertes efficacit batterie * 0.95 autres pertes)Cond*Cp=0.646Pfinale: 5.45 kW---Nombre doliennes Pmax du vent pire mois vs Pfinale :Pfinale / Pmax = 39 oliennesNombre doliennes Pmax du vent moy pondre vs Pfinale :Pfinale / Pmax = 16.3 oliennes181Selon la courbe de puissance et la frquence des vents :Puissance moyenne pondre : 0.587 kWPfinale : 5.45 kWNombre doliennes : 9.28 oliennesFrquence des vents du site de la nasa :Monthly Averaged Percent Of Time The Wind Speed At 50 m Above The Surface Of The Earth Is Within The Indicated Range (%)Lat 45.5Lon 73.4Average Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Annual0 - 2 m/s 14 15 14 11 15 16 12 12 12 11 13 12 133 - 6 m/s 57 59 66 58 58 61 59 52 52 55 60 60 587 - 10 m/s 30 25 20 30 27 23 28 35 34 33 27 28 2811 - 14 m/s 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 115 - 18 m/s 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 019 - 25 m/s 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0Selon le Canadian Wind Atlas :0 0.000762821 0.04207472 0.1082923 0.1616684 0.1853535 0.1515746 0.1230387 0.08931688 0.0644469 0.035578310 0.017881611 0.0092464712 0.0039669313 0.0022275414 0.00094604515 0.00024414116 3.05176e-0517 018 019 020 021 022 023 024 025 026 0182Courbe de puissance ReDriven 2kW :vitesseventpuissancekW0 01 02 03 0.24 0.45 0.56 0.67 0.98 1.59 210 2.311 2.512 313 214 1.515 1.316 117 0.818 0.419 0.220 0.121 022 023 024 025 0Puissance duchamp0-500Wc 500 Wc- 2kWc 2-10kWc plus de 10kWcTensionsuggre12VDC 24VDC 48 VDC plus de 48VDCLa tension du systme devrait donc tre dau moins 48 VDC.Si on pose une tension de 48 VDC, on obtient donc des besoins en Ah/j partir des besoins enWh/j.1832.b. BATTERIESN1 Nja 1.25*N1Si N1N2, Nja = N1Si N11842.c. AUTRES QUIPEMENTSPuissance du convertisseur / onduleurPond = coeff* puissance de sortie des oliennes : 1.3*Coeff =1.3Pond = coeff* puissance instantane maximaleCoeff=1.25Pond=1.25*5.25=6.5625kWtape 3 : IDENTIFIER LES QUIPEMENTS NCESSAIRES - HOMERPour la zone quipement (equipment to consider) pour le systme photovoltaque seul, 4icnes sont ncessaires :- Demande nergtique (load)- Wind turbine- Battery- ConverterLe rseau nest pas modlis puisque cest un systme autonome.185tape 4 : DONNES ENTRER4a. DONNES DE CONSOMMATION NERGTIQUEDEMANDE NERGTIQUE / LOADDonnes Raison / CommentairesType de tension /Load AC AC permet dutiliser les appareils usuelsData source Import Fichier hydro-qubec, 1 maison, conso totaleBaseline data ---Random variabilityday-to-day autotime-step-to-time-step autoScaled annual average(kWh/h) moyenne j'ai laiss la moyenneEfficiency inputs nonpour le moment aucune donne entre, ilpourra tre intressant de voir pour unemaison pourvue d'quipement spcialementmoins nergivoreefficiency multiplier ---capital cost $ ---lifetime yr ---La simulation a t faite avec du courant AC, puisque selon n. sol. pv. p.131, ceci permetdutiliser les appareils usuels, choix beaucoup plus vaste, prix plus avantageux.4b. DONNES DE GISEMENTS OLIENSGISEMENT OLIEN / WIND RESOURCEDonnes Raison / CommentairesData sourceMonthlyaveragesBaseline data RETScreen Donnes RETScreenOther parametersAltitude (m) 27Anemometer height(m) 10AdvancedparametersWeibull k Par dfaut186Autocorrectionfactor Par dfautDiurnal patternstrength Par dfautHour or peakwindspeed Par dfautScaled annualaverage (m/s) moyenne4c. DONNES DQUIPEMENTSOLIENNESOLIENNES / WIND TURBINEDonnes Raison / CommentairesTurbine typeRedriven2kW Donnes issues de RETScreenCostsquantity 1 (2kW)capitals $ 6000 3000$/kW canweareplacement $ 6000 3000$/kW canweaO&M $/yr 120 2% capital cost - HOMEROtherLifetime (yrs) 15 ans Par dfautHub height (m) 16 m Retscreen redriven 2kWSizes to consider187CONVERTISSEURCONVERTERDonnes Raison / CommentairesCostssize 1 kwcapitals 848 US$selon solar buzz + 5% pour installation +taxes 13% = 715*1.05*1.13 = 848$replacement 848 US$O&M 0.57$/yr=1 848*1%/15ans = 0.57$/kWInverter inputs DC to ACLifetime 15 Par dfautEfficiency 90 par dfautInverter can operatesimultaneously withan AC generator ouiRectifier inputs AC to DCCapacity relative toinverter 0% DC to ACEfficiency 85% par dfautSizes to consider188BATTERIESBATTERIES / BATTERYle choix de batteries influence bcp le prix et l'nergie ncessaire batteries vs panneauxDonnes Raison / CommentairesBattery typeVision6FM200D nom. Voltage: 12 V, nom. Capacity : 200AhCosts Solar buzzquantity 1 de 200Ahcapitals 200 Ah*.213*1.05*1.13*12V=607$/batteriereplacement autoO&M 10%*607/10 an = 6.07AdvancedBatteries perstring 80 Essai 1Minimumbattery lifeSizes toconsiderBatteries/strings 1,2,3,4,5189CONOMIECONOMIE / ECONOMICSDonnes Raison / CommentairesAnnual real interestrate 6Project lifetime 25System fixed capitalcost 0System fixed O&Mcost 0Capacity shortagepenalty 0MISSIONSEMISSIONSDonnes Raison / CommentairesEmissions penaltiesCarbon dioxideCarbon monoxideUnburnedhydrocarbonsParticulate matterSulfur dioxideNitrogen dioxidesLimits on emissionsCarbon dioxideCarbon monoxideUnburnedhydrocarbonsParticulate matterSulfur dioxideNitrogen dioxides190CONTRLE DU SYSTMECONTRLE du SYSTME / SYSTEM CONTROLDonnes Raison / CommentairesSimulationSimulation time stepDispatch strategyload followingcycle chargingapply setpoint state fochargeGenerator controlallow systems withmultiple generatorsallow multiplegenerators to operatesimultaneouslyallow systems withgenerator capacityless than peak loadOther settingsallow systems withtwo types of windturbinesallow excesselectricity to servethermal loadlimit excess thermaloutput191CONTRAINTESCONTRAINTES / CONSTRAINTSDonnes Raison / CommentairesMaximum annualcapacity shortageMinimum renewablefractionOperating reserveAs percent of loadHourly loadAnnual peak loadAs percent of renewableoutputsolar powerwind powerPrimary energysavingsMin prim. en. savingsRef electrical eff.Ref thermal eff.192ANNEXE 7 Donnes entres pour le diselSimulations HOMERLOGICIEL : HomerLIEU : Saint-Hubert (1er cas simul, explications dtailles)LATITUDE : 45.5 N = 45 deg 30 min NLONGITUDE : -73.4 E = 73 deg 24 min OTYPE DE SYST : Diesel seulNbre de Rsidences : 1tape 1 : VALUER LA DEMANDE NERGTIQUEPour la demande, le fichier obtenu dHydro-Qubec est utilis. La consommation totale dusecteur rsidentiel est donne dheure en heure pour une anne entire. Pour obtenir laconsommation dune rsidence moyenne jai fait :1 maison moyenne = total conso rs. / nbre de rsidences.Pour chaque mois, jai calcul la moyenne de consommation journalire pour le mois. Le piremois est janvier avec 84.43 kWh/j. Cette valeur sera donc utilise pour le pr-dimensionnement.Mois 1 rs.Janvier 84.43 kWhFvrier 74.70 kWhMars 62.60 kWhAvril 46.61 kWhMai 33.07 kWhJuin 29.63 kWhJuillet 29.08 kWhAot 30.06 kWhSeptembre 29.11 kWhOctobre 38.66 kWhNovembre 54.59 kWhDcembre 73.96 kWhMoy./jourMensuelle 48.88 kWh193tape 2 : PR_DIMENSIONNER2.a. GNRATRICE1.2*puissance max = 1.2*5.25kW = 6.3kW6.3kW * 1200$/kW = 7560 $ achat48.88 kWh/j*365 jrs/an*25 ans*0.4L/kWh*1.2$/L=214094.4$ diesel48.88 kWh/j*365 jrs/an*25 ans*0.025$/KWh = 11150.75$ O&M7560+214094.4+11150.75=232805.15$ pour 25 ans48.88 kWh/j*365 jrs/an*25 ans = 446030 kWh0.52$/kWhtape 3 : IDENTIFIER LES QUIPEMENTS NCESSAIRES - HOMERPour la zone quipement (equipment to consider) pour le systme photovoltaque seul, 4icnes sont ncessaires :- Demande nergtique (load)- GeneratorLe rseau nest pas modlis puisque cest un systme autonome.194tape 4 : DONNES ENTRER4a. DONNES DE CONSOMMATION NERGTIQUEDEMANDE NERGTIQUE / LOADDonnes Raison / CommentairesType de tension /Load AC AC permet dutiliser les appareils usuelsData source Import Fichier hydro-qubec, 1 maisonBaseline data ---Random variabilityday-to-day autotime-step-to-time-step autoScaled annual average(kWh/h) moyenne j'ai laiss la moyenneEfficiency inputs nonpour le moment aucune donne entre, ilpourra tre intressant de voir pour unemaison pourvue d'quipement spcialementmoins nergivoreefficiency multiplier ---capital cost $ ---lifetime yr ---La simulation a t faite avec du courant AC, puisque selon n. sol. pv. p.131, ceci permetdutiliser les appareils usuels, choix beaucoup plus vaste, prix plus avantageux.4b. DONNES POUR LE DIESELDIESELDonnes Raison / CommentairesPrice ($/L) 1.2Limit consumptionto non1954c. DONNES DQUIPEMENTSGNRATRICEGRRATRICE / GENERATORDonnes Raison / CommentairesCostssize kW 1 kWcapitals $ 1200replacement $ 1200O&M $/yr 0.025PropertiesDescription Par dfautAbbreviation Par dfautLifetime (operating hours) Par dfautMinimum load ratio (%) Par dfautType (AC / DC) ACSizes to consider (kW)Fuel Par dfautSchedule RienEmissions Par dfaut196CONOMIECONOMIE / ECONOMICSDonnes Raison / CommentairesAnnual real interestrate 6Project lifetime 25System fixed capitalcost 0System fixed O&Mcost 0Capacity shortagepenalty 0MISSIONSEMISSIONSDonnes Raison / CommentairesEmissions penaltiesCarbon dioxideCarbon monoxideUnburnedhydrocarbonsParticulate matterSulfur dioxideNitrogen dioxidesLimits on emissionsCarbon dioxideCarbon monoxideUnburnedhydrocarbonsParticulate matterSulfur dioxideNitrogen dioxides197CONTRLE DU SYSTMECONTRLE du SYSTME / SYSTEM CONTROLDonnes Raison / CommentairesSimulationSimulation timestepDispatch strategyload followingcycle chargingapply setpointstate fo chargeGenerator controlallow systems withmultiple generatorsallow multiplegenerators to operatesimultaneouslyallow systems withgenerator capacityless than peak loadOther settingsallow systems withtwo types of windturbinesallow excesselectricity to servethermal loadlimit excess thermaloutput198CONTRAINTESCONTRAINTES / CONSTRAINTSDonnes Raison / CommentairesMaximum annualcapacity shortageMinimum renewablefractionOperating reserveAs percent of loadHourly loadAnnual peak loadAs percent ofrenewable outputsolar powerwind powerPrimary energysavingsMin prim. en. savingsRef electrical eff.Ref thermal eff.

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