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Production d'électricité - Turbine hydroélectrique - Résidentiel - 4.0 kW - Hors réseau / Canada
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes le propriétaire d'une maison et vous examinez différentes options afin de fournir l'électricité à votre résidence hors réseau qui est située à l'intérieur des terres dans le sud de la Colombie-Britannique au Canada. Puisque l'accès au réseau électrique dans cette région est pratiquement impossible à cause de son isolement, la plupart des résidents utilisent des moteurs diesel pour entraîner des alternateurs (génératrices électriques). Comme une génératrice diesel travaille inefficacement à faible charge, on l'utilise pour charger des batteries, et un onduleur permet d'alimenter les charges en courant alternatif.
Vous avez calculé vos besoins en électricité et vous avez déterminé qu'ils sont en moyenne de l'ordre de 5 kWh par jour, car vous avez la possibilité de chauffer au bois et d'utiliser le propane pour cuisiner. Votre charge de pointe, sans tenir compte des pics de démarrage des moteurs, est d'environ 3 kW.
Vous voulez comparer un système génératrice/batterie/onduleur à une microcentrale hydroélectrique. Les pertes dans les batteries et l'onduleur représentent au total environ 25 % de la production de la génératrice. Le projet de microcentrale hydroélectrique utiliserait le débit d'une conduite d'eau déjà existante qui transporte l'eau d'un ruisseau à proximité vers un système d'irrigation. Un fournisseur local vous propose une turbine Turgo fabriquée par Energy System and Design. Cette turbine fournit normalement jusqu'à 1,5 kW de puissance pour charger une batterie. Cependant, d'autres clients hors réseau ont obtenu de bons résultats avec cette turbine robuste et ont pu produire 3 à 4 kW, en employant 2 ou 3 injecteurs pour des débits d'eau allant jusqu'à 0,028 m3/s. Dans de tels systèmes, des charges de lissage et un contrôleur remplacent les batteries.
Données techniques
Votre maison est située sur un terrain accidenté, dans un district quasi désert à l'ouest de Lillooet (BC), Canada. Un cours d'eau passe à proximité de votre maison, avec un débit qui dépasse 0,034 m³/s (1,6 pi³/s) tout au long de l'année. En 1970, une conduite d'eau en PVC de 12,7 cm de diamètre a été installée pour connecter un système d'irrigation agricole au ruisseau. Cette conduite de 300 m de long présente un dénivelé de 35 m environ entre le ruisseau et le point où vous voudriez construire votre microcentrale hydroélectrique. Le système d'irrigation fournit approximativement 0,009 m3/s d'eau (150 gpm) à douze hectares de terre agricole. La conduite d'eau est enterrée en dessous de la profondeur de pénétration du gel. Vous avez contacté un fournisseur d'équipement qui vous a fourni un graphique (à la page suivante) montrant les pertes hydrauliques dans un tuyau en PVC de 12,7 cm de diamètre en fonction du débit. Le site proposé pour la microcentrale hydroélectrique est à environ 100 m de votre maison.
Données financières
Le coût installé d'une génératrice au diesel de 5 à 7 kW est d'environ 7 500 $. Des batteries à décharge profonde coûteraient environ 2 000 $ et un onduleur 2 000 $ également. L'achat de la microturbine, d'un alternateur et d'un contrôleur de charge Thompson et Howe reviendrait au total à environ 7 500 $.
Vous êtes bon bricoleur et souhaitez travailler vous-même sur le système hydroélectrique, tant au niveau de l'installation que de l'exploitation et de l'entretien. Cependant, vous aimeriez avoir la visite d'un consultant en micro hydroélectricité sur le site pour être sûr que le système proposé est approprié. Vous vous procurerez tous les permis nécessaires vous-mêmes.
Le prix du carburant diesel à la livraison est d'environ 0,70 $ par litre. Vous vous attendez à une augmentation de ce prix à un taux légèrement plus élevé que le taux d'inflation. Lorsqu'elle fonctionne à sa puissance nominale, la génératrice consomme environ 0,5 litre de carburant par kWh produit.
Vous voulez emprunter environ la moitié de la somme nécessaire pour ce projet, pour une durée de 15 ans à un taux de 8 %. Vous pensez vivre dans votre maison pour le reste de votre vie, soit approximativement 35 ans. Vous souhaitez comparer non seulement la viabilité financière de la microcentrale hydroélectrique à celle du système diesel, mais également la réduction des émissions de gaz à effet de serre durant cette période.
Préparez une étude RETScreen, justifiez les hypothèses nécessaires à l'étude et tirez les faits saillants de cette analyse.
Mandat de l'étude de cas
Vous êtes le propriétaire d'une maison et vous examinez différentes options afin de fournir l'électricité à votre résidence hors réseau qui est située à l'intérieur des terres dans le sud de la Colombie-Britannique au Canada. Puisque l'accès au réseau électrique dans cette région est pratiquement impossible à cause de son isolement, la plupart des résidents utilisent des moteurs diesel pour entraîner des alternateurs (génératrices électriques). Comme une génératrice diesel travaille inefficacement à faible charge, on l'utilise pour charger des batteries, et un onduleur permet d'alimenter les charges en courant alternatif.
Vous avez calculé vos besoins en électricité et vous avez déterminé qu'ils sont en moyenne de l'ordre de 5 kWh par jour, car vous avez la possibilité de chauffer au bois et d'utiliser le propane pour cuisiner. Votre charge de pointe, sans tenir compte des pics de démarrage des moteurs, est d'environ 3 kW.
Vous voulez comparer un système génératrice/batterie/onduleur à une microcentrale hydroélectrique. Les pertes dans les batteries et l'onduleur représentent au total environ 25 % de la production de la génératrice. Le projet de microcentrale hydroélectrique utiliserait le débit d'une conduite d'eau déjà existante qui transporte l'eau d'un ruisseau à proximité vers un système d'irrigation. Un fournisseur local vous propose une turbine Turgo fabriquée par Energy System and Design. Cette turbine fournit normalement jusqu'à 1,5 kW de puissance pour charger une batterie. Cependant, d'autres clients hors réseau ont obtenu de bons résultats avec cette turbine robuste et ont pu produire 3 à 4 kW, en employant 2 ou 3 injecteurs pour des débits d'eau allant jusqu'à 0,028 m3/s. Dans de tels systèmes, des charges de lissage et un contrôleur remplacent les batteries.
Données techniques
Votre maison est située sur un terrain accidenté, dans un district quasi désert à l'ouest de Lillooet (BC), Canada. Un cours d'eau passe à proximité de votre maison, avec un débit qui dépasse 0,034 m³/s (1,6 pi³/s) tout au long de l'année. En 1970, une conduite d'eau en PVC de 12,7 cm de diamètre a été installée pour connecter un système d'irrigation agricole au ruisseau. Cette conduite de 300 m de long présente un dénivelé de 35 m environ entre le ruisseau et le point où vous voudriez construire votre microcentrale hydroélectrique. Le système d'irrigation fournit approximativement 0,009 m3/s d'eau (150 gpm) à douze hectares de terre agricole. La conduite d'eau est enterrée en dessous de la profondeur de pénétration du gel. Vous avez contacté un fournisseur d'équipement qui vous a fourni un graphique (à la page suivante) montrant les pertes hydrauliques dans un tuyau en PVC de 12,7 cm de diamètre en fonction du débit. Le site proposé pour la microcentrale hydroélectrique est à environ 100 m de votre maison.
Données financières
Le coût installé d'une génératrice au diesel de 5 à 7 kW est d'environ 7 500 $. Des batteries à décharge profonde coûteraient environ 2 000 $ et un onduleur 2 000 $ également. L'achat de la microturbine, d'un alternateur et d'un contrôleur de charge Thompson et Howe reviendrait au total à environ 7 500 $.
Vous êtes bon bricoleur et souhaitez travailler vous-même sur le système hydroélectrique, tant au niveau de l'installation que de l'exploitation et de l'entretien. Cependant, vous aimeriez avoir la visite d'un consultant en micro hydroélectricité sur le site pour être sûr que le système proposé est approprié. Vous vous procurerez tous les permis nécessaires vous-mêmes.
Le prix du carburant diesel à la livraison est d'environ 0,70 $ par litre. Vous vous attendez à une augmentation de ce prix à un taux légèrement plus élevé que le taux d'inflation. Lorsqu'elle fonctionne à sa puissance nominale, la génératrice consomme environ 0,5 litre de carburant par kWh produit.
Vous voulez emprunter environ la moitié de la somme nécessaire pour ce projet, pour une durée de 15 ans à un taux de 8 %. Vous pensez vivre dans votre maison pour le reste de votre vie, soit approximativement 35 ans. Vous souhaitez comparer non seulement la viabilité financière de la microcentrale hydroélectrique à celle du système diesel, mais également la réduction des émissions de gaz à effet de serre durant cette période.
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
Résultats
Une microcentrale hydroélectrique a été construite durant les années 1990 pour un ranch familial hors réseau situé dans une région éloignée à l'ouest de Lillooet en Colombie-Britannique, Canada. Elle a été construite grâce à l'effort commun de personnes techniquement douées ainsi qu'à une bonne dose de travail bénévole de la part de toutes les personnes intéressées par le projet. Ce système plus efficace, plus fiable et plus productif a remplacé un microsystème hydroélectrique fait maison en tirant parti d'un système d'alimentation d'eau par gravité qui existait déjà. Le nouveau système a apporté l'électricité au ranch, ainsi que l'eau chaude et a comblé une partie significative des besoins en chauffage domestique.
Description du système
Le système est basé sur une turbine canadienne, une Turgo de Energy Systems and Design qui possède une roue de 10 cm de diamètre, testée dans les applications de charge de batteries pour lesquelles elle produit jusqu'à 1,5 kW. Comme elle le fait dans ce système à 3 injecteurs, la micro centrale hydroélectrique est tout à fait capable de générer plus de 3 kW en entraînant un alternateur sans balai de 12 kW de puissance nominale.
Bien que surdimensionné, l'alternateur est suffisamment efficace et fourni une masse supplémentaire qui sert de volant d'inertie lors de la mise en marche de moteurs électriques.
Leçons à tirer
La technologie de microcentrale hydroélectrique peut être de loin la solution la plus rentable pour électrifier des résidences hors réseau, même quand la production énergétique du système paraît vraiment petite. Les Européens et de nombreux utilisateurs d'électricité hors réseau peuvent confirmer que le premier 100 kWh par mois rend possible la majorité des avantages liés à l'électrification, et que quelques centaines de kWh par mois élèvent le niveau de vie significativement. Les mêmes utilisateurs rapportent souvent qu'un onduleur de 2,5 kW répond adéquatement à leurs besoins en électricité domestique.
Bien que le propriétaire de la maison ait pu investir davantage d'argent, d'efforts et en ingénierie pour produire plus d'énergie à partir des ressources hydrauliques disponibles, les performances du système de 3,2 kW ont été des plus satisfaisantes. Malgré la demande importante en chauffage domestique, un surplus d'énergie a été dissipé une grande partie de l'année. L'absence de possibilités pour vendre le surplus d'énergie disponible limite souvent la taille des projets possibles. La possibilité de générer des revenus à partir des surplus d'énergie serait bien appréciée par les utilisateurs de microcentrales hydroélectriques.
Photos
Maison - Turbine hydroélectrique - Hors réseau, Colombie-Britannique, Canada
Turbine hydroélectrique - Nombre d'injecteurs des turbines à impulsion - Augmentation, Colombie-Britannique, Canada
Références
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
- Les pertes hydrauliques maximales sont calculées en utilisant le débit total, la longueur du tuyau en PVC entre la prise d'eau et la microcentrale hydroélectrique, et le graphique fourni dans l'énoncé du mandat. Le débit total (turbine plus irrigation) est d'environ 0,037 m³/s. Selon le graphique, cela donne environ 5 m de hauteur de chute perdus par 100 m de conduite d'eau. Pour 300 m de conduite, cela fait 15 m de hauteur de chute perdus sur un total de 35 m, soit 43 %. Notez que le débit total est légèrement supérieur au plus bas débit du cours d'eau; ainsi, durant une brève période de l'année, soit le débit disponible pour l'irrigation, soit la puissance produite pourrait devoir être légèrement réduit, à moins que l'eau en sortie de la centrale ne puisse contribuer à l'irrigation. Puisque cette situation sera vraiment rare, elle est ignorée dans cette analyse.
- Le rendement de 88 % de la microcentrale hydroélectrique est inférieur au rendement caractéristique des systèmes utilisés dans les grands projets de centrales hydroélectriques, mais il convient bien au cas d'un système avec un alternateur de 2 à 10 kW.
- La courbe de débits classés du ruisseau est inconnue, sauf pour le débit minimal qui est de 0,034 m³/s. Comme ce débit dépasse les besoins en eau (en dehors des cas exceptionnels cités ci-dessus), il est entré dans toutes les cellules de la courbe de débits classés, car les débits plus élevés sont inutiles (note : seulement « 0,03 » est visible dans la feuille de calcul).
- La capacité de 3,6 kW du système est suffisante pour répondre à la charge de pointe, mais la plupart du temps la demande domestique sera bien inférieure et le surplus d'énergie sera dissipé sous forme de chaleur dans la charge de lissage. La charge moyenne journalière de 5 kWh correspond à une charge constante d'environ 208 W. Cette valeur est entrée dans toutes les cellules de la courbe de charge classée.
- Le coût de l'étude de faisabilité reflète le service fourni par le consultant externe.
- Les petites génératrices au diesel sont relativement inefficaces. Dans l'analyse de gaz à effet de serre (GES), leur rendement à charge nominale (leur point de fonctionnement normal pour charger les batteries) est estimé à 15 %.
- D'autres systèmes d'énergie hors réseau, tels que les systèmes photovoltaïque ou éolien ne pourraient pas atteindre le faible coût d'une microcentrale hydroélectrique à ce site, bien qu'ils puissent être plus attractifs que le système diesel/batteries.
Résultats
Une microcentrale hydroélectrique a été construite durant les années 1990 pour un ranch familial hors réseau situé dans une région éloignée à l'ouest de Lillooet en Colombie-Britannique, Canada. Elle a été construite grâce à l'effort commun de personnes techniquement douées ainsi qu'à une bonne dose de travail bénévole de la part de toutes les personnes intéressées par le projet. Ce système plus efficace, plus fiable et plus productif a remplacé un microsystème hydroélectrique fait maison en tirant parti d'un système d'alimentation d'eau par gravité qui existait déjà. Le nouveau système a apporté l'électricité au ranch, ainsi que l'eau chaude et a comblé une partie significative des besoins en chauffage domestique.
Description du système
Le système est basé sur une turbine canadienne, une Turgo de Energy Systems and Design qui possède une roue de 10 cm de diamètre, testée dans les applications de charge de batteries pour lesquelles elle produit jusqu'à 1,5 kW. Comme elle le fait dans ce système à 3 injecteurs, la micro centrale hydroélectrique est tout à fait capable de générer plus de 3 kW en entraînant un alternateur sans balai de 12 kW de puissance nominale.
Bien que surdimensionné, l'alternateur est suffisamment efficace et fourni une masse supplémentaire qui sert de volant d'inertie lors de la mise en marche de moteurs électriques.
Leçons à tirer
- Chaque site est unique.
- L'énergie renouvelable fournie par la microcentrale hydroélectrique dépasse largement la demande domestique.
- Le système a fonctionné légèrement mieux, en termes de couplage avec une charge sensible à la qualité de l'électricité produite et en régime transitoire, qu'un système batteries/onduleur de 2,5 kW. Il a également fourni beaucoup de chaleur.
- Ce système de production directe de courant alternatif ne nécessite pas une évaluation précise de la demande énergétique, comme cela peut-être le cas d'une micro centrale hydroélectrique s'appuyant sur la charge d'une batterie d'accumulateurs. En fait, ce système est plus simple et plus fiable.
- Les besoins d'entretien sont minimaux pour ce système. Les roulements doivent être remplacés tous les 7 ans. La prise d'eau doit être nettoyée, ce qui prend 15 minutes, une fois par mois, voire une fois par semaine durant l'automne.
La technologie de microcentrale hydroélectrique peut être de loin la solution la plus rentable pour électrifier des résidences hors réseau, même quand la production énergétique du système paraît vraiment petite. Les Européens et de nombreux utilisateurs d'électricité hors réseau peuvent confirmer que le premier 100 kWh par mois rend possible la majorité des avantages liés à l'électrification, et que quelques centaines de kWh par mois élèvent le niveau de vie significativement. Les mêmes utilisateurs rapportent souvent qu'un onduleur de 2,5 kW répond adéquatement à leurs besoins en électricité domestique.
Bien que le propriétaire de la maison ait pu investir davantage d'argent, d'efforts et en ingénierie pour produire plus d'énergie à partir des ressources hydrauliques disponibles, les performances du système de 3,2 kW ont été des plus satisfaisantes. Malgré la demande importante en chauffage domestique, un surplus d'énergie a été dissipé une grande partie de l'année. L'absence de possibilités pour vendre le surplus d'énergie disponible limite souvent la taille des projets possibles. La possibilité de générer des revenus à partir des surplus d'énergie serait bien appréciée par les utilisateurs de microcentrales hydroélectriques.
Photos
Maison - Turbine hydroélectrique - Hors réseau, Colombie-Britannique, Canada
Turbine hydroélectrique - Nombre d'injecteurs des turbines à impulsion - Augmentation, Colombie-Britannique, Canada
Références
- Davis, S., Microhydro: Clean Power from Water, 2003.
- Maxwell, S., « Homestead Hydropower: Harness the power of flowing water for clean, sustainable home electricity », Mother Earth News Issue No. 208, février-mars 2005.
