Ce mémoire porte sur l'étude de faisabilité technique et du potentiel économique et écologique du système de Jumelage Éolien - Diesel avec Stockage d'énergie sous forme d'Air Comprimé (JEDSAC). Le système JEDSAC est une solution complètement innovatrice qui va pouvoir profiter du potentiel éolien disponible dans les sites isolés, dans les îles et dans le nord canadien, tous alimentés par les Diesels. L'idée consiste à jumeler ces Diesels, déjà sur place, avec une centrale éolienne surdimensionnée par rapport aux besoins et un système de stockage d'air comprimé. Le principe du fonctionnement de ce système hybride, les avantages techniques et économiques et la démonstration de l'efficacité énergétique du système, spécifiquement au niveau de l'augmentation du rendement du groupe Diesel et la diminution de sa consommation en carburant seront étudiés en détail et feront l'objet principal de ce mémoire. Le stockage d'énergie excédentaire, jouant un rôle essentiel dans le fonctionnement du système JEDSAC, sera détaillé en terme de techniques diverses existantes sur le marché et de critères de choix de la technique la plus adaptée à l'énergie éolienne. Le stockage d'énergie sous forme d'air comprimé CAES occupe une place intéressante dans ce positionnement, d'où le système JEDSAC proposé. Cet air comprimé stocké, qui sert à améliorer le rendement du Diesel pendant les périodes d'utilisation de celui-ci, doit être utilisé de la façon la plus optimale, afin de maximiser l'économie de carburant. Nous avons ainsi listé différentes techniques envisageables pour déstocker le CAES, nous les avons comparé d'une façon qualitative et nous avons choisi celle qui nous a semblé la plus adaptée au besoin. Nous avons aussi, par des modèles simples, chiffré l'économie de carburant potentielle sur un site donné. Celle-ci peut s'élever à 50% d'économie grâce au système de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé qui permet de faire fonctionner le moteur Diesel avec un rapport Air / Carburant optimal. Ce n'est pas la seule voie pour l'obtention des gains. En effet nous avons décrit plusieurs autres voies potentielles permettant d'incrémenter davantage l'économie de carburant : Tout d'abord, l'utilisation de deux moteurs Diesels de dimensions choisies pour optimiser le fonctionnement avec et sans air comprimé, ensuite, le fonctionnement du moteur en mode « moteur à air comprimé » combiné avec le mode « moteur à combustion interne ». Une modélisation bien plus poussée dans le cadre d'un futur projet doctoral, permettra d'optimiser le fonctionnement, de consolider les gains et de faire comparaison détaillée entre le système JEDSAC et les autres systèmes hybrides existant sur le marché.

La conception des isolateurs d'extérieur en relation avec leur performance dans des conditions de pollution et de givrage est un facteur critique pour la fiabilité des lignes de transmission aériennes. La majorité des pannes survenant sur les lignes de transmission sont causées par les conditions environnementales comme la foudre, la pollution et/ou le givrage atmosphérique. La présence de glace sur les isolateurs peut initier des décharges couronnes et des arcs partiels, qui peuvent parfois conduire au contournement. Ce phénomène est principalement dû à la présence d'un film d'eau très conducteur à la surface de la glace et à celle de zones libres de glace, généralement nommées intervalles d'air, ainsi qu'à la diminution de la distance de fixité de l'isolateur causée par le court-circuitage par la glace de l'intervalle entre les jupes. L'objectif général de cette recherche est d'étudier les mécanismes physiques impliqués dans la propagation de Tare électrique à la surface de la glace. Dans le présent travail de recherche, en employant des techniques de photographie à haute vitesse combinées à des mesures synchronisées, différents paramètres électriques de l'arc formé à la surface de la glace, comme le rayon du canal et les vitesses de propagation, ont été étudiés. Ces résultats, ainsi que la modélisation de la propagation et de l'arc et de la géométrie du pied d'arc, fourniront des informations de base pour comprendre le phénomène du contournement dans son ensemble. La structure de la racine d'arc, le profil de courant, le modèle de propagation et la vitesse ont été étudiés en polarités positives et négatives. La conductivité et l'épaisseur du film d'eau ainsi que l'humidité relative de l'air ont également été analysés en tant que paramètres pouvant influencer la propagation de Tare. L'effet de différents mécanismes comme les collisions et l'ionisation thermique, la force de flottabilité et la force électrostatique sur les différentes étapes de la propagation de l'arc ont également été discutés. Des séquences répétitives correspondant aux extinctions de l'arc ont été observées pendant la propagation de l'arc. Durant les périodes de ré-allumage de l'arc, le phénomène dominant était l'apparition d'un streamer positif dirigé vers Panode5 et ce, quelle que soit la polarité de la tension appliquée. Le pied de l'arc sous tension continue positive est ramifié; à l'opposé, celui de l'arc négatif apparaît comme une région diffuse lumineuse. Dans la section du canal de l'arc5 deux régions distinctes ont été distinguées. Une relation linéaire entre le courant d'initiation et l'inverse de la résistance résiduelle a été établie, montrant l'importance de l'épaisseur du film d'eau sur l'initiation de la décharge. Une relation directe entre la pente de l'accroissement du courant et la conductivité de l'eau de congélation a été établie. L'humidité de l'air augmente le gradient de tension le long du canal de l'arc et réduit les activités de décharge à la tête de l'arc. Toutefois, elle pourrait influencer le développement et la propagation de l'arc en modifiant l'épaisseur du film d'eau. On a trouvé qu'un changement dans le mécanisme dominant, à savoir le passage de l'ionisation thermique à l'ionisation par collision sous le champ électrique intensifié, était responsable du contournement

La grande majorité des modèles numériques statiques et dynamiques de prédiction de la tension critique de contournement des isolateurs recouverts de glace en période de fonte se base sur la formulation analytique de Wilkins afin d'évaluer la résistance résiduelle de la couche de glace. La limitation des modèles fondés sur cette formule résulte du fait qu'ils ne sont pas applicables à des dépôts de glace de géométries complexes. De plus, un grand nombre des modèles dynamiques actuellement élaborés est restreint à des distances d'arc inférieures à un mètre puisque ces modèles ne tiennent compte que d'un seul arc en contact avec la surface de la glace. Pour pallier à ces problématiques, il a été décidé de recourir à la méthode des éléments finis (MEF) dans l'intention de prédire la tension critique de contournement des isolateurs recouverts de dépôts de glace de formes complexes, et ce, pour des distances d'arc atteignant les deux mètres. Cette dernière considération nécessite la prise en compte de deux arcs partiels en contact avec la couche de glace. Pour ce faire, des modèles prédictifs dynamiques, au nombre de trois, ont été établis dans cette recherche, soit un modèle mono-arc en courant continu (CC) un modèle mono-arc en courant alternatif (CA) et enfin un modèle bi-arcs en CA. Ce dernier est en fait une extension du modèle mono-arc en CA, Tous les modèles ainsi développés sont basés sur le modèle de Obenaus pour lesquels la résistance résiduelle de la couche de glace est calculée par la MEF. La surface de la glace, de par la présence d'un film d'eau conducteur d'épaisseur supposée constante, est modélisèe par une surface en deux dimensions de conductivité surfacique uniforme sur laquelle sont présents un ou deux pieds d'arc (selon le modèle) considérés comme des surfaces circulaires équipotentielles. Le choix du critère de propagation de l'arc a été porté sur le critère de Hampton, étant donné la simplicité de son implementation dans les algorithmes de calcul et de sa validation par la MEF. La tension critique de contournement est obtenue par calcul itératif lorsque le pied d'arc atteint l'électrode de mise à la terre (cas du modèle mono-arc) ou encore lorsque les deux pieds d'arc se rencontrent (cas du modèle bi-arcs). Les modèles proposés ont été réalisés par le biais du logiciel commercial d'éléments finis (EF) COMSOL Multiphysicss qui a été couplé avec Matlab pour l'exécution des algorithmes. Les trois modèles dynamiques d'EF ont été validés à partir des résultats expérimentaux et numériques issus d'études antérieures. La comparaison des différents résultats a montré que les modèles dynamiques mono-arc d'EF, en CC et en CA, sont en mesure de prédire la tension critique de contourmement avec une précision aussi bonne que celle trouvée par les modèles dynamiques actuels. L'erreur maximale est de l'ordre de 13 %, et cela, indépendamment de la conductivité d'eau d'accumulation, de la distance d'arc (inférieure à un mètre) ainsi que de la longueur initiale de l'intervalle d'air, paramètre influent qui n'était pas pris en compte dans les modèles dynamiques actuels. En ce qui concerne le modèle dynamique bi-arcs qui est actuellement, au meilleur de nos connaissances, le seul modèle dynamique applicable à des distances d'arc supérieures à un mètre, la comparaison des résultats numériques avec des résultats expérimentaux antérieurs a permis de valider ce modèle avec une erreur maximale de 5,8 %. L'usage de la MEF, le choix du critère de Hampton comme critère de propagation et la modélisation du film d'eau et du pied d'arc ont offert le moyen de développer des modèles dynamiques simples prédictifs de la tension critique de contournement des isolateurs recouverts de glace pour des distances d'arc qui peuvent aller jusqu'à deux mètres. Également, les résultats ont démontré toute la versatilité des modèles qui donnent la possibilité de tracer l'évolution de plusieurs paramètres, à savoir la résistance résiduelle, le courant de fuite ou la tension appliquée en fonction du déplacement du ou des pieds d'arc à la surface de la glace.

De la source d'énergie exploitée jusqu'à la consommation de l'électricité à la maison et en industrie, il existe tout un réseau de transport constitué de pylônes, d'isolateurs et de lignes de transmission. Or, ces réseaux, lorsqu'ils sont situés dans les régions à climat froid, se trouvent parfois exposés aux problèmes liés au givrage atmosphérique. En effet, une couche de glace peut s'accumuler sur les isolateurs, ce qui diminue leur tenue diélectrique. Lorsque cette couche fond en surface suite au rayonnement du soleil par exemple, une redistribution du champ électrique le long de l'isolateur peut entraîner l'apparition d'arcs électriques partiels, voir même un contournement électrique de l'isolateur à des niveaux de tension beaucoup plus faible qu'en absence de glace. À cet effet, la Chaire industrielle sur le givrage atmosphérique des équipements des réseaux électriques (CIGELE) de l'UQAC, « a pour mandat d'étudier plusieurs phénomènes reliés au givrage atmosphérique, en particulier au givrage atmosphérique des équipements des réseaux électriques, de faire avancer les connaissances dans ce domaine, et d'en diffuser les résultats »\ L'objectif de ce projet de recherche, qui s'inscrit dans le cadre des projets de la CIGELE, porte sur l'étude des phénomènes électriques se produisant à la surface d'une couche de glace en présence d'un arc électrique partiel. Plusieurs outils d'analyse ont été développés afin d'atteindre l'objectif principal. À cette fin, le premier outil conçu et construit au laboratoire a été un système multimesures de potentiels sécuritaire. Le deuxième outil d'analyse a été un script par éléments finis. Ce dernier a deux fonctions : valider l'étalonnement du banc de mesures ; analyser et interpréter les mesures prises en laboratoire. Aucun modèle numérique n'est donc défini à l'avance. Plusieurs phénomènes électriques ont été observés à la surface de glace en présence d'un arc électrique : la période de décharge électrique ; la période où l'échantillon de glace a un comportement résistif ; et la période où l'échantillon de glace semble être «en résonnance» avec l'arc électrique, c'est-à-dire où l'inductance de l'arc interagit avec la capacité de la glace. Seule la période de temps où l'échantillon de glace est encore résistif a pu être simulée par éléments finis afin de déduire la densité de courant. À l'aide d'une procédure par identification inverse, la méthode des éléments finis a été utilisée comme outils d'analyse et d'interprétation afin de démontrer que la résistance surfacique de l'échantillon de glace est inégale dans sa géométrie. À cet effet, une répartition non uniforme de la conductivité surfacique, afin de prendre en compte l'influence de l'épaisseur du film d'eau le long de la couche de glace, a été établie. Pour ce qui est de la période semblable à de la «résonnance», la discussion s'est limitée à sa probable provenance sans pouvoir l'expliquer, et ses possibles conséquences.

Dans la plupart des régions isolées, le générateur diesel est la source principale d'énergie électrique. Pour ces régions, le prix d'extension du réseau électrique est prohibitif et le prix du combustible augmente radicalement avec l'isolement. La baisse continue des prix des générateurs basés sur l'énergie renouvelable et la fiabilité croissante de ces systèmes ont mené à une plus grande utilisation des sources d'énergie renouvelable pour la génération d'énergie électrique dans les régions isolées. Au Québec, en parallèle avec un essor de l'énergie éolienne, principalement sous forme de grands parcs reliés aux réseaux centraux de distribution, l'alimentation électrique des sites isolés, par des diesels, pose toujours d'immenses défis techniques et financiers. En effet, cette production d'électricité est relativement inefficace, très onéreuse et responsable de l'émission de grandes quantités de ga2 à effet de serre (GES). Avec l'explosion des prix du carburant et les coûts élevés de transport, les pertes financières sont ainsi colossales. Ces déficits, 133 millions de dollars par année selon Hydro-Québec1, reflètent l'écart entre les coûts élevés de production locale d'électricité dans ces régions et le prix uniforme de l'électricité. Paradoxalement, la plupart de ces communautés sont situées dans des régions possédant une ressource éolienne suffisante pour une exploitation commerciale. L'utilisation du jumelage éolien-diesel (JED) dans ces réseaux autonomes pourrait donc réduire les déficits d'exploitation. Cependant, la rentabilité du JED est atteinte à la condition d'obtenir un taux de pénétration élevé de l'énergie éolienne (TPE)2 ce qui est possible uniquement en utilisant des systèmes de stockage. Après une étude approfondie basée sur une analyse critique de toutes les caractéristiques des technologies de stockage d'énergie possible, il a été proposé une solution qui répond à tous les exigences techniques et financières tout en assurant une fiabilité d'approvisionnement électrique de ces sites. Il s'agit du système hybride éolien-diesel avec stockage d'air comprimé (SHEDAC). Cette étude a mené à l'élaboration de deux rapports techniques, un article de revue et cinq articles de conférence. Ces ouvrages présentent un tour d'horizon des technologies de stockage d'énergie en détaillant leurs caractéristiques techniques, leurs avantages et leurs inconvénients. Cette recherche a mené à l'élaboration d'une nouvelle méthode de choix caractérisée par l'indice de performance des technologies de stockage d'énergie où la détermination de cet indice peut être obtenue à partir d'une série de matrices d'aide à la décision. L'utilisation de l'air comprimé comme agent de stockage d'énergie s'adapte parfaitement autant à la production éolienne qu'aux diesels. En principe, l'air comprimé stocké dans les réservoirs durant les périodes de surplus de production éolienne (forts vents) serait injecté dans les génératrices diesel pour des applications à moyenne échelle (villages, îles, ...) ou bien dans des moteurs à air comprimé pour des applications à petite échelle (stations de télécommunication, postes de frontières, ...) et ceci durant les périodes de faible production éolienne (vents faibles ou nuls). Ce système hybride agirait en temps réel afin de maintenir optimalement l'équilibre entre la puissance générée et consommée en réalisant une diminution remarquable de la consommation en carburant quelque soit le niveau de la puissance appelée. Une modélisation de chaque système a été réalisée en fonction de sa nature d'application. Pour des utilisations à faible échelle, le cas d'une station de télécommunication, propriété de l'entreprise Bell-Canada, située à Kuujjuarapik a été choisi pour l'étude. Le dimensionnement du système hybride éolien-diesel-air comprimé à petite échelle (SHEDACPE) a été basé essentiellement sur le choix de la centrale éolienne où des modèles numériques ont été élaborés pour : (1) calculer la quantité d'énergie éolienne produite et stockée, (2) déterminer la capacité du compresseur utilisé (pression maximale, débit, puissance, nombre d'étages de compression, ...) , (3) calculer la taille du réservoir de stockage d'air comprimé et le nombre d'unités de stockage, (4) déterminer le temps de charge et de décharge ainsi que les contraintes mécaniques du réservoir de stockage (épaisseur, limite de rupture, ...) , (5) dimensionner la capacité du moteur d'air comprimé utilisé (pression maximale, débit, puissance, nombre d'étages de détente, ...), (6) élaborer l'algorithme du fonctionnement et du contrôle du système dans sa globalité et enfin (7) réaliser une étude écologique et économique dans le but de déterminer la rentabilité du système et ses avantages environnementaux. Cette étude a permis d'élaborer un article de revue, trois articles de conférence et un rapport technique. Pour des utilisations à moyenne échelle, le cas d'un village nordique, Tuktoyaktuk, a été choisi pour l'étude. La modélisation du système hybride éolien-diesel-air comprimé à moyenne échelle (SHEDACME) n'a pas pris en compte le choix de l'éolien et le dimensionnement du système de compression et de stockage d'air comprimé étant donné que ce sont les mêmes modèles statistiques et thermodynamiques qui seront utilisés. Par contre, seulement le système de la suralimentation du moteur diesel a été modélisé. Sachant que tous les moteurs diesel utilisés dans les sites isolés sont déjà équipés d'un système de suralimentation par turbocompresseur, les méthodes envisagées pour suralimenter les moteurs diesel par l'air comprimé stocké doivent prendre en considération la présence du turbocompresseur. Plusieurs méthodes possibles de suralimentation des moteurs diesel en utilisant de l'air comprimé stocké ont été répertoriées : (1) l'utilisation d'une turbine à air en série sur l'axe du turbocompresseur, (2) le double étage de suralimentation, (3) l'admission en amont du compresseur, (4) l'admission directe dans le moteur, (5) la suralimentation hyperbar, (6) la suralimentation avec le cycle de LENOIR pressurisé et (7) la suralimentation avec downsizing. Les diverses solutions proposées ont été évaluées afin de pouvoir dégager la technologie candidate la plus performante et adaptable au système éolien-diesel en utilisant les critères suivants : l'efficacité, la simplicité, l'adaptabilité, le coût et le système de contrôle. Une fois le choix déterminé, l'analyse thermodynamique a porté sur la résolution des équations de pression et température de l'air aux passages à travers le filtre à air, les échangeurs de chaleur, le compresseur, la chambre de combustion et la turbine à gaz. Il faut ajouter les équations du bilan d'énergie au niveau du vilebrequin du moteur diesel et à l'axe du turbo afin d'être en mesure de déterminer les performances optimales du système. Les résultats obtenus ont été appliqués sur les moteurs diesels utilisés dans le village nordique de Tuktoyaktuk dans le but de quantifier réellement l'économie en carburant obtenue grâce à l'utilisation du SHEDACME et la diminution des émissions de gaz à effet de serre. Cette étude a permis d'élaborer deux articles de revue, quatre articles de conférence et deux rapports techniques. Enfin, un banc d'essais a été réalisé à l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) afin de pouvoir valider expérimentalement les résultats théoriques obtenus à partir de la modélisation numérique du SHEDACME. Une des conceptions proposées pour la suralimentation des moteurs diesels a été appliquée au moteur utilisé. Les résultats obtenus ont confirmé la validité de l'idée proposée, la suralimentation supplémentaire d'un moteur diesel, et même ont ouvert la porte à d'autres applications dans les applications mobiles (véhicules civils et militaires par exemple). Pour des raisons logistiques et financières, le banc d'essais concernant le SHEDACPE et le système de compression et du stockage d'air comprimé n'a pas été réalisé. Les résultats, théoriques et expérimentaux, obtenus le long de cette thèse ont démontré le grand potentiel du système hybride éolien-diesel-stockage d'air comprimé pour les deux types d'applications à petite et à moyenne échelle. Cependant, d'autres travaux sont requis : (1) élaborer une stratégie de commande pour les deux systèmes, (2) réaliser une étude plus détaillé dans le cas d'un SHEDACME en prenant en considération le profil de charge d'un village nordique, (3) réaliser une étude économique et écologique plus détaillée en prenant en considération tous les facteurs possibles pouvant influencer sur la rentabilité du système, etc.

Un grand nombre de lignes aériennes de transport d'énergie électrique sont exposées à la glace atmosphérique dans les régions nordiques éloignées. Des modèles appropriés pour estimer les quantités de glaces sur les lignes de transport s'avèrent très précieux pour aboutir à la conception d'équipement fiable capable d'opérer dans cet environnement. Pour les compagnies d "électricité, les prédictions de charge de glace peuvent aider à déterminer les impacts opérationnels sur leur équipement, de sorte que des dommages sérieux puissent être évités. La présente recherche, effectuée dans le cadre des travaux de la Chaire industrielle CRSNG/HYDRO-QUÉBEC/UQAC sur le givrage atmosphérique des équipements des réseaux électriques (CIGELE), se concentre sur : (i) le développement des modèles pour prédire le type de glace accumulé sur les structures exposées et (ii) le développement des modèles empiriques pour prédire le taux d'augmentation de glace sur des lignes de transport. Dans le but de réaliser une classification de type de glace en utilisant les réseaux de neurones, un ensemble de données a été créé en se basant sur des fonctions extraites à partir de la référence de la Commission Électrotechnique Internationale (CEI) qui relie le type de glace aux variables de la température et de la vitesse de vent. Le réseau Perceptron multicouches (MLP) a été utilisé et différentes caractéristiques ont été examinées afin de trouver l'architecture optimale. Ce modèle initial de deux entrées a été amélioré en ajoutant un troisième paramètre qui est la taille des gouttelettes. Les modèles développés donnent un taux de reconnaissance de 100% avec les données d'entraînement et plus de 99% avec les données de test. Les résultats obtenus sont prometteurs et prouvent que les modèles basés sur les réseaux de neurones peuvent être une bonne alternative pour la classification de type de glace à condition que les fonctions utilisées pour générer les données d'entraînement soient assez précises. Dans la deuxième partie de cette étude, trois modèles ont été développés afin de prédire le taux d'augmentation de glace sur les lignes de transport dans des situations correspondantes. Les données utilisées pour entraîner les réseaux de neurones proviennent du site du Mont Bélair qui fait partie du système de surveillance en temps réel SYGIVRE d'Hydro-Québec. Le premier modèle neural a été entraîné avec les données des trois phases d'un événement de givrage, soit la phase d'accrétion, la phase de persistance et la phase de délestage. Le deuxième modèle a été développé pour le givrage humide et a été entraîné avec les trois phases des événements produits pendant les précipitations. Finalement, le troisième modèle développé a été entraîné avec seulement la phase d'accrétion d'un événement de givrage. Pour établir ces modèles, quatre architectures de réseaux de neurones comprenant MLP avec une couche cachée, MLP avec deux couches cachées, le réseau récurrent Elman et Jordan ainsi que deux cents différentes configurations pour chaque architecture ont été examinées et comparées. En outre, pour chaque configuration, deux styles d'entraînement soit par batch ou incrémental ont été examinés. Le nombre d'entrées prises des incréments de temps antérieurs, est un autre paramètre qui a été étudié afin de déterminer la conception optimale. Comme conclusion générale, le réseau récurrent Jordan avec un délai de trois unités était la meilleure architecture et ceci pour les trois modèles. Les caractéristiques et l'avantage principaux de cette architecture donnant les meilleurs résultats, c'est qu'elle utilise les quantités de glace estimée dans le passé pour estimer celle en cours. Donc, le réseau en question se caractérise par une boucle récurrente. Dans le cas de la comparaison entre l'efficacité de ces trois modèles prédictifs, on a observé que le modèle développé en se servant des données les plus homogènes, c'est-à-dire seulement les données de la phase d'accrétion de glace, est le meilleur parmi ces trois modèles puisqu'il peut généraliser et estimer étroitement les charges de glace extrême. La performance des modèles développés démontre que les modèles établis avec l'architecture Jordan de réseaux de neurones peuvent apporter une contribution importante dans le développement des modèles empiriques précis pour estimer les charges de glace des lignes de transport d'énergie, à condition qu'un nombre raisonnable de données d'entraînement soit utilisé et que les données allant aux réseaux soient soigneusement choisies.

Le givrage atmosphérique est à la source de sérieux problèmes d'origine électrique et mécanique sur les réseaux de transport et de distribution de l'énergie électrique. Le délestage naturel de glace de câbles et conducteurs, une conséquence du givrage atmosphérique, est à la source de nombreux problèmes, d'où la nécessité de l'étude de la rupture fragile de la glace atmosphérique. Des pannes majeures sur les réseaux électriques pendant les tempêtes de verglas seraient évitables par l'amélioration des méthodes de déglaçage et de prévention du givrage. Pour ce faire, il est nécessaire d'approfondir nos connaissances sur les propriétés mécaniques de la glace atmosphérique. Les objectifs de cette recherche, dans le cadre de la problématique générale du délestage de glace, sont l'étude et l'estimation des contraintes s'appliquant à la glace atmosphérique accumulée sur un câble, la mesure des de ses propriétés mécaniques et le développement d'un modèle de rupture fragile de la glace atmosphérique. Les forces exercées par le vent et la charge de glace sont les facteurs les plus importants dans le délestage. La force du vent crée trois types d'oscillation sur les lignes de transport d'énergie : galop (haute amplitude, basse fréquence), vibration éolienne (basse amplitude, haute fréquence) et oscillation de sillage (wake-induced oscillation). Le changement des caractéristiques aérodynamiques du câble cause des oscillations de grande amplitude (galop). Au cours de la vibration éoîienne, l'alternance de vortex causés par le vent sur le câble est la cause de cette vibration. L'oscillation de sillage se produit dans les conjoncteurs empaquetés et à une amplitude moyenne. La charge de la glace peut causer sa fissuration ou accélérer sa rupture en augmentant l'inertie de masse. Quelques facteurs indirects fournissent des conditions appropriées pour la rupture de la glace par réduction de force ou élimination de l'adhérence au câble. Afin d'estimer les contraintes développées dans la glace accumulée sur un câble pendant le galop ou la vibration éolienne, deux modèles d'éléments finis ont été développés. La vibration éolienne et celle du galop sur un câble recouvert de glace ont été simulées pour déterminer les données de déplacement et de charge, qui servent d'intrants pour ces modèles. Les équations de mouvement du câble ont été appliquées à un câble recouvert de glace et résolues avec MATLAB pour obtenir des séries temporelles des mouvements du câble, des forces aérodynamiques, de la tension horizontale additionnelle agissant sur le câble pendant la vibration et le moment causé par le retour élastique. Le modèle ABAQUS a indiqué que, au cours du galop, les contraintes les plus élevées dans le sens du diamètre vertical de la glace sont atteintes lorsque le point médian du câble se situe aux positions les plus élevées et les plus basses de sa trajectoire. Pour étudier la morphologie des grains et des bulles d'air de la glace atmosphérique, la glace a été accumulée sur un cylindre rotatif dans la soufflerie réfrigérée du CIGELE. Pour l'accumulation de la glace atmosphérique, on a utilisé une teneur en eau liquide de 2,5 g/m 3, une vitesse du vent de 10 m/s, de même que trois températures d'accumulation de -6 °C, - 10 °C et -20 °C, L'étude de minces sections de glace atmosphérique a indiqué que la taille des grains de glace diminue avec la température d'accumulation de la glace. La taille moyenne des grains de glace atmosphérique est approximativement de 1.5 mm, 0.5 mm et de 0.4 mm pour la glace accumulée à -6 °C, -10 °C et -20 °C, respectivement. Pour des épaisseurs de glace plus grandes que 2 mm, les grains sont allongés et perpendiculaires à l'axe du cylindre, pour la glace accumulée à -10 °C et -6 °C. Les expériences sur les effets du champ électrique à haute tension sur la glace atmosphérique confirment que la présence d'un champ électrique à haute tension affecte la structure, la densité et la quantité de la glace accumulée sur les conducteurs. La résistance à la compression de la glace atmosphérique augmente avec la diminution de la température d'essai. En outre, on a constaté que la résistance de la glace augmente avec l'augmentation du taux de déformation jusqu'à une valeur de 10 "3 s ~l, et puis diminue à des taux plus élevés de contrainte. La résistance à la compression de la glace atmosphérique augmente également avec la décroissance de la température d'accumulation. À des taux plus élevés de contrainte, cependant, dû à l'activation des fissures, la résistance à la compression de la glace accumulée à -20 °C est moindre que celle accumulée à -10 °C. Les résultats de la résistance à la flexion de la glace atmosphérique indiquent qu'aux taux inférieurs de contrainte, la résistance à la flexion de la glace augmente avec le décroissetnent de la température, mais qu'aucun effet de la température n'est observé aux taux plus élevés de contrainte. Dépendamment de la température, augmenter le taux de contrainte peut augmenter ou diminuer la résistance à la flexion de la glace atmosphérique. La résistance à la flexion de la glace atmosphérique accumulée à -10 °C s'est avérée plus élevée que celle des deux autres types de glace atmosphérique à cause de sa structure plus forte, de la plus petite taille de ses grains et de son manque relatif de cavités. Le module effectif de la glace atmosphérique s'est avéré augmenter avec l'augmentation des taux de déformation. Les résultats des essais de résistance à la rupture de la glace atmosphérique prouvent qu'elle diminue au fur et à mesure que la température de l'accumulation de glace décroît. Pour l'étude du comportement de rupture fragile de la glace atmosphérique, un modèle ABAQUS a été développé pour analyser la progression d'une fissure quasi statique d'une poutre bidimensionnelle à trois-points. Des surfaces potentielles de fissuration ont été modelées en tant que surfaces de contact maîtresses et assujetties. On a assumé que les surfaces prédéterminées de fissuration sont partiellement collées au départ de sorte que les extrémités des cassures puissent être identifiées explicitement par ABAQUS/Standard. Pour la modélisation du comportement de fissuration de la glace atmosphérique, le taux de contrainte a été décomposé en deux parties : taux de contrainte élastique et de fissuration. La contrainte élastique récupérable est associée à la déformation de treillis et liée à l'effort appliqué correspondant selon la loi de Hooke. La relation entre les contraintes locales et les contraintes de fissuration aux interfaces de fissures a été définie par une matrice de fissurations diagonale qui dépend de l'état des fissures existantes. Un critère de Rankine a été utilisé pour détecter le déclenchement des fissures. Les composantes de la matrice de fissurations diagonale ont été déterminées expérimentalement en tenant compte des propriétés mécaniques du matériel. Un modèle tridimensionnel a été développé en utilisant ABAQUS pour étudier le comportement fragile et la fissuration de la glace atmosphérique. La force calculée par le modèle d'ABAQUS pour la rupture de la poutre est en écart de 2% par rapport à la valeur moyenne de la force de rupture observée en laboratoire. Toutefois, la deflection de la poutre à la rapture montre l'erreur de 19% par rapport à la glace testée. L'erreur est attribuée à l'inexactitude de la mesure du débattement du faisceau, aux différences entre les dimensions du faisceau et le module de Young des échantillons de glace et les valeurs correspondantes dans le modèle d'ABAQUS, et au manque d1 analyse de plasticité dans le modèle. Un autre modèle basé sur ABAQUS a été développé pour simuler la fissuration fragile de la glace atmosphérique sur un câble. Les résultats montrent une erreur de 14% et de 47% dans la prévision de la force de rupture et de la deflection à la rupture, respectivement. A part les causes des erreurs mentionnées pour le modèle de trois-points, la différence entre la rigidité flexural du câble et le cylindre, la différence entre la forme de glace dans le modèle et les essais expérimentaux, et l'inégalité de la surface de la glace sont quelques sources des erreurs. La rupture des poutres de glace lors des essais à trois-points a été étudiée en utilisant une caméra vidéo à haute vitesse. L'initiation, la propagation des fissures et la rupture mécanique de la glace atmosphérique ont été étudiées avec trois vitesses différentes de formation d'images (20000 IPS, 75000 IPS et 150000 IPS). Les vitesses maximales pour ces essais étaient de 360, 750 et 1275 m/s et les vitesses moyennes de fissuration était de 253, 427 et 563 m/s.

Les isolateurs constituent des éléments essentiels dans le bon fonctionnement des réseaux d'énergie électrique. Cependant, l'accumulation de glace sur leur surface peut entraîner une diminution de leur tenue diélectrique pouvant conduire à des contournements électriques considérés comme des phénomènes extrêmement complexes et dangereux. Dans ce contexte, il peut s'avérer très utile, afin d'améliorer la fiabilité des réseaux électriques, de pouvoir prédire l'imminence de ces contournements. D'après certains travaux réalisés sur les isolateurs pollués, il a été déterminé que le courant de fuite (CF) est une source évidente d'informations sur le comportement des isolateurs pollués. Celui-ci est de plus facilement mesurable en ligne. Ainsi, durant les périodes d'accumulation de glace, considérées comme des régimes de pollution sévère, une analyse détaillée du CF pourrait permettre d'identifier une signature du contoumement ou de la tenue des isolateurs recouverts de glace. Cette étude est donc consacrée à l'analyse du courant de fuite mesuré sur les isolateurs recouverts de glace en périodes d'accumulation et en périodes de fonte. L'objectif est d'en recueillir des informations pouvant aider à mieux comprendre le comportement des isolateurs sous condition de givrage atmosphérique. Ces informations peuvent, par ailleurs nous renseigner sur la sévérité des précipitations et ainsi nous permettre de déterminer la probabilité de contoumement. Elles seraient par conséquent fort utiles dans l'élaboration d'un système de surveillance en temps réel pouvant prédire l'imminence du contoumement électrique des isolateurs opérant dans des postes stratégiques. Les différents résultats de l'analyse du courant de fuite nous ont permis d'extraire, autant pour la période d'accumulation que pour celle de fonte, un nombre important d'informations à partir notamment de son amplitude et de sa forme d'onde. Ces mformations constituent des Outils indéniables dans l'étude du comportement électrique des isolateurs recouverts de glace. L'analyse temporelle du CF réalisée au cours d'une accumulation de glace a montré que l'évolution temporelle de ce dernier passe par deux périodes distinctes. Le temps de transition ts entre ces deux périodes peut être facilement déterminé à l'aide du rapport de la valeur efficace sur la valeur moyenne du courant de fuite. Les résultats obtenus ont montré que selon le type d'isolateur utilisé, le temps de la transition ts permet d'estimer la quantité de glace accumulée ainsi que le taux d'accumulation moyen si le début de l'accumulation est détecté. De plus, il a été montré que l'influence de la conductivité de l'eau d'accumulation est significative après la formation du pont de glace entre les jupes de l'isolateur. Au cours de cette période, l'influence de la conductivité peut être facilement évaluée en étudiant les fluctuations de l'enveloppe du courant de fuite. Les résultats obtenus montrent aussi que la distance entre les jupes de l'isolateur a une influence directe sur l'évolution temporelle de l'enveloppe du courant de fuite. Il a ainsi été constaté que la relation entre le pas de l'isolateur et le temps de transition est presque linéaire. Au cours de la période de fonte, l'évolution du courant de fuite comporte deux régimes: un «transitoire» et un «permanent». Le premier est caractérisé par une augmentation progressive de la fréquence d'apparition des décharges électriques tandis que le second se caractérise par l'établissement permanent de l'arc électrique blanc et par une augmentation importante de l'amplitude du courant de faite. Le passage du régime transitoire au régime permanent se fait pour une valeur crête du courant de faite située autour de 20 mA. L'étude fréquentielle du CF a montré que le déphasage permet clairement de détecter le début de l'accumulation. Enfin, en se basant sur l'étude de l'évolution de la fréquence d'apparition des décharges électriques au cours de la période de fonte, un outil numérique utilisant les réseaux de neurones a été développé. Celui-ci permet de générer un signal d'alerte indiquant l'approche de l'établissement de l'arc électrique.

Dans les réseaux d'énergie électriques, une décharge apparaît généralement comme une défaillance du système d'isolation. Les isolateurs qui en sont les principaux éléments en sont aussi les plus vulnérables car étant très sensibles aux facteurs environnementaux. Même s'ils sont conçus pour opérer dans les conditions climatiques les plus sévères, dans un contexte de givrage atmosphérique, l'accumulation de glace sur leur surface réduit grandement leur performance. Ils deviennent alors, le siège de décharges partielles et d'arcs de contournement à des niveaux de tension plus bas qu'en absence de glace. Leur relative vulnérabilité en présence de glace sous-tend un besoin croissant d'amélioration des connaissances sur les mécanismes physiques impliqués dans le développement d'une décharge sur une surface de glace. C'est dans ce contexte que la Chaire Industrielle CRSNG/Hydro- Québec/UQAC sur le givrage des équipements des réseaux électriques (CIGELE) a élaboré un vaste programme de recherche basé sur l'étude et l'observation des décharges visibles se propageant sur une surface de glace. Les investigations entreprises dans ce projet se situent dans la continuité des travaux déjà amorcés à la CIGELE. Elles visaient à explorer davantage les caractéristiques des couronnes de streamers en présence de surface de glace et à interpréter les mécanismes physiques fondamentaux impliqués dans leur développement. La compréhension de ces mécanismes est l'ultime phase pour l'élaboration d'outils fiables de prédiction du contournement des isolateurs recouverts de glace. Elle facilitera en outre la conception d'isolateurs mieux adaptés au climat des régions froides, ce qui améliorera la fiabilité des réseaux de transport d'énergie dans des conditions de givrage atmosphérique. Des techniques sophistiquées de détection et de photographie, impliquant notamment un photomultiplicateur et une caméra ultra rapide fonctionnant en mode image par image, ont été appliquées afin d'observer et d'étudier le développement des streamers. La forme des isolateurs réels étant très complexe, un modèle physique de géométrie simple (tige-plan), avec différentes valeurs d'intervalle d'air et de rayon de courbure de l'électrode HT, a été utilisé. Les investigations ont été limitées aux faibles intervalles pour lesquels, il n'y a aucune tendance de formation de leaders. Pour analyser l'influence du niveau de pollution de la glace, différentes valeurs de conductivité d'eau de congélation ont été utilisées. L'effet de la présence d'une couche quasi-liquide sur la surface de glace a été aussi étudié en faisant varier la température. Des paramètres tels la tension et le champ d'apparition des streamers, la durée de la décharge et la vitesse de propagation des streamers ont été analysés. Les courants associés aux streamers ont été mesurés pour étudier l'effet de la présence de charges surfaciques sur le développement de la décharge. Les investigations ont été aussi parallèlement effectuées en absence de glace (cas de l'air) pour comparer les caractéristiques des streamers dans ces conditions avec celles en présence de surface de glace. Les résultats obtenus ont montré que la présence d'une surface de glace dans l'intervalle des électrodes modifiait considérablement les caractéristiques d'amorçage et de propagation des streamers. Il a été noté que l'augmentation de la conductivité de l'eau de congélation ou de la température induisait une réduction du champ d'apparition des streamers et accentuait leur vitesse de propagation. Ces observations ont été attaches à l'existence sur la surface de glace d'une couche quasi-liquide, dont les propriétés physiques et électriques sont très favorables au développement rapide des streamers. Cependant pour une glace faiblement polluée, les caractéristiques des streamers étaient comparables à celles dans l'air. Dans ce cas la décharge pouvait d'ailleurs se propager entièrement ou partiellement dans l'air, loin de la surface de glace. D'autre part, en présence de glace, les enregistrements de la caméra ont montré que la taille des couronnes était plus faible que dans l'air. De plus, contrairement au cas de l'air, la décharge pouvait s'amorcer dans la zone centrale de l'intervalle, loin des électrodes, et se compléter avec l'apparition d'un streamer indépendant dans la région de la cathode. Les charges déposées sur la surface de glace avant le début de la propagation ont justifié l'existence de tels phénomènes. En évaluant leur influence sur la distorsion du champ tangentiel, il a été établi qu'elles contribuaient à l'augmentation de la vitesse des streamers plus largement que la permittivité de la glace. L'analyse des mécanismes physiques intervenant dans le développement des streamers a permis de montrer aussi qu'en présence de surface de glace, les ionisations dues au champ du tangentiel intense en tête du streamer sont plus abondantes que les photo-ionisations dans l'air. Cette analyse a permis largement d'expliquer les niveaux de vitesses mesurées en présence de surface de glace ainsi que les observations sur l'aspect physique des streamers.

La production d'électricité aux îles-de-la-Madeleine augmente à un rythme de 2 % par année selon les prévisions d'Hydro-Québec - Réseaux autonomes1, et devrait atteindre 195 GWh par an d'ici 2011 pour répondre aux besoins de l'archipel. Les Madelinots devront donc faire appel aux énergies renouvelables, tel l'éolien, pour répondre à l'augmentation de la demande, mais aussi pour des raisons environnementales et économiques liées à l'utilisation de la centrale thermique actuelle. Des études montrent que l'archipel, situé au milieu du Golf du Saint-Laurent, est parmi les régions offrant l'un des meilleurs potentiels éoliens au Canada. Dans ce mémoire, le potentiel éolien sur l'archipel est analysé sur la base de données statistiques portant sur la mesure de la vitesse du vent. Ces données proviennent de diverses sources, Environnement Canada (EC), le ministère des Ressources naturelles (MRN) du Québec et de stations anémométriques artisanales. Ces statistiques sont compilées sur des périodes allant de quelques mois jusqu'à dix ans et correspondent à la moyenne horaire de la vitesse du vent. L'énergie produite mensuellement par une centrale éolienne est estimée en utilisant les paramètres de la distribution de fréquence de Weibull. Les paramètres de forme k et d'échelle c sont calculés à l'aide de la distribution statistique de la vitesse du vent mesurée et enregistrée sur une base horaire. Finalement, ces paramètres sont utilisés pour calculer l'énergie produite par une centrale eolienne d'une puissance de 35 kW implantée sur le site d'une usine de transformation des produits de la mer située à l'Étangdu- Nord, aux îles-de-la-Madeleine. L'objectif premier est donc de vérifier la rentabilité de toute centrale eolienne implantée sur l'archipel, d'évaluer les conditions favorables à toute implantation, d'en évaluer les impacts environnementaux sur un milieu fragile, à vocation touristique, et d'en évaluer les retombées commerciales. Le second objectif est d'établir les conditions et les paramètres pour lesquels l'évaluation de l'énergie disponible sur un site quelconque est la plus juste possible et ce, aux moindres coûts, par l'utilisation de ratios mensuels de la vitesse moyenne des vents combinés avec une courte période d'échantillonnage. Le dernier objectif est d'optimiser la gestion des charges liées à l'éolienne compte tenu de la variabilité des vents, même à faible vitesse, principalement dans un mode de production sans stockage d'énergie. Au chapitre premier, après un bref historique du projet et l'énoncé des objectifs, nous présenterons les contraintes liées à l'implantation d'une centrale eolienne sur l'archipel en commençant par un rappel sur la production d'électricité par la centrale thermique de l'Étang-du-Nord et une description du réseau de distribution sur l'archipel. Puis nous présenterons les contraintes techniques, financières et socio-économiques liées à l'implantation d'une centrale eolienne en site isolé. Au second chapitre, il sera question de l'évaluation du potentiel éolien sur le site sélectionné chez Pêcheries Gros-Cap (PGC). Nous présenterons à cet effet les éléments suivants : - Les sources de données qui proviennent d'Environnement Canada, du ministère de Ressources naturelles du Québec et de stations de mesures anémométriques de type artisanal. - La direction des vents dominants sur le site de Pêcheries Gros-Cap. - La loi de Weibull et la loi de puissance qui décrivent la distribution de fréquence des vents à hauteur du moyeu de la turbine. Ces deux fonctions permettront le calcul de la moyenne annuelle de la vitesse du vent sur le site. - Une description du site d'implantation de la turbine. - Le calcul des paramètres de formes k et d'échelle c permettant ainsi l'évaluation de l'énergie disponible et l'estimation de la production énergétique annuelle. Puis il sera question dans ce même chapitre de l'estimation de la production annuelle d'électricité. Nous verrons l'historique de consommation du client et les économies d'énergie anticipées. Nous comparerons nos résultats avec ceux obtenus à l'aide du logiciel d'analyse de projets d'énergies renouvelables RETScreen International. RETScreen offre en plus une évaluation des gaz à effets de serre (GES) évités par l'utilisation de la centrale éolienne. Enfin, nous étudierons les impacts environnementaux conséquents à l'implantation de la centrale éolienne chez Pêcheries Gros-Cap. Au chapitre trois, nous présenterons la centrale éolienne installée au Gros-Cap. Il sera question des machines asynchrones qui équipent la turbine, de leur mode de fonctionnement et des conditions d'opération de celles-ci. Il sera aussi question de la régulation de la tension lorsque l'on opère en mode autonome avec une génératrice asynchrone. Enfin, au quatrième chapitre, nous présenterons les performances obtenues par la centrale éolienne, c'est-à-dire la courbe de puissance, la production énergétique et le rendement global de la centrale éolienne. Le chapitre cinq présente la synthèse de chacun des chapitres. À la lumière des observations et du rendement obtenu lors du fonctionnement de cette centrale éolienne de 35 kW, en mode autonome et sans stockage d'énergie, nous en concluons que pour ce type d'installation et de génératrice, cette centrale éolienne est rapidement devenue hors de prix compte tenu de la puissance générée par celle-ci, c'est-àdire une valeur nominale de 18 kW. Par conséquent, les charges liées sont limitées par la puissance générée, mais aussi par l'exigence d'alimenter la génératrice en puissance réactive puisque nous sommes hors réseau et sans stockage d'énergie. De plus, la tour en aluminium a un effet limitatif sur la production énergétique. Quant à l'évaluation du potentiel éolien, il s'avère que l'utilisation du logiciel d'analyse de projet RETScreen® apporte une solution rapide, simple et complète pour tout projet d'implantation de centrale éolienne de faible puissance. Néanmoins, la variabilité du phénomène climatique confère à l'estimation de la production annuelle un caractère strictement indicatif. L'archipel des îles-de-la-Madeleine reste un lieu éloigné, qui peut devenir difficile d'accès à certaines périodes de l'année, augmentant d'autant les risques liés à la réalisation de tels projets. Les Madelinots eux-mêmes y voient peu d'intérêt puisque pour l'heure ce projet, comme bien d'autres avant lui, a démontré qu'il n'y avait aucune rentabilité à retirer d'une telle installation. Les efforts déployés pour rentabiliser la centrale éolienne via un branchement au réseau local de distribution d'électricité alimenté par la centrale thermique ont été vains et toutes les perspectives d'un développement futur de la filière éolienne aux Îles-de-la-Madeleine sont actuellement fermées.