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L'énergie à découvert

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Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

24. Études de sites, atlas des vents et potentiel éolien

Philippe Dandin, Franck Baraer, Dominique Giard, Pierre Lassègues, Victoire Laurent et Christelle Robert

Texte intégral

La mesure du vent

1La mesure du vent est un exercice compliqué. En effet, sa métrologie* demeure complexe et sa variabilité spatiale et temporelle est extrêmement élevée : la turbulence des écoulements et les effets locaux font que des sites voisins se comportent très diversement. Le vent moyen, le vent maximum, les rafales – qui peuvent avoir été mesurées selon des protocoles divers au fil du temps – demeurent des paramètres difficiles à obtenir sur le long terme. Au mieux, les séries sont courtes. La base de données climatologique n’est pas riche, notamment à cause de l’usage d’anciens anémomètres de type « Papillon » qui ne résistaient pas à l’usure des vents – le papillon qui tenait le dispositif se dévissait progressivement, jusqu’à s’envoler…

2Les rares stations de mesure disposant d’une histoire et d’une qualité suffisantes pour dériver des statistiques utiles – à l’instar des roses de vents (figure 1) – sont évidemment placées en des lieux différents de ceux visés pour une possible exploitation… Les observations sont donc peu adaptées à une estimation du potentiel – songeons par exemple à la Polynésie où 4 stations seulement couvrent les 10 îles hautes que compte l’archipel de la Société ; pensons tout simplement à l’éolien en mer ; que les opérateurs ne se satisfont pas d’informations à 10 mètres – standard météorologique – quand leurs installations s’élèvent à près de 100 mètres. Aussi, pour déterminer précisément les zones propices à l’exploitation de l’énergie éolienne, faut-il recourir à des modélisations.

Modélisation du potentiel

3La simulation en veine hydraulique* peut permettre de préciser le gisement de certains sites : les écoulements atmosphériques sont restitués par similitude avec des écoulements d’eau salée de densité contrôlée sur la verticale, comme celle de l’atmosphère l’est par la température. Par exemple, en 2006, une première estimation du potentiel éolien sur l’île de Tahiti a été réalisée de cette façon ; cette approche avait déjà été utilisée auparavant pour étudier le ressaut hydraulique de l’alizé, dommageable pour l’activité de l’aéroport international de Faa’a, sous le vent de l’écoulement. De même, le dimensionnement du viaduc de Millau a été évalué grâce à l’étude des flux selon différents régimes. Cependant, cette méthode est coûteuse car elle suppose la réalisation d’une maquette en 3D du relief et requiert un dispositif expérimental lourd.

Fig. 1 – Statistiques de vent pour la station d’observation de Dol-de-Bretagne, présentées sous forme de rose montrant la fréquence des vents en fonction de leur provenance et d’un tableau de répartition. Météo-France

4Les simulations numériques permettent désormais de représenter finement le vent et de constituer des atlas climatologiques ou d’étudier le potentiel d’un site. Elles offrent une alternative à l’étude sur maquettes ou à l’installation de stations de mesures supplémentaires et au recueil d’observations sur une période suffisamment longue. Météo-France met ainsi en œuvre en mode « études » ses codes opérationnels de prévision pour des applications climatologiques (Aladin et Arome). Le modèle nonhydrostatique Arome fonctionne classiquement à une résolution horizontale de 2,5 km et avec 60 niveaux verticaux, et ce, à un coût relativement abordable. Il permet une bonne estimation de la distribution du vent réel à échelle très fine.

5Les modèles ont un don d’ubiquité particulièrement utile : des travaux ont ainsi été réalisés pour estimer le potentiel éolien à l’échelle d’un continent, en mer, ou encore couvrant un archipel tel que celui de la Société en Polynésie française. Une cascade de modèles peut être employée pour descendre jusqu’à la résolution utile, partant du global et allant jusqu’au site. Les modèles numériques peuvent également échantillonner la verticale : 10 m, 50 m, ou 100 m (figure 2), qualité essentielle pour répondre aux préoccupations des énergéticiens.

6L’intégration de ces modèles reste encore chère. Aussi, leur emploi à des fins climatologiques, que ce soit pour étudier un effet de site, pour évaluer l’impact du vent sur une construction ou une exploitation sensible, ou pour établir un atlas de potentiel éolien, requiert généralement un travail préalable de sélection d’épisodes : il est ainsi possible de limiter le nombre de simulations, lorsque l’on ne peut pas s’appuyer sur les archives d’analyses ou sur des réanalyses numériques.

Modèles et observation

7La sélection des situations puis la descente d’échelle font appel aux techniques habituellement déployées en climatologie : classification statistique par régimes ou types de temps et sélection de dates emblématiques sur lesquelles les outils numériques sont appliqués en cascade. Ainsi, en Polynésie, les équipes de Météo-France ont retenu 100 épisodes caractéristiques, réalisé une descente d’échelle dynamique depuis la réanalyse globale* ERA-Interim jusqu’à la résolution de 2,5 km grâce à 3 modèles emboîtés. Après pondération des 100 situations, une estimation de la distribution des vents couvrant l’archipel est disponible, y compris sur des îles dépourvues de stations de mesure. D’autres travaux, tirant partie de l’efficience des codes numériques récents, ont été menés par simulation continue sur quelques années puis classification en types de temps. De tels atlas ont été réalisés en France métropolitaine, mais aussi à l’échelle européenne, dans les territoires ultramarins et ailleurs dans le monde !

Fig. 2 – Énergie potentielle éolienne à 100 mètres d’altitude. Carte établie avec le modèle Aladin, situations des années 1999 à 2005. Météo-France

8Les bases de données ainsi établies, dont la constitution est souvent sollicitée en amont par les collectivités territoriales, permettent de multiples valorisations ultérieures. Décrivant abondamment les distributions, elles fournissent non seulement des cartes de vitesse du vent, mais aussi de puissance ou de tout autre paramètre lié aux spécifications particulières d’un aérogénérateur. Elles offrent notamment la possibilité d’approfondir les études de site suivant les spécifications des porteurs de projet. Autant d’avantages qui intéresseront les concepteurs et ensuite les opérateurs dans une perspective d’exploitation opérationnelle efficiente d’un parc. Ainsi, un atlas de potentiel éolien par grand froid a été réalisé pour la Bretagne – y compris offshore –, s’appuyant sur les observations (pour la définition des épisodes de grand froid) et sur les archives numériques issues d’Aladin (pour le potentiel éolien) : son intérêt est qu’il cible des périodes d’exploitation particulièrement critiques pour les énergéticiens et modélise jusqu’au potentiel de production électrique en intégrant des rendements typiques d’éoliennes (figure 3).

Fig. 3 – Potentiel de production éolienne mobilisable en Bretagne, par rapport à la puissance installée, pour un jour de grand froid, le 8 janvier 2003, à 18 heures. Météo-France

Climatologie et prévision

9L’approche numérique peut aussi être fort utilement combinée à l’exploitation des observations disponibles. Pour l’établissement de certificats d’intempérie sur les vents forts – attendus par les assureurs après chaque épisode ayant entraîné des dégâts – une aide à l’expertise des climatologues est construite par combinaison des mesures de rafales avec les analyses réalisées par le code opérationnel Arome : tout l’art consiste à marier au renfort d’approches géostatistiques la distribution spatiale de ce champ complexe, appréhendée par Arome, avec les points de mesure ayant enregistré les valeurs extrêmes.

10D’autres emplois intéressants de la modélisation méritent encore d’être signalés. Certaines exploitations sont très sensibles au vent, à l’instar du trafic des TGV particulièrement vulnérables aux puissants vents traversiers : Météo-France a ainsi évalué les vents forts sur la branche Est de la Ligne à Grande Vitesse Rhin – Rhône (figure 4), mettant en exergue des zones sensibles où des mesures de réduction de l’exposition au risque ont ainsi pu être prises : ouvrages de protection ou réduction ponctuelle de vitesse, qui peut être appliquée uniquement en cas d’alerte et sur des zones ciblées. Ceci illustre un autre intérêt de l’approche par modélisation : la cohérence entre les outils utilisés pour la prévision et la climatologie permet d’asseoir très naturellement une prévision opérationnelle sur l’étude climatologique, donc d’optimiser l’emploi de l’installation et son rendement.

11Les techniques de modélisation numérique permettent aussi de très nombreuses applications dans le domaine de la prévision du potentiel éolien à courte comme à longue échéance. Les codes déployés par Météo-France pour la prévision opérationnelle permettent d’aborder la climatologie et la prévision avec un système d’information unique, gage d’une maîtrise qui peut s’avérer particulièrement intéressante pour l’exploitant. La richesse des approches disponibles dans l’univers de la prévision numérique offre en outre des possibilités d’évaluation et de gestion opérationnelle qui sont autant d’aides précieuses à la décision : par exemple des prévisions multiples, réalisées en ensembles couvrant différentes hypothèses de travail, permettent de décrire les incertitudes associées à différents choix ; en intégrant en outre des fonctions de coût, ces prévisions probabilistes permettront d’estimer de façon plus réaliste la viabilité d’une opération, ou d’en maximiser le rendement en exploitation.

12Les observations seraient-elles devenues inutiles ? Gardons-nous de cette conclusion par trop hâtive : elles nourrissent toute la construction de ces chaînes de modélisation complexe, permettent leurs validations et évaluations au quotidien et les contraignent par assimilation des données*. Et toute installation mérite ensuite d’être surveillée avec un capteur anémométrique, qui demeure le meilleur garant d’une connaissance locale du vent ayant soufflé… La mesure du vent est difficile. Toutes les informations collectées dans notre pays devraient être regroupées pour enrichir la base de connaissance climatologique. C’est peut-être la prochaine étape à franchir, et qui invite opérateurs, concepteurs et climatologues à poursuivre un échange fructueux !

Fig. 4 – En haut : roses de vents mensuels aux stations proches de la ligne LGV Rhin-Rhône. En bas : roses de vents horaires obtenues par modélisation sur une grille de résolution 1 km, avec un échantillonnage à 5 km. Météo-France

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Statistiques de vent pour la station d’observation de Dol-de-Bretagne, présentées sous forme de rose montrant la fréquence des vents en fonction de leur provenance et d’un tableau de répartition. Météo-France
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11076/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 149k
Légende Fig. 2 – Énergie potentielle éolienne à 100 mètres d’altitude. Carte établie avec le modèle Aladin, situations des années 1999 à 2005. Météo-France
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11076/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 119k
Légende Fig. 3 – Potentiel de production éolienne mobilisable en Bretagne, par rapport à la puissance installée, pour un jour de grand froid, le 8 janvier 2003, à 18 heures. Météo-France
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11076/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 153k
Légende Fig. 4 – En haut : roses de vents mensuels aux stations proches de la ligne LGV Rhin-Rhône. En bas : roses de vents horaires obtenues par modélisation sur une grille de résolution 1 km, avec un échantillonnage à 5 km. Météo-France
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11076/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 225k

Auteurs

Ingénieur, Météo-France, Direction Inter-Régionale Ouest, Rennes.
franck.baraer@meteo.fr

Ingénieure, Météo-France, CNRM, Toulouse.
dominique.giard@meteo.fr

Ingénieur, Météo-France, Direction de la Climatologie, Toulouse.
pierre.lassegues@meteo.fr

Ingénieure, Météo-France, Direction Inter-Régionale de Polynésie française, Papeete.
victoire.laurent@meteo.fr

Ingénieure, Météo-France, Direction Inter-Régionale Nord-Est, Strasbourg.
christelle.robert@meteo.fr

© CNRS Éditions, 2013

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