Amélioration d’un modèle de prévision de givre pour l’exploitation de parcs éoliens (Thèse CIFRE VALEMO-CNRM)

Actualité - 3 février 2022

VALEMO exploite plusieurs parcs (en particulier sur des parcs du groupe comme Arfons, Albine et la Luzette) situés dans des zones soumises régulièrement à des phénomènes de givre en hiver. La problématique du givrage a un impact significatif dans l’exploitation de centrales éoliennes. En effet, les pertes de productions dues au givre s’élèvent en moyenne à 2200 MWh/an sur la flotte exploitée actuellement par VALEMO (même si une bonne partie de ces pertes sont prises en compte dans les études). De plus, en tant qu’exploitant de ces centrales, VALEMO est responsable de la sécurité aux abords des centrales ENR et doit garantir la sécurité des personnes à proximité des installations.

Les deux figures ci-dessous, montrent que de grandes quantités de glace peuvent s’accumuler sur les pales lors d’un épisode de givre. En cas de mise en marche, des blocs peuvent être éjectés à des centaines de mètres autour de la machine.

Afin de répondre à cette problématique, VALEMO participe en collaboration avec Météo France au développement d’un modèle de prévision de givre pour les pales d’éolienne. Météo France a développé un système de prévision d’accrétion de givre : WIRE (Winter Risks for Energy) dédié à alerter des acteurs du secteur de l’énergie, du transport, face à des risques météorologiques hivernaux. WIRE utilise des champs de données du modèle numérique de prévision du temps AROME (Température, Humidité, Pression…) pour faire ces prévisions.

D’abord dédié à la prévision d’accrétion de givre et de neige sur les câbles de transport d’électricité (Bouilloud L., 2017), WIRE a par la suite été transposé à l’accrétion de givre sur les pales d’éoliennes. Un premier stage réalisé chez VALEMO en 2019 avec Météo France a permis de réaliser ce travail de transposition et d’adaptation au secteur éolien (prise en compte du mouvement rotatif des pales, modification de référentiel…). Une validation de WIRE a pu être effectuée au cours de ce stage en s’appuyant sur les données du centre de conduite de VALEMO et des données d’exploitation de plusieurs parcs sensible au phénomène de givre. Les résultats obtenus furent très encourageants. Nous avons renouvelé le partenariat avec Météo France en 2020 pour aller plus loin dans le développement du modèle et notamment pour valider l’ajout d’un module de fonte dans WIRE. Un second stage encadré cette fois par VALEMO a permis de mettre en œuvre ces travaux (Dupont R., 2020). Afin de pouvoir procéder à cette validation, le bureau d’étude de VALOREM / VALEMO a instrumenté, au cours de l’automne 2019, deux éoliennes du parc d’Albine très sensible au givre. Cependant, l’hiver 2019/2020 a été particulièrement doux et sec sur ce site et aucun épisode de givre n’a été recensé. La validation du module de fonte s’est donc effectuée à partir de l’utilisation de données d’observation de manchons neigeux sur un câble au niveau du Col de Porte (Isère, Massif de la Chartreuse), un site d’essais de Météo France.

Figure 2 : Exemple de résultats de simulation de WIRE (le trait noir en pointillé symbolise le début d’un événement d’accumulation de neige sur le câble et le trait plein noir la fonte totale) source [1]

La figure ci-dessus montre l’épaisseur de neige simulée pour différentes paramétrisations testées pendant ce stage. On peut voir que selon les hypothèses effectuées, le modèle se comporte de manière différente. Certaines paramétrisations faisant fondre trop rapidement la neige tandis que d’autres sont plus conservatives. Finalement, les résultats obtenus furent très prometteurs avec une détection de 11 événements sur 14 soit un taux de 78,57 % associés à un taux de fausse alarme faible évalué à 7,46%.

Conscient des enjeux liés à la problématique du givre (tenant compte aussi de l’arrivée prochaine des futurs parcs finlandais) et des résultats prometteurs obtenus à la suite de ces deux stages, VALEMO s’est engagé depuis Octobre 2021 dans un projet de thèse CIFRE, en collaboration avec le CNRM (Centre National de Recherches Météorologiques) afin de poursuivre l’amélioration du modèle de prévision de givre WIRE et d’avoir un outil utilisable en opérationnel pour l’exploitation des parcs éoliens.

Figure 3 : Visualisation de l’outil WIRE version 2020. Source : Météo France

Actuellement, WIRE est encore en phase expérimentale. Météo France nous met à disposition cet outil pendant l’intégralité de la thèse afin de procéder aux améliorations. Pour le moment, une visualisation des risques de givrage est disponible (plus la couleur tend vers le violet, plus le risque de givre est élevé). Dans le futur, des graphiques permettant une visualisation de l’épaisseur de givre prévue par le modèle pour les 24, 48 prochaines heures seront ajoutées.

L’ambition de cette thèse est d’améliorer l’ensemble de la chaîne de prévision du risque de givrage pour la gestion des parcs éoliens, en travaillant, dans un premier temps, sur la performance du modèle numérique de prévision du temps AROME, puis, dans un second temps, sur la performance du modèle d’accrétion de givre WIRE, et, enfin, sur la représentation des incertitudes via les méthodes de prévisions probabilistes. Ces travaux permettront à VALEMO de :

  • Mettre en place une stratégie d’exploitation et de pilotage des éoliennes. Cela permettrait de limiter les charges mécaniques dues au givre sur les pales d’éolienne, et, potentiellement, limiter l’accrétion de glace sur les pales.
  • Redémarrer au plus tôt et en toute sécurité les éoliennes afin d’optimiser les pertes de production sachant que c’est l’exploitant qui doit prendre la décision de redémarrage et les risques associés ; et pas le turbinier.

Référence : [1] : R. Dupont, R. Legrand, L. Bouilloud, C. Taymans, « Modélisation de l’accrétion de givre sur les pales d’éoliennes