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2.7 Validation
Plusieurs spécialistes ont contribué au développement, à l’évaluation puis à la validation du modèle RETScreen pour Cogénération. Ces experts sont spécialisés en modélisation de systèmes de cogénération, en évaluation des coûts de réalisation et de conception de tels projets, en calcul des émissions de gaz à effet de serre, en analyse financière et en données climatiques à partir de stations terrestres ou de satellites.
Plusieurs parties du modèle RETScreen pour Cogénération ont été validées par confrontations aux résultats d’autres modèles reconnus dans le milieu. La validation portait essentiellement sur 3 points : le calcul des courbes de puissance classées (section 2.7.1), le calcul du pouvoir calorifique de combustibles de la biomasse (section 2.7.2), et la conception du réseau urbain de production de chaleur (section 2.7.3). Une validation plus globale est donnée à la section 2.8, Validation par FVB Energy.
Plusieurs spécialistes ont contribué au développement, à l’évaluation puis à la validation du modèle RETScreen pour Cogénération. Ces experts sont spécialisés en modélisation de systèmes de cogénération, en évaluation des coûts de réalisation et de conception de tels projets, en calcul des émissions de gaz à effet de serre, en analyse financière et en données climatiques à partir de stations terrestres ou de satellites.
Plusieurs parties du modèle RETScreen pour Cogénération ont été validées par confrontations aux résultats d’autres modèles reconnus dans le milieu. La validation portait essentiellement sur 3 points : le calcul des courbes de puissance classées (section 2.7.1), le calcul du pouvoir calorifique de combustibles de la biomasse (section 2.7.2), et la conception du réseau urbain de production de chaleur (section 2.7.3). Une validation plus globale est donnée à la section 2.8, Validation par FVB Energy.
2.7.1 Validation des courbes de puissances classées
Pour valider les courbes de puissances classées générées par RETScreen (voir section 2.1.4), les résultats de RETScreen ont été comparés avec ceux d’un modèle développé par M. Ingvar Larsson de la compagnie FVB District Energy Consultants en Suède. Le modèle de M. Larsson, appelé ci-après « DD-IL », a été développé à partir de données de deux systèmes de chauffage urbain de taille importante et sur lesquels de nombreuses mesures ont été effectuées (St. Paul, Minnesota (É.-U.) et Uppsala (Suède)). Le modèle RETScreen pour projets de chauffage à la biomasse a été comparé à DD-IL avec des données provenant de quatre villes : Edmonton, Alberta (Canada), Toronto, Ontario (Canada), St. Paul, Minnesota (É.-U.), et Stockholm (Suède). Pour toutes ces villes, les données de degrés-jours de DD-IL ont été utilisées dans RETScreen (à la place des degrés-jours issus de la base de données climatiques intégrée à RETScreen) afin d’éviter de comparer les résultats de deux programmes avec des données climatiques différentes. La seule exception est celle d’Edmonton où ce sont les valeurs de la base de données climatiques de RETScreen qui ont été utilisées dans DD-IL. Les courbes des puissances classées ont été reproduites pour chaque ville en utilisant des degrés-jours pour la production d’eau chaude sanitaire équivalents à 2,74 °C-j/j (1 000 degrés-jours/an), sauf pour Uppsala où on a utilisé une valeur de 2,88 °C-j/j (1 050 degrés-jours/an).
Le Tableau 11 compare les durées équivalentes de fonctionnement à plein régime calculées par chacun des deux programmes pour les quatre localités. Les résultats sont très semblables (différences inférieures à 1 %). La Figure 18 présente les courbes des puissances classées calculées par les deux programmes. De nouveau, les différences sont minimes et peuvent être considérées comme négligeables. Pour Toronto et Uppsala, les deux programmes génèrent exactement la même courbe des puissances classées. Pour Edmonton et Saint-Paul, les courbes sont sensiblement identiques.
Pour valider les courbes de puissances classées générées par RETScreen (voir section 2.1.4), les résultats de RETScreen ont été comparés avec ceux d’un modèle développé par M. Ingvar Larsson de la compagnie FVB District Energy Consultants en Suède. Le modèle de M. Larsson, appelé ci-après « DD-IL », a été développé à partir de données de deux systèmes de chauffage urbain de taille importante et sur lesquels de nombreuses mesures ont été effectuées (St. Paul, Minnesota (É.-U.) et Uppsala (Suède)). Le modèle RETScreen pour projets de chauffage à la biomasse a été comparé à DD-IL avec des données provenant de quatre villes : Edmonton, Alberta (Canada), Toronto, Ontario (Canada), St. Paul, Minnesota (É.-U.), et Stockholm (Suède). Pour toutes ces villes, les données de degrés-jours de DD-IL ont été utilisées dans RETScreen (à la place des degrés-jours issus de la base de données climatiques intégrée à RETScreen) afin d’éviter de comparer les résultats de deux programmes avec des données climatiques différentes. La seule exception est celle d’Edmonton où ce sont les valeurs de la base de données climatiques de RETScreen qui ont été utilisées dans DD-IL. Les courbes des puissances classées ont été reproduites pour chaque ville en utilisant des degrés-jours pour la production d’eau chaude sanitaire équivalents à 2,74 °C-j/j (1 000 degrés-jours/an), sauf pour Uppsala où on a utilisé une valeur de 2,88 °C-j/j (1 050 degrés-jours/an).
Le Tableau 11 compare les durées équivalentes de fonctionnement à plein régime calculées par chacun des deux programmes pour les quatre localités. Les résultats sont très semblables (différences inférieures à 1 %). La Figure 18 présente les courbes des puissances classées calculées par les deux programmes. De nouveau, les différences sont minimes et peuvent être considérées comme négligeables. Pour Toronto et Uppsala, les deux programmes génèrent exactement la même courbe des puissances classées. Pour Edmonton et Saint-Paul, les courbes sont sensiblement identiques.
Tableau 11 : Comparaison des durées équivalentes à plein régime pour les différentes localités
Figure 18 : Courbes des puissances classées calculées avec DD-IL et RETScreen pour quatre villes
2.7.2 Validation du calcul des pouvoirs calorifiques
Pour valider l’algorithme de calcul des pouvoirs calorifiques utilisé dans le modèle RETScreen (voir section 2.6.4), les valeurs calculées par RETScreen ont été comparées à celles présentées à la réunion d’été de la Section Technique de l’Association des pâtes et papiers du Canada, tenue à Québec au Canada, du 6 au 8 juin 1955. Dans l’article intitulé Determination of Bark Volumes and Fuel Properties, les données avaient été établies pour trente usines de conversion du bois par le Laboratoire des produits forestiers Canadien et le Federal Department of Mines and Technical Surveys. Les analyses chimiques (immédiate et élémentaire) des échantillons ont toutes été effectuées par un même laboratoire. Les valeurs calorifiques ont été analysées de façon statistique par le Laboratoire des produits forestiers avec les résultats suivants :
Âge des arbres : il n’y a pas de corrélation entre les valeurs calorifiques du bois des arbres et l’âge de ces arbres.
Origine géographique : l’analyse des tests n’a pas montré de différences significatives des valeurs calorifiques du bois d’arbres provenant de zones distinctes.
Espèces d’arbres : les tests montrent des différences significatives des valeurs calorifiques du bois selon les espèces d’arbres d’origine, dans l’ordre décroissant suivant : 1) Sapin baumier, 2) Pin gris, 3) Peuplier, 4) Épinette.
Pour valider l’algorithme de calcul des pouvoirs calorifiques utilisé dans le modèle RETScreen (voir section 2.6.4), les valeurs calculées par RETScreen ont été comparées à celles présentées à la réunion d’été de la Section Technique de l’Association des pâtes et papiers du Canada, tenue à Québec au Canada, du 6 au 8 juin 1955. Dans l’article intitulé Determination of Bark Volumes and Fuel Properties, les données avaient été établies pour trente usines de conversion du bois par le Laboratoire des produits forestiers Canadien et le Federal Department of Mines and Technical Surveys. Les analyses chimiques (immédiate et élémentaire) des échantillons ont toutes été effectuées par un même laboratoire. Les valeurs calorifiques ont été analysées de façon statistique par le Laboratoire des produits forestiers avec les résultats suivants :
Âge des arbres : il n’y a pas de corrélation entre les valeurs calorifiques du bois des arbres et l’âge de ces arbres.
Origine géographique : l’analyse des tests n’a pas montré de différences significatives des valeurs calorifiques du bois d’arbres provenant de zones distinctes.
Espèces d’arbres : les tests montrent des différences significatives des valeurs calorifiques du bois selon les espèces d’arbres d’origine, dans l’ordre décroissant suivant : 1) Sapin baumier, 2) Pin gris, 3) Peuplier, 4) Épinette.
Tableau 12 : Pouvoir calorifique mesuré d'écorces d'arbres de différentes espèces de l'Est du Canada
Le Tableau 12 présente les pouvoirs calorifiques des divers échantillons étudiés dans les tests. Ces valeurs ont été comparées à celles proposées dans le modèle RETScreen pour projets de chauffage à la biomasse pour la valeur du pouvoir calorifique des résidus de bois, qui varient d’une valeur inférieure de 17 723 MJ/t, jusqu’à une valeur supérieure de 19 760 MJ/t (moyenne de 18 673 MJ/t). Les variations obtenues selon ce test sont de +/ - 3 % pour le pin gris et de - 5 % pour l’épinette noire. Les estimations données par le modèle RETScreen pour projets de chauffage à la biomasse sont donc amplement suffisantes pour un projet qui en est au stade de l’analyse de préfaisabilité.
Les valeurs du pouvoir calorifique supérieur données par l’algorithme utilisé dans le modèle RETScreen (équation (63)) ont aussi été comparées à celles de 55 échantillons évalués par le US National Renewable Energy Laboratory (NREL) dans le sous-contrat TZ-2-11226-1 (février 1996). La Figure 19 compare les valeurs mesurées à celles prédites par RETScreen. La différence moyenne entre les tests de laboratoire et le modèle RETScreen est de 3,41 % avec un écart-type de 3,75 %. Les différences entre les résultats sont acceptables considérant que les variations typiques du taux d’humidité de la biomasse au cours d’une année peuvent excéder 15 %.
Les valeurs du pouvoir calorifique supérieur données par l’algorithme utilisé dans le modèle RETScreen (équation (63)) ont aussi été comparées à celles de 55 échantillons évalués par le US National Renewable Energy Laboratory (NREL) dans le sous-contrat TZ-2-11226-1 (février 1996). La Figure 19 compare les valeurs mesurées à celles prédites par RETScreen. La différence moyenne entre les tests de laboratoire et le modèle RETScreen est de 3,41 % avec un écart-type de 3,75 %. Les différences entre les résultats sont acceptables considérant que les variations typiques du taux d’humidité de la biomasse au cours d’une année peuvent excéder 15 %.
Figure 19 : Différences observées sur 55 échantillons de bois entre les pouvoirs calorifiques supérieurs mesurés et ceux obtenus par RETScreen
2.7.3 Validation de la conception du réseau urbain de production de chaleur
Les algorithmes utilisés dans le modèle RETScreen pour projets de chauffage à la biomasse pour concevoir un réseau urbain de production de chaleur (voir section 2.6.5) ont été validés à l’aide du programme R22 d’ABB. Le programme R22, développé par la division atomique d’ABB pour calculer le dimensionnement de la tuyauterie des systèmes de distribution de chaleur, a été utilisé de manière intensive dans les pays scandinaves pour la conception de réseaux de chauffage urbain.
Le Tableau 13 montre la taille des tuyaux calculés par le modèle RETScreen et les valeurs calculées par le programme R22. Les valeurs calculées par les deux programmes sont tout à fait comparables. Le modèle RETScreen tend à être un peu plus conservateur que le modèle R22, ce qui est intentionnel puisque le modèle R22 est un outil de conception détaillée, alors que le modèle RETScreen est un outil d’analyse de préfaisabilité. Le choix du diamètre des tuyaux est aussi fonction de l’investissement que l’on désire faire dans le projet. Si les budgets sont restreints, le concepteur aura tendance à tolérer des pertes de charge plus élevées. Le dimensionnement proposé est tout de même adéquat pour éviter des problèmes liés au bruit et à l’érosion de la tuyauterie.
Théoriquement, les tuyaux de la boucle principale de distribution de chaleur devraient être dimensionnés de manière à permettre de faibles pertes de charge, alors que des pertes de charge plus élevées sont tolérées dans les boucles secondaires de distribution pour minimiser la puissance de pompage nécessaire et les coûts d’investissement. Cependant, il est courant que l’espace disponible limité et des budgets restreints obligent à réduire le diamètre de la boucle principale. D’un autre côté, il est habituel de surdimensionner les boucles secondaires de distribution puisque les charges de chauffage des clients ne sont pas connues avec précision et afin d’éviter la génération de bruit.
Les algorithmes utilisés dans le modèle RETScreen pour projets de chauffage à la biomasse pour concevoir un réseau urbain de production de chaleur (voir section 2.6.5) ont été validés à l’aide du programme R22 d’ABB. Le programme R22, développé par la division atomique d’ABB pour calculer le dimensionnement de la tuyauterie des systèmes de distribution de chaleur, a été utilisé de manière intensive dans les pays scandinaves pour la conception de réseaux de chauffage urbain.
Le Tableau 13 montre la taille des tuyaux calculés par le modèle RETScreen et les valeurs calculées par le programme R22. Les valeurs calculées par les deux programmes sont tout à fait comparables. Le modèle RETScreen tend à être un peu plus conservateur que le modèle R22, ce qui est intentionnel puisque le modèle R22 est un outil de conception détaillée, alors que le modèle RETScreen est un outil d’analyse de préfaisabilité. Le choix du diamètre des tuyaux est aussi fonction de l’investissement que l’on désire faire dans le projet. Si les budgets sont restreints, le concepteur aura tendance à tolérer des pertes de charge plus élevées. Le dimensionnement proposé est tout de même adéquat pour éviter des problèmes liés au bruit et à l’érosion de la tuyauterie.
Théoriquement, les tuyaux de la boucle principale de distribution de chaleur devraient être dimensionnés de manière à permettre de faibles pertes de charge, alors que des pertes de charge plus élevées sont tolérées dans les boucles secondaires de distribution pour minimiser la puissance de pompage nécessaire et les coûts d’investissement. Cependant, il est courant que l’espace disponible limité et des budgets restreints obligent à réduire le diamètre de la boucle principale. D’un autre côté, il est habituel de surdimensionner les boucles secondaires de distribution puisque les charges de chauffage des clients ne sont pas connues avec précision et afin d’éviter la génération de bruit.
Tableau 13 : Comparaison des diamètres de canalisation suggérés par RETScreen à ceux suggérés par ABB R22
11. mmH2O/m: millimètre d'eau par mètre de tuyau.
