De meilleurs modèles informatiques sont nécessaires pour les méga parcs éoliens

L'énergie éolienne étant de moins en moins chère, les développeurs de parcs éoliens élaborent des plans pour des parcs d'un ordre de grandeur plus grand que tout ce qui existe aujourd'hui, certains avec plus de 1 000 éoliennes. Mais il y a un gros problème : l'économie des parcs éoliens dépend de prédictions précises de la puissance de sortie, et il est beaucoup plus difficile de modéliser le comportement de ces grands parcs éoliens.

Vents changeants : Une simulation montre les effets des sillages turbulents sur les éoliennes en aval. La turbulence affecte l'air jusqu'à un kilomètre au-dessus du sol.

À l'échelle de plusieurs centaines à plus d'un millier d'éoliennes, simuler les interactions entre autant d'éoliennes, dans une gamme de conditions météorologiques différentes, peut être trop complexe pour les modèles informatiques actuels. Le problème pourrait avoir de profondes implications sur le coût de l'énergie éolienne et sa capacité à se développer pour remplacer de grandes quantités de combustibles fossiles.

Il y a environ cinq ans, en raison d'une mauvaise collecte de données et de modèles informatiques inefficaces, les développeurs éoliens étaient enclins à surestimer la production d'énergie de leurs parcs de plus de 10 %, suffisamment pour détruire leurs bénéfices et, dans certains cas, les empêcher de rembourser leurs prêts. Les modèles se sont améliorés, mais le passage à des parcs éoliens plus grands et la prévalence croissante de parcs éoliens ordinaires construits suffisamment près les uns des autres pour interférer les uns avec les autres soulèvent à nouveau le problème.

Certains chercheurs et experts de l'industrie affirment que même si les modèles informatiques sont devenus efficaces pour estimer la production de parcs éoliens typiques comprenant entre 50 et 100 éoliennes, ils auront des problèmes à des échelles beaucoup plus grandes. Si vous deviez passer à 1 000 éoliennes, les outils de l'industrie commenceraient à tomber en panne, explique Keith Longtin, directeur général de la gestion des produits chez GE Power and Water.

Avec des milliards de dollars en jeu, les développeurs des nouveaux très grands parcs éoliens prennent des mesures extraordinaires pour essayer de prédire la production d'électricité.

La construction d'un méga parc éolien proposé de 1 000 turbines, le projet Chokecherry et Sierra Madre au ranch Overland Trail dans le Wyoming, devrait commencer l'année prochaine.

Les développeurs du projet ont mesuré la vitesse, la direction, la température et d'autres conditions météorologiques du vent sur le site pendant cinq ans (deux ans sont la norme). Ils ont rassemblé des données de 32 tours météorologiques équipées de capteurs qui s'élèvent de 60 à 80 mètres au-dessus des collines couvertes de sauge du ranch, ainsi que des mesures d'un radar sonore (appelé sodar) qui peut balayer le vent à des altitudes allant jusqu'à 200 mètres, la hauteur de certaines éoliennes.

Les développeurs ont également utilisé des superordinateurs pour exécuter les données à travers les derniers modèles informatiques, ceux développés pour tenir compte de la façon dont les éoliennes interagissent les unes avec les autres. Ils ont conclu que le parc éolien pourrait générer au moins 8,76 milliards de kilowattheures par an, soit suffisamment d'électricité pour 770 000 foyers.

Un problème avec les modèles actuels est qu'ils ne représentent pas avec précision la variabilité du vent, pas seulement au niveau du sol, mais même à des centaines de mètres au-dessus du niveau des éoliennes. Des recherches récentes suggèrent que dans certaines conditions météorologiques, les modèles peuvent considérablement sous-estimer les pertes de sillage, explique Michael Drunsic, consultant senior chez DNV KEMA, qui aide les développeurs à estimer la production d'énergie éolienne. Les sillages portent beaucoup plus loin que prévu, dit-il. Ce n'est pas un gros problème dans les parcs éoliens qui n'ont qu'une seule rangée, comme ceux qui suivent des crêtes. Mais avec de grands parcs éoliens à plusieurs rangées, les sillages plus longs pourraient affecter de nombreuses éoliennes, réduisant leur rendement.

Ces types de découvertes peuvent avoir un impact sur la façon dont les éoliennes sont disposées, en particulier dans les grands parcs éoliens avec de nombreuses rangées d'éoliennes. Charles Meneveau, professeur de génie mécanique à l'Université Johns Hopkins, a développé des modèles de la façon dont les très grands parcs éoliens perturbent l'air jusqu'à un kilomètre au-dessus d'eux. Sur la base de certaines de ses simulations, il a montré que les turbines devraient en fait être placées deux fois plus éloignées qu'elles ne le sont habituellement pour tirer le meilleur parti du vent. Mais il dit que ses modèles actuels ne peuvent toujours pas prédire avec précision les performances des très grands parcs éoliens.

Pourtant, alors que de nouveaux modèles informatiques identifient les défis pour les grands parcs éoliens, ils apportent également de bonnes nouvelles, dit Meneveau. Il a montré, par exemple, que les turbulences, si elles peuvent être un problème, sont également essentielles pour les grands parcs éoliens. Sans aucune turbulence, les premières rangées d'un parc éolien bloqueraient essentiellement le vent, limitant le nombre de rangées pouvant être installées. Il a montré que la turbulence tire le vent vers le bas au-dessus du parc éolien. Par conséquent, la dernière rangée d'un parc éolien, bien qu'elle consomme un peu moins d'énergie que la première rangée, peut toujours produire de l'électricité, à condition que les éoliennes soient correctement espacées. La mauvaise nouvelle est que pour les grands parcs éoliens, les gens ne savaient pas trop comment gérer les turbulences, dit-il. La bonne nouvelle est que vous pouvez rendre la ferme aussi grande que vous le souhaitez, car vous pouvez tirer l'air d'en haut.

Meneveau dit que les modèles peuvent également être utilisés pour optimiser la conception et le fonctionnement des éoliennes. Ceux de la première rangée, par exemple, peuvent être programmés pour orienter leurs pales afin de laisser passer plus de vent, améliorant ainsi les performances des turbines des rangées suivantes et augmentant ainsi le rendement de l'ensemble du parc éolien. Des recherches connexes sont menées au National Renewable Energy Laboratory à Golden, Colorado (voir Les nouvelles conceptions font passer l'énergie éolienne au niveau supérieur et Les turbines verticales tireront-elles davantage parti du vent ?).

L'amélioration des modèles informatiques sera cruciale pour réduire le coût de l'énergie éolienne, dit Drunsic. Plus les modèles sont précis et plus un développeur peut être sûr, plus le coût de financement est bas, dit-il.

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