Modélisation à fine échelle des interactions entre parcs éoliens et météorologie locale

Fine scale modelling of interactions between wind farms and local meteorology

• Auteur / Autrice : Pierre-Antoine Joulin
• Direction : Valéry Masson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe d'étude de l'atmosphère météorologique (Toulouse) - Centre national de recherches météorologiques (France)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Aubrun-Sanches
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valéry Masson, Philippe Chatelain, Mireille Bossy, Bertrand Carissimo, Christine Lac, Frédéric Blondel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Aubrun-Sanches, Philippe Chatelain, Mireille Bossy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie éolienne

Atmosphère

Météorologie -- Observations

Simulation des grandes échelles

Mots clés libres

Éolienne

Météorologie

Couche Limite Atmosphérique

Turbulence

Large Eddy Simulation

Méthodes Actuatrices

Wind Turbine

Meteorology

Atmospheric boundary layer

Turbulence

Large Eddy Simulation

Body force methods

Résumé

Le développement des énergies éoliennes, encouragé par le projet de Programmation Pluriannuelle de l’Énergie, soulève de nouvelles questions. Certains parcs s’orienteront vers des terrains montagneux et offshore. Pour prévoir la production énergétique et tenter de l’optimiser, une meilleure compréhension de l’écoulement du vent au sein des fermes sur ce type de terrains est nécessaire. Par ailleurs, les éoliennes offshore, de plus en plus grandes, seront amenées à interagir plus fortement avec la météorologie locale. Il semble alors important de caractériser ces interactions. Pour répondre à cet enjeu industriel et environnemental, un nouvel outil numérique a été créé au cours de ces travaux de thèse. La première partie de ce manuscrit se concentre sur les notions, les concepts et les modèles théoriques de la Couche Limite Atmosphérique (CLA) ainsi que des éoliennes. L’intérêt se porte notamment sur le modèle météorologique Meso-NH, utilisant la méthode Large Eddy Simulation (LES) et sur des modélisations simplifiées d’éoliennes : l’Actuator Disk (AD) rotatif et non-rotatif puis l’Actuator Line (AL). La deuxième partie se consacre au développement et à la validation de l’outil couplé. En implémentant les méthodes AD et AL au sein de Meso-NH, il devient possible de simuler la présence des éoliennes dans une couche limite atmosphérique réaliste. Une première étape de validation se base sur une expérience en soufflerie, mettant en jeu cinq éoliennes sur une colline, pour analyser le couplage avec l’Actuator Disk non rotatif. Une seconde se focalise sur l’expérience MextNext, concernant une petite éolienne en soufflerie, pour étudier le couplage avec l’Actuator Line. Les résultats obtenus sont très satisfaisants. La troisième partie se concentre sur l’impact potentiel des fermes éoliennes sur la météorologie locale. La capacité de l’outil à reproduire des interactions météorologiques complexes a été démontrée en simulant le cas des photos de Horns Rev 1. La formation nuageuse obtenue par le couplage numérique témoigne du potentiel de l’outil développé. Ensuite, pour tenter de caractériser les interactions des futurs parcs offshore avec la météorologie locale, de très grandes éoliennes plongées dans une fine couche limite atmosphérique ont été simulées. Un cas de temps clair et un cas nuageux ont été examinés. Il conviendra de mener des études complémentaires pour approfondir l’analyse de ces derniers résultats, encore préliminaires. Ainsi, de nouvelles paramétrisations de Meso-NH permettent maintenant de représenter des éoliennes dans une atmosphère réaliste, en élargissant le champ des possibles des simulations CFD pour les parcs éoliens

The development of wind energy, encouraged by the french Multiannual Energy Program, raisesnew questions. Some parks will be located on mountainous and offshore terrains. To forecast the energy production and try to optimize it, a better understanding of the flow within wind farm on thattype of terrain is needed. In addition, modern offshore wind turbines are getting larger and willinteract more strongly with local weather. It seems important to characterize these interactions. To respond to this industrial and environmental challenge, a new digital toolwas created during this thesis work. The first part of this manuscript focuses on the concepts andtheoretical models of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) and wind turbines. In particular, theMeso-NH meteoro- logical model, used in the Large-Eddy Simulation (LES) framework, andsimplified models of wind turbines have been investigated : Actuator Disk (AD) with and without rotation and the Actuator Line (AL). The second part is devoted to the development and validation of the coupled tool. By implementing the AD and AL methods within Meso-NH, it becomes possible to simulate the presence of wind turbines in a realistic atmospheric boundary layer. A firstvalidation step is based on a wind tunnel experiment, involving five wind turbines on a hill, toanalyze the coupling with the non-rotating Actuator Disk. A second focuses on the MextNext experiment of a small wind turbine, to study the coupling with the Actuator Line. All the resultsobtained are very satisfactory. The third part focuses on the potential impact of wind farms on localweather. The ability of the tool to reproduce complex meteorological interactions has been demonstrated by simulating the case of the Horns Rev 1 photos. The cloud development obtainedby the coupled system demonstrates the potential of the developed tool. In order to characterizethe impact of future offshore parks on the local meteorology, large wind turbines immersed in a thin atmospheric boundary layer were simulated. A clear weather case and a cloudy one wereexamined. Additional studies will be needed to complement these preliminary results. Thus, newMeso-NH parameterizations make now possible to represent wind turbines in a realistic atmosphere, widening the scope of possible CFD simulations for wind farms