LES EFFETS DU CLIMAT FROID

CAHIER DE CHARGES

La toute première étape de la conception d’un système hybride éolien-diesel est la collection des informations à être considérées dans le design. La norme TS 62257-4 « Conception et sélection des Systèmes » établit des méthodologies pour concevoir des systèmes d’electrification pour sites éloignés. Cette norme propose une classification des informations d’entrée et des données pertinentes pour la conception du système de la base Jubany. Selon la TS 62257-4, les exigences et les caractéristiques à considérer dans la conception du système peuvent être regroupées en quatre types de facteurs, illustrés à la Figure 4. Certains facteurs, notamment les ressources locales (vent), la charge électrique demandée et le budget disponible pour le projet affectent directement la conception et le dimensionnement du système. Le fait de considérer d’autres facteurs dans le design, comme les réglementations, les facteurs environnementaux, la formation du personnel chargé des installations, etc., permet d’arriver à une conception réussie et durable. Pour cette raison, la liste des facteurs devient longue. Les quatre sous-sections suivantes listent les éléments associés à chacun des quatre types de facteurs pour la base Jubany, selon la classification de la TS 62257-4. La seconde étape est l’évaluation des informations d’entrée. Cela est fait aussi à l’aide de la même méthodologie proposée au TS 62257-4 et présentée dans une section postérieure de ce même chapitre.

Les phénomènes climatiques sévères

À Jubany, la sévérité des rafales, et les charges superposées par ces rafales sur les structures comme tours et rotors doivent être prises en considération. Les informations fournies par le chef de base (2010-2011) indiquent que de rafales maximales de 33,44 m/s (65 noeuds) ont été enregistrées pour l’année 2012-2011 tandis que l’étude de 2009 calculait des rafales autour de 43 m/s (83,6 noeuds) en se basant sur la courbe de Weibull (Corral, 2009). Figure 8. Une antenne à Jubany en train de dégeler. Source : O. Interlandi Les informations fournies par le météorologue Raûl Pascual Ibânez (de l’équipage Jubany 2010-2011) indiquent que les épisodes de givrage sont plutôt rares, mais pendant les mois d’octobre et de novembre 2010, de la pluie verglaçante a affecté l’antenne Internet (voir Figure 8) et a interrompu au moins deux fois les communications par ce moyen pendant des heures. Ibânez indique aussi qu’il n’y a pas un protocole établi de détection d’événements de givrage à la station météorologique de la base.

Aussi, selon Ibânez, la salinité présente dans le site est très haute et provoque la corrosion rapide de toutes les surfaces métalliques non protégées. L’équipement météorologique doit rester toujours bien scellé pour empêcher le sel de pénétrer à l’intérieur. Par rapport aux tempêtes de neige, l’année 2009 a été caractérisée par un niveau élevé de précipitations, 329,45 mm. L’hiver austral 2010 a connu un phénomène jamais vu depuis 30 ans, de la pluie en plein hiver, qui peut transférer rapidement en givre sur les structures de toutes sortes (conversation avec O. Interlandi).

Description fonctionnelle du sous-système de production

Le sous-système de production doit être capable de garantir le service d’alimentation malgré les aléas de la disponibilité des énergies renouvelables et/ou des sources d’énergie fossiles qui l’alimentent et doit aussi gérer les habitudes de consommation de la clientèle. Il doit produire et stocker l’énergie d’une manière économiquement rentable. S’il y a des sources renouvelables locales, le sous-système de production doit leur donner la priorité d’utilisation et de stockage, afin de minimiser l’utilisation des ressources fossiles et les utiliser (les génératrices diesel) uniquement pour atteindre le niveau de service spécifié. Les fonctions détaillées que doit réaliser un sous-système de production pour garantir le service d’alimentation sont :

• produire de l’énergie électrique et, si nécessaire, la stocker, la convertir de CC à CA et la mesurer, avec les caractéristiques de voltage, fréquence, harmoniques, puissance et consommation pour satisfaire la qualité accordée du service.

• Fournir de l’énergie électrique au sous-système de distribution et gérer l’énergie produite pour répondre aux besoins énergétiques immédiats des clients et en même temps protéger l’équipement afin d’augmenter la vie utile de l’installation.

• Être capable de fournir des informations sur les conditions de fonctionnement de l’installation pour des fins de contrôle (TS 62257-4, 2005-07).

La norme TS 62257-4 présente une liste des critères et niveaux de performance détaillés à remplir pour le sous-système de production. Cette liste définit les services à fournir et les contraintes à respecter ainsi que leurs paramètres associés à mesurer pour évaluer la performance du sous-système. La DNA devra, de commun accord avec le concepteur du projet, élaborer cette liste d’objectifs, services et des contraintes pour le sous-système de production à Jubany pour la situation actuelle et future, c’est-à-dire la centrale diesel actuelle, les éoliennes et la centrale modernisée à installer à l’avenir. Cela permettra de fixer les objectifs du sous-système de production hybride et ainsi d’avoir une référence solide pour le suivi du processus de conception et dimensionnement de toute l’installation. Les autres normes de la série TS 62257 que traitent le sous-système de production sont la partie 7 « Générateurs », 7-3 « Sélection de génératrices diesel et à autres combustibles pour systèmes d’electrification rurale », et 9-1 « Systèmes de la microcentrale ».

La norme TS 62257-7 définit le « générateur » comme « appareil qui transforme une forme d’énergie en électricité » et fournit une introduction générale aux différents générateurs qui peuvent être utilisés dans un système hybride d’electrification, qu’ils soient dispatchables, c’est-à-dire qu’ils peuvent livrer l’électricité demandée au moment prévu, ou non-dispatchables, c’est-à-dire qu’ils sont dépendants de la forme d’énergie primaire (soleil, vent, débit/hauteur d’eau). La norme TS 62257-7-3 traite spécifiquement les gensets. Ces derniers sont considérés comme « les groupes électrogènes installés eux-mêmes, les travaux de génie civil ou bâtiment préfabriqué liés et tous les auxiliaires nécessaires pour le fonctionnement des gensets tels que le réservoir de carburant, les tuyaux, la mise à la terre du système, etc. ».

Cette spécification technique sert surtout à recommander les stratégies de sélection et les critères qu’influent l’opération des gensets en sites isolés. La norme TS 62257-9-1 s’occupe des microcentrales qui sont au coeur du soussystème de production associé à une installation décentralisée d’electrification rurale. Les microcentrales couvertes par cette spécification sont à basse tension, triphasées, monophasées ou à CD., d’une capacité nominale inférieure ou égale à 100 kVA et ne comprennent pas de transformation du voltage. Les sous-sections suivantes portent sur les gensets et les autres générateurs d’énergie qui opèrent actuellement à Jubany.

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Table des matières

REMERCIEMENTS
RÉSUMÉ
ABSTRACT
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES
LISTE DES SYMBOLES
INTRODUCTION
DOCUMENTS NORMATIFS ET DONNÉES D’ENTRÉE
1.1 LA BASE ANTARCTIQUE DE JUBANY
1.2 LES DOCUMENTS NORMATIFS APPLICABLES AUX SYSTÈMES HYBRIDES
1.2.1 LA SÉRIE DE SPÉCIFICATIONS TECHNIQUES IEC TS 62257
1.3 CAHIER DE CHARGES
1.3.1 FACTEURS TECHNIQUES
1.3.2 FACTEURS ÉCONOMIQUES
1.3.3 CARACTÉRISTIQUES DU SITE
1.3.4 CONTRAINTES RÉGLEMENTAIRES ET AUTRES EXIGENCES
1.4 LE SYSTÈME ÉLECTRIQUE ET LES AUTRES GÉNÉRATEURS D’ÉNERGIE
1.4.1 DESCRIPTION FONCTIONNELLE DU SOUS-SYSTÈME DE PRODUCTION
1.4.2 LES GÉNÉRATRICES DIESEL ACTUELLES À JUBANY
1.4.3 LE STOCKAGE DE CARBURANT
1.4.4 LES AUTRES GÉNÉRATEURS D’ÉNERGIE DANS LA BASE
1.4.5 DESCRIPTION FONCTIONNELLE DU SOUS-SYSTÈME DE DISTRIBUTION
1.4.6 LE RÉSEAU ÉLECTRIQUE À JUBANY
1.4.7 DESCRIPTION FONCTIONNELLE DU SOUS-SYSTÈME DE DEMANDE
1.4.8 LES TYPES DE CHARGES ÉLECTRIQUES À JUBANY
1.5 COÛTS OPÉRATIONNELS PENDANT 2010-11
1.5.1 LE COÛT OPÉRATIONNEL DU KILOWATTHEURE
1.6 ÉVALUATIONS DES DONNÉES D’ENTRÉE
1.6.1 ÉVALUATION DE LA CONNAISSANCE DU SITE
1.6.2 ÉVALUATION DE LA CONNAISSANCE DE LA CHARGE
1.6.3 ÉVALUATION DE LA CONNAISSANCE DU VENT
1.6.4 LES FAIBLESSES DE L’INFORMATION ACTUELLE SUR JUBANY
LES EFFETS DU CLIMAT FROID
1.7 MESURES MÉTÉOROLOGIQUES EN CLIMAT FROID
1.7.1 MESURES MÉTÉOROLOGIQUES PENDANT L’ÉVALUATION DU SITE
1.7.2 ORIGINES ATMOSPHÉRIQUES DU GIVRE
1.7.3 DÉTECTEURS DU GIVRAGE ATMOSPHÉRIQUE
1.7.4 ANÉMOMÉTRIE MULTIPLE
1.7.5 DÉTECTEURS DU POINT DE ROSÉE
1.7.6 DÉTECTEURS ET ANÉMOMÉTRIE PENDANT LE STADE D’OPÉRATION
1.7.7 DÉTECTION PAR ERREURS DANS LA COURBE DE PUISSANCE
1.7.8 SURVEILLANCE DU GIVRE PAR VIDÉO
1.7.9 DÉTECTION PAR VIBRATIONS ET BRUIT DE LA TURBINE
1.7.10 L’ÉTUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL EN CLIMAT FROID
1.8 LES TURBINES ÉOLIENNES EN CLIMAT FROID
1.8.1 L’IMPACT DU CLIMAT FROID SUR LA PRODUCTION D’ÉNERGIE
1.8.2 CONTRÔLE DES TURBINES ÉOLIENNES EN CLIMAT FROID
1.8.3 EFFET DU FROID SUR LE CONTRÔLE PAR DÉCROCHAGE
1.8.4 SYSTÈMES D!ANTIGIVRAGE ET DE DÉGIVRAGE DES ÉOLIENNES
1.8.5 LES SYSTÈMES POUR CLIMAT FROID DES ÉOLIENNES
1.9 LES GÉNÉRATRICES DIESEL EN CLIMAT FROID
1.10 L’INFRASTRUCTURE ET LE TRAVAIL EN CLIMAT FROID
1.10.1 LES INFRASTRUCTURES DU SITE, LA TOUR ET LES FONDATIONS
1.10.2 LES CONNEXIONS ET LE CÂBLAGE DU RÉSEAU
1.10.3 L’ACCESSIBILITÉ ET LE TRAVAIL DANS LE FROID
1.10.4 LA PROTECTION DU PERSONNEL DE LA GLACE ÉJECTÉE
1.10.5 OPÉRATION ET MAINTENANCE DANS LE FROID
1.10.6 DÉMANTÈLEMENT DANS LE FROID
1.11 ESTIMATION DES PERTES FINANCIÈRES DUES AU FROID
1.12 PROPOSITIONS DE CONCEPTION RELIÉES AU FROID
1.12.1 LE VENT ET LE GIVRE
1.12.2 LA TURBINE, LA TOUR ET LES FONDATIONS
1.12.3 LE TRAVAIL ET L’INFRASTRUCTURE
CONCEPTS DES SYSTÈMES HYBRIDES
1.13 CONCEPTS ET DISPOSITIFS DES SYSTÈMES HYBRIDES
1.13.1 LA « QUALITÉ DE LA PUISSANCE »
1.13.2 LE CONCEPT DE LA PÉNÉTRATION RENOUVELABLE
1.13.3 LES NIVEAUX DE LA PÉNÉTRATION RENOUVELABLE
1.13.4 SYSTÈMES À BASSE PÉNÉTRATION
1.13.5 SYSTÈMES À PÉNÉTRATION MOYENNE
1.13.6 SYSTÈMES À HAUTE PÉNÉTRATION
1.13.7 LA COGÉNÉRATION
1.13.8 COMPENSATEURS SYNCHRONES
1.13.9 GROUPES ÉLECTROGÈNES À FAIBLE CHARGE
1.13.10 CHARGES DE DISSIPATION
1.13.11 TYPES DU STOCKAGE : OBJECTIFS, DURÉE
1.13.12 STOCKAGE PAR BATTERIES
1.13.13 STOCKAGE PAR ROUES D’INERTIE
1.13.14 STOCKAGE PAR ÉNERGIE HYDRAULIQUE
1.13.15 STOCKAGE PAR AIR COMPRIMÉ
1.14 EXEMPLES DE SYSTÈMES ÉOLIEN-DIESEL EN CLIMAT FROID
1.14.1 SYSTÈME À LA STATION ANTARCTIQUE MAWSON
1.14.2 SYSTÈME À L’ÎLE ROSS, ANTARCTIQUE
1.14.3 SYSTÈME PROPOSÉ POUR LA BASE ANTARCTIQUE EDUARDO FREI
1.14.4 SYSTÈME À WALES, ALASKA
1.14.5 SIMILARITÉS ET DIFFERENCES POUR LES SYSTÈMES ANALYSES
CONCEPTION ET MODÉLISATIONS
1.15 CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT SELON LA NORME TS 62257
1.15.1 PARTIES À CONSIDÉRER DANS LA PROPOSITION DE CONCEPTION
1.15.2 LA GESTION DE L’ÉNERGIE DANS UN SYSTÈME HYBRIDE
1.15.3 TYPES D’INFORMATION NÉCESSAIRE POUR LA GESTION DU SYSTÈME.
1.15.4 MÉTHODOLOGIE PROPOSÉE DE CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT
1.15.5 PREMIERS PAS DE LA CONCEPTION POUR JUBANY
1.16 LES MODÉLISATIONS AVEC HOMER POUR LA BASE JUBANY
1.16.1 MODÉLISATION DU SYSTÈME ÉLECTRIQUE ACTUEL
1.16.2 MODÉLISATION DE LA COGÉNÉRATION
1.16.3 MODÉLISATION DU SYSTÈME HYBRIDE ÉOLIEN-DIESEL
1.16.4 APERÇU PRÉLIMINAIRE DE LA RENTABILITÉ DU SYSTÈME HYBRIDE
1.16.5 RÉSULTATS DES MODÉLISATIONS À HOMER 218
CONCLUSIONS