203 - Production et utilisation durables de l’énergie dans le Nord : observations, solutions, enjeux et défis pour toutes les disciplines

Les changements climatiques soulèvent des défis majeurs pour le développement des communautés nordiques. De surcroît, celles-ci dépendent largement des énergies fossiles pour la production d’électricité et le chauffage des habitations. Dans le but de concevoir un modèle d’habitation qui réponde aux impératifs actuels et aux défis anticipés en matière de logement au Nunavik, un prototype a été construit à Quaqtaq en 2015. Ce dernier, de typologie « jumelé », a été conçu par des architectes et des ingénieurs d’expérience qui se sont inspirés de la norme Passive House et qui ont inclus des spécificités d’adaptation au mode de vie nordique dans le design. Le processus de réflexion a été amorcé par une charrette de design (atelier de travail collaboratif intensif) et la conception des plans s’est faite de pair avec la réalisation de simulations énergétiques. À la construction, des équipements de monitorage ont été dissimulés dans le prototype pour permettre l’analyse de la consommation énergétique et la validation des choix conceptuels. Bien que des leçons puissent être retenues de ces premières étapes, l’étude à plus long terme des données énergétiques recueillies combinées aux pratiques des occupants permettra, dans de prochains travaux, de juger de la durabilité et de l’efficience du prototype.

Les communautés inuites du Canada dépendent très majoritairement de générateurs diesel locaux coûteux et polluants pour la production d'électricité. Cet article cherche à comprendre les obstacles juridiques et politiques relatifs au développement des énergies renouvelables au Nunavik, le territoire inuit du Québec. Après une analyse des régimes juridiques, des configurations politiques et des politiques affectant la production d'énergie au Nunavik, nous présentons deux études de cas de projets d'énergie renouvelable dans les communautés de Kuujjuaq et d'Inukjuak. Cela nous permet de démontrer que le développement de projets d'énergie alternative n'est pas seulement déterminé par des questions techniques et économiques, mais qu'il est également indissociable des relations de pouvoir post-coloniales asymétriques entre les institutions québécoises et le peuple inuit. Nos résultats illustrent non seulement la valeur de la propriété et du leadership communautaires pour le développement durable du Nord, mais aussi l'attitude ambiguë des autorités publiques concernant le soutien politique et financier de tels projets.

Les ventilateurs récupérateurs de chaleur ou d’énergie (VRC/VRE) sont conçus avec une stratégie de dégivrage qui souvent est une recirculation de l’air chaud et vicié à travers l’échangeur pour faire fondre toute formation de givre, pour des opérations dans des climats froids. Une protection supplémentaire contre le givre consistant à l’installation d’un système de pré-chauffage (hydronique ou électrique) est souvent adoptée dans des régions d’extrême froid (Grand Nord et l’Arctique). Ces systèmes de pré-chauffage nécessitent un système de contrôle de la température d’alimentation en amont de l’unité VRC/VRE qui sont souvent défaillants. Le mauvais fonctionnement du système de contrôle du pré-chauffage mène souvent à une surchauffe de l’air frais alimentant l’unité VRC/VRE avec un impact négatif sur l’efficacité de récupération de chaleur/énergie et en général sur la consommation d’énergie du logement. Un aperçu d’un nouveau système de ventilation récupérateur d’énergie résilient au givre sera présenté.

Les stratégies visant à assurer un approvisionnement constant d'air frais tout en demeurant écoénergétiques sont importantes pour le logement du Nord. Les ventilateurs récupérateurs d'énergie (VRE) ont fait leurs preuves dans les climats froids, mais dans le froid extrême de l'Arctique, des cycles de givrage et de dégivrage fréquents réduisent leur efficacité et augmentent la consommation d'énergie. Ainsi, en intégrant des capteurs photovoltaïques/thermiques intégrés au bâtiment (BIPV/T) qui préchauffent l'air de ventilation, ce problème peut être réduit tout en générant de l'électricité. Cette étude de simulation étudie les performances d'un BIPV/T à base d'air conçu pour préchauffer l'air d'alimentation des VRE. Un modèle aux différences finies du BIPV/T est simulé dans MATLAB à l'aide des données météorologiques locales et des besoins en air frais intérieur. La conception BIPV/T reste simple pour faciliter la construction et améliorer la mise en œuvre dans l'Arctique. Le BIPV/T a pu augmenter la température de l'air frais fourni au VRE de plus de 16°C et a permis de réduire le temps de dégivrage jusqu'à 7 heures par jour. Le générateur BIPV/T de 40 m² a produit jusqu'à 33 kWh/jour d'électricité et 7,5 kWh/jour d'énergie thermique. Environ 30 % d'électricité et 10 % d'économies d'énergie totales ont été observées lorsque l'énergie BIPV/T simulée a été couplée à la consommation d'énergie résidentielle mesurée d'un duplex résidentiel situé dans le nord.

Le Nunavik est une région au nord du Québec dont la population, majoritairement inuite, est répartie en 14 communautés isolées sur les rives des baies d'Hudson et d'Ungava. La région, particulièrement sensible aux changements climatiques, est soumise à des conditions météorologiques extrêmes. Le soleil y est abondant en été, mais pratiquement absent en hiver. En raison de leur éloignement, les villages ne sont pas reliés au réseau électrique principal : l’électricité est fournie par des micro-réseaux alimentés par des génératrices diesel locales coûteuses et polluantes. La réduction de la consommation électrique des logements du Nunavik présente donc potentiellement d'importants avantages économiques et environnementaux pour la région. L’objectif de ce projet est d’évaluer le potentiel d’intégrer des technologies énergétiques renouvelables sur des bâtiments résidentiels au Nunavik. Une analyse des données de la consommation électrique de 12 logements dans le village de Quaqtaq est initialement effectuée pour obtenir les profils de consommation annuels de logements typiques. Les technologies de production et de stockage d’énergie sont alors modélisées en fonction des données météo locales. Une préférence est accordée aux technologies énergétiques solaires étant donné leur acceptabilité socio-culturelle supérieure dans la région. Un algorithme d’optimisation sert ensuite à dimensionner le système afin de maximiser le rendement énergétique tout en minimisant le coût du système.

Plusieurs projets de serres s’implantent dans le nord du Québec. Cependant, les spécificités du climat engendrent deux problématiques majeures concernant la gestion énergétique de ces outils de production végétale : 1) la saison de culture est particulièrement courte ; et 2) un écart de température entre le jour et la nuit trop important a été observé quand les plantes poussent, en été.

Afin de répondre à ces deux problématiques, un système de stockage thermique innovant a été mis en place dans une des serres communautaires de Kuujjuaq à l'automne 2018 et mis en service au cours de l'été 2019. La présentation fera un retour d’expérience de la première année d’utilisation et dressera des perspectives, notamment celle de l’ajout d’un système solaire thermique.

Bien que des projets récents de production d’énergie renouvelable aient été déployés sur le territoire nordique, la portée de ces projets demeure limitée en l’absence de solutions viables pour la production de chaleur et le stockage énergétique saisonnier. Ce constat est dû au caractère intermittent des sources renouvelables expérimentées jusqu’à maintenant. Pour arriver à une implantation massive de ces technologies, il faudra résoudre la problématique du stockage énergétique longue durée en climat froid. Des travaux s’effectuent dans les villages nordiques de Kuujjuaq, Whapmagoostui-Kuujjuarapik et Umiujaq, afin d’évaluer le potentiel géothermique peu profond et ainsi prédire le comportement à long terme de l’utilisation de pompes à chaleur géothermiques et de systèmes de stockage thermique souterrain en présence de pergélisol, lequel représente une solution innovante pour chauffer les bâtiments en hiver grâce à l’énergie solaire produite en excès durant la saison estivale. Les résultats montrent la viabilité de ces technologies à remplacer une partie de la consommation actuelle du diesel des bâtiments résidentiels et des installations d'eau potable, avec une économie d’énergie de 10 à 50%. Le potentiel de retombées est majeur, puisqu’avec des solutions de stockage d’énergie viables, les technologies d’énergie renouvelable pourront répondre à un plus large éventail de besoins et promouvoir un développement durable du Nord basé sur l’exploitation de ressources locales.

Les pompes à chaleur géothermiques à assistance solaire (PAC-GEO-AS) ont été proposées au Nunavik pour répondre aux besoins en chauffage des bâtiments et réduire la consommation associée d’hydrocarbures. Elles permettraient d’exploiter la température stable du sous-sol et d’y stocker l’énergie solaire, disponible seulement une partie de l’année. Cette technologie se heurte cependant à plusieurs barrières. On peut noter l’éloignement des communautés qui rend difficile et coûteux les travaux et la maintenance des systèmes. D’autre part, de tels systèmes requièrent une alimentation électrique, dans des communautés où l’électricité provient de centrales au diésel. Par ailleurs, l’extraction accrue de la chaleur du sol peut entraîner une chute significative de sa température sur plusieurs années d’opération et réduire les performances du système sur le long terme. Cette étude s’intéresse au dimensionnement d’une PAC-GEO-AS pour répondre aux besoins de chauffage d’une maison individuelle située à Kuujjuarapik (Nunavik). Un modèle du système a été réalisé sous le logiciel TRNSYS et des simulations ont permis d’estimer l’évolution de ses performances sur 10 années d’opération. Cette étude nous éclaire sur plusieurs ordres de grandeur : la taille requise du champ de puits géothermiques, l’impact de l’assistance solaire sur les performances du système, la réduction possible de la consommation de diésel, le coût global du système et le temps nécessaire au retour sur investissement.

Un outil dressant le portrait et le plan d’action en termes de développement durable (DD) pour des sites éloignés a permis de faire ressortir l’énergie comme un enjeu majeur et commun. Une analyse technique d’efficacité et d’approvisionnement renouvelable a été développée et appliquée avec une quinzaine de sites isolés de petite puissance au Québec, de 2013 à aujourd’hui. Le meilleur scénario technico‑économique de chaque site a été déterminé en simulations énergétiques avec le logiciel HOMER Energy Pro. Les résultats permettent de comparer plusieurs indicateurs décisionnels au regard de la situation actuelle. Le croisement des données de chaque installation entre elles permet de déduire le portrait de facteurs clés (économiques, environnementaux, sociaux) selon la consommation électrique globale des occupants. Pour les plus petits sites isolés, les jumelages conventionnels (solaire/diesel/batteries) sont rentables pour une forte pénétration en énergies renouvelables. Des corrélations et de bonnes pratiques pour l’avenir seront tirées de l’expérience vécue.

Pour répondre aux besoins des compagnies minières ou ferroviaires, il existe de nombreux camps de travailleurs dans le Nord québécois et canadien. Constitués de dizaines de chambres et d'installations d’hébergement, ils se trouvent exclusivement alimentés par des génératrices diesel. Pour son camp Esker situé non loin de Schefferville, totalement isolé et donc hors réseau, l’entreprise autochtone Tshiuetin est particulièrement innovante actuellement. Avec l’implantation de systèmes combinés solaires-éoliens-stockage et même hydrogène, elle va réduire sa consommation de carburant et les émissions de GES. La technologie Québécoise GreenCube, modulaire et rapidement implantable, est aussi adaptée aux conditions arctiques. Non seulement il s’agit ici de réduire les coûts d’opération de cette installation d’hébergement nordique, mais aussi de former et d'impliquer de jeunes travailleurs et techniciens autochtones à l’utilisation et l’entretien de ces technologies vertes.

Les Inuits du Nunavik dépendent à près de 100% des combustibles fossiles pour assurer leurs besoins en énergie. Aux vues de leur éloignement géographique et du climat rude, réaliser la transition énergétique n’est pas évidente. Alors, comment faire?

Un défi majeur réside dans les normes en énergie applicables aux logements. Ce sujet a mobilisé une équipe de recherche intersectorielle de l’Université Laval. Leurs recherches ont abouti à six épisodes sur la chaîne Youtube La Minute Éclair du droit des ressources naturelles et de l’énergie, dans lesquels des habitants du Nunavik, des chercheurs et des représentants d’entreprises et de gouvernements proposent des réponses concrètes à ce défi.

Cette présentation donne des observations faites à partir du suivi du comportement énergétique de six jumelés (douze logements) situés à Quaqtaq au Nunavik. Cinq de ces jumelés ont été construits avec les systèmes d’architecture et d’ingénierie typiquement utilisés dans la région alors que le sixième jumelé est plutôt un prototype d’habitation nordique moderne équipé de systèmes plus performants. Le prototype possède aussi un système de ventilation mécanique qui assure un haut taux de renouvellement d’air dans ces logements. Dans les cinq jumelés typiques, la ventilation se base uniquement sur les infiltrations naturelles et les ouvertures de fenêtres.

L’étude compare ainsi ces jumelés afin de quantifier l’impact que ces différents systèmes d’architecture et d’ingénierie ont sur leur performance énergétique. Le comportement énergétique des jumelés est obtenu à l’aide d’un système de monitoring qui mesure des données reliées à la consommation d’énergie (demande en chauffage, en eau chaude domestique et en électricité) et à l’environnement intérieur (températures, humidité et taux de CO₂ dans les pièces, ouverture de fenêtres). Ces données sont mesurées pour la plupart à toutes les minutes, offrant ainsi une grande résolution de mesure. Les données météorologiques de Quaqtaq sont également récoltées. L’étude vise également à profiter du fait que plusieurs logements sont identiques pour quantifier l’impact que les occupants ont sur la performance énergétique de leur logement.

Le Nunavik est une région isolée, soumise à des conditions climatiques extrêmes. Le pétrole constitue la principale source d’énergie et, à ces latitudes, les bâtiments présentent des charges de chauffage et d’électricité élevées. Dans le cadre d’une transition énergétique, la recherche s’intéresse au développement de bâtiments résidentiels durables à faible consommation. Les fenêtres jouent un rôle clé dans la performance thermique des bâtiments. Elles sont d’abord source d’éclairage naturel et de gains solaires passifs. Cependant, elles sont le point faible de l’enveloppe et la source d’importantes pertes de chaleur. L’objectif du projet de recherche présenté est de déterminer un design de fenêtre optimisé et adapté aux conditions nordiques qui permette de réduire l’empreinte carbone des logements. Cette communication s’axera sur l’étude du comportement des occupants vis-à-vis de l’ouverture des fenêtres. De précédents travaux montrent en effet que le confort intérieur et la gestion de la ventilation naturelle ont un fort impact sur les consommations énergétiques des bâtiments. Des données issues de logements situés à Quaqtaq, Nunavik, nous permettent d’étudier le comportement des habitants et de le traduire par un modèle. Ce modèle sera par la suite intégré dans un logiciel de simulation des performances énergétiques du bâtiment pour optimiser le design des fenêtres.

Deux analyses de cycle de vie (ACV) ont été menées dans le cadre d'un projet de doctorat pour évaluer les possibilités de régionalisation de l'ACV appliquée au Nunavik. Il s'agit de présenter succinctement le but de l'étude, la méthodologie d'ACV et les différents choix concernant le cadre de l'étude, puis de se concentrer sur la modélisation de l'inventaire du cycle de vie et l'évaluation de l'impact du cycle de vie régionalisés. Les résultats seront ensuite présentés et commentés afin d'ouvrir sur les besoins de développement de régionalisation de l'ACV pour une application plus représentative de la région du Nunavik.

Au Nunavik, les conditions climatiques de froid extrême et la situation géographique du territoire imposent de nombreuses contraintes dans la construction et l’entretien des bâtiments résidentiels. Ils sont actuellement préfabriqués dans le Sud du Canada avant d’être construits pendant les courtes saisons de chantier. Ils ne considèrent donc pas les particularités climatiques du site, mais dépendent plutôt de systèmes mécaniques à hautes émissions de CO₂. C’est pourquoi la recherche vise à utiliser une approche bioclimatique afin d’accroître la résilience des bâtiments d’habitation au Nunavik. La compacité, l’orientation et l’aérodynamisme de différents bâtiments basés sur le modèle J.2.2. de la Société Makivik ont donc été simulés et optimisés paramétriquement en réponse aux conditions climatiques de Kuujjuaq. Les résultats montrent que l’adaptation de la forme du bâtiment au contexte local peut réduire considérablement ses charges thermiques. Avec les résultats obtenus, trois bâtiments résidentiels combinant la compacité, l’orientation et l’aérodynamisme ont été simulés. Les résultats présentent des réductions de la charge thermique annuelle du bâtiment de référence de respectivement 18,7%, 12,3% et 41,3%. La recherche montre donc que l’implication de stratégies bioclimatiques dès les premières étapes de conception peut avoir un impact significatif sur la performance énergétique des bâtiments en climat de froid extrême et améliorer leur résilience.

La construction de bâtiments dans les régions nordiques isolées est confrontée à des défis importants qui empêchent la réalisation des objectifs de logement demandés dans ces communautés. Bien que la construction modulaire (et/ou préfabrication) puisse être considérée comme une solution facilitant la viabilité de la construction de bâtiments dans ces communautés isolées, la préfabrication de composants peut avoir des répercussions négatives sur les emplois locaux. Néanmoins, contrairement aux travaux de menuiserie, les travaux de mécanique, d'électricité et de plomberie (MEP) nécessitent généralement une main-d'œuvre qualifiée venant de l'extérieur du territoire. Alors, ce projet vise à acquérir une meilleure compréhension des éléments à considérer dans le développement de systèmes de chauffage préfabriqués et durables dans le contexte de ces régions. En particulier, le territoire du Nunavik au nord de la province de Québec (Canada) a été choisi en tant que région type pour cette étude. Une analyse de la chaîne de valeur ainsi que des algorithmes pour optimiser la modularisation du réseau de distribution des fluides caloporteurs sont abordés dans cette étude. En particulier, le cadre de calcul proposé considère la minimisation du coût d'installation sur site et des émissions de CO₂ dues au transport des modules par bateau ainsi que la maximisation de l'emploi local. Un algorithme de logique floue et un algorithme NSGA-II ont été envisagés à cet effet.

La chaleur située dans les profondeurs de la Terre peut être une solution pour diminuer la dépendance aux combustibles fossiles des communautés nordiques éloignées du Canada. Les travaux réalisés à Kuujjuaq (Nunavik, Québec) ont démontré que ses ressources géothermiques profondes peuvent remplir une grande partie des besoins énergétiques de la communauté. Il a été estimé que la probabilité de répondre aux besoins annuels en chauffage était supérieur à 90 % à 4 km de profondeur. Il est toutefois peu probable que les ressources situées à moins de 6 km de profondeur puissent combler tous les besoins annuels en électricité. Ainsi, les systèmes géothermiques ouvragés simulées ont un intérêt commercial potentiel. En effet, la probabilité de fournir une solution de chauffage à moindre coût qu’avec des fournaises au diesel varie entre 8 et 92 %. Ces résultats suggèrent que la géothermie profonde peut être une solution prometteuse pour soutenir la transition énergétique des communautés nordiques éloignées.