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Production d'électricité - Éolienne - 150 kW - Réseau isolé / Canada
Mandat de l'étude de cas
Une compagnie d'électricité du Nord du Canada vous demande de lui préparer une étude de préfaisabilité. Cette société veut en connaître plus sur les possibilités de l'énergie éolienne à contribuer à l'alimentation d'un de ses réseaux isolés. Ce réseau local est alimenté principalement par de l'hydroélectricité mais en hiver, l'apport d'électricité en période de pointe doit être assuré par une centrale diesel. Le réseau doit fournir une puissance de pointe de 78 MW et la consommation annuelle d'énergie électrique est d'environ 450 GWh. À titre expérimental, la compagnie d'électricité désire évaluer une éolienne de faible puissance, dont la fiabilité est largement établie. Le modèle Nordex N27 de 150 kW serait une des possibilités.
Plusieurs défis seront à relever dans ce projet : le site est difficile d'accès avec des terrains à fortes pentes; il faut prévoir toute une logistique pour le transport du matériel, la construction et le raccordement électrique. De plus, le site est connu pour ses conditions fréquentes de givre et on s'attend à ce que les performances de l'éolienne en soient réduites (pertes d'environ 10 %).
Données techniques
Le site envisagé se trouve à la fin d'une chaîne de petites montagnes, dans la communauté de Whitehorse, Territoire du Yukon, Canada. La chaîne atteint 2 000 m à son maximum. Le site est à environ 1 400 m d'altitude. Les données climatiques disponibles les plus proches sont celles de Whitehorse, Yukon; cette station météo est dans une vallée en contrebas, à une altitude de 700 m. On peut estimer que la vitesse du vent qui serait mesurée sur le site à une hauteur de 10 m du sol serait de 2,2 m/s supérieure à celle de la station météo de Whitehorse. Une ligne électrique existe déjà sur le site mais la puissance qui y sera générée sera trop importante pour qu'elle puisse l'absorber. Il faudra donc en augmenter la capacité. Le site étant proche de Whitehorse, les frais de voyage et d'hébergement seront relativement modestes.
Données financières
Les données financières utilisées pour l'analyse sont fournies par le producteur d'énergie. Comme le client est une société gouvernementale, le taux d'imposition sur le revenu est de 0 %. Les autres paramètres seront : taux d'inflation de 2,5 %, ratio d'endettement de 60 %, taux d'intérêt sur la dette de 8 %, taux d'actualisation de 8 % et durée de l'emprunt de 20 ans. La durée de vie de l'éolienne sera de 25 ans. On peut considérer que la valeur de l'électricité produite sera égale au coût marginal de l'énergie produite par la génératrice diesel en hiver, soit 0,10 $/kWh.
Ce projet doit être considéré comme une activité de recherche et développement plutôt qu'un véritable projet commercial, financièrement viable. On doit cependant démontrer qu'il est possible de réduire les coûts à leur minimum et qu'il y a un potentiel de bénéfices importants. L'essentiel de la justification de ce projet est l'apprentissage des contraintes de fonctionnement et l'évaluation de la viabilité potentielle d'un tel projet éolien dans ce contexte d'application.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
Projet réel
Résultats
En 1992 et 1993, la Yukon Energy Corporation, société du gouvernement du Territoire du Yukon au Canada, a lancé un appel d'offres, puis a acheté et installé une éolienne Bonus de 150 kW. Le site d'installation est à Haeckel Hill, au flanc du Mont Sumanik, à 1 430 m d'altitude, soit environ 750 m au-dessus du niveau de la vallée de Whitehorse, capitale du Yukon.
Le coût total du projet, excluant les études de préfaisabilité, a été d'environ 800 000 $. Une piste d'accès à une tour de surveillance des feux de forêt, installée au sommet de la montagne, a été réaménagée en chemin carrossable. La capacité de la ligne électrique monophasée existante a été augmentée, ce qui a coûté 170 000 $ (somme faisant partie du coût total du projet).
L'éolienne a été soumise à d'importantes formations de givre. Le site s'est avéré une plate-forme importante pour l'évaluation de techniques de déglaçage et de prévention de l'accumulation de givre. Le projet est considéré comme un succès. De plus, la Yukon Energy Corporation a installé une éolienne Vestas de 660 kW au cours de l'année 2000. Cela lui permettra d'acquérir encore plus d'expérience, dans le but d'une production d'énergie éolienne significative à l'échelle du réseau local, sous la forme d'un parc éolien qui serait installé au Mont Sumanik.
Description du système
L'éolienne installée est une Bonus Mark III de 150 kW. Le fabricant, Bonus A/S du Danemark, s'est impliqué très fortement lors de l'implantation du projet. L'éolienne a été modifiée afin d'incorporer un élément chauffant, disponible sur le marché des pièces secondaires, pour déglacer les bords d'attaque des pales. Les anémomètres utilisés pour le contrôle de l'éolienne, sont également chauffants. La tour de l'éolienne a été conçue sur un principe d'articulation et de haubans, de manière à pouvoir être érigée sans grue. L'électricité en courant triphasé à basse tension produite par l'éolienne est transformée en 25 kV avant d'être fournie au réseau.
Leçons à tirer
Le Territoire du Yukon a un fort taux de développement et ses besoins d'approvisionnement électrique ne cessent de croître. L'un des plus gros consommateurs d'électricité du Yukon est une exploitation minière qui fonctionne de manière intermittente. Lorsqu'elle est en exploitation, la mine crée une très forte demande, mais lorsqu'elle est à l'arrêt il y a d'importants surplus d'électricité disponible. À cause de la très forte sensibilisation des habitants du Yukon à la protection de l'environnement, l'énergie éolienne représente un potentiel fort important. La Yukon Energy Corporation a conduit plusieurs évaluations du gisement éolien de nombreux sites et démontre ainsi sa volonté de considérer cette source d'énergie comme une option de développement à long terme. Le gouvernement du Yukon s'est engagé dans un Plan Vert qui inclut l'évaluation des ressources énergétiques plus environnementales. On peut donc s'attendre à voir dans le futur l'implantation et l'exploitation de plus grands projets éoliens.
Photo
Turbines éoliennes - Réseau isolé - Haeckel Hill , Yukon, Canada
Références
Mandat de l'étude de cas
Une compagnie d'électricité du Nord du Canada vous demande de lui préparer une étude de préfaisabilité. Cette société veut en connaître plus sur les possibilités de l'énergie éolienne à contribuer à l'alimentation d'un de ses réseaux isolés. Ce réseau local est alimenté principalement par de l'hydroélectricité mais en hiver, l'apport d'électricité en période de pointe doit être assuré par une centrale diesel. Le réseau doit fournir une puissance de pointe de 78 MW et la consommation annuelle d'énergie électrique est d'environ 450 GWh. À titre expérimental, la compagnie d'électricité désire évaluer une éolienne de faible puissance, dont la fiabilité est largement établie. Le modèle Nordex N27 de 150 kW serait une des possibilités.
Plusieurs défis seront à relever dans ce projet : le site est difficile d'accès avec des terrains à fortes pentes; il faut prévoir toute une logistique pour le transport du matériel, la construction et le raccordement électrique. De plus, le site est connu pour ses conditions fréquentes de givre et on s'attend à ce que les performances de l'éolienne en soient réduites (pertes d'environ 10 %).
Données techniques
Le site envisagé se trouve à la fin d'une chaîne de petites montagnes, dans la communauté de Whitehorse, Territoire du Yukon, Canada. La chaîne atteint 2 000 m à son maximum. Le site est à environ 1 400 m d'altitude. Les données climatiques disponibles les plus proches sont celles de Whitehorse, Yukon; cette station météo est dans une vallée en contrebas, à une altitude de 700 m. On peut estimer que la vitesse du vent qui serait mesurée sur le site à une hauteur de 10 m du sol serait de 2,2 m/s supérieure à celle de la station météo de Whitehorse. Une ligne électrique existe déjà sur le site mais la puissance qui y sera générée sera trop importante pour qu'elle puisse l'absorber. Il faudra donc en augmenter la capacité. Le site étant proche de Whitehorse, les frais de voyage et d'hébergement seront relativement modestes.
Données financières
Les données financières utilisées pour l'analyse sont fournies par le producteur d'énergie. Comme le client est une société gouvernementale, le taux d'imposition sur le revenu est de 0 %. Les autres paramètres seront : taux d'inflation de 2,5 %, ratio d'endettement de 60 %, taux d'intérêt sur la dette de 8 %, taux d'actualisation de 8 % et durée de l'emprunt de 20 ans. La durée de vie de l'éolienne sera de 25 ans. On peut considérer que la valeur de l'électricité produite sera égale au coût marginal de l'énergie produite par la génératrice diesel en hiver, soit 0,10 $/kWh.
Ce projet doit être considéré comme une activité de recherche et développement plutôt qu'un véritable projet commercial, financièrement viable. On doit cependant démontrer qu'il est possible de réduire les coûts à leur minimum et qu'il y a un potentiel de bénéfices importants. L'essentiel de la justification de ce projet est l'apprentissage des contraintes de fonctionnement et l'évaluation de la viabilité potentielle d'un tel projet éolien dans ce contexte d'application.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Solution
Le fichier de données sélectionné dans la base de données de projets RETScreen présente la solution élaborée. L'utilisateur télécharge automatiquement la base de données de projets en téléchargeant le logiciel RETScreen.
Notes explicatives
- Ce projet est manifestement un projet de recherche et de démonstration avant tout. Il n'y a donc pas de rentabilité financière et ses bénéfices sont plutôt dans l'expérience et le savoir-faire acquis lors de la planification, de l'installation et de l'exploitation de l'éolienne, avec suivi et analyse des performances. Les pertes importantes occasionnées par le givre et les pannes du réseau local aggravent la rentabilité financière du projet, mais ce qui affecte le plus cette dernière, ce sont d'abord les coûts élevés d'investissement pour l'installation, les fondations, les frais de transport et d'entretien.
- La viabilité financière d'autres projets éoliens sur des sites similaires bénéficiera de l'expérience acquise avec ce projet.
- Pour calculer plus exactement l'énergie renouvelable produite par l'éolienne, il est recommandé de tenir compte de l'effet de la différence d'altitude entre la station météo et le site d'implantation :
- La température ambiante baisserait d'environ de 6,5 °C tous les 1 000 m d'augmentation d'altitude.
- La pression atmosphérique diminue avec une altitude plus élevée. Jusqu'à 5 000 m, la pression atmosphérique P, en kPa, varie par rapport à celle au niveau de la mer en
fonction de l'altitude z, en m, selon le modèle :
P = Pniveau de la mer e (-z/8200)
avec Pniveau de la mer = 101,33 kPa.
- Une seule éolienne à raccorder à une ligne électrique proche ne nécessite pas un poste de raccordement. On se contente d'installer sur l'éolienne un transformateur compatible avec la tension de la ligne électrique.
- On doit prévoir au cours de la période d'exploitation certains bris mécaniques pouvant nécessiter le remplacement d'une pale, d'un palier ou d'un roulement. De telles réparations peuvent atteindre de 20 à 25 % du prix d'achat de l'éolienne. Ces frais sont à considérer comme des coûts périodiques. Étant donnée la nature « recherche et développement » du projet et l'environnement climatique difficile dans lequel est placée l'éolienne, la période de remplacement a été fixée à 10 ans, une fréquence plus élevée que la normale.
- Tenant compte du fait que la charge de pointe du réseau électrique est de 78 000 kW, il est clair que l'ensemble de la production électrique de la turbine (150 kW) sera entièrement absorbé par le réseau.
Projet réel
Résultats
En 1992 et 1993, la Yukon Energy Corporation, société du gouvernement du Territoire du Yukon au Canada, a lancé un appel d'offres, puis a acheté et installé une éolienne Bonus de 150 kW. Le site d'installation est à Haeckel Hill, au flanc du Mont Sumanik, à 1 430 m d'altitude, soit environ 750 m au-dessus du niveau de la vallée de Whitehorse, capitale du Yukon.
Le coût total du projet, excluant les études de préfaisabilité, a été d'environ 800 000 $. Une piste d'accès à une tour de surveillance des feux de forêt, installée au sommet de la montagne, a été réaménagée en chemin carrossable. La capacité de la ligne électrique monophasée existante a été augmentée, ce qui a coûté 170 000 $ (somme faisant partie du coût total du projet).
L'éolienne a été soumise à d'importantes formations de givre. Le site s'est avéré une plate-forme importante pour l'évaluation de techniques de déglaçage et de prévention de l'accumulation de givre. Le projet est considéré comme un succès. De plus, la Yukon Energy Corporation a installé une éolienne Vestas de 660 kW au cours de l'année 2000. Cela lui permettra d'acquérir encore plus d'expérience, dans le but d'une production d'énergie éolienne significative à l'échelle du réseau local, sous la forme d'un parc éolien qui serait installé au Mont Sumanik.
Description du système
L'éolienne installée est une Bonus Mark III de 150 kW. Le fabricant, Bonus A/S du Danemark, s'est impliqué très fortement lors de l'implantation du projet. L'éolienne a été modifiée afin d'incorporer un élément chauffant, disponible sur le marché des pièces secondaires, pour déglacer les bords d'attaque des pales. Les anémomètres utilisés pour le contrôle de l'éolienne, sont également chauffants. La tour de l'éolienne a été conçue sur un principe d'articulation et de haubans, de manière à pouvoir être érigée sans grue. L'électricité en courant triphasé à basse tension produite par l'éolienne est transformée en 25 kV avant d'être fournie au réseau.
Leçons à tirer
- Un projet de recherche et développement doit être implanté de manière à avoir des retombées intéressantes. Cependant, ses coûts doivent être les plus bas possibles pour démontrer la possibilité d'une rentabilité financière. La valeur de tels projets réside dans le savoir-faire acquis. L'expérience d'opération d'un tel site a donc besoin d'être bien documentée, avec registre des événements, suivi des performances et analyse des résultats.
- L'installation d'une seule éolienne sur un réseau isolé sera d'autant plus chère que les meilleurs sites éoliens sont éloignés du réseau local. Cependant, cela est une situation fréquente puisque les communautés sont habituellement établies dans des endroits abrités des vents, dans des vallées, et là où l'accès à l'eau et aux routes principales est facilité.
- Les sites éoliens des régions nordiques présentent des défis additionnels à cause des conditions climatiques extrêmes (problèmes de givre), des basses températures sur des périodes prolongées, de la disponibilité des équipements et des contraintes de logistique. Dans le Grand Nord, certaines communautés ne sont desservies qu'une seule fois par année par des barges qui permettent le transport de matériel lourd. Cela signifie qu'un léger problème d'approvisionnement d'un composant peut retarder à lui seul un projet d'une année complète. Tout un défi pour la gestion de projets éoliens!
- Il existe de nombreuses communautés éloignées au Canada et à travers le monde où le prix du diesel est plus élevé et/ou le potentiel éolien est plus important qu'à Whitehorse, ce qui justifierait davantage l'implantation de turbines et leur rentabilité financière (voir : http://www.retscreen.net/fr/11_4.php).
Le Territoire du Yukon a un fort taux de développement et ses besoins d'approvisionnement électrique ne cessent de croître. L'un des plus gros consommateurs d'électricité du Yukon est une exploitation minière qui fonctionne de manière intermittente. Lorsqu'elle est en exploitation, la mine crée une très forte demande, mais lorsqu'elle est à l'arrêt il y a d'importants surplus d'électricité disponible. À cause de la très forte sensibilisation des habitants du Yukon à la protection de l'environnement, l'énergie éolienne représente un potentiel fort important. La Yukon Energy Corporation a conduit plusieurs évaluations du gisement éolien de nombreux sites et démontre ainsi sa volonté de considérer cette source d'énergie comme une option de développement à long terme. Le gouvernement du Yukon s'est engagé dans un Plan Vert qui inclut l'évaluation des ressources énergétiques plus environnementales. On peut donc s'attendre à voir dans le futur l'implantation et l'exploitation de plus grands projets éoliens.
Photo
Turbines éoliennes - Réseau isolé - Haeckel Hill , Yukon, Canada
Références
- Edworthy, Jason, « Communications personnelles », Nor'West Energy System Ltd., 2000.
- Gouvernement du Yukon, http://www.gov.yk.ca/francais.
- Maissan, John, « Adaptation of a Wind Turbine for Sub-Arctic Conditions with Severe Rime Icing », Proceedings of Canadian Wind Energy Association Conference, Kananaskis Country, Alberta, (1996), pp. 152-161.
- Yukon Energy Corporation, http://www.yec.yk.ca.
