La recherche et le développement en éolien, un élément essentiel pour la croissance de l industrie éolienne au Québec

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1 La recherche et le développement en éolien, un élément essentiel pour la croissance de l industrie éolienne au Québec Mémoire soumis à la par Christian Masson Professeur titulaire Département de génie mécanique École de technologie supérieure 30 septembre 2013

2 Introduction Le présent mémoire a comme objectif principal de témoigner de l impact et des retombées en recherche et développement (R&D) produits par le développement de l énergie éolienne au Québec. Je suis professeur titulaire à l École de technologie supérieure (ÉTS) depuis juin J ai amorcé ma carrière de chercheur à la Chaire en aéronautique J. A. Bombardier de l École polytechnique de Montréal, en Bien que mes recherches portaient à l époque essentiellement sur l aérodynamique des aéronefs, j ai également entrepris des recherches sur l énergie éolienne. J ai joint l équipe de l ÉTS en 1997 à titre de professeur agrégé et j ai alors concentré toutes mes activités de R&D sur l énergie éolienne. Je considère donc avoir été témoin de l ensemble du développement récent de l énergie éolienne. Le portrait de ce secteur au Québec a considérablement changé depuis Au début de ma carrière à l ÉTS, mon domaine de recherche était considéré comme marginal et ayant très peu d impact sur le secteur industriel québécois. Mon financement provenait alors à 100% de subventions de sources gouvernementales. Toutefois, avec l émergence et la forte croissance d une industrie éolienne au Québec, j ai pu diversifier progressivement mes sources de financement pour inclure de substantielles contributions d entreprises privées et ainsi augmenter mon niveau de financement, constituer une équipe de recherche reconnue aux niveaux national et international. Ceci s est traduit par une formation de personnel hautement qualifié dont la plupart occupe un emploi dans ce domaine hautement spécialisé. Laboratoire de recherche sur l aérodynamique des éoliennes en milieu nordique Je dirige le laboratoire de recherche sur l aérodynamique des éoliennes en milieu nordique (AEMN) de l ÉTS. Le principal domaine de R&D de ce laboratoire porte sur le développement et l application de la simulation numérique en dynamique des fluides (Computational Fluid Dynamics (CFD)) dans le domaine de l énergie éolienne. Ces activités de R&D ciblent des thématiques centrales et essentielles au développement et à l exploitation des centrales éoliennes où l aérodynamique des pales et l écoulement atmosphérique jouent un rôle majeur. Elles sont composées de deux principaux volets : (i) modélisation avancée de l aérodynamique avec comme objectif de développer et utiliser les techniques récentes en CFD afin d étudier des phénomènes aérodynamiques difficilement analysables avec les méthodes d analyse actuellement utilisées par l industrie, et (ii) développement de procédures de tests pour les éoliennes et les parcs éoliens. La plage d application de ces activités de R&D est vaste avec une emphase sur les aspects étroitement reliés à l exploitation de la ressource éolienne en climat nordique. Page 2 sur 5

3 Les résultats des activités de R&D du laboratoire AEMN sont pertinents pour les concepteurs d éoliennes, les promoteurs de projets éoliens et les propriétaires/exploitants de centrales éoliennes. L agence internationale de l énergie (AIE) a identifié quatre objectifs à long terme de recherche et développement dans le domaine : réduire les incertitudes, réduire les coûts, favoriser l application des machines de grande dimension, et minimiser les impacts environnementaux. Le programme de recherche du laboratoire AEMN contribue essentiellement aux trois premiers objectifs de l AIE en améliorant notre compréhension des phénomènes physiques et en augmentant la précision des simulations de l aérodynamique des éoliennes. L équipe de recherche du laboratoire AEMN est présentement composée de quatre (4) professeurs de l ÉTS, un (1) professeur du collège Dawson de Montréal, et d environ une douzaine (12) d étudiants aux cycles supérieurs. Les activités d innovation et les compétences du laboratoire AEMN sont reconnues tant au niveau national qu international. Plusieurs des intervenants industriels québécois dans le domaine éolien, tels que Axor, Énergie Le Nordais, Énergie PGE, Héliotron, Groupe Ohméga, Hélimax, kw Gaspé, GPCo et 3Ci ont fait appel aux compétences du laboratoire dans le cadre de contrats de consultation. Une équipe de chercheurs du laboratoire AEMN a notamment conçu des modèles novateurs et originaux pour deux fabricants québécois de petites éoliennes et pour le compte du ministère des ressources naturelles du Canada (NRCan). Cette équipe a ainsi développé : pour l entreprise Énergie PGE (vendue récemment à l entreprise Endurance de l ouest canadien), une pale conçue spécialement pour produire suffisamment d électricité dans des sites où la vitesse moyenne du vent est très faible. Cette pale a permis à Énergie PGE d être retenue au terme d un processus de demande de propositions lancé par la Polynésie française. une éolienne de 10 kw dans le cadre d un projet de démonstration pour le réseau de recherche pancanadien (WESNet). Il s agit d une éolienne à attaque directe peu coûteuse, qui devrait offrir une solution commerciale concurrentielle pour le marché des éoliennes connectées au réseau. une éolienne de 60kW universelle pouvant opérer tant en climat nordique que tropical a été conçue selon les spécifications de NRCan. Des services de consultation ont aussi été offerts par le laboratoire: Le Groupe Ohméga, un fabricant de tours météorologiques, a mis au point une tour de 80 m à montage automatisé, retenue par de nombreux haubans pour en consolider la Page 3 sur 5

4 structure. Dans le cadre de ce projet, nous avons analysé l interaction aérodynamique entre les haubans et la tour tubulaire principale. Le Groupe Ohméga s est basé sur les résultats de ces analyses pour faire la démonstration à ses clients potentiels des effets négligeables des haubans sur la qualité de la mesure du vent. À l heure actuelle, environ une douzaine d étudiants inscrits à des programmes d études supérieures participent aux activités de recherche du laboratoire. Au cours des dix dernières années, 27 étudiants à la maîtrise, 6 candidats au doctorat et 3 détenteurs de bourses postdoctorales ont obtenu leur diplôme après avoir mené des recherches au laboratoire AEMN. La grande majorité de ces étudiants diplômés travaillent actuellement dans l industrie éolienne du Québec (e.g. BBA, EDF EN Canada, Enercon, GL/GH, Génivar, REpower, WEC Québec Inc.) et contribuent au développement de cette industrie. Finalement, le laboratoire AEMN peut être considéré aujourd hui un incubateur d un savoir et d une compétence qui se traduit par une reconnaissance tant au niveau national qu international comme l indique les éléments suivants: Le laboratoire a collaboré avec deux des grands turbiniers mondiaux, soit GE Wind et VESTAS et avec Vattenfall, un opérateur européen majeur de centrales électriques. Le laboratoire a été le représentant canadien sur les comités internationaux de normalisation en matière de tests de performances des éoliennes (IEC ). Le laboratoire a participé à 3 annexes de l AIE, soit les annexes XI, XX et MEXnext. Des chercheurs de renommé internationale dans le domaine de l'aérodynamique des éoliennes sont invités à participer à ces rencontres. La participation régulière et soutenue du laboratoire AEMN à ces annexes représente une occasion exceptionnelle d exposer ses travaux de recherche et de les arrimer à ceux des spécialistes internationaux de l'aérodynamique des éoliennes. Le laboratoire est l unique représentant canadien à ces annexes. Intervenants et expertises en R&D éolien au Québec Des activités de R&D en éolien sont également réalisées au sein de d autres organisations québécoises. Par exemple, à l université Laval, les professeurs Jean Lemay et Jean Ruel consacrent une partie de leurs activités de R&D en éolien. À l université McGill, le professeur Geza Joos réalise des recherches en éolien. Les professeurs Adrian Ilinca de l UQAR, Jean Perron de l UQAC, et Monique Bernier de l INRS sont également présents en R&D éolien. Des organisations telles que le TechnoCentre éolien, Environnement Canada (EC) et l institut de recherche d Hydro Québec (HQ) sont également actives dans les activités de R&D en éolien. En fait, le Québec se démarque de façon importante au niveau Canadien : parmi les 25 chercheurs Page 4 sur 5

5 participants au WESNet, un réseau de recherche pancanadien en énergie éolienne, 10 chercheurs proviennent du Québec. Ceci représente 40% des chercheurs. L ensemble des intervenants de la R&D en éolien au Québec a su développer une expertise en énergie éolienne qui tient en compte des spécificités du Québec (e.g. climat nordique, territoire forestier, réseau électrique avec principalement une production hydraulique) et qui utilise le savoir et les compétences complémentaires au domaine et déjà en présence (e.g. prévision du temps chez EC, analyse de réseau chez HQ). Retombées des activités de R&D en éolien pour le Québec Pour illustrer la vitalité de l innovation en R&D et de ses retombées industrielles, il est toujours instructif de regarder du côté des brevets. Au Canada, plus de demandes de brevets reliés au domaine de l énergie éolienne ont été déposées depuis De ses 2500 brevets, 59 sont possédés par des entreprises ou personnes du Québec et 194 du Canada. Comme l État de la Californie a un souci d être un état vert, ce qui motive les entreprises Californiennes à l innovation dans le secteur des énergies renouvelables, il est intéressant de noter que de ces brevets canadiens, 91 sont possédés par des entreprises ou personnes de la Californie. Ceci démontre la vitalité et la pertinence de l innovation dans ce secteur. Les retombées concrètes et mesurables des activités de R&D en éolien sont nombreuses (formation et disponibilité du personnel hautement qualifié, développement de nouveau produits, assister la compétitivité du secteur manufacturier, contribuer à la politique énergétique dite verte, etc.). En plus, elle permet de développer une expertise en énergie éolienne adaptée à la réalité québécoise. Enfin, elle assure au Québec une visibilité internationale. Recommandations Le domaine de l énergie éolienne est un secteur prometteur des énergies renouvelables. En plus de l aspect énergétique, ce domaine présente un champ d applications pour des technologies de pointe (à titre d exemple l emploi des nanotechnologies pour le revêtement des pales, l intégration des éoliennes à travers des réseaux intelligents). Il s agit donc d un secteur qui offre une forte synergie et un grand potentiel d innovation et d applications concrètes qui bénéficie à l industrie de pointe et à la compétitivité du Québec. L essor d une industrie éolienne au Québec a permis l émergence d activités de R&D en éolien. À leur tour, ces activités en R&D ont contribuées au développement de l industrie éolienne du Québec par l entremise du personnel hautement qualifié formé dans les universités et le développement de technologie adaptée à la réalité québécoise. J estime qu il est souhaitable de maintenir et de renforcer le niveau d activités en R&D. Ceci est possible seulement avec une industrie fonctionnant à plein régime. Page 5 sur 5