Les ressources d'énergie éolienne et solaire au

Québec

Michel A. Duguay

Introduction Au cours des prochaines décennies l'immensité du territoire québécois,

lequel couvre un peu plus de 1,5 millions de kilomètres carrés, nouS permettra de générer de grandes quantités d'énergie éolienne et solaire. Dans ce chapitre nous allons calculer la puissance électrique éolienne qui pOUlTait être potentiellement générée si seulement un pour-cent du territoire lui était consacré, soit 15 000 km2, et nous ferons de même pour l'électricité solaire générée à l'aide de panneaux photovoltaïques.

L'électricité éolienne peut doubler Hydro-Québec sur un pour-cent du territoire

Sur le site web de l'Atlas canadien d'énergie éolienne d'Environnement Canada127 on peut observer la carte de l'énergie éolienne au Québec. Pour des éoliennes dont la hluteur est de 80 mètres ou plus, il y a quatre grandes régions qui affichent une puissance éolienne moyelmée sur l'année d'environ 1 kilowatt par mètre carré (de surface verticale) ou plus: le golfe du Saint­Laurent, le centre du Québec à l'ouest du réservoir de la Manicouagan, la région adjacente à la Baie James et le grand nord du Québec. Chacune de ces régions couvre plusieurs fois la superficie de 15000 km

2 choisie pour

nos calculs. Pour mettre en perspective la valeur de 1 kW/m2

de puissance éolienne, il est bon de noter qu'en une journée bien ensoleillée, le soleil livre sur une surface de capteur solaire lui faisant face, une puissance proche de

1 kW/m2.

Une des plus grosses éoliennes au monde a été mise sur le marché en février 2009 par la firme allemande Enercon. Cette éolienne, Enercon-126, possède un rotor dont le diamètre est de 126 mètres et dont l'axe de rotation se situe à une hauteur de 135 mètres au-dessus du sol. Cette éolienne géante a une puissance crête d'environ 7 mégawatts (MW) et produira dans les très bons sites éoliens une énergie d'environ 20 gigawatt-heures (GWh) par

121 <http://www.atlaseolien.ca>

154

. - -équivalente à celle produite par un vent qui soufflerait de façon idéale 32 % du temps.

Pour fonner un parc avec ces éoliennes géantes il est bon de réserver à chaque éolienne une superficie d'environ 1,8 kilomètres carrés afin de minimiser l'influence de chaque éolienne sur ses voisines. Sur notre superficie totale de 15000 lan2 on pourra donc à terme installer quelques 8 000 éoliennes fournissant une puissance totale de 56 GW. Par comparaison la puissance hydroélectrique maximum fournie par Hydro­Québec est d'environ 35 GW.

L'énergie éolielme produite annuellement par les 8 000 éoliennes sera donc environ 8000 x 20 x 0,95 GWh = 152 térawatt-heures (TWh)128, où le facteur 0,95 tient compte du fait que les éoliennes doivent être en arrêt environ 5 % du temps pour maintenance ou réparations. Par comparaison l'énergie hydroélectrique produite annuellement par Hydro-Québec est d'environ 160 TWH. L'éolien sur un pour-cent du territoire pourrait donc essentiellement doubler la production électrique d'Hydro-Québec.

Plutôt que de développer de nouveaux' barrages sur les rivières du Québec nous pourrions donc avantageusement développer l'éolien qui est beaucoup plus respectueux de l'environnement.

Certains analystes ont souligné que la puissance éolienne souffre par son intermittence. Il faut noter que nos barrages hydroélectriques servent alors de stockage. Quand l'électricité éolienne est abondante, ce qui est généralement le cas le jour, on peut l'envoyer satisfaire la demande, qui elle aussi est forte durant' la journée. Pendant ce temps on laisse l'eau s'accumuler derrière les barrages. En période de pénurie de vent, on turbine l'cau des barrages pour satisfaire la demande.

D'autre part, nous notons que 74 % de l'électricité au Québec est utilisée pour chauffer l'eau et les espaces. L'énergie thermique est facilement stockable sous forme d'eau chaude, mais aussi dans des systèmes compacts utilisant des briques réfractaires à haute température bien isolées. Ces systèmes sont déjà au stade commercial dans quelques firmes, dont notamment Hydro-Québec.

Il est intéressant de voir quel serait le potentiel éolien le plus important dont dispose le Québec si on allait plus loin que la fraction de 1 % utilisée plus haut. Le golfe du Saint-Laurent, incluant l'île d'Anticosti longue de 200 km, possède une superficie totale d'environ 100000 km2

• Si on installait des éoliennes de 7 MW sur la moitié de ce vaste espace marin (partiellement terrestre avec l'île d'Anticosti) on obtiendrait environ

"8 1 TWh est un milliard de kilowattheures.

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200 GW de puissance crête, soit 5 fois la puissance maximum d'I-Iydro­Québec. La production électrique annuelle serait environ 500 TWh, soit trois fois la production annuelle d'Hydro-Québec.

Cette puissance crête de 200 GW se compare bien à la puissance que dégagent les 10 millions de barils de pétrole qui sont produits châque jour par l'Arabie Saoudite et qui alimentent des autos dans le monde entier. Pour des moteurs d'auto à 30 % de rendement (énergie mécanique de l'auto divisée par l'énergie contenue dans le pétrole consommé), cette puissance saoudienne est d'environ 200 GW. Avec la venue imminente de véhicules électriques, le golfe du Saint-Laurent peut être vu comme une «Arabie Saoudite» potentielle, ce qui constitue évidemment un énonne potentiel.

Notons aussi que la technologie des éoliennes placées sur les fonds marins ainsi que sur des bouées ou platefonnes flottantes, est en développement rapide, principalement en Europe, mais aussi en Colombie Britanl'\.Ïque, à l'ouest de Prince Rupert, dans le cadre du projet Naikun l29.

L'Union Européenne planifie d'ajouter d'ici 2030 quelques 150 GW de puissance éolienne sur terre et 150 GWen mer.

L'énergie solaire peut doubler Hydro~Québec sur un pour~ cent du territoire

Une des meilleurs façons de capter l'énergie solaire se pratique au moyen de panneaux solaires photovoltaïques (PV), universellement utilisés dans l'espace et de plus en plus sur les toits des maisons, notamment en Allemagne, en Espagne' et aux États-Unis. Les pmIDeaux solaires photovoltaïques convertissent le soleil directement en électricité avec un rendement qui va de 10 % à 22 % dans les meilleurs panneaux PV sur le marché. Ce rendement est le pourcentage de l'énergie solaire qui est convertie en électricité utilisable. En laboratoire on a obtenu des rendements allant jusqu'à 39 %.

L'European Photovoltaic Industry Association (EPIA) 130, décrit l'expansion rapide des systèmes photovoltaïques sur les marchés du monde depuis une décennie. Suivant leurs données, à la fin de 2008, il y avait environ 13 GWp (peak gigawatts) de puissmlce crête photovoltaïque installée dans le monde. Le taux d'augmentation du déploiement PV a été environ 30 % par année au cours des dix dernières années, ce qui est tout à

. fait remarquable. Avec ce taux d'expansion on aurait environ 40 GWp de puissance photovoltaïque. installée dans le monde à la fin de 2012.

129 <http://www.naikun.ca> 130 <http://www.epia.orglfileadminlEPIA_docs/publications/epia/EPIA_MarketPublication_

18feb.pdf.>

Pour cc qui est du Québec, il y a très peu de puissance PV installée. Cependant la firme américaine Xunlight131 a signé en 2008 une entente avec le gouvcrnement du Québec afin de construire une ou deux usines de panneaux solaires PV dans la province. De plus, en 2008, la finne Timl11inco\32 a mis sur place dans le parc industriel de Bécancour, èn face de Trois-Rivièrcs, une usine de polysilicium purifié, lequel est le matériau de base pour dcs panncaux solaires photovoltaïques au polysilicium en vente partout dans le monde.

Dans le cas dc Xunlight, les pmIDeaux solaires sont basés sur du silicium dit « amorphe », ou « nanoeristallin », déposé par une technique de couches minecs. Xunlight a obtenu un rendement stable de 10,5 % pour ses panneaux PV, ce qui est le record mondial pour le silicium amorphe.

Il faut noter que les techniques de couches minces sont matures et capables de production de masse. Ces techniques sont déjà utilisées depuis des années pour les revêtements de fenêtres dans les édifices et les maisons. Ces revêtements, dits « low-E» (Iow emissivity, faible émissivité dans l'infrarouge), conservent la chaleur en hiver et évitent le surchauffement par le soleil en été.

Avec des techniques de couches minces Xunlight veut exploiter des substrats flexibles en particulier, ce qui pennettrait d'adapter leurs dispositifs PV à toutes sortes d'environnements physiques, tels que toits et murs de maisons, autos, bateaux, vêtements, etc.

D'autre part, la firme américaine First Solar a récemment annoncé que leurs panneaux solaires PV basés sur des couches minces de telluride de cadmium (CdTe) pouvaient produire de l'électricité au coût d'un dollar le watt. Le désavantage du CdTe est la rareté du tellure dans la croûte terrestre, environ 10 parties par milliard. En général les panneaux PY au silicium cristallin ou poly-cristallin, qui dominent les marchés PY, ont des coûts dans le voisinage de 3,5 dollars le watt et un rendement (puissance électrique divisée par la puissance solaire incidente) d'environ 20 %. Le silicium constitue 27 % de la croûte terrestre, nous n'en manquerons jamais! Mais, point important, le succès de First Solar montre que la technique des couches minces peut produire de l'électricité solaire à un prix très attrayant.

Comme dans le cas du vent, calculons ce qu'un pour-cent du territoire - 15 000 km2

- pourrait fournir à l'aide de panneaux solaires PY133• Nous

allons supposer que seuls 15 % cette superficie à l'échelle locale est couverte de pa/IDeaux solaires photovoltaïques. L'idée est que des panneaux solaires déployés sur les toits des maisons, les façades des édifices, les

"' <http://www.xunlighLcOIl1> 112 <hup://www.cbc.ca/ll1oncy/story/2008/03/27/timll1inco.html> I]J Il faut bien noler que le pour-cent éolien sera éloigné des lieux habités, tandis que le pour­

cent solaire sera 10ut près~ voire 11lême sllnp.mn~p AllY cmnprf1~I~(, ..... ,,; .. ~o ...

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terrains de stationnement, les terrains vagues, le long des routes 134

, etc. n'occupent pas tout le territoire mais seulement une certaine fraction. Nous choisissons 0,15 pour cette fraction, soit 2250 km2 de superficie photovoltaïque.

Dans une hypothèse de l'utilisation de plusieurs types de paW1eaux solaires photovoltaïques, nous supposons un rendement moyen PV de 14 %. Sous un beau soleil, dans un ciel bleu, la puissance incidente du soleil est environ 1 kW/m2 ou encore 1 GW/lon2

• La puissance électrique crête générée par 2 250 km2 de couches PV sera donc:

0,14 x 2 250 lon2 x 1 GWI lon2 = 310 GWp (p signifie peak, gigawatt peak power).

Au Québec, l'ensoleillement est tel qu'un panneau solaire qui fournit 1 kW quand il est exposé directement face au soleil, produira sur un an environ 1 100 kWh. Cela signifie que la situation énergétique est équivalente à un scénario hypothétique où le soleil brillerait au maximum pendant 1 100 heures durant l'année. Comme il y a 8760 heures dans une année, les 1 100 heures représentent un facteur de capacité de 1 100/8760 = 12 %. Comparé au facteur dè capacité éolien de 32 %, on voit que le soleil est désavantagé par un facteur de presque trois.

Les 315 GWp produiront donc annuellement : 0,5 x 310 GW xlI 00 h = 170 TWh, où le facteur 0,5 vient du fait que l'orientation d'un panneau solaire fixe n'est pas directement face au soleil toute lajoumée (pour un panneau suivant le mouvement du soleil grâce à un mécanisme le 0,5 serait remplacé par 1,0). Les 170 TWh constituent une énergie équivalente à la production annuelle d'Hydro-Québec.

Un des avantages importants du photovoltaïque est que le soleil est déjà « distribué» à proximité des clients. Il n'est dop.c pas nécessaire d'ajouter de coûteuses lignes de transmission. De plus, quand le réseau d'Hydro-Québec tombe en panne, le photovoltaïque local peut assurer des services essentiels tels que l'alimentation des hôpitaux, des ordinateurs, des systèmes de communications et de sécurité, et de la conservation réfrigérée de la nourriture.

Conclusion

On voit bien que l'immense territoire québécois détient un potentiel énergétique vert gigantesque. Avec seulement 2 % du territoire on pourrait tripler la production électrique d'Hydro-Québec. L'énergie verte présente plusieurs avantages, tels la réduction des émissions de gaz à effet de serre (passage aux automobiles électriques), l'indépendance des marchés mondiaux du pétrole et du gaz naturel et la possibilité de manufacturer des

"' voir le site de l'EPIA, <http://www.epia.org/> pour un bel exemple en Allemagne.

produits multiples tout en émettant peu ou pas de gaz à effet de serre et en minimisant ainsi l'effet de la futur.e taxe sur le carbone.

Deux exemples d'importants produits d'exportation futurs sont:

les panneaux solaires PV de la firme Xunlight qui seront f~briqués à Montréal et à Sainte-Anne-des-Monts si le plan annoncé en 2008 se matérialise;

le silicium polycristallin de Timminco/Bécancour Silicon Inc., qui est déjà en production à Bécancour.

La fabrication des panneaux PV exigeant beaucoup d'énergie, il est d'autant plus judicieux d'utiliser de l'énergie sans émission de carbone pour leur production. Il est intéressant de noter qu'exporter des panneaux solaires est équivalent à expOiter de l'énergie puisque le soleil est présent dans tous les pays sur la planète.

Des pays importateurs de panneaux solaires pourront les installer et convertir leur soleil local en électricité. Ceci constitue donc pour .eux une autre façon d'importer de l'électricité, mais avec l'avantage qu'ils ne paieront qu'une fois, à l'achat des panneaux photovoltaïques.