Partenariat VALEMO/Météo France pour le développement d’un modèle de prévision du givre

Actualité - 8 octobre 2020

Modélisation de l’accrétion et de la fonte du givre sur les pales d’éolienne

VALEMO exploite plusieurs parcs situés dans des zones impactées régulièrement par des phénomènes de givre. Les conséquences du givre sur les pales d’éoliennes concernent, d’une part, les pertes de productions significatives, d’autre part, induisent un vieillissement prématuré des turbines en cas de fonctionnement avec une charge de givre sur les pales et impliquent enfin une problématique de sécurité des personnes aux alentours du parc.


Comme on peut le voir sur la figure 1, une pale peut se trouver recouverte d’une couche épaisse de givre. Dans ces conditions, si elle se met en rotation, des blocs de glace risquent d’être projetés à des dizaines voire des centaines de mètre alentour.  L’enjeu consiste donc à minimiser les périodes d’arrêts dues au givre tout en garantissant la sécurité sur le parc. VALEMO participe auprès de Météo France au développement d’un modèle de prévision d’accrétion et de fonte de givre sur les pales d’éoliennes.

Figure 1 : Photographie d’une pale d’éolienne recouverte de givre. Source : VALEMO.

Météo France dispose d’un outil nommé WIRE (Winter Risk for Energy) dédié à la mise en alerte des acteurs du secteur de l’énergie face aux risques météorologiques hivernaux. Cet outil était applicable principalement à la modélisation de l’accrétion de givre sur les câbles aériens de transport d’électricité. La modélisation est faite à partir des champs du modèle de prévision météorologique à haute-résolution AROME. Grâce à la participation de Valemo, le modèle WIRE de Météo France a ainsi été modifié afin de l’adapter au secteur éolien (dimensions d’obstacles différentes, prise en compte de la rotation des pales, etc.). Puis, un modèle de fonte a été développé afin d’avoir une prévision suivie de l’évènement de givre, de l’accrétion jusqu’à la disparition.

Une validation du modèle d’accrétion de givre a pu être effectuée en 2019 en s’appuyant sur les données du centre de conduite de VALEMO et des données d’exploitation d’une centrale de la montagne noire, très impactée par le givre. Les résultats très probants obtenus nous ont amenés à renouveler le partenariat entre Météo France et VALEMO en 2020 pour valider un modèle de fonte de givre.
En tant qu’exploitant, l’objectif est à la fois de détecter l’apparition des épisodes de givre pour limiter la charge mécanique sur les turbines ainsi que la fin de l’épisode afin d’optimiser la production du parc sans générer de risque pour les personnes et pour les installations. La validation de ce type de modèle est toujours très complexe dans la mesure où les exploitants comme VALEMO ont peu de moyen de connaître précisément le moment d’apparition de givre et la fonte sur ses parcs, d’où l’objet du travail avec Météo France justement. Deux éoliennes de ce parc exploité par VALEMO, situé dans la montagne noire ont été instrumentées en novembre 2019, cependant l’hiver 2019-2020 a été particulièrement doux et aucun épisode de givre n’y a été recensé depuis l’instrumentation. La validation a donc été effectuée selon deux méthodes :

  • Utilisation d’observations de manchons neigeux sur le site d’essais de Météo France situé au col de Porte (Isère, Massif de la Chartreuse). Ce site possède des caméras visant des câbles de transport d’électricité. Il est donc possible de connaître précisément les dates-heure d’accrétion et de fonte sur ces câbles.
  • Utilisation des données historiques des périodes d’arrêts et redémarrage des éoliennes de la flotte VALEMO. Cependant la précision des dates est faible.
Figure 2 : Exemple de résultats de simulations d’un épisode de givre avec différentes hypothèses. Source [1]

On peut observer sur la figure 2 des résultats de simulations obtenus avec différentes modélisations testées (hypothèses différentes notamment) pour les observations du col de Porte. Le trait vertical noir en pointillés montre le début de l’accrétion de givre et le trait vertical noir plein indique la fin de la fonte (disparition totale du givre). Les différents résultats ont montré que les simulations 4 et 6 permettaient de bien représenter les dynamiques des différents évènements observés au col de Porte. Par exemple sur la figure 2, on observe les phénomènes de stabilisation de la fonte durant la nuit. La simulation 6 présente l’avantage d’une hypothèse sur le rayonnement infrarouge qui permet au modèle de s’affranchir d’un paramètre difficile à calculer, à savoir le rayonnement infrarouge en provenance du sol, qui dépend notamment de la topologie du terrain et de la nature du sol.

Figure 3 : Résultats de prévision de givre sur des parcs éoliens en fonction du seuil de probabilité du modèle de prévision ensembliste AROME. Source [2].

La figure 3 montre les résultats de prévision du modèle WIRE obtenus sur un parc de la flotte VALEMO pendant l’hiver 2018/2019. La prévision d’ensemble AROME a été utilisée (on cherche à prévoir l’apparition d’un phénomène de givre 12h en avance). On peut voir qu’un très bon score de détection est obtenu pour des seuils de probabilités compris entre 10 et 40% avec 5 épisodes détectés sur 7. On obtient donc un taux de détection de 78.6 %. Le taux de fausse alarme associé est plutôt faible, calculé à 13.4 %.

Les premiers résultats obtenus sont prometteurs et VALEMO et Météo France vont poursuivre leur partenariat en vue de continuer la validation du modèle sur d’autres données d’observations. Si l’hiver prochain est moins clément, nous pourrons notamment analyser précisément les données issues de capteurs de givre installés sur 2 éoliennes. Un travail est également prévu sur l’adaptation de l’exploitation des parcs en fonction des prévisions fournies par le modèle WIRE.

Références

[1]R. Dupont, R. Legrand, L. Bouilloud et C. Taymans, «Modélisation de l’accrétion de givre sur les pales d’éoliennes,» 2020.
[2]R. Dupont, R. Legrand, L. Bouilloud et C. Taymans, «Utilisation de la prévision d’ensemble AROME pour détecter la formation de givre sur les pales d’éoliennes,» École nationale de la météorologie, 2020.