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Infrastructures dans le Nord du Canada : Développement routier et décarbonisation

Thomas Stringer

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

The quality of life of inhabitants of Canada's North depends on the infrastructures that connect remote communities to the country's South and those that allow these communities to reduce transport and energy costs. Building these infrastructures are massive projects that have to be undertaken with caution, whether it be new roads, power lines or power plants. This is because the costs associated with such projects are immense, and their long-term effects are not well known in the northern context. Nonetheless, gaining a better understanding of what these infrastructures will generation socio-economically or how much they will cost can aid government stakeholders better understand what northern populations can gain. Proposals for infrastructure development in Canada's North are gaining political traction, including a corridor connecting the northern regions of each of the country's provinces. Quebec is Canada's largest, northernmost province and would be pivotal in the construction of the corridor. Examining the historical phases of Quebec's northern development is crucial in assessing the challenges ahead. The first section of this thesis groups Quebec's infrastructure developments into three main phases, synthesizes each phase and critically compares them to the proposed Northern Corridor Concept (NCC). No research has yet examined the NCC's complementarity with Quebec's history of northern infrastructure development. While previous phases could be categorized as intraprovincial penetration corridors linking Northern to Southern Quebec, the NCC aims to develop an interprovincial economic corridor for landlocked provinces to be able to gain better sea access. Obstacles arising from the conciliation of past developments with the NCC include the unfitness of using existing infrastructures in Quebec for a Pan-Canadian corridor and differing development trajectories at the provincial and federal levels. Three route options for the NCC in Quebec are presented in this study. More generally, this paper outlines difficulties specific to subarctic remote corridor development. As an essential form of transportation infrastructure, road connection is viewed as an important driver of economic development. However, for remote subarctic communities, it can also mean a huge change in their way of life. How large are the socio-economic benefits of road connection? The second section of this thesis uses census data from Northern Quebec and Labrador to assess the effects of road connection on municipalities connected between 1986 and 2016. Using a difference-in-differences regression model assorted with robustness checks, we find that road connection is correlated with increased employment rates and educational attainment and decreased unemployment. While we also find positive and significant correlations between road connection and income in many specifications, that particular result is not robust when ensuring that error terms are not subject to cross-sectional dependence. Overall, our results support the conjecture that road connection of remote municipalities generates non-negligible economic benefits. At a national scale, transitioning from non-renewable sources of energy to renewable ones is an important theme in Canada's government's platform. However, the investments required for such a transition are often said to be quite costly. In Canada, previous research has shown that a transition is economically feasible at the national level, but is an energy transition equally as feasible for each of Canada's provinces? The third section of this thesis uses energy use simulation data and a costing model to assess the infrastructure expenditures for a carbon-neutral transition for each of the country's ten provinces from now until 2060. By calculating the costs for five different scenarios and taking into account the savings incurred by lower fossil fuel consumption post-transition, we find that most of Canada's provinces stands to gain from a pan-Canadian energy transition by each capturing fossil fuel savings. We also find that generally, provinces that produce electricity using fossil fuels are set to benefit from more savings following a transition than provinces that currently produce electricity using renewable sources. Canada produces most of its electricity using renewables. However, in remote communities that are not connected to Southern Canada's main grid, the quasi-totality of microgrids rely on fossil fuels to ensure electricity supply. How much would it cost to decarbonize all of these microgrids? The fourth section of this thesis uses a cost-based approach paired with a binary integer optimization model to find the least costly decarbonization solution for each off-grid settlement from now until 2050. By using wind speed and solar irradiance data together with future generation and storage cost estimates, our model determines whether solar or wind is more appropriate for a settlement and at which time period it is best to undergo a transition from fossil fuel generation to renewables. Our results show that the cost of decarbonizing Canada's remote microgrids are not prohibitive and which technology and implementation time period are cheapest for each settlement. We find that in 2020 wind turbines would be the cheapest option for most settlements, whereas in 2050 solar panels would be the cheapest option for most settlements. Settlements that currently use diesel of heavy fuel to produce electricity should consider undergoing a decarbonization as soon as possible, while those that use natural gas could wait until production and storage technologies become cheaper. Larger settlements and fly-in communities could also be prioritized.

Résumé

La qualité de vie des habitants du Nord canadien dépend des infrastructures qui relient ces collectivités éloignées au Sud du pays et de celles qui permettent à ces communautés de réduire leurs coûts de transport et d'énergie. Construire ces infrastructures engendre de projets massifs qui doivent être entrepris avec prudence, qu'il s'agisse de nouvelles routes, de lignes électriques ou de centrales électriques. En effet, les coûts associés à de tels projets sont immenses et leurs effets à long terme ne sont pas bien connus dans le contexte nordique. Néanmoins, une meilleure compréhension de ce que ces infrastructures généreront sur le plan socio-économique ou de leur coût peut aider les parties prenantes gouvernementales à mieux comprendre ce que les populations nordiques peuvent en retirer. Les propositions de développement des infrastructures dans le Nord du Canada gagnent du terrain sur le plan politique, notamment celle d'un corridor reliant les régions du nord de chacune des provinces du pays. Le Québec est la province la plus grande et la plus septentrionale du Canada et jouerait un rôle central dans la construction du corridor. L'analyse des phases historiques du développement du Nord québécois est crucial pour évaluer les défis à venir. La première section de cette thèse regroupe les développements des infrastructures du Québec en trois phases principales, synthétise chaque phase et les compare de manière critique au concept de Corridor nordique canadien. Aucune recherche n'a encore examiné la complémentarité du corridor avec l'historique du développement des infrastructures nordiques au Québec. Alors que les phases précédentes pouvaient être catégorisées comme des corridors de pénétration intraprovinciale reliant le nord au sud du Québec, le corridor nordique vise à développer un corridor économique interprovincial pour les provinces enclavées afin d'avoir un meilleur accès maritime. Parmi les obstacles découlant de la conciliation des développements passés avec le corridor nordique figurent l'inadéquation de l'utilisation des infrastructures existantes au Québec pour un corridor pancanadien et des trajectoires de développement différentes aux niveaux provincial et fédéral. Trois options de tracé pour le corridor nordique au Québec sont présentées dans cette étude. Plus généralement, cet article décrit les difficultés propres au développement de corridors éloignés subarctiques. Comme infrastructure essentielle de transport, la connexion routière est considérée comme un moteur important du développement économique. Cependant, pour les communautés subarctiques éloignées, cela peut également signifier un énorme changement dans leur mode de vie. Quelle est l'ampleur des avantages socio-économiques de la connexion routière ? La deuxième section de cette thèse utilise des données de recensement du Nord du Québec et du Labrador pour évaluer les effets du raccordement routier sur les municipalités raccordées entre 1986 et 2016. À l'aide d'un modèle de régression, assorti de vérifications de robustesse, nous constatons que le raccordement routier est corrélé avec une augmentation des taux d'emploi et du niveau d'instruction et une diminution du chômage. Bien que nous trouvions également des corrélations positives et significatives entre la connexion routière et le revenu dans de nombreuses spécifications, ce résultat particulier n'est pas statistiquement robuste. Dans l'ensemble, nos résultats appuient la conjecture selon laquelle le raccordement routier des municipalités éloignées génère des avantages économiques non négligeables. À l'échelle du Canada, la transition des sources d'énergie non renouvelables vers les sources d'énergie renouvelables est un thème important de la politique énergétique du gouvernement fédéral. Cependant, les investissements requis pour une telle transition sont souvent considérés comme étant assez coûteux. Au Canada, des recherches antérieures ont montré qu'une transition est économiquement plausible au niveau national. Cependant, une transition énergétique est-elle tout aussi plausible pour chacune des provinces du Canada? La troisième section de cette thèse utilise des données de simulation d'utilisation d'énergie et un modèle de coût pour évaluer les dépenses d'infrastructure pour une transition net-zéro pour chacune des dix provinces du pays d'ici 2060. En calculant les coûts pour cinq scénarios différents et en tenant compte les économies engendrées par la baisse de la consommation de combustibles fossiles après la transition, nous constatons que la plupart des provinces du Canada ont tout à gagner d'une transition énergétique pancanadienne en captant chacune des économies de combustibles fossiles. Nous constatons également qu'en général, les provinces qui produisent de l'électricité à partir de combustibles fossiles devraient bénéficier de plus d'économies après une transition que les provinces qui produisent actuellement de l'électricité à partir de sources renouvelables. Le Canada produit la majeure partie de son électricité à partir d'énergies renouvelables. Cependant, dans les communautés éloignées qui ne sont pas connectées au réseau principal du sud du Canada, la quasi-totalité des micro-réseaux dépendent des combustibles fossiles pour assurer l'approvisionnement en électricité. Combien coûterait la décarbonisation de tous ces microréseaux ? La quatrième partie de cette thèse utilise une approche basée sur les coûts couplée à un modèle d'optimisation pour trouver la solution de décarbonisation la moins coûteuse pour chaque communauté éloignée d'ici 2050. En utilisant les données de vitesse du vent et d'irradiance solaire, de même que des données sur la production future et des estimations des coûts de stockage, notre modèle détermine si l'énergie solaire ou éolienne est plus appropriée pour une communauté et à quelle période il est préférable de passer de la production de combustibles fossiles aux énergies renouvelables. Nos résultats montrent que le coût de la décarbonisation des micro-réseaux éloignés du Canada n'est pas prohibitif et quelle technologie et quelle période de mise en œuvre sont les moins chères pour chaque communauté. Nous constatons qu'en 2020, les éoliennes seraient l'option la moins chère pour la plupart des communautés, alors qu'en 2050, les panneaux solaires seraient l'option la moins chère pour la plupart des communautés. Celles qui utilisent actuellement du diesel ou du fioul lourd pour produire de l'électricité devraient envisager de se décarboniser dès que possible, tandis que celles qui utilisent du gaz naturel pourraient attendre que les technologies de production et de stockage deviennent moins chères. Les plus grandes agglomérations et les communautés accessibles par avion pourraient également être prioritaires.

Department: Department of Mathematics and Industrial Engineering
Program: Doctorat en génie industriel
Academic/Research Directors: Marcelin Joanis
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10267/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 19 Sep 2022 11:08
Last Modified: 07 Apr 2024 19:03
Cite in APA 7: Stringer, T. (2022). Infrastructures dans le Nord du Canada : Développement routier et décarbonisation [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10267/

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