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Faire de llectricit un vecteur complet et efficace pour
laccessibilit de lnergie
La R&D stratgique Hydro-Qubec Raouf Naggari
Hydro-Qubec IREQ Canada
[email protected]
Sommaire Dans un contexte nergtique domin par lvolution des
besoins, la disponibilit des ressources et le respect de
lenvironnement, llectricit jouera un rle de plus en plus important
pour rendre accessibles la plupart des ressources nergtiques qui
sont captes en temps rel et qui ne sont pas dj sous une forme
stockable et transportable. Cependant, pour devenir un vecteur
daccessibilit complet et efficace, elle devra encore relever
plusieurs dfis au niveau du dveloppement, de lexploitation, de la
maintenance et des changes commerciaux. Linstitut de recherche
dHydro-Qubec (IREQ) a entrepris plusieurs projets de R&D
stratgique visant relever ces dfis. Mots cls : lectricit,
Recherche, Accessibilit
1 Contexte et Introduction
Llectricit sera appele jouer un rle de plus en plus important
pour rendre accessibles la plupart des ressources nergtiques qui
sont captes en temps rel et qui ne sont pas dj sous une forme
stockable et transportable. Le rayonnement solaire, le vent, la
force des eaux ou la chaleur de la terre sont difficiles
transporter sur de longues distances. La possibilit de transformer
ces nergies en lectricit et de profiter des infrastructures
lectriques pour les rendre accessibles aux utilisateurs sera sans
aucun doute lune des options les plus intressantes au cours des
prochaines annes. Laugmentation substantielle de ces nouvelles
sources dnergie, sachant quelles se situeront divers endroits du
territoire, proches ou loin des lieux dutilisation, et quelles
seront exploites diverses chelles, grandes centrales ou
micro-production, posera dimportants dfis aux compagnies
dlectricit. Hydro-Qubec et son Institut de recherche, lIREQ, se
prparent rpondre adquatement ce nouvel enjeu. Plusieurs avancements
scientifiques et technologiques seront requis pour trouver des
solutions efficaces aux nombreuses difficults dcoulant dun
utilisation accrue,
i Raouf Naggar est chef, Dveloppement stratgique Hydro-Qubec
Institut de recherche (IREQ)
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non conventionnelle et dsordonne des rseaux lectriques, tout en
assurant une fiabilit adquate et un respect de lenvironnement et du
dveloppement durable. Cet article prsente la problmatique gnrale de
laccessibilit de lnergie, le rle que peut y jouer llectricit et les
travaux de R&D stratgique raliss lIREQ dans le but de
contribuer faire de llectricit un vecteur complet et efficace
rpondant adquatement aux besoins futurs. Ce dfi colossal ne peut
tre ralis en vase clos. LIREQ entend le relever en harmonie avec
les efforts mens par les diffrents acteurs du domaine dans le monde
et avec un rseau de partenaires partageant ses proccupations et
compltant ses expertises.
2 Les perspectives nergtiques
2.1 Facteurs dterminants
Lavenir nergtique1 de la plante est domin par trois facteurs
dterminants : Lvolution des besoins
Les besoins en nergie au niveau plantaire seront croissants
surtout dans les pays mergents. Dans les pays dvelopps, cette
croissance est plus lente mais demeure prsente. Elle pourra tre
influence la hausse ou la baisse par les changements climatiques,
par les changements dhabitudes de vie et par les dveloppements
technologiques.
La disponibilit des ressources
Les ressources en nergie les plus courantes actuellement sont
limites. Le stock de ressources fossiles est appel spuiser plus ou
moins long terme selon le niveau de consommation et les dcouvertes
ralises. Certains gisements seront coteux exploiter. Les nergies
renouvelables sont aussi limites dans leur potentiel de
dveloppement. Dans plusieurs pays, le potentiel hydro-lectrique est
dj compltement dvelopp. Il en sera de mme des autres sources
dnergies renouvelables au fur et mesure quelles seront mises
profit. Aussi, les cots iront grandissant au fur et mesure que les
meilleurs sites auront t utiliss.
Le respect de lenvironnement
Linfluence du secteur nergtique sur lquilibre plantaire est
importante. Son impact sur les changements climatiques et sur la
qualit de lenvironnement est majeur. Limpact environnemental, le
dveloppement durable, la gestion des matires rsiduelles et lanalyse
de cycle de vie environnemental seront des paramtres de plus en
plus importants et influenceront directement ou indirectement les
choix nergtiques et les cots de lnergie.
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Ces facteurs combins contribueront transformer le march de
lnergie autant au niveau des sources dnergie quau niveau de leur
distribution et de leur utilisation. Les sources et les formes
dnergie seront de plus en plus diversifies et la petite et la
moyenne production se juxtaposeront aux moyens de production
traditionnels centraliss. Lefficacit nergtique aura une valeur
croissante.
2.2 Processus et enjeux lis laccessibilit de lnergie
2.2.1 Processus gnrique
Le processus permettant laccs lnergie comporte les activits
suivantes (qui ne sont pas ncessairement conscutives ou toujours
prsentes dans le processus) :
Captation ou extraction : Lnergie est capte l o elle se
trouve
Transformation : Lnergie est transforme en une autre forme plus
propice aux activits subsquentes
Stockage : Lnergie potentielle est conserve pour tre utilise
subsquemment
Dplacement : Lnergie est dplace dun lieu un autre
Utilisation : Lnergie est consomme et cre de la valeur
2.2.2 Captation ou extraction
Les gisements dnergie, quils soient fossiles, hydrauliques,
oliens, thermiques ou autres sont situs gographiquement des
endroits prcis et doivent y tre extraits ou capts. Cette activit
requiert des investissements importants et peut tre ralise avec une
efficacit variable selon le rendement des procds et quipements
utiliss et le taux de captation obtenu. Les enjeux pour cette
activit sont :
Le choix de gisements exploiter : Qualit et quantit, rendement,
accessibilit, cot, etc.
Lefficacit de la captation : Utilisation de moyens permettant de
maximiser lexploitation de la ressource
Limpact environnemental et le dveloppement durable : valuation
sur le cycle de vie des risques et des impacts et de lacceptabilit
sociale
Figure 1 - Activits du processus d'accs l'nergie
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2.2.3 Transformation
La transformation de lnergie est effectue dans le but : den
faire une nergie potentielle pouvant tre stocke, de la rendre
dplaable, de la rendre utilisable pour un besoin donn.
On peut donc transformer une eau courante en un rservoir, un
rayonnement en de la chaleur, un mouvement mcanique en de
llectricit, de la lumire en lectricit, de llectricit en hydrogne,
du soleil en biocarburant, de la chaleur en mouvement, un gradient
salin en une force mcanique, etc. Les enjeux pour cette activit
sont :
Lefficacit et le cot de chaque procd de transformation
Lefficacit globale du cycle complet de transformations de la
production
lutilisation Limpact environnemental des transformations et la
gestion des sous-produits
gnrs.
2.2.4 Stockage
Le stockage est une activit essentielle pour assurer ladquation
en temps rel entre loffre et la demande. Il est important de
pouvoir utiliser lnergie un autre moment que quand elle est
produite, surtout quand la source de production est variable ou non
modulable. Il est aussi ncessaire de disposer de suffisamment de
puissance pour rpondre aux besoins nergtiques en priodes de pointe.
Le stockage peut seffectuer toutes les tapes du processus selon la
forme de lnergie dont on dispose. Lnergie doit tre une nergie
potentielle. Si elle est sous une forme dplaable, elle peut tre
stocke tout endroit propice. Lnergie fossile, lhydrogne, les
batteries, les biocarburants font partie de cette catgorie. Si elle
nest pas dplaable, comme les rservoirs des centrales
hydro-lectriques, elle doit tre stocke sur place. Les enjeux pour
cette activit sont :
La capacit de stockage et les cots associs La gestion des stocks
: fiabilit et rentabilit Les impacts et les risques
environnementaux
2.2.5 Dplacement
Le dplacement de lnergie requiert des rseaux complexes pouvant
satisfaire lensemble des flux rsultant des transactions entre
loffre et la demande, compte tenu des localisations gographiques et
de la variabilit des quantits dans le temps. Ce rseau doit tre
optimis et exploit en temps rel. Les enjeux associs cette activit
sont :
Le dveloppement et loptimisation des infrastructures requises
pour rpondre aux besoins
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Lefficacit des dplacements, leurs cots et les pertes dnergies
associes La fiabilit de la livraison de lnergie et la scurit du
rseau Limpact environnemental et lacceptabilit sociale des
infrastructures et de leur
exploitation
2.2.6 Utilisation
Lutilisation de lnergie dans le but de crer de la valeur est la
finalit de tout le processus. Celle-ci est utilise pour le
chauffage, la climatisation, les transports, lclairage, les procds
industriels, etc. Les enjeux pour ces activits sont :
Ladquation du type dnergie utilis avec le besoin Lefficacit du
procd nergtique utilis La minimisation et la gestion des pertes
Limpact environnemental et le dveloppement durable
3 Llectricit, vecteur daccessibilit
3.1 Une rponse possible aux besoins daccessibilit
Llectricit est dj prsente dans chacune des activits du processus
daccs lnergie et est dj confronte plusieurs des enjeux noncs :
Elle capte et extrait son nergie de sources fossiles, nuclaires,
hydrauliques, oliennes, solaires, etc.
Elle rsulte de la transformation de ces nergies thermique,
mcanique, chimique, lumineuse en nergie lectrique par des procds de
plus en plus efficaces.
Elle est difficilement stockable en grandes quantits sous forme
lectrique mais elle tire profit de ses barrages pour grer des
stocks la source ou pour constituer des rserves pompes.
Elle possde des rseaux alimentant la totalit des utilisateurs en
des lieux fixes et matrise des technologies permettant le transport
de grandes quantits dnergie.
Elle peut tre utilise pour le chauffage, lclairage, les moteurs
et de nombreuses lectro-technologies.
De plus, elle se conforme dj plusieurs exigences
environnementales et de dveloppement durable. Pour ces raisons,
llectricit sera sans doute lun des vhicules les plus utiliss pour
assurer laccessibilit de lnergie.
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3.2 Plusieurs dfis relever
Face la perspective de voir llectricit devenir la plaque
tournante des changes nergtiques, plusieurs dfis doivent tre relevs
pour rpondre adquatement aux besoins et enjeux noncs. Ces dfis sont
prsents la figure 2 et sont numrots pour en facilit
lidentification.
Le dfi le plus important se situe au niveau des rseaux
lectriques. Ceux-ci seront de plus en plus sollicits et devront
augmenter leur capacit de transit tout en minimisant la
construction de nouvelles lignes [R1]. Ils devront donc tre
exploits de faon scuritaire au maximum de leur capacit tout en tant
exposs des alas beaucoup plus importants, tant au niveau de la
demande que de la production [R2]. Au niveau de la distribution,
les rseaux devront devenir bidirectionnels et sadapter rapidement
aux fluctuations de la consommation et de la production dcentralise
en assurant la qualit de londe lectrique [R3]. De plus, la
dpendance accrue envers llectricit imposera une plus grande
fiabilit dalimentation. Aussi, dans un contexte de changements
climatiques, les infrastructures
Capacit de transit
-Minimiser nouvelles
constructions
Exploitation scuritaire des rseaux de transport
-Alas plus importants
Fiabilit et Qualit de londe
lectrique
Exploitation interactive de rseaux de distribution
bidirectionnels
Gestion des rserves
nergtiques en fonction des autres sources
dnergie
Gestion des
pointes de puissance en fonctions des rserves et des rseaux
voisins
Autres formes de stockage
Stockage dlectricit
-Parcs de batteries
Efficacitnergtique
lectro technologies
Gestion de la demande
Sources dlectricitportables
Rendement des parcs de production existants
Valorisation nergtique
des dchets et autres pertes
Production partir de nouvelles sources dnergies
renouvelables
Production dcentralise
Rseaux Stockage Utilisation Production
R1
R2
R3
R4
S1
S2
S3
S4
U1
U2
U3
U4
P1
P2
P3
P4
Figure 2 - Les dfis
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pourraient tre exposes des alas climatiques qui ntaient pas
prvus au moment de leur construction [R4]. Un second dfi sera le
stockage et la gestion des stocks. Plusieurs nouvelles sources
dnergies renouvelables sont de nature variable ou non modulable et
requirent donc du stockage pour pallier les priodes de faible
production. Dautres sources sont continues et requirent une
valorisation de leur production en priodes de faible consommation.
Le stockage sert donc autant assurer le fiabilit nergtique que la
fiabilit en puissance. Actuellement, cette fonction est assure par
la gestion des rservoirs, par les changes entre les rseaux et par
laccs des centrales de pointe de sources hydrauliques ou fossiles.
Loptimisation de cette gestion pourra viter des investissements
importants et minimiser les impacts environnementaux de
lutilisation de sources fossiles [S1,S2]. La nouvelle perspective
de disposer dun stockage dispers laide de batteries ou dautres
moyens, dans les centres de production ou chez les clients, doit
tre prise en considration [S3,S4]. Le dfi de lutilisation de
llectricit nest pas ngliger. Actuellement, la principale faiblesse
de lnergie lectrique est quelle nest disponible quen un point fixe.
La possibilit de la rendre disponible pour des utilisateurs en
mouvement permettra daugmenter sa gamme dutilisation et de
remplacer des utilisations actuellement rserves aux nergies
fossiles ou nuclaires (transport terrestre, arien ou maritime)
[U3]. De plus, lintroduction de procds lectriques moins nergivores
ou de nouveaux procds utilisant llectricit des fins defficacit
nergtique, de gestion de la demande ou de valorisation des pertes
nergtiques sera dun grand intrt [U1,U2,U4]. Finalement, la
production dlectricit partir de nouvelles sources dnergies
renouvelables doit faire lobjet de travaux de recherche importants
[P2,P3,P4]. Aussi, la production mme dnergie lectrique peut tre
augmente par lamlioration de la captation et de la transformation
de lnergie source [P1]. Cette augmentation de rendement permettra
une exploitation plus optimale de chaque site, diminuant ainsi les
cots et augmentant le potentiel total exploitable.
4 Les travaux de R&D stratgique dHydro-Qubec
4.1 Hydro-Qubec, ses actifs et son exprience
Hydro-Qubec est la compagnie dlectricit qui dessert le Qubec2.
Elle regroupe trois grandes divisions :
HQ Production produit de llectricit pour le march qubcois et
commercialise ses surplus sur les marchs de gros. Elle exploite un
parc de 36000 MW comportant 59 centrales hydro-lectrique totalisant
34000 MW, 27 centrales thermiques et une centrale nuclaire.
HQ Transnergie exploite le rseau de transport dlectricit le plus
le tendu dAmrique du Nord au bnfice de clients au Qubec et
hors-Qubec. Elle exploite un rseau de 33000 km dont 11400 km 735 kV
et une ligne multi-bornes 450 kV CC de 1200 km. Le rseau comporte
de la compensation shunt
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dynamique et de la compensation srie. 15 interconnexions le
relient quatre rseaux voisins.
HQ Distribution assure lapprovisionnement fiable en lectricit la
population du Qubec. Elle exploite 110 000 km de lignes dont 10%
sont souterraines. Elle dessert 3,9 millions de clients dont 3,6
millions du secteur rsidentiel et agricole pour une consommation
moyenne de 17 MWh/anne. Elle sapprovisionne auprs de HQ Production
et elle a accs 7000 MW provenant dautres producteurs. Actuellement,
la quantit dlectricit devant provenir de source olienne est
planifie 4000 MW.
Hydro-Qubec, en raison des particularits de ses activits, a
dvelopp une grande expertise dans plusieurs secteurs dont
principalement : le dveloppement et lexploitation dun vaste parc
hydro-lectrique et de grandes rserves dnergie; le dveloppement et
lexploitation dun rseau de transport complexe, tendu et transitant
de grandes quantits dnergie dans des conditions gographiques et
climatiques varies, ncessitant un effort constant pour en assurer
la scurit dynamique; le dveloppement et lexploitation dun rseau de
distribution tendu; lintgration de nouvelles sources dnergie
variables ou non modulables et la gestion de flux dnergie
importants avec les rseaux voisins. De plus, son accs privilgi de
grandes sources dlectricit hydro-lectrique renouvelable la incite
promouvoir le chauffage lectrique, dvelopper de nombreuses
lectro-technologies et tre active dans le domaine de
llectrification du transport terrestre.
4.2 Linstitut de recherche, ses expertises, ses travaux
Hydro-Qubec est la seule entreprise dlectricit en Amrique du
Nord possder un centre de recherche important : lIREQ3. Elle est
lune des 20 entreprises canadiennes qui investissent plus de 100 M$
par anne en R&D (prs de 1 % de leur chiffre daffaires) et, au
Qubec, elle assume plus de 60 % des investissements en innovation
technologique dans le secteur de lnergie. LIREQ possde deux sites.
Le site de Varennes est principalement ddi la R&D touchant les
rseaux et la production dlectricit. Le site de Shawinigan (LTE) est
centr sur les technologies de lutilisation de lnergie. LIREQ possde
de grands laboratoires dessais et uvre dans les domaines dexpertise
suivants : quipement lectriques, Science des matriaux, Robotique,
Civil, Mcanique, Mtallurgie, Hydro-olien, Systmes de mesure et
dinformation, Rseaux lectriques, Mathmatiques et Utilisation de
lnergie. Les projets dinnovation technologique visent raliser de la
recherche applique rpondant aux besoins actuels dHydro-Qubec. Ils
se rpartissent en quatre portefeuilles : Production, Transport,
Rseau de distribution, Clientles. Le portefeuille de R&D
stratgique a pour objectif de faire voluer les connaissances et les
expertises matrises par lIREQ afin quelles puissent rpondre aux
enjeux futurs.
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4.3 Laccessibilit de lnergie au cur du portefeuille de R&D
stratgique
La plupart des projets de lIREQ contribuent directement ou
indirectement relever les dfis lis laccessibilit de lnergie via
llectricit. Cependant, cest dans le portefeuille stratgique que lon
explore diffrentes avenues scientifiques et technologiques qui
permettront de transformer le domaine de llectricit afin de relever
les dfis les plus exigeants et de rpondre aux enjeux les plus
contraignants. videmment, ces travaux nont pas la prtention de
couvrir lensemble des problmatiques identifies. Leffort est mis en
priorit sur les sujets les plus pertinents pour Hydro-Qubec et sur
les crneaux dans lesquels lIREQ a choisi de dvelopper ses
comptences. Nous prsentons ici la stratgie adopte et certains des
projets les plus aligns avec la problmatique de laccessibilit.
4.3.1 Vue densemble
4.3.1.1 Prmisses
Le contexte dans lequel voluera lentreprise lhorizon long terme
sera influenc par quelques courants majeurs 4 :
La conqute de linfiniment petit qui ouvrira des horizons tant au
niveau de la caractrisation des matriaux et des phnomnes quau
niveau de la miniaturisation.
Les nouveaux matriaux qui donneront naissance des quipements
dont les proprits seront diffrentes de celles que lon connat
daujourdhui.
Lessor du calcul haute performance et les progrs en intelligence
artificielle et en simulation permettront de passer graduellement
du jugement lanalyse dans de nombreux domaines.
Les progrs dans le domaine de linformation permettront desprer
minimiser les risques associs la plupart des dcisions.
Les changements climatiques qui auront un impact sur la
production, sur la charge et sur les intempries affectant le
rseau.
4.3.1.2 Grandes activits
Lvolution du domaine de llectricit seffectuera dans le cadre des
quatre grandes activits caractristiques de toutes les entreprises
de services publics :
Le dveloppement des systmes (ou infrastructures) Lexploitation
des systmes La maintenance des systmes Les changes commerciaux
Cest au niveau du dveloppement des systmes que lon devra
optimiser le dploiement dinfrastructures pour rpondre aux nouveaux
besoins. Ceci ncessitera la conception de systmes plus performants
qui se traduira par la construction ou le remplacement
dinfrastructures et par la mise niveau dinfrastructures existantes.
Exemples : volution
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des moyens de production, des appareillages de rseaux, des types
de lignes, des automatismes de protection, des infrastructures
dinformation et de commande, des moyens de stockage fixes ou
mobiles, etc. Cest au niveau de lexploitation des systmes que lon
devra optimiser le rendement des infrastructures dont on disposera
pour rpondre aux nouveaux besoins. Ceci ncessitera lvolution des
stratgies dexploitation afin de bien rpondre aux alas grandissants
de loffre et de la demande tout en respectant les exigences de
qualit de londe et de scurit physique et dynamique des rseaux.
Exemples : Augmentation des limites de transit, gestion plus serre
des rserves, gestion des stocks, rgulation de la tension, gestion
des pertes, etc. Cest au niveau de la maintenance des systmes que
lon devra optimiser la disponibilit des infrastructures dont on
disposera pour rpondre aux nouveaux besoins. Ceci ncessitera
lvolution des stratgies et des moyens permettant dintervenir sur
les infrastructures aux moments les plus appropris et dy effectuer
efficacement les travaux les plus pertinents. Exemples : Suivi et
diagnostic de ltat et de la vie rsiduelle des quipements distance
ou in situ, critres de dcision volus, moyens dintervention
robotiss, maintenance sans interruption, etc. Cest au niveau des
changes commerciaux que lon devra optimiser le bnfice pour
lentreprise rsultant de la multiplicit des fournisseurs et des
clients. Ceci ncessitera une volution des stratgies
dapprovisionnement et des stratgies tarifaires. Exemples :
Tarification variable ou en temps rel, gestion de la production et
du stockage dcentraliss, tlgestion des charges, etc.
4.3.1.3 Axes dintervention en R&D
De faon gnrique, toute activit (et a fortiori les grandes
activits du domaine) fait appel des ressources permettant
datteindre la finalit recherche. Ces ressources se classent parmi
quatre types de systmes : les systmes oprants, les systmes de
dcision, les systmes dinformation et les systmes de connaissances5.
Cest selon ces types de systmes que sont prsents les axes
dintervention en R&D de lIREQ :
Les systmes oprants interviennent physiquement dans la
ralisation des activits. Ce sont les quipements, appareils, robots,
ressources humaines, etc.
Les systmes de dcision permettent de dterminer les interventions
requises en fonction des critres dfinis et des informations
disponibles.
Les systmes dinformation permettent de capter des donnes, de les
transmettre et de les interprter pour fournir aux systmes de
dcision les informations dont ils ont besoin.
Les systmes de connaissances permettent de raisonner. Ils
fournissent les connaissances permettant la conception des systmes
oprants, et le fonctionnement des systmes dinformation et de
dcision.
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4.3.2 Les projets
4.3.2.1 Axe Systmes de connaissances
Les projets de laxe Systmes de connaissances visent observer,
analyser, comprendre, modliser et simuler les phnomnes dont fait
lobjet le systme lectrique. cet effet, lIREQ sest dot de deux
quipements importants :
Le centre de calcul haute performance (CASIR) offre aux
diffrents projets une puissance de calcul formidable. De plus,
lIREQ dveloppe des connaissances scientifiques dans le domaine et
explore des solutions avances ou mergentes fort potentiel
dimplantation Hydro-Qubec.
Un puissant microscope transmission permet dobserver et
caractriser la variation des structures nanomtriques des matriaux
sous diffrentes contraintes externes afin de comprendre leurs modes
de vieillissement. Ces connaissances sont des intrants importants
la conception, lexploitation et la maintenance des quipements.
Plusieurs projets sont en cours pour modliser et simuler des
comportements systmiques complexes dont la connaissance peut tre
dterminante pour le rendement obtenu des infrastructures :
Le projet Changements climatiques6 vise valuer limpact des
changements climatiques sur la demande dlectricit et sur la
disponibilit des ressources hydriques. Il fonde ses analyses sur la
modlisation et la simulation de projections climatiques. Ces
projections sont values dans le cadre de la participation de lIREQ
au consortium Ouranos. Ces connaissances permettront de dvelopper
des stratgies dadaptation dans les domaines de la prvision de la
demande, de la prvision des apports, de la gestion de la production
et de la planification ainsi que de la conception de nouveaux
quipements. Contribution aux dfis R4 S1 P1 de la figure 2.
Le projet SAMH (Simulations numriques appliques aux machines
hydrauliques) vise dvelopper les connaissances et la technologie
requises pour tre en mesure de modliser les comportements
hydraulique, mcanique et lectrodynamique des groupes
turbines-alternateurs ainsi que leurs interactions, sur l'ensemble
de la plage de fonctionnement. Ces connaissances permettront
daugmenter le rendement de ces quipements par une exploitation
optimise, dy apporter des modifications augmentant leurs
performances et de mieux comprendre les mcanismes pouvant en
limiter lexploitation ou conduire des bris. Contribution au dfi P1
de la figure 2.
Figure 3 Exemple de projection climatique
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Le projet Performance et potentiel de rsilience des ouvrages en
remblai vise comprendre, modliser et simuler numriquement les
phnomnes gnrs par lcoulement de leau au travers dun barrage en
remblai tant pour une situation dexploitation normale que lors des
pisodes de crues. Lapproche retenue sattache mettre en place un
outil de gnration virtuelle des sols pour ltude des phnomnes
hydrodynamiques dont ils sont le sige. Ces connaissances
permettront dvaluer la possibilit daugmenter la capacit des
rservoirs sans affecter la scurit des ouvrages de retenue et donc
dviter des dversements non-productibles. Elles permettront galement
damliorer la conception des ouvrages en remblai en vue de la
diminution des cots de construction. Elles contribueront aussi
lamlioration des plans durgence. Contribution au dfi P1 de la
figure 2.
Plusieurs projets regroups sous la bannire Matrise du
vieillissement visent dvelopper de faon structure les connaissances
et technologies de base qui permettront damliorer les mthodes de
diagnostic, prolonger la vie utile et supporter la prise de dcision
quant au remplacement ou la rhabilitation des actifs. Contribution
aux dfis R1 R4 P1 de la figure 2.
4.3.2.2 Axe Systmes dinformation
Les projets de laxe Systmes dinformation visent faire voluer les
entreprises dlectricit dune situation o elles grent leurs systmes
en fonction de risques lis une certaine ignorance de ce qui sy
passe vers une situation o elles en optimisent la gestion partir
dune information fiable, utile la prise de dcision et disponible
lendroit et au moment requis. cet effet, lIREQ se dote en 2010 dun
Centre dexprimentation de linfrastructure informationnelle
interactive (CE3i) 7, sinscrivant dans le contexte des rseaux
intelligents, afin de raliser :
Lvaluation et ladaptation de technologies mergentes aux besoins
spcifiques et au contexte propre aux rseaux lectriques
La vrification de bout en bout de linteroprabilit des diffrents
lments dune application en dveloppement
Le dveloppement plus facile de nouvelles applications du rseau
intelligent Plusieurs projets de R&D sont en cours pour que
laccs aux informations requises devienne possible.
Les projets regroups sous la bannire 3i (Infrastructure
informationnelle interactive) sintressent aux problmatiques lies
aux capteurs de donnes, aux
Figure 4 Visualisation dun coulement au travers dun sol gnr
virtuellement
(Bleu : Vitesse nulle et Rouge : Vitesse max.)
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rseaux daccs permettant aux donnes de rejoindre les rseaux de
tlcommunications et linteroprabilit des applications utilisant ces
donnes. terme, on vise disposer dune infrastructure plug and play o
chaque quipement du rseau est en mesure dtre identifi, localis et
mis en communication avec les applications pour lesquelles il est
pertinent. Ces activits sont ralises en harmonie avec les groupes
de travail internationaux sur le sujet. Contribution aux dfis R2 R3
R4 U2 P3 de la figure 2.
Plusieurs projets de R&D sappliquent dvelopper des mthodes
dinterprtation des donnes brutes obtenues pour en tirer les
informations ncessaires la planification, lexploitation et la
maintenance :
Les travaux sur la Simulation de rseaux plus rapide que temps
rel raliss dans le cadre du projet GAEL (Gestion active et limites
de rseaux) permettront de connatre le comportement quaurait le
rseau dans lventualit de diffrents vnements compte tenu de son tat
courant. Ces informations prcises assureront des dcisions
minimisant les erreurs de jugement et permettant lexploitation du
rseau trs proche de ses limites. Contribution aux dfis R1 R2 de la
figure 2.
Avec lajout de la filire olienne au portefeuille
dapprovisionnement, le distributeur, le transporteur et le
producteur requirent une caractrisation et une prvision de la
production olienne autant pour la planification que pour
lexploitation du rseau. Le projet Caractrisation et prvision de la
production olienne8 vise donc le dveloppement dun systme de
prvision de la production olienne, dune mthodologie de
reconstitution historique de la production olienne, et des mthodes
de modlisation physique et statistique ncessaires. Ralis en
collaboration avec Environnement Canada, il permettra damliorer les
prvisions numriques de la mto en amliorant les modles de simulation
atmosphrique et en augmentant lorsque ncessaire leur rsolution
spatiale, passant actuellement d'une chelle de 15 km 2,5 km, afin
de tenir compte des effets locaux tels ceux de la topographie
autour des centrales oliennes. En support aux outils modernes de
gestion du systme lectrique, sur cette base les travaux
sorienteront galement vers lmission de prvisions probabilistes.
Lexpertise acquise dans ce projet sera enfin gnralise lensemble des
besoins de prvision fonds sur la mtorologie, notamment la prvision
de la demande et la prvision dautres sources de production
(hydraulique, solaire) ainsi que lexploitation et la maintenance
des rseaux de transport et de distribution Contribution aux dfis R1
R2 R3 S1 P1 P2 P3 de la figure 2.
4.3.2.3 Axe Systmes de dcision
Les projets de laxe Systmes de dcision visent moderniser les
approches de prise de dcision afin de les adapter aux nouveaux
contextes caractriss par la disponibilit dinformations, de
connaissances et de moyens de calcul qui ntaient pas disponibles
auparavant, et de rpondre aux nouveaux enjeux.
Le projet GAEL (Gestion active et limites de rseaux)9 vise
dvelopper les concepts qui, en permettant dexploiter le rseau et de
ladapter en temps rel aux besoins du moment, viteront de recourir
des marges dexploitation conservatrices
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caractristiques des rseaux actuels. Ceci permettra non seulement
daugmenter la capacit de transit en diminuant les marges mais aussi
apporter au rseau le flexibilit requise pour rpondre aux
fluctuations associes la production variable ou non modulable et
louverture des marchs. Ces concepts comprennent :
o Les automatismes adaptatifs permettant dassurer la scurit du
rseau laide de mcanismes de dcision fonds sur la reconnaissance de
situations dinstabilit et des meilleures solutions appliquer.
o La gestion probabiliste de la fiabilit oprationnelle base sur
le calcul du risque, permettant de dfinir en temps rel les limites
de transit.
o La conduite automatise du rseau permettant de minimiser
lintervention humaine dans lajustement du rseau aux conditions
changeantes dans le temps, laide doutils de dcision prouvs assurant
un ajustement fin et une optimisation des tats de rsidence du rseau
tenant compte de plusieurs facteurs tels que les pertes, les
profils de tension, la vulnrabilit, etc.
Contribution aux dfis R1 R2 R4 de la figure 2.
OpOprateur rateur automatiqueautomatique
Analyse desDfaillances
Stratgiesde sauvegarde
Connaissance dela vulnrabilit
Capteurs,Information, CommandeTemps Rel
Stabilit
Robustesse
Fiabilitoprationnelle
Infrastructurede transport
Monitoring etReconfiguration
Surveillance & diagnostic des problmes
Dlestage adaptatif de la charge et de la production, gestion
du
ractif, iltage contrl
valuation rapide en temps rel et gestion du risque
Automatismes Automatismes adaptatifsadaptatifs
Gestion du Gestion du risquerisque
Our vision is a wideOur vision is a wide--area intelligent,
adaptive protection and control area intelligent, adaptive
protection and control system that acquires and interprets critical
and extensive inforsystem that acquires and interprets critical and
extensive information mation in realin real--time, assesses system
vulnerability time, assesses system vulnerability , and performs
timely , and performs timely selfself--healing and adaptive
reconfiguration actions based on systemhealing and adaptive
reconfiguration actions based on system--wide analysis and
computationwide analysis and computation,, EPRI & US DoD
(Massoud Amin)EPRI & US DoD (Massoud Amin)
Analyse desDfaillances
Stratgiesde sauvegarde
Connaissance dela vulnrabilit
Capteurs,Information, CommandeTemps Rel
Stabilit
Robustesse
Fiabilitoprationnelle
Infrastructurede transport
Monitoring etReconfiguration
Surveillance & diagnostic des problmes
Dlestage adaptatif de la charge et de la production, gestion
du
ractif, iltage contrl
valuation rapide en temps rel et gestion du risque
Automatismes Automatismes adaptatifsadaptatifs
Gestion du Gestion du risquerisque
Our vision is a wideOur vision is a wide--area intelligent,
adaptive protection and control area intelligent, adaptive
protection and control system that acquires and interprets critical
and extensive inforsystem that acquires and interprets critical and
extensive information mation in realin real--time, assesses system
vulnerability time, assesses system vulnerability , and performs
timely , and performs timely selfself--healing and adaptive
reconfiguration actions based on systemhealing and adaptive
reconfiguration actions based on system--wide analysis and
computationwide analysis and computation,, EPRI & US DoD
(Massoud Amin)EPRI & US DoD (Massoud Amin)
Figure 5 - Vision d'une conduite automatise et optimise du rseau
de transport d'lectricit
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Le projet Provisions pour alas10 vise dvelopper le concept de
calcul dynamique des provisions pour alas. Ces provisions,
actuellement prdtermines selon la saison, permettent de maintenir
disponible une partie de la production pour rpondre aux alas de la
demande, des apports hydrauliques et des pannes dquipements
auxquels les exploitants du rseau doivent faire face. Le calcul
dynamique des provisions permettra de mieux prendre en compte les
alas qui seront croissants avec lintroduction sur le rseau de
nouvelles sources dnergie variables ou non modulables, notamment la
production olienne. Contribution au dfi S1 de la figure 2
4.3.2.4 Axe Systmes oprants
Les projets de laxe Systmes oprants visent explorer et dvelopper
des concepts permettant de modifier physiquement les
infrastructures du rseau afin de mieux rpondre aux besoins du
futur.
Le projet nergies renouvelables vise tudier de nouvelles filires
de production dnergie. Actuellement, les efforts se portent sur les
filires suivantes :
o Les hydroliennes utilisent lnergie cintique des courants de
rivires ou de mares pour produire de l'nergie lectrique propre et
dont la production est prvisible11.
o Lnergie osmotique utilise la diffrence de salinit entre leau
douce et leau sale disponibles lembouchure de rivires qui se
jettent dans un estuaire marin pour produire une nergie mcanique
convertie en de l'nergie lectrique propre et dont la production est
sans intermittence12. De par sa gographie favorable, le Qubec recle
un potentiel osmotique unique pas encore exploit.
o La gothermie profonde EGS (Enhanced Geothermal System)13 vise
la cration de rservoirs gothermiques souterrains permettant
lexploitation de quantits gigantesques de chaleur prsentes sous la
surface du sol. La production dlectricit est ralise en surface
laide de la chaleur extraite. LEGS produit de l'nergie lectrique
propre et sans intermittence.
Pour toutes ces sources d'nergie renouvelable, des tudes sont en
cours pour : o Caractriser le potentiel de production sur le
territoire qubcois o valuer les aspects technico-conomiques et
matriser les paramtres cls
des technologies o Estimer lempreinte environnementale et la
prennit des installations
Contribution au dfi P2 de la figure 2 Le projet Technologies
Lithium-Ion pour le transport et le stockage dnergie est un
projet denvergure qui vise rendre les technologies de batteries
Lithium-Ion dHydro-Qubec de plus en plus performantes en
accroissant leur scurit et leur autonomie et en abaissant leurs
cots14. Dj utilises dans plusieurs applications, ces technologies
contribueront acclrer la pntration de llectricit dans les
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transports et leur utilisation pour le stockage de llectricit
plus grande chelle. Contribution au dfi S2 S3 U3 la figure 2
Le projet Technologies supraconductrices15 vise dmontrer par
simulation le rle que la supraconductivit pourrait jouer chez
Hydro-Qubec et dterminer les domaines prioritaires o elle pourrait
simposer lhorizon 2015 et plus. La rponse dun supraconducteur aux
courants de transports est trs non-linaire. En dessous un certain
seuil le courant critique la rsistance est essentiellement zro,
mais au-dessus ce seuil la rsistance crot rapidement. Ceci peut tre
trs bien exploit pour crer des limiteurs de courant et fusibles
supraconducteurs, potentiellement des quipements nouveaux pour des
rseaux lectriques. Les applications possibles seraient :
o Gnrateurs et machines tournantes supraconductrices
o Limiteurs de courants et fusibles supraconducteurs
o Cbles et courtes liaisons cryogniques et supraconducteurs
o quipements compacts et durgence : transformateurs, gnrateurs,
limiteurs/fusibles
o Opportunits pour lintgration de systmes supraconducteurs avec
la production olienne
Ces technologies contribueront principalement augmenter la
capacit de transit des rseaux Contribution au dfi R1 de la figure
2.
Plusieurs projets regroups sous la bannire Environnement visent
rpondre aux besoins d'innovation en environnement des diffrentes
divisions d'Hydro-Qubec, afin de les aider rpondre aux diffrents
enjeux rencontrs et prparer l'entreprise aux dfis venir. Le projet
Environnement permet d'assurer la concertation des efforts de
R&D dans ce domaine l'IREQ et compte des activits relatives aux
enjeux technologiques suivants:
o Sites contamins o Matires rsiduelles et matires rsiduelles
dangereuses o Gaz effets de serre (incluant le cas particulier du
SF6) o tudes d'impact et suivis environnementaux
De plus, ce projet compte des activits qui visent maintenir ou
dvelopper lexpertise de lIREQ dans les deux domaines stratgiques
suivants:
o Impact des champs lectromagntiques o Intgration du concept de
cycle de vie au processus d'innovation (co-
innovation) Ces activits contribueront minimiser l'empreinte
environnementale de l'industrie lectrique et rpondent l'engagement
maintes fois renouvel d'Hydro-Qubec poursuivre ses activits dans le
respect des principes du dveloppement durable.
Courant critiqueCourant
Tension
tat supraconducteur
tat rsistif
Transition
Courant critiqueCourant
Tension
tat supraconducteur
tat rsistif
Transition
Figure 6 - Exemple de transition de ltat supraconducteur ltat
rsistif, dfinie par le
courant critique
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4.4 Synthse
Le tableau suivant prsente la synthse de la contribution du
portefeuille de R&D stratgique dHydro-Qubec aux principaux dfis
que doit relever llectricit pour devenir un vecteur complet et
efficace pour laccessibilit de lnergie.
Dfis Rseaux Stockage Utilisation Production
R1 Capacit de transit R2 Exploitation vs alas R3 Rseaux
interactifs R4 Fiabilit & Qualit
S1 Gestion des rserves S2 Gestion des pointes S3 Stockage
batteries S4 Autres stockages
U1 Efficacit nergtique U2 Gestion de la demande U3 lectricit
portable U4 lectro technologies
P1 Production existante P2 nergies nouvelles P3 Production
dcentralise P4 Valorisation pertes
Axes de R&D
R1 R2 R3 R4 S1 S2 S3 S4 U1 U2 U3 U4 P1 P2 P3 P4 Systmes de
connaissances x x x x
Systmes dinformation x x x x x x x x x
Systmes de dcision x x x x Systmes oprants x x x x x
On peut constater que la plupart des dfis sont couverts, des
intensits variables, par le portefeuille de R&D stratgique. On
notera que le domaine de lutilisation qui semble moins couvert fait
plutt lobjet de projets dinnovation technologique, notamment pour
lefficacit nergtique, la gestion de la demande (qui comprend des
moyens de stockage thermique petite chelle) et les
lectro-technologies ainsi que pour la valorisation des rejets
thermiques des industries et la production dlectricit partir de
biomasse.
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5 Conclusion
Pour devenir vritablement un vecteur complet et efficace
daccessibilit lnergie, llectricit doit encore relever plusieurs
dfis. Hydro-Qubec et son Institut de recherche y travaillent
activement. Les travaux entrepris visent :
Augmenter lefficacit de la production dlectricit dorigine
hydraulique et dvelopper de nouvelles nergies renouvelables sous
forme dlectricit.
Intgrer les nouvelles sources dnergie tout en minimisant le
recours de nouvelles lignes en augmentant la capacit de transit des
rseaux de transport dlectricit. Cette augmentation est obtenue en
ayant recours de nouvelles faons dexploiter le rseau trs proche de
ses limites par une gestion des risques, par des automatismes
adaptatifs et par une automatisation de la conduite.
Intgrer la production dcentralise et grer loffre et la demande
laide de rseaux de distribution intelligents.
Maximiser la disponibilit des quipements par une maintenance
efficace fonde sur une connaissance des mcanismes de dgradation et
de dfaillance.
Mettre profit les capacit de stockage des rservoirs pour
quilibrer la variabilit de la demande et de loffre provenant de
toutes sources.
Acclrer le recours au stockage de llectricit dans des batteries
performantes et multiplier les usages efficaces de lnergie par des
procds lectriques notamment pour les vhicules et le transport
terrestre.
-
- 19 -
Rfrences bibliographiques
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octobre 2009
http://www.techniques-ingenieur.fr/book/be8515/analyse-et-perspectives-energetiques-mondiales.html
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