Intégration de sources énergétiques non conventionnelles : cas de la Ville de Montréal

En 2013, la Ville de Montréal a identifié certaines actions à entreprendre afin de réduire ses émissions de gaz à effet de serre, dont le remplacement des systèmes de chauffage et de climatisation au mazout et au gaz naturel de son parc immobilier par une énergie moins polluante. Dans cette perspective, l'idée de chauffer ou climatiser les bâtiments à l'aide de la géothermie a été énoncée. Cependant, les systèmes géothermiques conventionnels (puits en boucles fermées ou ouvertes) ne sont pas adaptés au contexte urbain particulièrement dense ou aux paramètres hydrogéologiques de l'île de Montréal. Il a donc été proposé d'identifier différentes sources d'énergie non conventionnelles propices aux conditions de la région de Montréal. Grâce à la réalisation d'une revue de littérature, les sources énergétiques choisies étaient : les eaux usées ; les lignes de métro ; les eaux de surface et les puits à colonne permanente. L'objectif principal de cette recherche était donc de caractériser et de quantifier le potentiel d'implantation dans le parc immobilier existant de la Ville de Montréal des différentes sources d'énergie non conventionnelles identifiées. Cependant, un aspect communément négligé lors de la conception de systèmes géothermiques concerne l'interférence entre les structures souterraines. À long terme, celle-ci peut entraîner une perte de durabilité et d'efficacité des systèmes géothermiques et très peu d'analyses ont été effectuées afin de quantifier les risques d'interférences. Afin d'optimiser la caractérisation du potentiel d'implantation, il était également nécessaire d'examiner l'influence à long terme de l'exploitation des différentes technologies et, plus spécifiquement, celle avec le meilleur potentiel d'implantation dans la municipalité. Ainsi, les objectifs spécifiques de ce travail étaient donc d'identifier les sources énergétiques, de caractériser les bâtiments potentiels, de déterminer les conséquences et les risques d'interférences thermique et hydraulique de l'exploitation des technologies et, enfin, de mettre en place des lignes directrices pour la réalisation de projets pilotes. Suite à la revue de littérature sur les technologies non conventionnelles, les caractéristiques énergétiques des bâtiments du parc immobilier de la Ville de Montréal ont été établies. Sur l'ensemble des immeubles appartenant à la municipalité, 250 bâtiments utilisent une énergie fossile (gaz naturel, mazout, propane, etc.) et bénéficieraient d'une conversion vers une source énergétique moins polluante. Suite à cette identification, l'élaboration d'une vaste cartographie numérique a été réalisée. Celle-ci intègre, entre autres, plusieurs paramètres géologiques, hydrologiques et hydrogéologiques ainsi que les caractéristiques énergétiques et géographiques des bâtiments identifiés de la Ville. La mise en oeuvre de cette carte a été conçue pour caractériser les zones potentielles et les bâtiments les plus propices à une conversion énergétique, et ce, afin de quantifier le potentiel de conversion. Les résultats démontrent que les systèmes de puits à colonne permanente sont les systèmes les plus facilement déployables sur l'île de Montréal, la proximité de la source et le faible espace nécessaire à l'installation augmentant fortement leur potentiel d'implantation. Les systèmes de récupération énergétique depuis les eaux usées présentent également un bon potentiel d'implantation. Cependant, les systèmes de récupération depuis les eaux de surface et dans les tunnels de métro, démontrent un potentiel moindre que les deux autres technologies, expliqués par les larges distances entre les bâtiments et leur source énergétique. Suite à la cartographie, un modèle tridimensionnel semi-régional par éléments finis a ensuite été construit avec le logiciel Comsol Multiphysics afin de simuler le comportement thermique et hydraulique de l'installation d'un système de puits à colonne permanente sur un bâtiment de la municipalité. L'objectif de cet exercice était de caractériser les interférences entre les différents systèmes afin de mieux cartographier les possibilités d'implantation de cette technologie. Le choix du bâtiment s'est arrêté sur le Centre Père-Marquette, situé dans l'arrondissement Rosemont-la-Petite-Patrie, qui présente un fort potentiel de conversion énergétique. Conjointement, quatre autres systèmes ont été ajoutés de façon à augmenter l'interférence sur le domaine régional. Au total, cinq systèmes géothermiques, quatorze puits à colonne permanente et cinq puits d'injection ont été modélisés. Les résultats ont indiqué la viabilité des cinq systèmes sur dix années de simulation, et ce, sans dégradation notable des performances des puits à colonne permanente. Ils ont également démontré que les modifications thermiques ont une portée plus large et importante que les altérations hydrauliques. En outre, les modifications provoquées par bâtiments étaient significativement plus importantes que celles provenant des puits géothermiques. Les résultats ont aussi démontré que les risques d'interférence entre les systèmes sont possibles, mais restent limités. Il serait toutefois souhaitable de positionner les puits d'injection le plus loin possible des puits à colonne permanente. L'analyse a également confirmé que l'exploitation des systèmes de puits à colonne permanente dans un contexte urbain serait viable à court et à long terme. L'exploitation de systèmes plus petits, tels que les bâtiments résidentiels, entraîne des changements minimes aux régimes thermique et hydraulique, tandis que les systèmes plus larges devraient être dimensionnés et positionnés avec plus de précautions. Finalement, suite aux conclusions de l'analyse numérique, une cartographie finale présentant les résultats de localisation des bâtiments aux meilleurs potentiels pour chacune des technologies étudiées a été réalisée. La cartographie régionale établie dans le cadre du travail devrait être complétée par des études de précision à l'échelle locale.

Abstract

In 2013, the City of Montreal identified a number of actions to be taken to reduce greenhouse gas emissions, one of which was to replace its buildings' fossil-fuel systems with a cleaner energy source. In this perspective, the idea of heating and cooling buildings with geothermal energy has been suggested. However, conventional geothermal systems (closed and open loop wells) are neither adapted to the particularly dense urban context nor to the hydrogeological parameters of the island of Montreal. It was therefore proposed to identify different nonconventional energy sources suitable to the specific conditions of the Montreal area. Through an extensive literature review, the selected energy sources were: with wastewater heat exchange; with heat exchange in subway lines; with surface water heat exchange; and standing column wells. The main objective of this research was therefore to characterize and quantify the potential of the non-conventional energy sources identified in the City of Montreal's existing building. However, one aspect that is commonly overlooked in the design of geothermal systems is interference between underground structures. In the long term, interference can lead to a loss of durability and efficiency of systems and very few investigations have been done to quantify the risks. In order to optimize the characterization of the potential, it was required to investigate the long-term influence of the operation of the selected technologies. Thus, the specific objectives of this work were to identify and to characterize the potential buildings, to determine the consequences and the risks of thermal and hydraulic interferences of the exploitation of the selected technologies and, finally, to establish guidelines for the realization of pilot projects. Following the literature review on the proposed technologies, the energetic characteristics of the City of Montreal's building inventory were established. Of all the buildings owned by the municipality, 250 buildings use fossil fuels (natural gas, oil, propane, etc.) and would benefit from a conversion to a cleaner energy source. Based on this identification, an extensive digital map was developed. Among other things, the map includes a number of geological, hydrological and hydrogeological parameters, as well as the energy and geographical characteristics of the buildings identified in the City. The development of this map was intended to identify the potential areas and buildings that are most suitable for energy conversion, in order to quantify their conversion capabilities. Of the different systems studied, the results show that standing column wells are the most readily deployed on the island of Montreal. Proximity to the source and the small space required for their installation greatly increase their potential. Wastewater heat recovery systems also have a good potential for integration into buildings. However, surface water and tunnel energy recovery systems demonstrate a lower potential than the other two technologies, due to the large distances between the buildings and their energy source. Once the mapping was completed, a large three-dimensional finite element model was built with the software Comsol Multiphysics in order to simulate the thermal and hydraulic behaviour of the installation of a standing column wells on a municipal building. The purpose of this process was to characterize the interferences between several systems in order to improve the mapping of this technology. The building chosen was the Centre Père-Marquette, located in the Rosemont-la-Petite-Patrie district, which has a strong potential for energy conversion. Four other systems were added at the same time in order to increase the interference on the surrounding area. In total, five geothermal systems, fourteen standing column wells and five injection wells were modeled. Results indicated the viability of all five systems over ten years of simulation with no significant degradation in thermal performance. They also showed that thermal changes were larger and more significant than hydraulic changes. In addition, building-induced alterations were significantly larger than those from geothermal wells. Furthermore, the results showed that interference between the systems is possible, but remains superficial. However, it would be beneficial to position the injection wells as far away from the PCPs as possible. The analysis also confirmed that the operation of PCP systems in an urban context would be viable in the short and long term. Operating smaller systems, such as residential buildings, results in minimal changes to the thermal and hydraulic regimes. However, deployment of larger systems should be done with more care, which involves effective positioning of wells to reduce the risk of interference. In the end, following the conclusions of the numerical analysis showing that the risk of interference between buildings is low, a final cartography displaying the location of the buildings with the highest potential for each of the technologies studied was produced. It should be noted that the regional mapping established in the context of this work should be completed by precision studies at the local scale.