Solutions alternatives de chauffage pour les communautés subarctiques éloignées : Analyse technico-économique des systèmes hybrides géothermiques, à la biomasse et d’énergie solaire à Umiujaq, au Nunavik, Canada / Alternative heating solutions for remote subarctic communities: Techno-Economic analysis of hybrid geothermal, biomass, and solar heating systems in Umiujaq, Nunavik, Canada.

Moreno Rendon, David Alejandro (2023). Solutions alternatives de chauffage pour les communautés subarctiques éloignées : Analyse technico-économique des systèmes hybrides géothermiques, à la biomasse et d’énergie solaire à Umiujaq, au Nunavik, Canada / Alternative heating solutions for remote subarctic communities: Techno-Economic analysis of hybrid geothermal, biomass, and solar heating systems in Umiujaq, Nunavik, Canada. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de la terre, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 106 p.

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Résumé

En raison de son éloignement, des conditions météorologiques extrêmes, de la disponibilité énergétique locale limitée, de la faible population et des infrastructures de transport d’énergie limitée, la région du Nunavik, située dans la partie la plus septentrionale du Québec (Canada) dépend fortement des produits pétroliers raffinés importés. La population dépend principalement du mazout pour ses besoins de chauffage, entraînant des coûts énergétiques élevés et des problèmes de durabilité. Récemment, plusieurs études ont été menées pour renforcer l’indépendance et la sécurité énergétique des régions éloignées du Canada grâce à l’intégration de sources d’énergie renouvelable. Cependant, à plusieurs reprises, les sources d’énergie et les technologies ont été évaluées selon différents modèles et méthodologies, rendant difficile l’identification de la combinaison optimale d’alternatives techniques, économiques et environnementales. Ce mémoire présente une analyse technico-économique de différentes alternatives de chauffage à Umiujaq, au Nunavik (Québec), telles que le chauffage à la biomasse (granules de bois), les panneaux solaires photovoltaïques (PV) et les pompes à chaleur (PAC) géothermique qui ont été comparées au chauffage au mazout. L’objectif du travail était d’identifier des opportunités pour le remplacement des systèmes de chauffage conventionnels au mazout en réduisant la dépendance aux combustibles fossiles et en améliorant la sécurité énergétique. Ce travail a impliqué des activités telles que des travaux de terrain, la caractérisation physique, hydraulique et thermique des dépôts quaternaires et des roches de la zone d’étude, la modélisation numérique de différents systèmes de chauffage et une analyse des coûts du cycle de vie (CCV) pour une période de 50 ans. Le mémoire comprend deux articles, chacun représentant un chapitre. Le premier article a été publié dans les comptes-rendus d’une conférence alors que le second a été soumis à une revue scientifique. Dans le premier chapitre, un modèle de bâtiment en utilisant le logiciel SIMEB et une analyse CCV d’un bâtiment résidentiel théorique ont été développés selon une approche simple. Les différentes alternatives en chauffage ont été évaluées individuellement puis mixées. Une valeur actuelle nette (VAN) compétitive et un coût actualisé de l’énergie, en anglais Levelized Cost of Energy (LCOE), ont été trouvés pour le scénario du chauffage à la biomasse, et la combinaison d’un système de PAC géothermique, d’un système de chauffage à la biomasse et de panneaux PV. Le scénario où le système géothermique couvre toute la demande de chauffage avait un LCOE non compétitif principalement en raison des coûts élevés de l’électricité nécessaire pour faire fonctionner le PAC et des coûts élevés des échangeurs de chaleur en forage (BHEs). Dans le second chapitre, des simulations énergétiques de bâtiments ont été réalisées à l’aide du logiciel TRNSYS pour estimer les besoins de chauffage d’une station de recherche du Centre d’études nordiques (CEN) de l’Université Laval à construire à Umiujaq. Les scénarios de chauffage simulés étaient ceux qui ont démontré le plus grand potentiel dans le chapitre précédent. Dans ce second chapitre, une simulation énergétique complète du bâtiment, une conception précise des systèmes de chauffage, avec dimensionnement des BHEs, et une analyse CCV détaillée ont été réalisées. Différentes configurations des BHEs ont été évaluées compte tenu des problèmes de déséquilibre thermique dans le système géothermique attendu pour un climat subarctique, des coûts des batteries à différentes capacités de stockage pour le système solaire, des coûts associés au risque de déversements de mazout et d’assainissement des sols, parmi d’autres éléments qui n’avaient pas été pris en compte au chapitre 1. De plus, une stratégie d’obtention de crédits/revenus par injection d’électricité PV dans le réseau local a été considérée, où une situation gagnant-gagnant a été identifiée pour différents acteurs, tels qu’Hydro-Québec, l’opérateur du réseau électrique autonome. L’analyse CCV montre qu’un amalgame de systèmes de chauffage tels que les pompes à chaleur géothermique, la biomasse et le solaire représente une alternative intéressante pour le nord du Québec, montrant une bonne indépendance énergétique, de faibles émissions de gaz à effet de serre (GES), et un LCOE compétitif variant de 0.23 à 0.62 $/kWh, selon l’amalgame de technologies et leur contribution aux besoins de chauffage, la capacité de stockage des batteries pour le système PV, et la stratégie d’obtention de crédits pour injecter de l’électricité dans le réseau local. Le système de chauffage conventionnel basé sur le mazout a un LCOE comparable de 0.20 $/kWh après la subvention du mazout et de 0.26 $/kWh avant subvention. Les résultats pourraient éventuellement être étendus à des contextes subarctiques similaires au Canada et dans d’autres régions nordiques.

Due to its remoteness, extreme weather conditions, limited local energy availability, low population, and limited energy transportation infrastructure, the region of Nunavik, located in the northernmost part of Québec (Canada) heavily depend on imported refined petroleum products. The population relies mainly on fuel oil for their heating needs, leading to high energy costs and sustainability issues. Recently, several studies have been conducted to enhance the energy independence and security of remote regions in Canada through the integration of renewable energy sources. However, on several occasions, energy sources and technologies were evaluated under different models and methodologies, making it challenging to identify optimal combination of technical, economic, and environmental alternatives. This thesis presents a techno-economic analysis of different heating alternatives in Umiujaq, Nunavik (Québec), such as biomass heating with wood pellets, solar photovoltaics (PV), and ground source heat pumps (GSHP) which were compared to oil heating. The main objective of the research project presented herein was to identify opportunities for the replacement of conventional heating systems reducing dependence on fossil fuels and improving energy security. This research project included activities such as fieldwork, physical, hydraulic, and thermal characterization of quaternary deposits and rocks of the study area, numerical modeling of different heating systems, and life cycle cost (LCC) analysis for a 50-year period. The thesis is based on two papers where each one represents a chapter. The first paper was published in the proceedings of a conference and the second one was submitted to a scientific journal. In the first chapter, a building model using SIMEB software and a LCC analysis of a theoretical residential building were developed under a simple approach. The different heating alternatives were evaluated individually, and then mixed. At the end of the LCC analysis, competitive net present cost (NPC) and levelized cost of energy (LCOE) were found for the biomass heating scenario, and the mix of a GSHP system,biomass heating , and PV system alternative. The scenario where the GSHP system covers the entire heating demand had non-competitive LCOE mainly due to the high costs of electricity needed to run the GSHP and the high costs for the borehole heat exchangers (BHEs). In the second chapter, building energy simulations were performed using TRNSYS software to estimate the heating needs of a research station to be built in Umiujaq. The heating scenarios simulated were those found to have the greatest potential in the previous chapter. In this second chapter, a complete building energy simulation, an accurate design of the heating systems with sizing of the BHEs, and a detailed LCC analysis were carried out. Different configurations of the BHEs were evaluated considering thermal imbalance problems in the GSHP system expected for a subarctic climate, battery costs at different storage capacities for the solar system, cost associated with the risk of fuel spills and soil remediation, among other elements that were not taken into account in chapter 1. Additionally, a strategy of obtaining credits/revenue by injecting PV electricity into the local grid was considered, where a win-win situation was identified for different stakeholders, including Hydro-Québec who is the operator of the electric micro-grid at Umiujaq. The LCC analysis shows that a mix of heating systems like geothermal heat pumps, biomass heating and solar PV represents an interesting trade-off alternative in Nunavik (Québec) that showed overall good energy independence, low greenhouse gas emissions (GHG), and a competitive LCOE that varies from 0.23 to 0.62 $/kWh, depending on the mix of technologies and their contribution to the heating needs, the storage capacity of batteries for solar PV, and the strategy for obtaining credits for injecting electricity into the local grid. The conventional heating system based on fuel oil has a comparable LCOE of 0.20 $/kWh after fuel oil subsidy and 0.26 $/kWh before subsidy. Results could eventually be extended to similar subarctic settings in Canada and in other northern regions.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Raymond, Jasmin
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Gosselin, Louis
Mots-clés libres:	énergies renouvelables; communautés nordiques isolées; simulations énergétiques de bâtiments; coût du cycle de vie; logiciel TRNSYS; conductivité thermique; climat froid; forage géothermique; renewable energy; remote communities; building energy simulations; life cycle costing (LCC); TRNSYS software; thermal conductivity; cold climate; borehole heat exchanger (BHE)
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	18 avr. 2024 14:23
Dernière modification:	18 avr. 2024 14:23
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15608

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