Topographie complexe et climat rigoureux pour les éoliennes

En raison de sa part élevée de production en période hivernale, l’énergie éolienne est appelée à jouer un rôle essentiel dans la stratégie énergétique suisse. Le Conseil fédéral a donc fixé dans l’ordonnance sur l’énergie un objectif de développement de l’éolien de 2,3 TWh/a d’ici 2030. Pour atteindre cet objectif, les sites situés dans les Alpes et sur les crêtes du Jura sont particulièrement attractifs, leur forte exposition leur conférant généralement un potentiel éolien élevé.

Topographie complexe

Or, la topographie d’un terrain peut exercer une forte influence sur l’écoulement du vent. Au-dessus d’un terrain plat, l’écoulement est horizontal. Son profil vertical de vitesse peut être décrit de manière simplifiée par une augmentation logarithmique, pour autant que l’on ne tienne pas compte de la stabilité atmosphérique, c’est-à-dire de l’influence des processus thermiques liés au rayonnement solaire.

Un terrain complexe, caractérisé par un relief vallonné ou montagneux, ou par une rugosité de surface élevée, comme dans les zones urbaines ou forestières, influence fortement l’écoulement du vent, ce dernier suivant alors sa topographie. Le vecteur vent n’est alors plus horizontal, mais plus ou moins incliné selon la pente du terrain.

Lors du franchissement d’une crête ou du passage à travers un rétrécissement de vallée tel que le coude du Rhône, près de Martigny, l’écoulement est brièvement accéléré (loi de Bernoulli). Le profil du vent ne peut alors plus être décrit par une courbe logarithmique. Du côté sous le vent de la crête, des structures tourbillonnaires se forment en fonction de la vitesse du vent, de la stabilité de l’atmosphère et de la forme du relief (figure 1). Ces tourbillons résultent du décollement de l’écoulement et peuvent être très turbulents. Les conditions de vent à petite échelle influencées par un relief complexe doivent donc être prises en compte à différentes étapes d’un projet éolien.

Climat rigoureux

Le givrage représente un autre défi pour le développement de l’énergie éolienne en Suisse. Il se produit lorsqu’à des températures inférieures au point de congélation, des nuages contenant des gouttelettes d’eau surfondue entrent en contact avec une surface. Bien que l’eau puisse rester à l’état liquide jusqu’à −38°C quand elle est très pure, ces gouttelettes gèlent presque instantanément lorsqu’elles entrent en contact avec une surface telle qu’une pale de rotor ou un anémomètre. Les conditions propices au givrage correspondent donc à la présence de brouillard ou de nuages, associée à des températures inférieures à 0°C. Ces conditions étant relativement fréquentes sur les hauteurs du Plateau et dans le Jura, le givrage doit être pris très au sérieux, non seulement en montagne, mais aussi dans ces régions.

Les pales givrées constituent en effet un défi de taille pour l’exploitation des éoliennes (figure 2): la modification de la section transversale des pales réduit l’efficacité de la turbine, qui produit alors moins d’électricité. En cas de givrage plus important, des déséquilibres ainsi que des dommages mécaniques peuvent également survenir. L’installation doit alors être arrêtée et ne peut être remise en service qu’une fois la glace entièrement fondue. Afin de limiter les pertes de production en hiver, il est désormais courant, dans la pratique, d’équiper les éoliennes de systèmes de chauffage des pales adaptés à ces conditions. Les pales peuvent être chauffées soit de l’intérieur à l’aide d’air chaud, soit par le biais d’éléments chauffants.

De plus, si une éolienne continue de fonctionner avec des pales givrées, des morceaux de glace de quelques centaines de grammes à plusieurs kilogrammes peuvent se détacher et être projetés jusqu’à quelques centaines de mètres. Ces morceaux peuvent présenter un risque pour les personnes et les biens situés à proximité. Dans le cadre de la planification des projets, ces risques sont évalués à l’aide de modélisations des projections et des chutes de glace, afin de définir des mesures ciblées telles que des arrêts d’exploitation, des restrictions d’accès ou des alertes.

Lors de la planification, le givrage doit être pris en compte dès la phase de mesure du vent: les capteurs givrés fournissent des mesures erronées, voire cessent de mesurer. Les anémomètres à coupelles sont particulièrement vulnérables au givrage, car ils ne peuvent pas être suffisamment chauffés. Les anémomètres à ultrasons 3D chauffés y sont en revanche nettement moins sensibles. Il est, en outre, aussi nécessaire de quantifier la fréquence du givrage. Pour ce faire, un anémomètre non chauffé est installé en complément de l’anémomètre à ultrasons chauffé. Les écarts entre les mesures de vitesse du vent permettent alors d’identifier les périodes de givrage. La somme de ces périodes fournit une estimation de la durée potentielle de givrage, et donc une indication de la fréquence à laquelle ce phénomène entraîne des pertes de production. Ces dernières sont prises en compte dans l’étude de rendement des futures éoliennes. Cela permet au développeur du projet de décider s’il convient ou non de commander des éoliennes équipées d’un système de dégivrage.

Estimation de la vitesse du vent à long terme à hauteur de moyeu

En Suisse, tout projet éolien repose sur des mesures du vent effectuées à l’aide d’un mât dont la hauteur atteint au moins les deux tiers de la hauteur de moyeu des éoliennes prévues. Dans notre pays, le vent présente une forte variabilité saisonnière: sa vitesse est souvent nettement plus élevée en hiver qu’en été. Ce phénomène est toutefois moins marqué dans les régions dominées par des vents d’origine thermique. Afin de caractériser le cycle annuel, les normes internationales – élaborées par Measnet, ou les directives techniques TR6 de l’Association allemande de promotion de l’énergie éolienne et des énergies renouvelables (FGW), par exemple – prescrivent d’effectuer des mesures pendant au moins douze mois consécutifs.

Pour ce faire, on utilise aujourd’hui généralement en Suisse des mâts de mesure d’une hauteur minimale de 100 m, conçus pour résister à un important givrage ainsi qu’à des vents extrêmes (figure 3). Pour extrapoler ces mesures à la hauteur de moyeu d’une future éolienne, on recourt à des mesures de télédétection par laser (lidar). Celles-ci enregistrent les conditions de vent sur toute la hauteur des futurs rotors (au maximum jusqu’à 300 m au-dessus du sol). Grâce à des profils lidar dépendant des secteurs de direction du vent, les mesures effectuées sur le mât peuvent être extrapolées à la hauteur du moyeu.

Les conditions de vent n’ayant été mesurées que sur une seule année, les mesures doivent être corrigées afin de représenter une moyenne climatologique à long terme. Les mesures de vent sont donc corrélées avec les données des stations de mesure permanentes de MétéoSuisse ou avec des données de réanalyse (ERA5, MERRA-2), puis ajustées sur plusieurs années.

Cette procédure permet d’obtenir, pour le site de mesure, des statistiques des conditions de vent à long terme à la hauteur de moyeu d’une future éolienne. Dans le cas d’un terrain complexe, on ne peut toutefois pas partir du principe que ces conditions sont identiques sur l’ensemble du périmètre du projet. C’est pourquoi les statistiques des conditions de vent doivent encore être extrapolées horizontalement au terrain. Dans un relief complexe, les normes relatives à l’énergie éolienne autorisent cette extrapolation dans un rayon pouvant aller jusqu’à 2 km autour du site de mesure, à condition d’utiliser un modèle approprié, capable de tenir compte des effets d’une topographie complexe. Les modèles statistiques de vent, qui reposent sur un écoulement laminaire et des profils de vent verticaux logarithmiques, ne sont pas adaptés à cet usage. La solution réside ici dans une modélisation du vent basée sur la mécanique des fluides numérique (Computational Fluid Dynamics, CFD). Le relief y est soumis à des flux d’air provenant de différentes directions (comme dans une soufflerie virtuelle) et les résultats sont mis à l’échelle à l’aide des statistiques des conditions de vent à long terme.

Prévisions de production

Les prévisions de production aux emplacements des éoliennes sont calculées en intégrant les configurations possibles du parc éolien au modèle. Les pertes de rendement dues aux effets de sillage entre éoliennes voisines sont aussi prises en compte. Une analyse d’incertitudes et de risques permet ensuite de calculer les productions associées à des probabilités de dépassement déterminées: par exemple, quelle valeur de productible annuel a une probabilité de 90% d’être dépassée. Comme la planification des investissements s’appuie sur ces données, on parle alors d’une étude de productible bancable.

Les éoliennes sont conçues selon les normes CEI pour des intensités de turbulence données. Celles-ci peuvent être déterminées à partir des mesures effectuées sur le mât et par lidar. Dans le cas de terrains très complexes, les fabricants d’éoliennes exigent toutefois souvent l’enregistrement de valeurs à la seconde de la vitesse tridimensionnelle du vent, afin de pouvoir homologuer leurs machines pour le site et proposer des contrats de maintenance avec des niveaux de disponibilité définis. Ces données peuvent être collectées à l’aide d’anémomètres à ultrasons 3D, qui déterminent le vecteur de vent tridimensionnel en analysant les différences de temps de propagation d’impulsions ultrasonores.

Que nous réserve l’avenir?

Meteotest participe, au sein de l’Agence internationale de l’énergie (IEA), à la recherche appliquée sur l’énergie éolienne en terrain complexe et dans des conditions de givrage. Actuellement, les évolutions prometteuses suivantes sont observées:

Réduction d’échelle basée sur l’apprentissage profond: l’Atlas des vents de la Suisse (windatlas.ch) fournit aux autorités et aux développeurs de projets une première indication sur l’aptitude d’un site à l’exploitation de l’énergie éolienne. En particulier en terrain complexe, les atlas éoliens traditionnels dépendent de mesures représentatives dans un rayon de quelques kilomètres afin de restreindre les incertitudes. Les méthodes plus récentes s’appuient sur des modèles météorologiques à méso-échelle, tels que le modèle Icon de MétéoSuisse, doté d’une résolution horizontale d’environ 1 km. Grâce à une réduction d’échelle (downscaling) basée sur l’apprentissage profond (deep learning), ces données peuvent être affinées pour estimer efficacement les conditions de vent à la hauteur de moyeu des éoliennes. Cela permet d’améliorer considérablement l’évaluation des sites. Pour la planification de projets et l’établissement d’études de productible bancables, des mesures de vent détaillées sur site restent toutefois indispensables.

Prévisions de givrage basées sur l’IA: les prévisions de givrage destinées à l’exploitation des éoliennes permettent de minimaliser les pertes de production grâce à un pilotage anticipatif de l’installation, par exemple en activant le système de chauffage à temps. Les approches actuelles combinent des données météorologiques et des données d’exploitation de l’installation avec un algorithme d’apprentissage automatique entraîné à partir de données historiques. Cette approche devrait être poursuivie dans le cadre d’un projet de recherche Horizon récemment soumis.

Disponibilité des données lidar: les mesures lidar reposent sur l’analyse de la lumière laser rétrodiffusée par les aérosols présents dans l’atmosphère. En hiver, la concentration en aérosols en montagne est faible pour diverses raisons, ce qui entraîne une faible disponibilité des données. Cette dernière peut toutefois être considérablement augmentée grâce à des algorithmes améliorés et à un traitement ultérieur des données. Meteotest évalue actuellement les avantages effectifs des systèmes lidar équipés en conséquence.

Mesure du givrage par lidar: une mesure précise des conditions propices au givrage permet une commande anticipée des systèmes de chauffage des pales et améliore les prévisions de givrage; cela vaut également pour d’autres domaines d’application tels que l’aviation et l’exploitation des lignes électriques aériennes. Des recherches sont actuellement menées pour déterminer comment exploiter les données brutes des systèmes lidar pour mesurer non seulement les vecteurs de vent, mais aussi des profils verticaux de givrage.

Conclusion

Il est possible de mener à bien des projets éoliens même dans des terrains complexes et des régions au climat rigoureux. Il est toutefois dans l’intérêt des développeurs d’impliquer des experts en évaluation du potentiel de production ainsi que des fabricants d’éoliennes dès les premières étapes du projet, afin de prendre dûment en compte les conditions spécifiques du site. Cette approche permet de concrétiser des projets valorisant le potentiel éolien des sites de montagne adaptés et de produire une précieuse électricité hivernale.