Ce projet étudie la réalisation d'un marché d'énergie éolienne en France. Les marchés d'énergie éolienne sont souvent désignés comme des "marchés politiques" : D'une part, l'énergie éolienne réduit les émissions de CO2 et retarde les effets de la production d'électricité sur le changement climatique. D'autre part, comme bien économique, l'énergie éolienne se dit souffrir "d'handicaps" technico-économiques (les coûts élevés, la production fluctuante et imprévisible, etc.). Par conséquent, en raison de sa performance comme bien économique, il est argumenté que la survie de l'énergie éolienne dans le marché est fondée sur différents instruments, dont certains que je qualifierai de "prothèses". Cette thèse s'interroge sur deux de ces prothèses : Le tarif d'achat et les Zones de Développement Eolien (ZDE) comme ils sont négociés et mis en pratique en France, ainsi que la manière dont ils affectent la réalisation des marchés de l'énergie.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'implantation d'éoliennes en mer permet de contribuer, notamment, au respect des objectifs de Kyoto par l'Europe. Ceci constitue une étape dans la lutte contre le changement climatique global. Pour localiser précisément les futurs lieux d'implantation des parcs éoliens, il est nécessaire de connaître la répartition spatiale du potentiel éolien en zones côtières. Nous démontrons que le potentiel éolien en mer doit être représenté sous forme de cartes de paramètres statistiques à haute résolution spatiale. La télédétection permettant la mesure de phénomènes physiques spatialisés, nous évaluons son apport à l'obtention de telles cartes. Les diffusomètres spatioportés permettent l'obtention de statistiques de vent, mais au large des zones d'intérêt, et à basse résolution spatiale. Les radars à ouverture synthétique (ROS) permettent, eux, l'obtention de cartes de vent à haute résolution spatiale sur les zones d'intérêt, mais ne sont pas adaptés à l'obtention de statistiques de vent. Nous définissons alors le cadre mathématique d'une méthode statistique. Cette méthode permet de tirer parti des avantages conjugués des diffusomètres et des ROS, afin d'obtenir des cartes de paramètres statistiques de vent à haute résolution spatiale sur les zones d'intérêt. Elle permet de rendre la télédétection utilisable de manière opérationnelle pour l'évaluation du potentiel éolien maritime.

La forte variabilité de la vitesse du vent fait que l'énergie produite par un parc éolien n'est pas constante dans le temps. Le gestionnaire ne peut donc pas dimensionner son réseau électrique en prenant intégralement ce type de production en compte. L' une des solutions préconisées pour permettre le développement de l' éolien et son intégration avec une plus grande sureté aux réseaux, est de développer et d'améliorer les outils de prévisions. Le travail de thèse consiste à améliorer les performances d'un outil de prédiction basé sur les réseaux de neurones bayesiens, permettant la prédiction de la puissance à très court terme . Le prédicteur fonctionne notamment par J'ajustement de paramètres, certain se détermine « automatiquement » via le mécanisme des réseaux de neurones bayesiens d' autres, que nous nommerons paramètres temporels, sont à l' appréciation de l'utilisateur. Le travail mené consiste à établir un protocole pour la fixation de ces paramètres tout en améliorant les performances du prédicteur . Nous avons donc décidé de conditionner leurs valeurs en fonction de la variabilité des séquences de puissance précédent l'instant de prévision. Tout d'abord nous avons classifié des séquences de puissance en fonction de leurs coefficients de variation en appliquant la méthode des C-moyennes floues. Puis, chaque classe formée a été testée sur plusieurs valeurs de paramètres, les valeurs associées aux meilleures prédictions ont été retenues. Enfin, ces résultats couplés au formalisme des Chaines de Markov, par le biais de la matrice de transition , ont perm is d'obtenir des taux d'amélioration par rapport à la persistance allant de 7,73 à 23,22 % selon l'horizon de prédiction considéré / The high variability of the wind speed has for conse quences that the energy produced by a wind farm is not constant over time. Therefore, the manager can't size the electrical network by takin g into account this type of production. One solution advocated for the development of wind energy and its integrati on with greater security at network, is to develop and improve fore casting tools. The thesi s objective is to improve the performance of a predi ction tool based on Bayesian neural networks, allowing the predi ction of wind power for short timescales. The predictor works, in part icular by the adjustment of parameters, sorne is determined "automatically" through the mechan ism of neural networks Bayesian other , which we cali temporal parameters are at the discretion of the user. The work involves establishing a protocol for the determination of these parameters and improving the performance of the predictor. So, we decided to condition their values depending on the sequence variability of wind power previous the moment of the forecast. First we classified sequences of power according to their coefficients of variation using the method of fuzzy C-means. Then, each formed class was tested for several parameters values, the values associated with the best predictions were selected. Finally , these result s coupled with the formalism of Markov chains , through the transition matrix allowed to obtain rates of improvement over the persistence ranging from 7.73 to 23.22 % depending on the prediction horizon considered

Ce projet étudie la réalisation d’un marché d’énergie éolienne en France. Les marchés d'énergie éolienne sont souvent désignés comme des «marchés politiques» : D'une part, l'énergie éolienne réduit les émissions de CO2 et retarde les effets de la production d'électricité sur le changement climatique. D'autre part, comme bien économique, l'énergie éolienne se dit souffrir «d’handicaps» technico-économiques (les coûts élevés, la production fluctuante et imprévisible, etc.). Par conséquent, en raison de sa performance comme bien économique, il est argumenté que la survie de l'énergie éolienne dans le marché est fondée sur différents instruments, dont certains que je qualifierai de «prothèses». Cette thèse s’interroge sur deux de ces prothèses : Le tarif d’achat et les Zones de Développement Eolien (ZDE) comme ils sont négociés et mis en pratique en France, ainsi que la manière dont ils affectent la réalisation des marchés de l'énergie. / This project studies the making of a market for wind power in France. Markets for wind power are often referred to as ‘political markets: On the one hand, wind power has the potential to reduce CO2-emissions and thus stall the effects of electricity generation on climate change; and on the other hand, as an economic good, wind power is said to suffer from (techno-economic) ‘disabilities', such as high costs, fluctuating and unpredictable generation, etc. Therefore, because of its performance as a good, it is argued that the survival of wind power in the market is premised on different instruments, some of which I will refer to as ‘prosthetic devices'. This thesis inquires into two such prosthetic devices: The feed-in tariff and the wind power development zones (ZDE) as they are negotiated and practiced in France, and also the ways in which they affect the making of markets for wind power. Theoretically, this dissertation mobilizes a constructivist approach according to which markets are seen as socio-technical assemblages, stressing the heterogeneous and distributed character of their constituent elements. Furthermore, the approach allows questioning the deadlocked delineation between politics and economics, a delineation that appears to underlie the idea of the political market. Based on fieldwork in France, the core of this thesis is made up of two analyses; firstly, the definition of a feed-in tariff is empirically followed as a process of valuation in which value is seen as the outcome of irregular and costly activities, rather than the identification of an inherent value.To study how value, here in the form of a price, comes about in the case of wind power, five different empirical traces are followed with each one representing a distinct approach to valuation. These valuation proposals involve qualifying and disqualifying wind power, e.g., from CO2-reducing to CO2-emitting, and they span a range of controversies. The second analysis addresses the ZDE-device. It follows the device along two phases; namely, its conception and its emerging practice in a specific case, the territory of Pays de la Serre. The first phase is discussed as a politicization of wind power, a distinct framing of location in which the possibility for local opposition is enforced. The second phase, i.e. the practice of the device in Pays de la Serre, is better described as an economization of the landscape, a process of translating the territory according to one-dimensional layers. In their final presentation, these layers are accumulated and black-boxed, and the criteria for their construction disappear.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Les coûts de production d’électricité élevés ainsi que la présence de forts vents pour le Grand Nord canadien créent un contexte favorable à l’implantation du jumelage éoliendiésel pour les réseaux autonomes. Situé sur le site de la mine Raglan, la première éolienne industrielle du Nunavik a produit un total de 8,3 millions de kWh à sa première année d’utilisation. Pour les années à venir, elle devrait atteindre son objectif de production de 9,4 millions de kWh, permettant une économie de carburant de 2,4 millions de litres. En fonction de ces performances, un taux de rendement interne après impôt de 22,4% est calculé pour le projet éolien. Basé sur ces résultats, les logiciels Homer Pro et RETScreen 4 sont utilisés pour calculer les performances techniques et économiques de l’ajout d’éoliennes et de systèmes de stockage d’énergie au réseau actuel de la mine. Il est calculé que chaque éolienne additionnelle diminue la rentabilité du projet, son taux d’intégration étant inférieur. Le stockage d’énergie électrique par une roue inertielle et par une batterie lithium-ion est, en présence de 2 ou 3 éoliennes, des options économiques viables lorsque leur puissance nominale est inférieure à 20% de la puissance nominale des éoliennes. Pour sa part, le stockage d’énergie par une boucle d’hydrogène s’avère une alternative plus coûteuse. Considéré comme une alternative à l’utilisation de systèmes de stockage d’énergie comme réserve opérationnelle, un générateur pouvant fonctionner à faible taux de charge permettrait des économies de carburant plus importantes que les systèmes de stockage d’énergie / The high cost of electricity generation combined with the presence of strong winds in Canada’s Great North are creating a favorable context for wind-diesel implementation in remote electric grid. Located at Raglan mine site, the first industrial wind mill in Nunavik has produced a total of 8,3 millions kWh at his first operational year. For years to come, it should achieve its objective to produce 9,4 millions kWh of wind power, allowing annual fuel savings of 2,4 millions litres of diesel. In accordance with those performances, an internal return rate of 22,4% is calculated for the wind project. Based on those results, Homer Pro and RETScreen 4 softwares are used to calculate technical and economical performances of additionnal wind power and energy storage to this remote grid. It is calculated that each additionnal wind turbine is lowering the economic value of the project, as its integration rate is lower. Energy storage by mean of a fly-wheel or a lithium-ion battery are, in presence of 2 or 3 wind turbines, economic options for a power rating lower than 20% of the wind turbines rated power. A third storage option considered, hydrogen production is evaluated more expensive. Considered as an alternative to energy storage, a genset able to work at low load ratio would create more fuel savings than the energy storage options evaluated

Les réseaux électriques sont sujets aux aléas divers pouvant éventuellement mettre en péril leur sûreté. Des évènements résultants de l’aléa météorologique ou de la défaillance stochastique des composants du réseau tels qu’une fluctuation de températures hors saison ou la perte d’une unité de production, peuvent causer des déséquilibres inattendus entre l’offre et la demande et entraîner des délestages. Pour faire face à ces aléas, des marges de puissance ou "réserve" sont ménagées par rapport au strict équilibrage de l’offre et de la demande prévisionnelle. Cependant, déterminer la quantité de réserve suffisante pour une opération fiable et rentable est un problème difficile à résoudre, particulièrement en présence d’incertitude croissante due à la libéralisation du marché de l’électricité et à la pénétration à grande échelle des éoliennes sur le réseau. L’approche déterministe considère un niveau de réserve statique du jour pour le lendemain. L’énergie éolienne étant faiblement prévisible, de la réserve supplémentaire est requise pour pallier l’intermittence du vent. Parce que les éoliennes ne sont pas distribuables, les générateurs conventionnels ont été laissés sous pression en répondant aux variations larges et rapides de la charge nette du réseau. Étant données les contraintes de rampe qui limitent leur flexibilité, le bon fonctionnement du marché de l’électricité peut être altéré parce que les transactions d’énergie qui y sont contractées risquent de ne pas être réalisées en temps réel comme convenu pour des raisons de sécurité. Dans ce contexte, l’utilisation de l’approche déterministe à elle seule comme c’est le cas aujourd’hui, pourrait ne pas être économique ou fiable pour contenir les risques encourus; d’où la nécessité des méthodes sophistiquées basées sur une représentation plus complexe de l’incertitude. Cette thèse propose des solutions viables et efficientes à l’incertitude croissante dans l’opération à court terme des réseaux électriques en présence d’éoliennes à grande échelle et dans un contexte de compétition. Le caractère conservatif de la méthode déterministe a été grandement amélioré par une génération de réserve supplémentaire, contrôlable, et qui tient en compte l’aspect stochastique des éoliennes. La mutualisation des capacités via l’interconnexion permet d’alléger la contrainte d’équilibrage du réseau et de réduire les secousses autour des générateurs conventionnels. Afin de faciliter les transactions d’énergie sur le marché, des règles ont été élaborées pour inciter la mise en disponibilité des générateurs à larges paliers de rampes. Un problème combiné de la programmation des centrales et de transit optimal de puissance incorporant tous les objectifs sus-cités a été formulé. Traduit en programmation mixte quadratique car générant des solutions faisables dont le niveau d’optimalité est connu, celui-ci a été utilisé pour investiguer divers effets de l’interconnexion sur la réduction des coûts d’exploitations associés à plus d’éoliennes sur le réseau. Enfin et surtout, la capacité de notre modèle à résister aux contingences a été validée avec un modèle qui tient compte de l’aspect aléatoire des composants du réseau à tomber en panne. Ce qui nous a permis d’ajuster notre stratégie du marché du jour pour le lendemain par rapport à celui du temps réel. Notre modèle se distingue par sa rapidité et sa capacité `a révéler les coûts cachés de l’intégration des éoliennes dans les réseaux électriques. / Power grids are subject to a variety of uncertainties that may expose them to potential safety issues. Interruptions in electricity supply for instance, may result from an unseasonable temperature fluctuations or a power station outage, which are events of stochastic nature involving the weather or the failure of a component in the grid. The result may be sudden imbalances in supply and demand, leading to load interruptions. To plan for such unforeseen events, the grid carries ’reserve’, i.e., additional capacity above that needed to meet actual demand. However, scheduling the appropriate amount of reserve needed for a reliable and cost-effective grid operation is very challenging, especially in the context of increased uncertainties due to liberalization and the large-scale wind electric generators (WEGs) penetration to grid. Traditional grids assume a fixed knowledge of system conditions for the next day. Wind power being very poor to predict, an extra reserve generation to accommodate its uncertainty is required. Because WEGs aren’t built around spinning turbines, conventional units have been left stressed while responding to large and fast variations in the system net load. Given the temporal operating restrictions that limit their flexibility, the properly functioning of the electricity market can be altered as the energy transactions may not be carried out in realtime, exactly as agreed for security reasons. In this context, the use of the deterministic criteria alone as is the case today, may not be economical or reliable in limiting the risk of uncertainty; calling for sophisticated methods based on more-complex characteristics of uncertainty. This thesis proposes reliable and sound solutions to the increased variability and uncertainty in short-term power grid operations emanating from increasing the share of WEGs in the generation mix and competition from electricity markets. The conservativeness of the deter ministic method has been greatly improved with an adjustable extra generation reserve that accounts for the stochastic feature of WEGs. An inherent flexibility–design that attempts to reduce the onus placed on conventional units to balance the system has been considered. In doing so, the jerkings around these units while responding to large and fast variations in the system net load have been considerably mitigated. Adequate market policies that incentivize flexible resources to make their units with higher ramp rates available to follow dispatch signals have been crafted, thereby avoiding potential reliability degradation or costly out-ofmarket actions. A combined Security Constrained Unit Commitment (SCUC) and Optimal Power Flow (OPF) optimization problem that encompasses all the above mentioned goals has been formulated. Translated into a Mixed Integer Quadratic Programming (MIQP) problem that can return a feasible solution with a known optimality level, the SCUC-OPF engine has been used to investigate various effects of grids integration on reducing the overall operating costs associated with more wind power in the system. Last but not least, the effectiveness of our model to withstand contingencies has been done with a probabilistic model benchmark that accounts for the random nature of grid failure. This allows the adjustment of the Day- Ahead Market (DAM) strategy with respect to the Real-Time Market (RTM). Our model is proven to be more acceptable as it is time-saving, and has particular implications for wind integration studies as it can reverse the hidden cost of integrating WEGs to grid.

Le but de la présente recherche est le développement d'un instrument de mesure du vent adapté aux conditions climatiques froides et à la présence de glace en milieux nordiques. Dans le cadre de ce projet, plusieurs prototypes adaptés aux climats nordiques ont été conçus, développés, mis en service et testés sous des conditions contrôlées et sur des sites réels d'exploitation éolienne. La thèse qui suit présente la méthodologie utilisée ainsi que les travaux qui ont été réalisés lors du développement de cet anémomètre anti-glace chauffant. Les prototypes développés dans le cadre de ce projet sont des anémomètres à coupoles dont certains éléments sont chauffés. Les endroits critiques où la formation de glace affecte la mesure de la vitesse du vent ont été identifiés à l'aide d'essais expérimentaux. Les différents aspects de la mesure et du contrôle de l'instrument ont été étudiés et ont conduit à un prototype optimisé (prototype de 4eme génération). Le dernier prototype présenté dans cette thèse inclut l'intégration d'un microprocesseur permettant la mesure de différentes quantités. Les données recueillies en temps réel permettent de faire un contrôle sans précédent du chauffage, une compensation dynamique du signal de vitesse du vent pour diminuer la survitesse (« overspeeding ») et permettent de fournir une indication sur la présence et l'intensité des conditions propices à la formation de glace. Cette thèse démontre la nécessité d'utiliser des instruments chauffants développés adéquatement par des essais expérimentaux et une étude théorique de leur fonctionnement.

L’intégration croissante de la production éolienne ne participant pas au réglage de fréquence induit de nouvelles difficultés de gestion des systèmes électriques. Ces problèmes sont d’autant plus significatifs que le réseau est faible. La présente thèse vise à évaluer la performance et la fiabilité du réglage de fréquence des éoliennes à l’échelle du système électrique. Les études sont appliquées sur un réseau insulaire.D’abord, l’impact d’un fort taux de pénétration de la production éolienne sur l’allocation de la réserve primaire et sur le comportement dynamique du réseau est caractérisé. Il est montré que la participation des éoliennes au réglage de fréquence est techniquement indispensable pour le maintien de la sûreté du système électrique à partir d’un certain taux de pénétration. Deux solutions permettant aux éoliennes de contribuer au réglage de fréquence sont ensuite étudiées par simulations dynamiques. La performance d’une inertie émulée est caractérisée en considérant l’impact du point de fonctionnement initial des éoliennes et des paramètres du contrôleur. La contribution de la réserve éolienne à l’amélioration de la performance dynamique du système est également identifiée.Afin d’évaluer le potentiel et la fiabilité de la réserve éolienne, la dernière partie de ce travail est consacrée aux études statistiques prenant en compte la variabilité et l’incertitude de la prévision de la production. Deux stratégies du placement de réserve sont proposées et comparées. L’impact des erreurs de prévision sur le potentiel de réserve éolienne est également mis en évidence. Enfin l’énergie réglante d’une ferme et la plage de réglage du statisme éolien sont caractérisées / The increasing development of wind power that does not participate in frequency control leads to new challenges in the management of electrical power systems. The problems are more significant in weak power grids. The present thesis aims to evaluate the performance and the reliability of frequency response from wind turbines on a system-wide scale. Studies are applied onto an isolated power grid.First of all, the impact of high levels of wind penetration on primary reserve allocation and on grid dynamic behaviour is characterized. It is shown that the participation of wind turbines in frequency regulation is technically required for maintaining power system security from a certain wind penetration rate.Two solutions allowing wind turbines to contribute to frequency control are then studied through dynamic simulations. The performance of emulated inertia is characterized by taking into account the impact of initial wind operating point and controller parameters. The contribution of wind power reserve to system dynamic performance improvement is also identified.In order to assess the potential and the reliability of wind primary reserve, the last part of this research work is devoted to statistical analyses considering the variability and the prediction uncertainty of wind generation. Two strategies for reserve allocation are proposed and compared. The impact of forecast errors on the potential of wind power reserve is also highlighted. Finally the power frequency characteristic of a wind farm as well as the droop adjustment range is characterized

La technique d'intégration des systèmes éoliens verticaux (VAWT) au service des logements individuels, collectifs et tertiaires est une approche intéressante pour les acteurs de la maitrise d'énergie pour promouvoir une utilisation rationnelle de l'énergie. Le choix de l'implantation d'une éolienne en milieu urbain est déterminé par la hauteur des bâtiments, la vitesse du vent et l'intensité de turbulence du site. Les conditions de vents sévères à faible altitude sont favorables à une implantation de VAWT. Dans certaines villes, la hauteur moyenne des bâtiments est relativement faible et ceci fait qu'en ces lieux, les VAWTs sont appréciables par rapport aux HAWTs. La mécanique des fluides numériques (CFD) est mise en œuvre pour modéliser les écoulements d'air au travers d'éoliennes et des bâtiments. Un problème CFD modélisé avec un modèle de turbulence approprié donneront des résultats de simulations qui s'approcheront des réalités physiques et des résultats de l'expérimentation. Dans cette étude, les modèles standard k-" et SST k-! ont été utilisés. Après analyse des possibilités d'intégration d'une VAWT, la toiture reste la zone d'intégration la plus intéressante. En plus de l'étude aérodynamique, nous avons entamé une modélisation électrique de la chaîne de conversion de l'éolienne en utilisant le logiciel Matlab/Simulink. Le travail a été effectué dans le but de déterminer la puissance électrique susceptible d'être produite par l'éolienne. Pour finaliser cette étude, un modèle de couplage électrique de VAWTs avec un bâtiment considéré comme un modèle de charge est présenté. / The building integration of the vertical axis wind turbine (VAWT) to supply the individual, collective and tertiary residences consumption is an interesting approach that can help architects and the actors of the energy control to promote a rational use of renewable energy in the in homes. The choice of the location of the urban wind turbine type is determined by building height, wind speed and turbulence intensity of the site. The severe conditions of wind at low altitude are favorable for a VAWT installation. In some cities, the average buildings height is low, in these places, the VAWTs must be appreciable compared to the HAWTs. The modelling of the air flow through the wind turbine and the couple building-wind turbine involves the computation fluid dynamics (CFD). A problem modeled with a suitable turbulence model will give results that approach the physical reality and the experiment results. In this study, the standard k-" and SST k-! models were used. After analyzing the possibilities of VAWT integration, the roof is the most interesting integration area. In addition to CFD method, we have started to study the electrical model of the VAWT. The work was conducted to determine the electrical power generated by the wind turbine using Matlab/Simulink software. To complete the study, a VAWT model coupled with a building where the building is considered as a consumption model is presented.