Feasibility study of integrating hybrid renewable energy systems into a multi-unit residential building (MURB): A case-study in Montreal metropolitan area

Daryaei, Amirhossein (2023). Feasibility study of integrating hybrid renewable energy systems into a multi-unit residential building (MURB): A case-study in Montreal metropolitan area. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In a context of dense urbanization, hybrid renewable energy systems HRES could be a convenient alternative to the conventional form of electricity generation and its respective grid enhancement. Solar and wind power are the most accessible form of energy resources with complementarity capability. Wind and solar energy systems seem to be the most appropriate amongst renewable energy sources for urban districts. Because of the stochastic nature of wind and solar resources which causes less efficiency of the system, a combined system employing both technologies will complement shortcomings. This Thesis investigates the energy yield assessment and financial feasibility of two proposed grid-connected hybrid solar photovoltaic and wind energy systems for a multi-unit residential building (MURB) in Montreal, Canada.

This research is conducted using RETScreen energy management analysis tool, with external climate data from NASA and NRCan being incorporated into the software for enhanced accuracy. This meteorological information includes wind speed, wind direction, amount of solar irradiance and air temperature at hourly intervals. The model is configured for maximum annual energy production. Two system configurations with varying ratios of solar PV and wind power capacity of 90kW and 100kW have been proposed as well as a reference scenario. The energy system is sized according to the space constraints of the building, consumption demand, and financial considerations. The wind turbine and photovoltaic panel units have been selected from a pool of commercially available products that offered the highest output power at the lowest investment cost. Product weight and dimensions, as well as logistics, were also studied. The feasibility of producing energy and cost savings from HRES are evaluated for all Canadian provinces and adjacent states regarding the energy output and price if the system was relocated in those regions.

The financial savings were calculated assuming the electricity generated by the system was consumed rather than purchased from the grid. Amongst two scenarios that were investigated, the system with the lowest cost ($0.145 per kWh) produced over 30-years of life span was considered to be the most feasible in Montreal. Both proposed systems covered more than a third of the building's energy needs over the course of the year. In July, the system with more wind capacity met more than 75% of the load demand and produced 3.85% more annual energy than the other system. Results from equally sized wind/PV reference scenario indicates that wind power is likely to generate more energy than solar PV in the Montreal area. However the photovoltaic system seem to be more favorable for this case-study considering other factors. The system configuration with more hybrid renewable energy produced 151 MWh of energy per year for the assessed site. In the end, the sufficiency of wind and solar power resources is validated, but the feasibility of a building-integrated wind/PV hybrid energy system is largely depends on the cost of electricity of the area.

Titre traduit

Étude de faisabilité de l'intégration de systèmes hybrides d'énergie renouvelable dans un immeuble résidentiel à logements multiples (IRLM): Une étude de cas dans la région métropolitaine de Montréal

Résumé traduit

Dans un contexte d'urbanisation dense, les systèmes d'énergie renouvelable hybrides HRES pourraient constituer une alternative intéressante à la forme conventionnelle de production d'électricité et à l'amélioration du réseau correspondant. L'énergie solaire et l'énergie éolienne sont les formes les plus accessibles de ressources énergétiques ayant une capacité de complémentarité. Les systèmes d'énergie éolienne et solaire semblent être les plus appropriés parmi les sources d'énergie renouvelables pour les districts urbains. En raison de la nature stochastique des ressources éoliennes et solaires, qui réduit l'efficacité du système, un système combiné utilisant les deux technologies permettrait de combler les lacunes. Cette thèse étudie l'évaluation du rendement énergétique et la faisabilité financière de deux systèmes hybrides d'énergie solaire photovoltaïque et éolienne connectés au réseau pour un immeuble résidentiel à logements multiples (IRLM) à Montréal, Canada.

Cette recherche est menée à l'aide de l'outil d'analyse de la gestion de l'énergie RETScreen, les données climatiques externes de la NASA et de RNCan étant incorporées au logiciel pour une meilleure précision. Ces données météorologiques comprennent la vitesse et la direction du vent, la quantité d'irradiation solaire et la température de l'air à intervalles horaires. Le modèle est configuré pour une production d'énergie annuelle maximale. Deux configurations de système avec des ratios variables de capacité d'énergie solaire PV et éolienne de 90kW et 100kW ont été proposées ainsi qu'un scénario de référence. Le système énergétique est dimensionné en fonction des contraintes d'espace du bâtiment, de la demande de consommation et de considérations financières. L'éolienne et les panneaux photovoltaïques ont été sélectionnés parmi un ensemble de produits disponibles dans le commerce qui offraient la puissance de sortie la plus élevée au coût d'investissement le plus bas. Le poids et les dimensions des produits, ainsi que la logistique, ont également été étudiés. La faisabilité de la production d'énergie et les économies de coûts de la HRES sont évaluées pour toutes les provinces canadiennes et les états adjacents en ce qui concerne la production d'énergie et le prix si le système était déplacé dans ces régions.

Les économies financières ont été calculées en supposant que l'électricité produite par le système était consommée plutôt qu'achetée sur le réseau. Parmi les deux scénarios étudiés, le système ayant le coût le plus bas (0,145 $ par kWh) produit sur une durée de vie de 30 ans a été considéré comme le plus réalisable à Montréal. Les deux systèmes proposés ont couvert plus d'un tiers des besoins énergétiques du bâtiment au cours de l'année. En juillet, le système ayant la plus grande capacité éolienne a répondu à plus de 75% de la demande de la charge et a produit 3,85 % d'énergie annuelle de plus que l'autre système. Les résultats du scénario de référence éolien/PV de taille égale indiquent que l'énergie éolienne est susceptible de produire plus d'énergie que le solaire photovoltaïque dans la région de Montréal. Cependant, le système photovoltaïque semble être plus favorable pour cette étude de cas en tenant compte d'autres facteurs. La configuration du système avec plus d'énergie renouvelable hybride a produit 151 MWh d'énergie par an pour le site évalué. Au final, la suffisance des ressources en énergie éolienne et solaire est validée, mais la faisabilité d'un système hybride éolien/PV intégré au bâtiment dépend largement du coût de l'électricité dans la région.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in renewable energy and energy efficiency". Comprend des références bibliographiques (pages 103-110).
Mots-clés libres:	énergie hybride renouvelable, l'énergie éolienne, photovoltaïque solaire, réduction des émissions
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Izquierdo, Ricardo
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	28 août 2023 14:05
Dernière modification:	28 août 2023 14:05
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3248

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