Calibration virtuelle d’un site éolien

Généralités sur l’énergie éolienne

L’énergie éolienne est utilisée depuis plusieurs centaines d’années, que l’on pense simplement aux bateaux à voiles, qui ont vu le jour bien avant le début de notre ère. Cette source d’énergie a connu de multiples applications: pompage de l’eau, mouture du grain et, plus récemment, production d’énergie électrique. Le présent mémoire se concentrera sur un aspect très pointu de cette dernière application ; le lecteur intéressé pourra se référer à un ouvrage tel que “Wind energy explained”, par Manwell et al.  pour plus de détails concernant l ‘historique de l’ énergie éolienne.
La première machine servant à convertir l’ énergie du vent en électricité a vu le jour vers la fin du 19e siècle. Mais le réel début de l’industrie de l’énergie éolienne date d’à peine 35 ans. Dans les années 1970, des machines de dimensions intéressantes (puissance de l’ordre de 100 à 300kW) ont commencé à se vendre. Mieux encore, au niveau de la recherche, certains projets ont mené à l’érection d’éoliennes de très grande capacité dont, entre autres, l’éolienne de 3.2MW Boeing MOD-5B avec son rotor d’une envergure de 98m. Le renouveau dans le monde de la production d’électricité à partir de l’ énergie éolienne a notamment été motivé par la crise de l’énergie du milieu des années 1970.
Aujourd’hui, l’énergie éolienne connaît une croissance très rapide, poussée d’abord par des considérations environnementales, mais également par une industrie en pleine expansion au niveau de la fabrication d’éoliennes géantes. La technologie étant de mieux en mieux maîtrisée, la production de machines pouvant générer entre l.5MW et 3MW est devenue courante, ce qui permet d’effectuer d’importantes économies d’échelles. Il en résulte qu’aujourd’hui, la production d’énergie électrique à partir d’éoliennes est économiquement compétitive par rapport aux sources d’énergie plus traditionnelles (telles que l’énergie fossile ou l’hydroélectricité).

Parcs éoliens en terrains complexes

Au départ, les éoliennes étaient généralement installées sur des terrains simples, par exemple une plaine côtière avec peu de végétation. Cependant, le développement rapide de l’ énergie éolienne s’accompagne désormais du besoin de trouver toujours plus d’espace pour installer les aérogénérateurs. L’une des solutions trouvées est d’implanter les machines en mer, présentant, de façon générale, l’avantage de ne déranger personne, en plus de profiter de vitesses de vent très élevées. Une autre possibilité envisagée est l’installation des éoliennes sur des terrains complexes. Par exemple, les 990MW récemment octroyés par Hydro-Québec pour la production d’énergie éolienne seront implantés en Gaspésie, sur des terrains composés de petites montagnes et collines, où plaines, champs et forêts se côtoient. Ce type de terrain amène certaines complications quant à l’évaluation des performances des éoliennes. En effet, sur des terrains simples, l’écoulement du vent est considéré comme étant horizontalement homogène, c’est-à-dire que le profil vertical du vent se maintient dans l’espace, ce qui facilite la réalisation de tests de performance. En terrain complexe, cette hypothèse n’est pas appropriée. Par exemple, il est évident que l’écoulement du vent ne sera pas horizontalement homogène : la présence d’une imposante falaise près des éoliennes aura un impact important sur le vent. Il faut alors procéder à une calibration de site avant de pouvoir réaliser le test de performance. La calibration de site permet de connaître la vitesse du vent à l’éolienne à partir de la mesure de la vitesse du vent en un second point de mesure.

Description du test de performance et de la calibration de site

Le développement rapide de l’énergie éolienne est désormais associé à la nécessité de trouver toujours plus d’espace pour installer les aérogénérateurs. L’une des solutions à cette problématique est l’installation d’éoliennes sur des terrains complexes. Or, ce type de terrain amène certaines complications quant à l’évaluation des performances des éoliennes. Il faut alors procéder à une calibration de site avant de pouvoir réaliser un test de performance.

Test de performance

La puissance d’une éolienne est fonction de la vitesse du vent au cube. Une connaissance très précise de la vitesse du vent est donc un préalable essentiel. Il faut également savoir que la présence d’une éolienne sur un terrain influence énormément l’écoulement du vent et ce, même en amont de l’éolienne. De ce fait, il devient très difficile de savoir quelle est la véritable vitesse (ou vitesse non perturbée) du vent soufflant sur l’éolienne. Or, de nombreux types d’éoliennes sont fabriqués par différents manufacturiers. Le constructeur qui vend une éolienne doit garantir les performances de celle-ci, alors que le promoteur éolien qui achète la machine veut s’assurer que les performances promises seront respectées. De ces motifs commerciaux est né le concept de test de performance.
Le test de performance consiste à enregistrer simultanément la vitesse du vent et la puissance fournie par l’éolienne. Plusieurs vitesses de vent sont soumises au test, permettant ainsi d’obtenir une courbe de puissance pour l’éolienne.
En terrains plats, l’écoulement du vent est considéré horizontalement homogène, c’est-à-dire que le profil vertical du vent se maintient dans l’espace. Il suffit alors de mesurer la vitesse du vent à une certaine distance de l’éolienne, à la hauteur du moyeu, et de supposer que cette vitesse est équivalente à la vitesse au point de contact de l’éolienne

Calibration de site traditionnelle

En terrain complexe, l’hypothèse de l’écoulement horizontalement homogène n’est pas valable. Il faut procéder à une calibration de site. La calibration de site réalisée de manière traditionnelle consiste à installer deux tours météorologiques avant l’installation d’une éolienne : une première tour temporaire à la position exacte de la future éolienne et une seconde, appelée tour référence, située à une distance équivalente de deux à quatre D, où D représente le diamètre du rotor de l’éolienne. Les instruments installés sur ces deux tours (anémomètres et girouettes) recueillent les données qui permettent ensuite d’établir une relation statistique entre la vitesse du vent au sommet des deux tours. La relation obtenue permet donc, une fois la tour temporaire retirée et l’éolienne installée, de connaitre avec précision la vitesse du vent à l’ éolienne à partir de la mesure du vent à la tour référence et de pouvoir ainsi procéder au test de performance de la machine.
Cette calibration traditionnelle comporte de nombreux désavantages: l’installation de la tour temporaire coûte environ 40 000$. Mais plus encore, le temps nécessaire à la prise de données pour la calibration retarde l’ installation de l’ éolienne et, donc, la production énergétique de celle-ci. Pour un promoteur éolien, il s’agit d’un délai inutile. Enfin, si des modifications majeures survenaient sur le site, une forêt rasée par exemple, la calibration réalisée pourrait devenir caduque.

Simulation numérique de l’écoulement du vent

La solution préconisée dans ce mémoire pour remplacer la calibration de site traditionnelle est de réaliser une calibration de site virtuelle. Ceci consiste à simuler l’ écoulement du vent à l’aide d’une méthode numérique. Avec une telle approche, une seule tour de mesure est requise, la tour référence, et la simulation numérique effectuée permet d’obtenir la relation des vitesses de vent aux points voulus. Il existe plusieurs modèles qui  permettent de simuler l’écoulement du vent. L’industrie de l’énergie éolienne utilise généralement le logiciel commercial WAsP. ce modèle simplifié donne de bons résultats sur des terrains simples mais son utilisation sur des terrains plus complexes donne des résultats mitigés. Une seconde méthode est la solution des équations de Navier-Stokes, rendue possible par les développements rapides, au cours des dernières années, de la mécanique des fluides assistée par ordinateur (Computational Fluid Dynamics, CFD). Cette seconde méthode peut être subdivisée selon la modélisation de la turbulence employée. Deux approches sont présentées ici, soit l’utilisation des équations de Navier-Stokes moyennées dans le temps par l’approche de Reynolds (Reynolds Averaged Navier-Stokes equations, RANS) et la technique plus récente nommée simulation des grands tourbillons (Large Eddy Simulation, LES).

Synthèse sur les simulations en terrains non plats déjà réalisées

Terrains complexes idéalisés : collines et escarpements

L’analyse d’un terrain réel est un cas très complexe et les premières simulations numériques d’écoulements atmosphériques ont donc porté sur des cas beaucoup plus simples.
L’un des cas fréquemment cité dans la littérature est l’étude de l’écoulement bidimensionnel sur une colline idéalisée. Une paramétrisation mathématique permet de définir une colline parfaitement symétrique. Il est alors possible de procéder à l’étude numérique de l’ écoulement sur cette colline, mais également à une étude expérimentale en soufflerie.

Terrains réels

Avant de procéder au choix final du modèle de turbulence à utiliser dans le cadre de cette maîtrise, il est intéressant de savoir que certains auteurs se sont déjà attaqués à la simulation d’écoulement atmosphérique sur terrains réels. En 2004, Villuanueva et al. ont étudié l’ écoulement du vent sur un terrain très complexe. Ils ont utilisé l’approche RANS et le modèle de turbulence K – €, mais en modifiant les constantes originales du modèle, pour simuler le vent au-dessus d’un terrain situé près de Pamplona, dans la région de Navarre, en Espagne. La taille du terrain étudié était de 14km par 14 km et ils ont comparé les résultats numériques obtenus à une campagne de prise de mesures effectuée sur site à l’aide de quatre mâts météorologiques. Leur conclusion est qu’un tel modèle permet de décrire correctement l’écoulement du vent sur un terrain complexe.

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Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION 
1.1 Généralités sur l’énergie éolienne
1.2 Parcs éoliens en terrains complexes
1.3 Objectifs et méthodologie
1.4 Structure du mémoire
CHAPITRE 2 REVUE DE LA LITTÉRATURE
2.1 Description du test de performance et de la calibration de site
2.1.1 Test de performance
2.1.2 Calibration de site traditionnelle
2.2 Simulation numérique de l’ écoulement du vent
2.2.1 Modèle WAsP
2.2.1.1 Limitations du modèle WAsP
2.2.2 Mécanique des fluides assistée par ordinateur: équations de Navier-Stokes et modélisation de la turbulence (RANS)
2.2.3 Mécanique des fluides assistée par ordinateur: équations de Navier-Stokes et calcul explicite des grands tourbillons (LES)
2.3 Synthèse sur les simulations en terrains non plats déjà réalisées
2.3.1 Terrains complexes idéalisés : collines et escarpements
2.3.2 Terrains réels
2.4 Choix du modèle
CHAPITRE 3 CONCEPTS PHYSIQUES 
3.1 Écoulement en couche limite atmosphérique
3.1.1 Description de la troposphère
3.1.2 Notion de stratification thermique
3.1.3 Théorie de Monin-Obukhov
3.1.3.1 Représentation du champ de vitesse
3.1.3.2 Influence de la végétation sur la couche limite atmosphérique
3.2 Modélisation du sol
3.2.1 Données provenant de Géobase
3.2.2 Carte topographique numérique
3.2.3 Télédétection
3.2.4 Construction d’un MNA à partir de photographies aériennes
CHAPITRE 4 MODÈLE MATHÉMATIQUE 
4.1 Équations du mouvement
4.2 Modélisation de la turbulence
4.2.1 Modèle K- € standard avec modifications aux constantes
4.3 Conditions aux frontières
4.3.1 Distribution de la turbulence atmosphérique
4.3.2 Loi de la paroi
CHAPITRE 5 MÉTHODE NUMÉRIQUE
5.1 Description de la méthode employée
5.1.1 Discrétisation du domaine de calcul
5.1.2 Construction du maillage
5.1.2.1 Méthode d’enchâssement de domaines
5.1.3 Discrétisation des équations de transport
5.1.4 Résolution du système d’équations linéaires résultant
5.1.5 Vérification de la convergence
5.1.6 Schéma d’interpolation de la pression
5.2 Conditions aux frontières sur le grand domaine
5.2.1 Sol
5.2.2 Entrée du domaine
5.2.2.1 Termes sources à introduire dans les équations de transport de la turbulence
5.2.3 Sortie du domaine
5.2.4 Frontières latérales
5.2.5 Partie supérieure du domaine
5.3 Conditions frontières sur le petit domaine
5.4 Initialisation de la solution
5.5 Résumé des paramètres employés dans FLUENT
CHAPITRE 6 ÉTUDE DES DONNÉES EXPÉRIMENTALES
6.1 Présentation détaillée du site de Rivière au Renard
6.2 Installations sur le site
6.2.1 Positionnement des différents équipements
6.2.2 Détails concernant les instruments utilisés
6.3 Traitement statistique des données
6.3.1 Méthodologie employée
6.3.2 Analyse des données
6.4 Analyse d’incertitude
6.4.1 Incertitudes de type A
6.4.1.1 Incertitude standard combinée de type A
6.4.2 Incertitudes de type B
6.4.2.1 Incertitude standard combinée de type B
6.4.3 Incertitude standard combinée
6.5 Exemple de calcul: le cas de l’orientation du vent 295°
CHAPITRE 7 RÉSULTATS ET DISCUSSION 
7.1 Validation du modèle proposé sur terrain plat
7.1.1 Écoulement perpendiculaire au plan: entrée du domaine
7 .1.2 Écoulement dans le plan : frontière latérale du domaine
7.2 Comparaison des simulations numériques aux données expérimentales
7 .2.1 Cas 1 : orientation du vent 5°
7.2.2 Cas 2: orientation du vent 15°
7.2.3 Cas 3: orientation du vent 255°
7.3 Comparaison de la méthode CFD proposée au logiciel WAsP
7.4 Calibration virtuelle du site de Rivière au Renard
CONCLUSION

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