bois d’œuvre
L’article intitulé « Stratégies de gestion de la demande en puissance dans le secteur de la production de bois d’œuvre » est inséré dans cette section du mémoire. Il a été soumis le 15 décembre 2017 à la conférence « CIGI Qualita » et sera présenté à la 13e édition de cette conférence le 26 juin 2019 à Montréal, Canada. La
Résumé
Hydro-Québec, une utilité électrique publique du gouvernement du Québec (Canada), est à la recherche, en période de grands froids, de moyen pour répondre à la demande en puissance exceptionnellement élevée de ses clients. En 2015, Hydro-Québec a mis sur pied un nouveau programme de gestion de la demande en puissance (GDP) dédié à la clientèle Affaires. Avant d’adhérer à programme de GDP, les participants doivent évaluer les impacts de la mise en place des stratégies GDP. Cet article s’intéresse à l’évaluation des impacts économiques de l’implantation de stratégies de GDP chez une scierie québécoise. À partir d’un modèle de planification tactique de la production de bois d’œuvre, la facette énergétique a été intégrée au modèle. Par la suite, trois stratégies de GDP de type effacement ont été testées : l’arrêt de la ligne de sciage, l’arrêt de la ligne de rabotage ou encore une cessation des deux activités simultanément. Grâce à des données sur le système de production et sur les équipements de production d’une entreprise partenaire, il a été possible de conclure qu’à concurrence de 100 heures de GDP maximum par année, l’arrêt de la ligne de sciage sans reprise de la production demeure rentable puisque les revenus engendrés par la participation au programme de GDP sont suffisants pour compenser les commandes repoussées.
Introduction
La gestion de la demande en puissance (GDP) est un moyen utilisé par plusieurs utilités électriques dans le monde pour balancer l’équilibre entre l’offre et la demande.
Hydro-Québec, une utilité électrique publique du Gouvernement du Québec (Canada), a mis en place en 2015, un nouveau programme de gestion de la demande en puissance offert à la clientèle de moyenne puissance commerciale-institutionnelle et industrielle (CI&I), appelé clientèle Affaires. Les participants à ce programme s’engagent à mettre en place des stratégies permettant de réduire leur appel de puissance durant les périodes de pointes hivernales (de décembre à mars), coïncidant avec une demande en électricité sur le réseau électrique exceptionnellement élevée (Hydro-Québec,2017). Du point de vue de l’industrie, certaines stratégies de GDP associées aux équipements de procédés peuvent avoir des impacts sur la production et potentiellement impliquer des retards dans les commandes à satisfaire. Il est donc important pour toute compagnie désirant participer à un programme de GDP, d’évaluer les impacts économiques des différentes stratégies, particulièrement celles ayant des impacts significatifs sur la chaîne de production.
Au Québec, l’industrie du bois œuvre est un secteur économique important, ayant au total 194 usines sur le territoire (Gouv. Québec, 2017). Cette clientèle ayant une importante consommation d’énergie, elle a été ciblée par Hydro-Québec dans le cadre de son programme de GDP. Dans un tel contexte, [B. Dumont et al., 2018] ont proposé des stratégies de planification, adaptées au domaine du sciage du bois, afin de diminuer l’appel en puissance durant les évènements de GDP. L’une d’elles s’intéresse particulièrement à l’arrêt de la ligne de sciage et/ou de celle de rabotage utilisée lors de la fabrication de bois d’œuvre. Les auteurs se limitent toutefois à proposer des stratégies d’un point de vue théorique, sans mesurer leurs effets sur le plan de production ou sur la profitabilité d’une scierie. B. Dumont et al. (2019) vont un peu plus loin en suggérant l’utilisation d’un modèle de planification intégrant la facette énergétique pour tester de telles stratégies. Leur modèle se veut une adaptation du modèle de planification tactique proposé par Marier et al. (2014a). Aucune expérimentation intégrant un abaissement ponctuel de l’appel en puissance n’est toutefois réalisée à partir du modèle mathématique proposé.
Cet article vise à évaluer les impacts économiques de l’implantation de stratégies de GDP dans une scierie québécoise. À partir de la liste des événements de GDP survenue à l’hiver 2017-2018 et des données météorologiques associés, il a été possible de définir un calendrier d’événements de GDP jusqu’à 100h afin de créer différents scénarios. Par la suite, à l’aide d’un modèle de planification tactique intégrant la facette énergétique) adapté par B. Dumont et al. (2019), trois stratégies ont été testées en prenant en compte le nombre
d’événement de GDP auquel la scierie participerait. Ainsi, ces stratégies ont pu être analysées et comparées entre elle de manière à trouver les forces et faiblesses de chacune.
L’article est divisé de la façon suivante. Une revue de littérature est d’abord présentée à la section 2 afin de dresser un portrait de la notion de gestion de la demande en puissance. Les stratégies proposées par B. Dumont et al. (2018) ainsi que le modèle de planification tactique utilisé pour les tester sont également explicités. La méthodologie de recherche est par la suite présentée à la section 3. Cette section décrit les étapes réalisées tout au long de la recherche et énumère les stratégies qui ont pu être testées avec le modèle. La section 4 montre les impacts des stratégies testées sur la profitabilité d’une scierie partenaire au projet de recherche. Finalement, une brève conclusion du travail effectué est présentée à la section 5.
Revue de littérature
La revue de littérature présentée dans cette section porte principalement sur la gestion de la demande en puissance et plus spécifiquement sur le programme de GDP offert par Hydro-Québec à sa clientèle Affaires. Comme le secteur de la production du bois d’œuvre est ciblé, la revue de littérature porte également sur les différentes stratégies possibles pouvant être mises en place pour participer à un tel programme ainsi que sur les modèles de planification des opérations du milieu existants. Pour y arriver, les recherches ont été principalement effectuées à partir de la base de données Engineering Village à l’aide de mots clés liés au bois d’œuvre, à la gestion de la demande en puissance dans le monde et au Québec ainsi que sur les stratégies en milieu industriel pour réduire son appel en puissance. Puisque la gestion de la demande en puissance est une approche relativement récente dans plusieurs pays, la recherche a ciblé des articles publiés entre 2008 à 2018. Toutefois, les articles pertinents cités par ceux dégagés de la recherche et datant d’années précédentes ont également été pris en considération. Engineering Village a de plus été la base de données retenue, puisqu’elle permet l’accès à de la recherche scientifique de haut niveau dans le domaine de l’ingénierie.
La gestion de la demande en puissance
La gestion de la consommation (« demand side management ») regroupe l’efficacité énergétique, la gestion de la demande en puissance (« Demand Response ») et de la gestion du profil de charge (« Peak load management ») (McKane et al., 2008). Dans le cadre de ces travaux, une attention particulière a été porté à la gestion de la demande en puissance. Selon la Federal Energy Regulatory Commission (FERC), la Gestion de la demande en puissance (« Demand Response ») est définie comme la variation/diminution de la consommation électrique de certaines charges dédiées, par rapport à leur usage normal, suite à un changement de tarification ou à un incitatif financier visant à réduire la demande en électricité quand les prix du marché de
approche ont pris forme vers la fin des années 1970 en Californie. Le programme visait alors à répondre à une hausse considérable du prix du pétrole et à diminuer l’hostilité de la population envers les nouvelles centrales électriques. Cependant, c’est au début des années 1980 que le programme a été développé davantage dans l’optique de diminuer les coûts pour les utilisateurs d’énergie et les effets négatifs des réseaux électriques sur l’environnement (Partnership Renewable Energy and Energy Efficiency et UNIDO, 2008). Au total, la capacité de gestion de la demande s’élevait à 66 GW aux États-Unis en 2012 (FERC, 2012). Les principaux programmes de GDP mis en place avaient pour objectif de répondre au besoin de capacité soit au travers d’un programme de type Charges interruptibles (« interruptible load ») ou bien via le marché du gros (« Wholesale market »). La Figure 10 présente la classification des différents programmes de GDP du NERC (NERC, 2011).
Figure 10: Classification des programmes de GDP traduit et adapté de NERC (2011)
Dans certaines juridictions, différents tarifs sont mis en place pour inciter les clients à réduire leur appel de puissance en période de pointe. Dans ce type de tarif, par exemple un programme de « Time of use », le prix de l’énergie varie en fonction de la période de la journée (Merkert et al., 2014).
Les stratégies de GDP peuvent être divisés en 2 grandes catégories : l’effacement (« Demand shedding ») ou le déplacement (« Demand shifting »). L’effacement de la charge correspond à un délestage d’une charge non accompagné d’une consommation ultérieure (ou antérieure) de l’énergie comme par exemple, un abaissement de l’intensité de l’éclairage. Le déplacement de la charge correspond au délestage d’une charge accompagné d’une consommation ultérieure (ou antérieure) de l’énergie comme par exemple, l’arrêt d’un système de pompage vers un réservoir capable de supporter une variation de niveau.
La Figure 11 illustre les différents profils de de charge en fonction des différentes stratégies de GDP choisies lors d’un événement de GDP vis-à-vis le profil de référence (rouge). À la différence de l’efficacité énergétique (vert) qui correspond à une diminution permanente du profil de référence, il est possible de voir l’impact sur la charge d’une stratégie d’effacement (bleu) ou de déplacement (bourgogne).
Figure 11: Illustration de profils de charge en réponse à un évènement de GDP traduit de McKane et al. (2008) Dans un contexte industriel, les différentes stratégies de GDP peuvent avoir plusieurs formes. L’arrêt d’un équipement relié au procédé principal sans reprise de la production avant ou après l’événement de GDP, l’arrêt des charges secondaires non-critiques à la production ou bien l’arrêt de certaines charges reliées aux bâtiments tel l’éclairage correspondent à des stratégies d’effacement. Le déplacement ou la maximisation de la production hors pointe qui permettent d’arrêter le procédé principal lors des événements de GDP sont, quant à elles, des stratégies de déplacement. La valorisation de le flexibilité opérationnelle du procédé à l’aide de capacité de stockage de produits ou d’énergie (thermique, électrochimique) sont également des stratégies de déplacement. Finalement, le recours à des équipements d’autoproduction, par exemple l’utilisation d’une génératrice de secours ou bien d’équipements pouvant fonctionner avec une autre source d’énergie au combustible (bi- énergie), sont également des stratégies qui permettent de contribuer à diminuer l’appel de puissance d’une usine lors d’un événement de GDP. Ainsi, les industries ayant de la flexibilité opérationnelle sont des candidats intéressant pour participer aux programmes de gestion de la demande en puissance offerts par leur utilité électrique.
La gestion de la demande en puissance au Québec
Dans le contexte québécois, Hydro-Québec possède plusieurs moyens pour répondre à son besoin de capacité en période de pointe hivernale. Comme la demande en électricité est plus forte en hiver due à la hausse des
entre le 1er décembre et le 31 mars. La plus grande contribution au besoin de capacité du réseau est obtenu à
partir de la contribution de ses grands clients (Tarif « L » ayant une puissance de plus de 5 MW) participant à l’option tarifaire électricité interruptible. Selon les documents déposés à la Régie de l’énergie du Québec, (Hydro-Québec 2018), la contribution de ces clients s’élève à 1000 MW. La deuxième option correspond au programme de GDP Affaires, mis sur pied en 2015. Ce programme est destiné aux compagnies des secteurs CI&I de moyenne puissance au tarif « M ». Pour l’hiver 2017-2018, la contribution des clients à ce programme s’est élevée à 287 MW, dont 32 MW de la clientèle Affaires à vocation industriel.
Le programme d’Hydro-Québec offre à ses participants un appui financier de 70 Can$/kW-année proportionnel à la réduction de puissance moyenne atteinte pendant les événements de GDP. Ces événements ont lieu sur des plages fixes, soit le matin entre 6h et 9h et le soir entre 16h et 20h. Aucun événement n’a lieu les fins de semaine, ni les journées fériées (Hydro Québec, 2017).
Pour participer au programme, les clients doivent respecter certaines clauses. Par exemple, pour un projet sur un seul site, la stratégie de GDP doit permettre de réduire d’au moins 200 kW et ceci doit représenter une diminution d’au moins 10% de leur appel de puissance maximale. Les clients peuvent également souscrire à ce programme par eux même ou à l’aide d’un tier partie (Hydro-Québec 2017). Lorsque qu’un événement de GDP est anticipé, Hydro-Québec contacte les participants à l’avance afin que ceux-ci puissent mettre en place les stratégies de GDP au moment défini par celui-ci. La mise en place des stratégies peut être activée manuellement, semi automatiquement ou automatiquement et le choix est laissé au participant. Lorsque l’hiver est terminé, Hydro-Québec calcule la puissance moyenne délester durant les différents événements de GDP et détermine l’appui financier de chacun des participants.
Selon les modalités du programme, le nombre d’heure maximal de GDP est fixé à 100h. Toutefois, avant d’adhérer à un tel programme, il est pertinent de cibler des stratégies de diminution de l’appel en puissance afin de minimiser l’effet de la réduction d’énergie sur le système de production ciblé.
Stratégies de réduction de l’appel en puissance dans le domaine du bois d’œuvre
Comme le secteur de la fabrication de bois d’œuvre est l’un des secteurs ciblés par le programme de GDP au Québec, des recherches se sont intéressées aux stratégies de diminution de l’appel en puissance à mettre en œuvre dans ce milieu. En effet, B. Dumont et al. (2018) ont proposé en premier lieu de revoir l’ordonnancement des opérations de production de bois d’œuvre, dans le but de reporter la fabrication de produits demandant un appel en puissance plus élevé vers une période hors pointe. Comme il existe une multitude de produits se différenciant par leur essence et leur grade, il est pertinent de regarder quels sont les produits qui entraînent
une plus grande consommation d’énergie et lesquels ont un appel en puissance plus élevé lors de leur production. Ils proposent également le décalage des intervalles de pauses. Ils s’intéressent principalement aux moments où la production de la scierie est en arrêt complet (à des fins de maintenance, en raison des horaires de travail, durant les vacances, etc.). Ces arrêts seraient optimalement planifiés durant les périodes de l’année les plus énergivores. Finalement, la troisième stratégie proposée concerne le réarrangement des horaires de travail. Il s’agit d’ajuster les horaires de travail de manière à ce que la production soit minimale ou arrêtée le matin et le soir, soit les périodes convoitées par le programme de gestion de la demande d’Hydro-Québec. Dans ce cas, l’arrêt des étapes de sciage et/ou de rabotage est une avenue intéressante à tester étant donné la diminution d’appel en puissance significative qu’elle apporterait.
Quoique proposées, les stratégies de B. Dumont et al. (2018) n’ont toutefois pas été testées afin de connaître les impacts qu’elles pourraient avoir sur le plan de production et la performance financière d’une scierie type. Une telle expérimentation nécessite le recours à un outil de planification intégrant la facette énergétique.
Modèles de planification dans le secteur du bois d’œuvre
Le processus de production de bois d’œuvre étant qualifié de divergent, c’est-à-dire qu’un billot mènera systématiquement à la fabrication de plusieurs produits différents, sa planification est complexe. Pour cette raison, divers auteurs ont proposé des modèles mathématiques facilitant la planification tactique et opérationnelle de la production de bois d'œuvre.
Par exemple, Marier et al. (2015) ont développé un modèle de programmation en nombres entiers pour le séchage du bois qui génère dynamiquement des modèles de chargement respectant la capacité des séchoirs. Le modèle identifie, pour un séchoir particulier, le processus de séchage à utiliser, combien de paquets de longueurs différentes peuvent être placés sur chaque rangée et sur chaque rail, etc. Marier et al. (2014b) ont, quant à eux, proposé un modèle de programmation en nombres entiers mixtes pour le rabotage du bois d'œuvre. L'objectif est de proposer un plan de production minimisant les coûts d'inventaire, les retards de commande, les coûts de maintenance et les coûts de production.
Le programme de GDP étant offert sur une période de quatre mois, l’utilisation d’un modèle de planification tactique semble particulièrement pertinente pour évaluer son impact puisqu’il permet d’avoir une vue globale des effets de tous les évènements ayant lieu durant la période hivernale. Ainsi, le modèle développé par Marier et al. (2014a) permet de définir quelle unité ou groupe d'unités d'une même entreprise devrait être responsable de l'exécution des différentes opérations de production de bois d'œuvre et quelles ressources ou
termes de délais de production et de distribution, de dimensionnement des lots et de gestion des stocks, tout en tenant compte de la fluctuation des prix de vente du bois d'œuvre sur le marché. Toute scierie utilisant un tel modèle est donc en mesure de planifier ses opérations sur une période d'un an tout en ayant une bonne idée des bénéfices attendus. Cependant, le modèle ne prend pas en compte le coût de la consommation d'énergie associé au processus de production.
De ce fait, le modèle a été modifié par B. Dumont et al. (2019) dans le but d’y ajouter la facette énergétique. Ils ont ensuite comparé les résultats de leur modèle théorique avec les données de facturation aux 15 minutes récupéré par le partenaire industriel au travers d’un guichet libre-service privée et personnalisé, offert par Hydro- Québec à ses clients, appelé Espace-Client. Les travaux de B. Dumont et al. (2019) ont permis de constater qu’en adaptant le facteur de charge d’un certain pourcentage suivant l’évolution de la température, le modèle générait des profils énergétiques très représentatifs des données de facturation aux 15 minutes du client pour l’hiver 2017-2018. À partir de ce modèle tenant compte des aspects énergétiques, les différentes stratégies permettant de réduire l’appel en puissance durant les évènements de GDP appelé par Hydro-Québec ont pu être testé.
La section suivante décrit les étapes réalisées afin d’en ressortir les meilleures stratégies pour adhérer au programme de GDP d’Hydro-Québec.
Méthodologie de recherche
Dans cette section, une description des grandes étapes suivies pour mener à bien la recherche sont proposées.
Déroulement de la recherche
La première étape de la recherche a été de réaliser une revue de la littérature (résumée dans la section précédente) portant sur la gestion de la demande en puissance dans le monde et au Québec, les stratégies de planification pouvant être appliquées dans le domaine du bois d’œuvre pour participer à un tel programme ainsi que les différents modèles de planification des opérations du milieu qui pourraient aider à tester ces stratégies avant de les appliquer (Figure 12).
Figure 12: Déroulement de la recherche
Suite à la réalisation de cette revue, il a été possible d’identifier des stratégies de réduction d’énergie pour la production de bois d’œuvre qui puissent être testées à l’aide d’un modèle de planification tactique intégrant la facette énergétique (Colonnes de droite de la Tableau 1). Ensuite, comme les évènements de GDP au Québec ont lieu en semaine à des moments où il fait très froid, une liste de ces journées depuis les 10 dernières années ainsi que l’historique des évènements ayant eu lieu depuis 2015 ont permis de dresser un portrait des évènements pouvant avoir lieu dans la prochaine année jusqu’à concurrence de 100 heures maximum (Simulation énergétique des bâtiments, 2018).
Ainsi, à partir de ces informations, 15 scénarios ont pu être créés à l’intérieur desquels le nombre d’heures de