CE05 - Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Pluie, turbulence et énergie éolienne – RW-Turb

RW-Turb : Pluie, turbulence et énergie éolienne

RW-Turb s’appuie sur l’expertise d’HM&Co en mesure et modélisation à travers de larges gammes d’échelles spatio-temporelles de la turbulence atmosphérique et des précipitations pour quantifier leurs impacts sur la production électrique éolienne. <br />Ce projet bénéficie d’une collaboration industrielle avec Boralex, un producteur éolien.<br />Il ouvrira des perceptives pour améliorer les prévisions de production à court terme, un enjeu majeur dans un contexte de croissance de la part des ER.

Quantifier l’impact sur la production électrique éolienne de la variabilité de la turbulence et des précipitations à travers de larges gammes d’échelles spatio-temporelles.

Quelques études montrent que les effets de la pluie (taux et distribution de tailles de gouttes) sur l’efficacité de la production éolienne sont significatifs, mais cela n’a étonnement pas suscité beaucoup d’intérêt. WR-Turb vise à dépasser les limites actuelles des connaissances à travers une étroite collaboration entre un établissement d’enseignement et de recherche (Ecole des Ponts ParisTech) et un producteur éolien (Boralex). Un consortium élargi avec un comité international d’expert a également été mis en place.<br />L’état de l’art montre que : (i) la turbulence du vent est complexe et requière un cadre approprié comme les multifractals universels (UM, un cadre parcimonieux permettant de quantifier la variabilité à travers les échelles de champs extrêmement variables sur de larges gammes d’échelles) pour être étudiée et simulée ; l’intermittence de la source d’énergie est ensuite transmise à l’éolienne puis sur la production électrique. (ii) la pluie présente aussi des caractéristiques multifractals d’invariance d’échelles. WR-Turb va combiner les connaissances actuelles sur la turbulence et la pluie pour créer un cadre couplé permettant d’atteindre ses objectifs. Deux aspects seront étudiés : d’abord les effets de la pluie sur la ressource en énergie qu’est le vent, notamment sur ses fluctuations extrêmes et non gaussiennes à petites échelles spatio-temporelles, puis l’effet de la pluie sur le processus de conversion d’énergie éolienne en énergie électrique.

Un programme scientifique de RW-Turb se décompose en trois tâches principales :
- Tâche 1: Mise place d’un observatoire et collecte des données. Un observatoire combinant des mesures hautes résolutions de vent (vitesse, direction, cisaillement, turbulence), pluie (distribution de tailles de gouttes, vitesse de chute), et de production électrique sera installé pour 2 ans sur une ferme éolienne de Boralex disposant d’un mat météo de 86 m. Une base de données sera produite et validée.
- Tâche 2 : Analyses et simulations des effets de la pluie sur l’énergie éolienne disponible. Les données collectées seront analysées, surtout avec des outils Multifractals Universels (un cadre parcimonieux permettant de quantifier la variabilité à travers les échelles de champs extrêmement variables sur de larges gammes d’échelles) pour quantifier l’influence des conditions de pluie sur la turbulence et la densité de l’air. L’interprétation requerra des outils innovants. Une classification adaptée des événements de pluie sera produite. Un nouveau modèle spatio-temporel de champ de gouttes couplées à la turbulence sera développé. Des champs spatio-temporels scalaires et vectoriels de vent pour des échelles allant de quelques cm à la taille d’une éolienne sur quelques dizaines de secondes seront générés en améliorant des outils de simulations de cascades UM continues
- Tâche 3 : Analyses et simulations des effets de la pluie sur la conversion énergétique des éoliennes. Le transfert des propriétés du vent à la production électrique sera analysé à partir des données collectées. Puis, deux chaines de modélisation seront développées pour simuler les effets de la turbulence sur la production électrique. Les champs de vent simulés (tâche 2) seront (i) utilisés pour évaluer les fluctuations correspondantes de couple (ii) injectés dans un modèle numérique multidisplinaire de comportement des éoliennes (existant à adapter). Des ensembles de réalisations possibles seront produits afin de quantifier la sensibilité des chaines de modélisation aux différents paramètres d’entrée pour différent types de pluie.

La campagne de mesure de RW-Turb a été lancée en décembre 2020. En effet, six instruments de mesure ont été installés sur le mat météorologique de la ferme éolienne des pays d’Othe (commune des Sièges dans Yonne) opérée par Boralex, un producteur d’énergie éolienne. Plus précisément, deux anémomètres soniques 3D, deux disdromètres et deux mini stations météorologiques ont été installés à environ 75 m et 45 m. Ces instruments donnent accès respectivement à des mesures à hautes résolutions, jusqu’à 100 Hz, du vent, des précipitations, de la température, de la pression et de l’humidité. Les données sont actuellement en cours d’analyse.
Une présentation du projet, des liens vers des résumés graphiques de la campagne de mesure (mis à jour quotidiennement avec les données de la veille), ainsi que l’ensemble des présentations du séminaire de lancement du projet sont disponibles sur le site web de RW-Turb (https://hmco.enpc.fr/portfolio-archive/rw-turb/). Ce dernier sera mis à jour avec les résultats obtenus.

La part des énergies renouvelables en France et en Europe est en forte croissance. Il est donc important de comprendre les incertitudes affectant la production électrique avec ces ressources, notamment en raison de leur intermittence qui soulèvent des défis pour la gestion des réseaux. WR-Turb aura un fort impact dans ce domaine en quantifiant l’effet de la pluie sur la production électrique éolienne et en ouvrant des perspectives pour améliorer les prévisions à court terme. Etant basés à l’échelle de l’événement, les résultats pourront être généralisés. Ils seront diffusés dans les communautés scientifiques et professionnelles et ouvriront des perspectives nouvelles de recherche.

.Revues à comité de lecture :
- Jose, J., Gires, A., Tchiguirinskaia, I., Roustan, Y., and Schertzer, D.:Scale invariant relationship between rainfall kinetic energy and intensity in Paris region: An evaluation using universal multifractal framework. Journal of Hydrology. 2021 (submitted)


Communications à des conférences :
- García Gago, Á., Schertzer, D., and Gires, A.: Interactions between rainfall and wind turbulence in a Universal Multifractal framework, EGU General Assembly 2021, online, 19–30 Apr 2021, EGU21-10799, doi.org/10.5194/egusphere-egu21-10799, 2021
- Gires, A., Tchiguirinskaia, I., and Schertzer, D.: Guessing the missing half of a geophysical field with blunt extension of discrete Universal Multifractal cascades, EGU General Assembly 2021, online, 19–30 Apr 2021, EGU21-10550, doi.org/10.5194/egusphere-egu21-10550, 2021.
- Jose, J., Gires, A., Tchiguirinskaia, I., and Schertzer, D.: Multifractal analysis of extinction coefficient and its consequences in characterizing atmospheric visibility, EGU General Assembly 2021, online, 19–30 Apr 2021, EGU21-11242, doi.org/10.5194/egusphere-egu21-11242, 2021
- Gires, A., Tchiguirinskaia, I., and Schertzer, D.: Temporal evolution of rain drops’ velocities in a turbulent wind field, EGU General Assembly 2020, Online, 4–8 May 2020, EGU2020-11648, doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-11648, 2020
- Jose, J., Gires, A., Schertzer, D., Roustan, Y., Ruas, A., and Tchiguirinskaia, I.: Variability in Rainfall and Kinetic Energy across scales of measurement: evaluation using disdrometers in Paris region, EGU General Assembly 2020, Online, 4–8 May 2020, EGU2020-994, doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-994, 2019

Quelques études montrent que les effets de la pluie (taux et distribution de tailles de gouttes) sur l’efficacité de la production éolienne sont significatifs, mais cela n’a étonnement pas suscité beaucoup d’intérêt. WR-Turb vise à dépasser les limites actuelles des connaissances à travers une étroite collaboration entre un établissement d’enseignement et de recherche (Ecole des Ponts ParisTech) et un producteur éolien (Boralex).
L’état de l’art montre que : (i) la turbulence du vent est complexe et requière un cadre approprié comme les multifractals universels (UM, un cadre parcimonieux permettant de quantifier la variabilité à travers les échelles de champs extrêmement variables sur de larges gammes d’échelles) pour être étudiée et simulée ; l’intermittence de la source d’énergie est ensuite transmise à l’éolienne puis sur la production électrique. (ii) la pluie présente aussi des caractéristiques multifractals d’invariance d’échelles. WR-Turb va combiner les connaissances actuelles sur la turbulence et la pluie pour créer un cadre couplé permettant d’atteindre ses objectifs. Deux aspects seront étudiés : d’abord les effets de la pluie sur la ressource en énergie qu’est le vent, notamment sur ses fluctuations extrêmes et non gaussiennes à petites échelles spatio-temporelles, puis l’effet de la pluie sur le processus de conversion d’énergie éolienne en énergie électrique.

Le programme scientifique qui sera principalement mis en œuvre par 2 doctorants est :
- WP 1: Mise place d’un observatoire et collecte des données. Un observatoire combinant des mesures hautes résolutions de vent (vitesse, direction, cisaillement, turbulence), pluie (DSD, vitesse de chute), et de production électrique sera installé pour 2 ans sur une ferme éolienne de Boralex disposant d’un mat météo de 86 m. Une base de données sera produite et validée.
- WP 2 : Analyses et simulations des effets de la pluie sur l’énergie éolienne disponible. Les données collectées seront analysées, surtout avec des outils UM pour quantifier l’influence des conditions de pluie sur la turbulence et la densité de l’air. L’interprétation requerra des outils innovants. Une classification adaptée des événements de pluie sera produite. Un nouveau modèle spatio-temporel de champ de gouttes couplées à la turbulence sera développé. Des champs spatio-temporels scalaires et vectoriels de vent pour des échelles allant de quelques cm à la taille d’une éolienne sur quelques dizaines de secondes seront générés en améliorant des outils de simulations de cascades UM continues
- WP : Analyses et simulations des effets de la pluie sur la conversion énergétique des éoliennes. Le transfert des propriétés du vent à la production électrique sera analysé à partir des données collectées. Puis, deux chaînes de modélisation seront développées pour simuler les effets de la turbulence sur la production électrique. Les champs de vent simulés (tâche 2) seront (i) utilisés pour évaluer les fluctuations correspondantes de couple (ii) injectés dans un modèle numérique multidisplinaire de comportement des éoliennes (existant à adapter). Des ensembles de réalisations possibles seront produits afin de quantifier la sensibilité des chaînes de modélisation aux différents paramètres d’entrée pour différent types de pluie.

La part des énergies renouvelables en France et en Europe est en forte croissance. Il est donc important de comprendre les incertitudes affectant la production électrique avec ces ressources, notamment en raison de leur intermittence qui soulèvent des défis pour la gestion des réseaux. WR-Turb aura un fort impact dans ce domaine en quantifiant l’effet de la pluie sur la production électrique éolienne et en ouvrant des perspectives pour améliorer les prévisions à court terme. Etant basés à l’échelle de l’événement, les résultats pourront être généralisés. Ils seront diffusés dans les communautés scientifiques et professionnelles et ouvriront des perspectives nouvelles de recherche.

Coordination du projet

Auguste GIRES (HYDROLOGIE MÉTÉOROLOGIE ET COMPLEXITÉ)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

HM&Co HYDROLOGIE MÉTÉOROLOGIE ET COMPLEXITÉ

Aide de l'ANR 295 504 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2019 - 42 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter