Atelier de maillage industriel du CRM - Énergie Problèmes type dans le domaine éolien Olivier Parent, ing., M.Sc. 2016-10-24

Boralex dans le monde 1 108 MW Un des leaders du marché canadien et premier acteur indépendant de l’éolien terrestre en France CANADA FRANCE ÉTATS-UNIS 505 MW 12 MW 15 MW 383 MW 75 MW 35 MW 83 MW Sites en exploitation 532 MW / 48 % 493 MW / 45 % 83 MW / 7 % 1 108 MW EN EXPLOITATION 206 MW EN DÉVELOPPEMENT 1 314 MW PRO FORMA + = Éolien Hydroélectrique Thermique Solaire En exploitation En développement

Déroulement de la présentation Grandes étapes d’un projet éolien 4 Énergie produite par une éolienne 6 Vent à long terme 13 Vent à hauteur de moyeu 17 Vent sur un parc éolien 22 Production d’un parc éolien 26

Grandes étapes d’un projet éolien

Grandes étapes d’un projet éolien Mesure de la ressource (vent) Estimation de la production (GWh) Recherche de site Baux Interconnexion Prospection Ressource Environnement Analyse Production Civil Électrique Développement Travaux BOP Éoliennes Financement Construction 20 ans et plus ! Opération

Énergie produite par une éolienne

Énergie produite par une éolienne  

Énergie produite par une éolienne Seul une partie de l’énergie peut être extraite : 59%, soit la limite de Betz. En réalité, la puissance se calcule avec la courbe de puissance du manufacturier [1].

Énergie produite par une éolienne Pour connaître le vent à un site, on installe une tour de mesure météorologique : Anémomètre [2] (vitesse du vent); Girouette (direction du vent); Température; Pression. Mesure pendant minimum 1 an. Données 10 minutes : moy, max, écart-type.

Énergie produite par une éolienne Les données sont regroupées par bin de 0.5m/s pour obtenir une distribution. La production d’énergie annuelle peut être calculée avec la courbe de puissance. La distribution suit la loi de Weibull avec un facteur de forme (k) et d’échelle (c).

Énergie produite par une éolienne Distribution du vent estimé par la distribution de Weibull [3]. Opportunité!

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Vent long terme

Vent long terme Problématique: Variabilité interannuelle du vent est de 3.5 à 6.0%. Le vent est mesuré généralement pendant 2 à 5 ans, mais on veut estimer la production pour la durée de vie du projet (20 ans). Solution : Utilisation de données de référence long terme (tours Environnement Canada, satellites, virtuelles). Mesurer Corréler Prédire (MCP).

Vent long terme MCP : Moindre carrés, Variance, Matrice, … [3] Opportunité!

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Vent à hauteur de moyeu

Vent à hauteur de moyeu Problématique : La mesure du vent sur la tour se fait rarement au centre du rotor, soit à la hauteur du moyeu (hub height). Solution : La vitesse est donc estimée au moyeu selon le cisaillement du vent (wind shear) qui est un profil logarithmique. Le shear varie grandement d’un projet à l’autre et aussi selon la saison et l’heure du jour.

Vent à hauteur de moyeu Le shear est calculé à partir des mesures de la tour, d’un lidar ou d’un modèle qui tient compte de la rugosité du sol et de la topographie. La formule est simple :  

Vent à hauteur de moyeu L’estimation est robuste mais n’est valide que jusqu’à la couche limite, soit autour de 100 m. Au-dessus de cette limite, soit dans la couche d’Ekman, le calcul se complexifie et doit tenir compte de nombreux autres effets comme l’effet Coriolis et les courants jets. [4] Les modèles actuels ne sont pas très robustes à ce niveau, car il est relativement récent que la hauteur des nacelles dépasse le 100 m. Opportunité!

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Vent sur un parc éolien

Vent sur un parc éolien Idéalement, le vent devrait être mesuré à chaque position d’éolienne sur le parc, mais ce n’est jamais le cas. Le vent est donc mesuré à quelques endroits stratégiques (altitude, représentativité, facilité d’installation) et reporté sur l’ensemble de la zone. 10 km

Vent sur un parc éolien La projection du vent à l’ensemble du parc éolien à partir des tours de mesure se fait actuellement de trois façons : Interpolation linéaire [WAsP  windPRO, WindFarmer]; Éléments finis (CFD) [Meteodyn, WindSim]; Prévision numérique du temps (NWP) [Openwind]. Toutes les méthodes donnent des résultats différents, mais très similaires. La complexité du site a une grande influence sur la méthode à utiliser. Opportunité!

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Production d’un parc éolien

Production d’un parc éolien La production du parc est calculée par des logiciels spécialisés à partir du vent à chaque éolienne en prenant compte de l’effet de sillage (méthode Park, Eddy-viscosity, Frandsen, …). Le calcul peut être statique (carte de vent avec distribution), temporel (horaire) ou "temps réel" (seconde). Opportunité!

Production d’un parc éolien D’une production brute qui est calculée, les pertes sont soustraites (électriques, disponibilité, environnementales,…) pour déterminer la production nette moyenne annuelle. On parle du P50. Évidemment, il y a de l’incertitude sur ce calcul et sur l’ensemble du procédé (instruments, cisaillement, spatiale, variabilité interannuelle, …). Un écart-type est donc calculé, sachant que la probabilité de production annuelle suit une loi normale. On parle de P99. Avec le P99, on finance le projet!

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Conclusion

Conclusion Étapes pour estimer la production d’un futur parc éolien à partir de la mesure du vent. Opportunités pour le développement de méthode autour de la mécanique des fluides et des statistiques : Approximation de la distribution du vent; Estimation du vent sans mesure sur site; Corrélation et prédiction du vent; Cisaillement en haut de la couche limite; Calcul du vent sur une région; Modélisation du sillage; Calcul de la production d’un parc; Et bien d’autres (gel, prévision 24h, lidar, acoustique,…).

Références [1] Site web de Senvion, consulté le 2016-10-18 https://www.senvion.com/global/en/wind-energy-solutions/wind-turbines/3xm/36m140-ebc/ [2] Site web de Renewable NRG, consulté le 2016-10-18 http://www.renewablenrgsystems.com/products/met-sensors [3] Image provenant du logiciel Windographer de la compagnie AWS. [4] Emeis, Stefan, Wind Energy Meteorology : Atmospheric Physics for Wind Power Generation, Springer, 2013.

Olivier Parent olivier.parent@boralex.com @BoralexInc boralex.com