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Intégration de la dymanique de la production électrique et évaluation des conséquences environnementales et économiques du cycle de vie de la production distribuée

Mourad Ben Amor

Thèse de doctorat (2011)

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Citer ce document: Ben Amor, M. (2011). Intégration de la dymanique de la production électrique et évaluation des conséquences environnementales et économiques du cycle de vie de la production distribuée (Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal). Tiré de https://publications.polymtl.ca/729/
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Résumé

La production distribuée d’énergies renouvelables peut jouer un rôle important dans l’atteinte des objectifs de différents programmes énergétiques tels qu’assurer un approvisionnement répondant à une consommation croissante en énergie et la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). Jusqu’à présent, plusieurs catégories d’impact de la production distribuée d’énergies renouvelables à partir de l’éolien et du solaire Photovoltaique ont été étudiées : les impacts sur les changements climatiques, les impacts économiques, les impacts sur l’utilisation des terres, etc. Cependant, les études évaluant ces différents impacts d’une manière intégrée et suivant une approche cycle de vie restent encore rares dans la littérature, bien que plusieurs travaux aient souligné l’intérêt d’une intégration. En plus de ne pas évaluer de manière intégrée les impacts environnementaux et économiques du cycle de vie, les études identifiées considèrent sans justification des scénarios idéaux (centrales de production électrique à partir du charbon ou du gaz naturel, grandes émettrices de GES) pour évaluer les impacts environnementaux et économiques à court-terme reliés aux conséquences de l’intégration de la production distribuée, alors que plusieurs approches conventionnelles peuvent être appliquées. Ces approches consistent à utiliser soit des données moyennes, ou soit des données marginales pour le court-terme (en utilisant la procédure à cinq étapes développée par Weidema (2003). Jusqu’à présent, rares sont les études qui se sont penchées sur l’influence de ce choix d’approches sur les résultats. Le premier objectif du projet de recherche consiste à évaluer d’une manière intégrée et comparer les impacts environnementaux et économiques du cycle de vie attribuables aux systèmes de production distribuée d’énergies renouvelables. Pour ce faire, deux filières ont été évaluées: les panneaux solaires Photovoltaiques (3kWp monocristallin et polycristallin) et les éoliennes de petites puissances (1, 10 et 30 kW). De plus, les impacts environnementaux (qualité des écosystèmes, changements climatiques, ressources et santé humaine) et économiques du cycle de vie attribuables aux systèmes évalués ont été calibrés selon différentes intensités de vent et d’ensoleillement rencontrées au Québec. Le second objectif consiste à appliquer les approches conventionnelles pour l’évaluation à court-terme des impacts environnementaux et économiques reliés aux conséquences de l’intégration de la production distribuée. Pour ce faire, une analyse de sensibilité des scénarios de système centralisé de production électrique utilisant 1) des données moyennes et 2) des données marginales pour le court-terme, a également été appliquée. En résumé, les résultats montrent que l’éolienne de petite puissance de 30 kW et les panneaux solaires polycristallins de 3kWp représentent respectivement les séquences technologiques ayant le meilleur profil économique et environnemental pour les conditions de vent et d’ensoleillement au-dessus et au-dessous de la moyenne de la province de Québec. De plus, uniquement l’éolienne de petite puissance de 30 kW présente des avantages de réduction à court-terme des impacts environnementaux et économiques seulement si l’énergie renouvelable vient substituer de l’énergie électrique obtenue de centrales thermiques au mazout. Les résultats de l’application des approches conventionnelles pour évaluer les impacts environnementaux et économiques reliés aux conséquences de l’intégration de la production distribuée ne tiennent pas compte de la concordance entre la production d’énergies renouvelables et les unités de production marginales (ce qui est appelé ici la dynamique de la production électrique). Le troisième objectif du projet de recherche consiste à développer une méthode dans le but d’intégrer la dynamique de la production électrique pour l’évaluation à court-terme des impacts environnementaux et économiques reliés aux conséquences de l’intégration de la production distribuée. Les nouveaux résultats en comparaison avec ceux obtenus en utilisant les approches conventionnelles vont aider à évaluer les fondements des approches conventionnelles à simplifier la dynamique de la production électrique tout en restant suffisamment réalistes. Pour ce faire, un modèle d’identification des technologies marginales qui tient compte de la dynamique de la production électrique est développé et appliqué au cas d’étude. Les résultats correspondants montrent que la réduction des impacts s’applique uniquement d’un point de vue environnemental. Avec l’utilisation de données moyennes de l’approvisionnement électrique, il n’y a aucune réduction des impacts environnementaux en conséquence de l’intégration de la production distribuée. Une seule exception pourrait être notée pour l’éolienne de 30 kW pour laquelle une réduction des impacts pour la catégorie ressources est observée. D’un autre côté, les résultats en utilisant l’approche proposée (tenant compte de la dynamique de la production électrique) montrent des réductions des impacts environnementaux pour toutes les catégories analysées (qualité des écosystèmes, changements climatiques, ressources et santé humaine) à l’exception de l’éolienne de 1 kW pour la catégorie qualité des écosystèmes. Ceci met en relief le biais qui pourrait être introduit par la simplification irréaliste de la dynamique de la production électrique en utilisant les données moyennes. De plus, en utilisant l’approche proposée, les résultats correspondants, se trouvent dans la plage de résultats obtenus en utilisant les deux technologies marginales statiques identifiés par l’application de la procédure à cinq étapes développée par Weidema (2003). Par contre, aucune tendance claire ne se dessine quant à la surestimation systématique des résultats lors de l’utilisation d’une technologie marginale statique par rapport à l’approche proposée. Par exemple, les résultats obtenus en utilisant, comme seule technologie marginale statique, la centrale au gaz naturel sont surestimés de 155 % pour les impacts sur la santé humaine et sous-estimés de 185 % dans le cas de la qualité des écosystèmes. Ces pourcentages démontrent l’impact de l’intégration de la dynamique de la production électrique lors de l’évaluation des impacts environnementaux reliés aux conséquences de l’intégration de la production distribuée d’énergies renouvelables. En continuité avec l’évaluation du potentiel des approches conventionnelles à simplifier de façon adéquate la dynamique de la production électrique, il n’est pas clair si l’utilisation de ces approches conventionnelles est recommandée pour analyser l’influence de la taxe carbone sur les impacts du cycle de vie reliés aux conséquences à l’intégration de la production distribuée. Ce manque méthodologique peut devenir problématique sachant que l’intégration de la production distribuée pourrait se faire d’une manière simultanée à l’application d’un régime de taxation des GES. Le dernier objectif du projet de recherche consiste à développer un modèle d’équilibre partiel et à l’appliquer pour l’évaluation à court-terme de l’influence de la taxe carbone sur les impacts environnementaux et économiques reliés aux conséquences de l’intégration de la production distribuée. Pour ce faire, l’introduction de la taxe sur le carbone est évaluée. Cette dernière a pour effet 1) d’augmenter le prix de production de l’électricité et par conséquent, selon les mécanismes d’équilibre partiel, augmenter la valeur de l’électricité dans le marché et 2) d’influencer la fréquence d’utilisation des technologies marginales dans le temps. Ces changements viennent à leur tour modifier les résultats sur les impacts économiques et environnementaux. Avec l’intégration de la taxe sur le carbone dont la valeur varie entre 30 $US et 90 $US par tonne de CO2, les résultats obtenus en utilisant l’approche proposée (tenant compte de la dynamique de la production électrique) ne se trouvent pas dans la plage de résultats en utilisant les technologies marginales statiques identifiés par l’application de la procédure à cinq étapes développée par Weidema (2003). De plus, les résultats obtenus en utilisant les technologies marginales statiques surestiment les impacts environnementaux avec l’augmentation de la taxe sur le carbone. D’un point de vue économique, les résultats obtenus en utilisant l’approche proposée se trouvent dans la plage de résultats obtenus en utilisant les technologies marginales statiques. Cependant, l’absence de réduction des impacts économiques reliés aux conséquences de l’intégration de la production distribuée est encore notée. Une seule exception est observée dans le cas où l’on considère la réduction des externalités correspondantes aux émissions des gaz à effet de serre réduites dans les autorités voisines de la province de Québec (Nouveau-Brunswick et Nouvelle-Angleterre). De manière générale, le projet de recherche a permis de montrer, en absence et en présence de de la taxe sur le carbone, l’impact de l’intégration de la dynamique de la production électrique pour évaluer le bon fondement et les limites des approches conventionnelles à évaluer pour le court-terme les conséquences environnementales et économiques à travers l’étude de cas sur l’intégration de la production distribuée d’énergies renouvelables par le solaire Photovoltaique et les éoliennes de petites puissances. ---------- Distributed generation (DG) from renewable energy systems (RES) can play a significant role in meeting different energy policy goals, such as reducing greenhouse gas emissions, and adding supply to meet increasing energy demand. Renewable energy production performances using small-scale technologies are still under continuous investigation. Different impact categories are studied, such as global warming potential, economic impacts, land use, etc. However, only a few studies have combined all these different impacts through a life cycle perspective, despite recommendations to incorporate such a combination. Furthermore, these identified studies focused on assessing ideal conditions and compared small-scale renewable technologies to a high carbon centralized electricity production, even if approaches using different potentially affected centralized energy systems based on average and short-term marginal data already exist. One major drawback of assessing ideal conditions is the difficulty in generalizing the results, due to the specific setting used to assess distributed generation. Therefore, it is recommended to perform a sensitivity analysis using different centralized energy systems to provide a better picture of the potential benefits of distributed generation as an energy policy. Surprisingly, however, little research has been conducted on how such an analysis can affect study conclusions. The first objective of this research project consisted in assessing the life cycle performance of small-scale renewable technologies. More specifically, the assessment integrates the environmental and economic life cycle impacts (LCA and LCC) of five commonly used small-scale systems: two types of grid-connected photovoltaic panels (3 kWp mono-crystalline and poly-crystalline system) and three types of micro-wind turbines (1 kW, 10 kW and 30 kW). Results were obtained for different climatic conditions prevailing in the province of Quebec (i.e. various levels of solar radiation and wind speed) to evaluate geographical dependencies. The second objective consists of exploring the potential benefits and limitations of distributed generation in a Northeastern American context. A sensitivity analysis was performed characterizing different potentially affected centralized energy systems, based on average and short-term marginal data (using the 5 step procedure developed by Weidema (2003)). First, results show that life cycle system performances are very sensitive to climatic conditions: micro-wind 30 kW is deemed the best technology for above average conditions while 3 kWp poly-crystalline photovoltaic panels are preferable for below average conditions. Second, production potential using distributed generation does not show a potential benefit in comparison to the centralized Quebec grid mix (i.e. approach using average data). However, and this is the third main result, the assessed technologies, and more precisely micro-wind 30 kW, show potential benefits (environmental and economic) as long as oil centralized technologies are affected (decreases its production as a consequence of the integration of renewable distributed generation). The presented results do not consider changes in time for the renewable energy production and for short-term marginal electricity production technologies. However, these changes are fundamental and ignoring them could reduce the relevance of the study results. Up until now, no studies in the literature have considered the time varying nature when modeling electricity supply. The third objective of this research project was to assess the implications of incorporating temporal aspects of electricity supply into the analysis. Environmental (ecosystem quality, climate change, resources and human health) and economic impact abatements of distributed generation using renewable energy system were estimated and compared to conventional approaches (using average and short-term marginal data) to assess such implications. Therefore, temporal variations of electricity supply were modeled and the results were used to estimate displaced types and the quantity of fuel saved from the affected short-term marginal electricity production technology, and thus assess the environmental impact abatements using micro-wind turbines and photovoltaic panels. Moreover, the economic impact abatements were modeled using hourly generation information in conjunction with hourly wholesale price data. Results show that distributed generation has no economic benefits using the selected renewable energy systems. This is also the case when the Quebec consumption mix (approach using average data) is chosen to estimate life cycle environmental impact abatements. One exception can be identified when using micro-wind 30 kW and considering the ressource impact indicator. Using Quebec’s average consumption mix overestimates hydropower as being marginal and underestimates the life cycle environmental impacts abatement to such an extent that a biased conclusion is reached. Indeed, results obtained using the proposed approach showed that distributed generation presents a potential environmental benefit from all the assessed renewable energy systems. One exception can be noticed for the micro-wind turbine 1kW technology when considering the ecosystem quality impact indicator. Results obtained using the proposed approach fall within the range of results obtained using the identified marginal technologies. However, there is no clear tendency showing that using one given marginal technology will always provide results below or above the ones obtained by applying the proposed approach. As an example, when natural gas power plants are considered as marginal, results reached a maximum of 155% above the proposed method estimate (for the human health indicator) and a maximum of 185 % below the proposed method estimate (for the ecosystem quality indicator). These percentages show how integrating time into electricity supply to assess life cycle environmental impact abatements provide more refined estimates in comparison to the conventional approach (i.e. static). Given that distributed generation arise amidst talks of implementing a carbon mitigation policy such as carbon taxes, the last (fourth) objective of this research project was to assess the implications of incorporating carbon taxes along with the temporal aspects of electricity supply into the analysis. Once again, environmental and economic impact abatements of distributed generation using renewable energy system were estimated and compared to conventional approaches to assess such implications. Different levels of carbon taxes were therefore assessed using the developed partial equilibrium model. The latter is crucial to 1) estimate the increase of the hourly market price and 2) identify the hourly marginal electricity production technologies. When increasing the carbon tax level from US$30 to US$90/tonne of CO2-equivalent, the obtained results using the proposed approach do not fall within the range of results obtained using the identified marginal technologies (using the 5 step procedure developed by Weidema(2003)). Indeed, results obtained using the identified marginal technologies increase their overestimation of the life cycle environmental impact abatement when the carbon tax level also increases. From an economic perspective, results showed that distributed generation has no economic benefits using the selected renewable energy systems, even with a US$100/tonne of CO2-equivalent carbon tax. This finding remains the same when the value of the avoided GHG emissions is fully internalized, except for one scenario (micro-wind 30 KW). This research project clearly highlighted the impact of considering the dynamic patterns of electricity production to assess the accuracy of the conventional approach commonly used when estimating short-term life cycle environmental and economic abatement. This has been done by using the distributed generation case study in the presence and absence of different levels of carbon taxes.

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Département: Département de génie chimique
Directeur de mémoire/thèse: Réjean Samson, Pierre-Olivier Pineau et Caroline Gaudreault
Date du dépôt: 26 mars 2012 15:28
Dernière modification: 01 sept. 2017 17:33
Adresse URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/729/

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