Le défi

Historique et contexte 

Dans les régions subarctiques et de l’Extrême-Arctique du Canada, la demande en électricité et en chauffage des bâtiments est comblée presque exclusivement par des groupes électrogènes alimentés au diesel. Le MDN et les FAC cherchent à réduire leur dépendance aux combustibles fossiles pour la production d’électricité dans le Nord afin de réduire au minimum le fardeau sur les plans opérationnel, logistique et environnemental. Les turbines éoliennes adaptées aux opérations du MDN et des FAC sont peu employées dans le Nord étant donné que les capacités des installations actuelles tendent à se trouver en dehors de la plage de capacité désirée. Bien que certaines petites unités pouvant produire jusqu’à 6 kilowatts (kW) aient été déployées dans certaines communautés et que les turbines commerciales produisent habituellement plus d’un mégawatt (MW), il existe un manque important de génératrices produisant entre 25 et 100 kW, une plage de puissance idéale pour les sites éloignés du MDN. De plus, en raison des conditions d’utilisation dans le Nord, l’utilisation de turbines éoliennes est confrontée à des obstacles techniques et environnementaux importants qui doivent être surmontés avant qu’elles puissent être pleinement exploitées en tant que sources d’énergie de remplacement.

Le Grand Nord canadien et les régions arctiques se caractérisent par la présence d’un sol gelé de manière saisonnière, d’un couvert de neige épais, d’un terrain accidenté, d’un pergélisol et de températures extrêmes pouvant atteindre -60 degrés Celsius (°C), avec des  vents pouvant fréquemment atteindre 80 à 120 kilomètres par heure (km/h). Le givrage des bordures des pales des turbines éoliennes constitue une menace supplémentaire à leur rendement et à leur efficacité. Des approches novatrices sont donc nécessaires pour adapter les systèmes traditionnels de production d’électricité fonctionnant à l’énergie éolienne afin qu’ils puissent résister aux conditions rigoureuses du Nord canadien et maintenir un rendement fiable et efficace, que les vents soient faibles ou soutenus. Les changements climatiques ajoutent une couche de complexité supplémentaire au problème, étant donné que le dégel et le regel du pergélisol peuvent causer l’affaissement, le déplacement et l’effritement des édifices et des fondations. Bien qu’il ne s’agisse pas de l’objectif principal du présent défi, la conception des fondations demeure un facteur à prendre en considération afin d’assurer la stabilité et le maintien à niveau des turbines malgré les mouvements saisonniers du sol.

Il existe un besoin pour des systèmes de production d’électricité fonctionnant à l’énergie éolienne qui sont efficaces sur le plan logistique, faciles à déployer et à entretenir dans des endroits isolés dans le Nord. Bon nombre de sites du MDN et des FAC sont isolés ou se retrouvent sur le territoire de petites communautés arctiques dont l’accès aux routes est limité, voire inexistant, et qui nécessitent d’autres moyens de transport, comme des barges ou des aéronefs de transport lourd, pour s’y rendre. En conséquence, les nouveaux systèmes doivent être fondés sur une conception modulaire et pouvoir être transportés et assemblés sur place, en limitant au minimum l’utilisation d’équipement de levage lourd par des non-techniciens disposant d’outils courants. Pour assurer la tenue d’opérations prolongées, les solutions proposées doivent utiliser des pièces facilement disponibles, pouvoir être entretenues par des gens de métier locaux et fonctionner avec un minimum d’intervention humaine une fois déployées.

Résultats essentiels

La solution proposée doit :

• Fournir un concept de système de production d’électricité fonctionnant à l’énergie éolienne d’une capacité de production située entre 25 et 100 kW et intégrant les éléments exigés sur les plans structurel, mécanique, électrique et du contrôle
• Fournir un ou des plans de démonstration d’intégration et de fonctionnement montrant comment le système de production d’électricité à l’énergie éolienne peut être utilisé dans des lieux éloignés en résistant aux conditions climatiques du Nord, y compris les conditions de froid extrême (jusqu’à -60 °C), de grands vents (jusqu’à 120 km/h) et de givrage et ce, sans intervention humaine
• S’intégrer aux systèmes de production d’électricité ou aux microréseaux électriques existants, permettre le fonctionnement coordonné avec d’autres sources d’énergie et soutenir le rendement de l’ensemble dans des conditions variables de production d’énergie et de charge
• Utiliser une conception modulaire qui permet le transport du système par voie aérienne ou maritime; les composants individuels doivent être transportables dans un conteneur maritime normalisé de 20 pieds, leur taille ne devant pas dépasser 108 pouces (2,74 m) de large sur 268 pouces (6,81 m) de long sur 96 pouces (2,44 m) de haut et un poids maximal de 24 000 livres (10 886 kg; 10,9 tonnes)
• Utiliser une conception modulaire qui permet l’assemblage sur place sans le recours à de l’équipement de levage lourd
• Assurer la maintenabilité et la réparabilité dans les environnements nordiques en garantissant que l’entretien du système de production d’électricité fonctionnant à l’énergie éolienne peut être fait à l’aide d’outils mécaniques et électriques courants, sans dépendre d’équipements spécialisés exclusifs ni du soutien du fabricant

Résultats souhaités

Les solutions proposées doivent notamment inclure les capacités telles que, mais sans s’y limiter, les suivantes :

• Une compatibilité électromagnétique conforme à la norme MIL‑STD‑461G, Contrôle des caractéristiques d’interférence électromagnétique des sous-systèmes et de l’équipement du Département de la Défense américain
• Une conception de fondation qui tient compte des conditions du sol arctique, y compris le pergélisol, les variations de la couche active et l’effet gel-dégel durant toute la durée de vie prévue du système de production d’électricité.