Evaluating Synergies Between Heating and Electricity Networks to Guide Decarbonization Strategies for Remote, Northern Communities

Le Canada compte plus de 200 communautés qui ne sont pas reliées au réseau électrique régional et qui comptent partiellement ou entièrement sur les combustibles fossiles pour répondre à leurs besoins énergétiques. Cette dépendance fondamentale à l'égard d'une ressource importée place les populations locales face à des coûts énergétiques élevés et à des interruptions d'approvisionnement, tandis que la combustion du combustible dans les génératrices, les chaudières et les fournaises produit d'importantes émissions de gaz à effet de serre et a des effets néfastes sur la santé humaine. Pour beaucoup de ces communautés, la décarbonisation de leur système énergétique représente une opportunité non seulement de lutter contre le changement climatique mais aussi de soutenir la croissance économique et d'améliorer la qualité de vie. Les génératrices diesel utilisées pour produire de l'électricité dans les communautés éloignées convertissent moins de 40% du carburant qu'elles consomment en énergie utile, ce qui les rend particulièrement intéressantes à remplacer par des technologies renouvelables. Cependant, cette inefficacité présente en fait une stratégie alternative pour réduire les combustibles fossiles : en valorisant la chaleur rejetée pour répondre aux besoins thermiques de la com-munauté via un réseau de chaleur. Cette thèse étudie le système énergétique de Whapmagoostui-Kuujjuarapik afin d'évaluer les avantages potentiels de l'incorporation d'un réseau de chaleur avec récupération de la chaleur résiduelle dans le contexte d'une communauté éloignée et nordique. Un premier obstacle à l'évaluation est le manque de données mesurées disponibles pour quantifier la demande de chauffage. Ainsi, une approche détaillé est mise en œuvre pour simuler le profil de chauffage de la communauté sur une base horaire. La méthode proposée s'appuie sur six nouveaux archétypes résidentiels adaptés à la région, qui s'avèrent plus précis que les archétypes de la zone climatique 8 développés par le ministère de l'énergie des États-Unis. L'agrégation des données simulées révèle que les équipements de chauffage et de production d'eau chaude consomment approximativement la même quantité de carburant que les générateurs diesel, ce qui signifie qu'il est nécessaire de trouver des alternatives d'énergie thermique à faible teneur en carbone.

Abstract

Canada is home to over 200 communities which are not connected to the regional electricity grid and instead rely partially or entirely on fossil fuels to meet their energy demands. This fundamental dependency on an imported resource exposes local populations to high energy costs and supply interruptions; while combustion of the fuel in generators, boilers and furnaces releases significant greenhouse gas emissions and has adverse human health impacts. For many of these communities, the decarbonization of their energy system presents an opportunity not only to combat climate change but also to support economic growth and improve quality of life. The diesel generators used to produce power in remote communities convert less than 40% of the fuel they consume to useful power making them a target for replacement with renewable technologies. However, this ineÿciency actually presents an alternative strategy for reducing fossil fuels: by harnessing the rejected heat to supply thermal demands in the community via a district heating network. This thesis studies the energy system of Whapmagoostui-Kuujjuarapik in order to evaluate the potential benefits of incorporating a district heating network with waste heat recovery in a remote, northern community context. An initial barrier to the evaluation is the lack of measured data available to quantify heating demand. Thus, a bottom-up approach is implemented to simulate the community heating profile on an hourly basis. The proposed method relies on six novel residential archetypes appropriate to the region, which are shown to deliver better accuracy than the Climate Zone 8 archetypes developed by the United States Department of energy. Aggregation of the simulated data reveals that heating and hot water equipment consume approximately the same amount of fuel as the diesel generators, signifying the need for low-carbon thermal energy alternatives. Next, a district heating network is designed based on the characteristics of the community energy profile and is modeled in the TRNSYS simulation environment. A generator heat rejection model that considers variable heat rejection fractions, minimum exhaust gas outlet temperatures, and minimum load conditions is implemented to dynamically assess the po-tential for waste heat recovery. Results show that waste heat can supply nearly 60% of the community thermal demand, reducing overall GHG emissions by 27% and the levelized cost of energy by 8%. This model is further developed to assess the trade-o˙s associated with adding wind energy generation to the system.