Quand le soleil et le vent dansent au rythme de la météo et du climat…
et nous invitent à nous projeter dans un monde dominé par les renouvelables.
Actualités Steadysun
19/10/2023
par
Guillaume Tremoy
15 min
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Le monde de l'énergie est en pleine transformation. L’électrification croissante des usages, ainsi que l’arrivée massive des énergies renouvelables décentralisées et variables, sont deux piliers fondamentaux de la transition énergétique nécessaire à l’atteinte de la neutralité carbone. Si Steadysun rime avant tout avec le solaire depuis une dizaine d'années, il est venu le temps pour nous de diriger notre palette de solutions vers un nouveau cap, celui de l'énergie du vent ! Et si le soleil et le vent étaient finalement bien plus étroitement liés que vous ne l'imaginez ? Laissez-vous emporter quelques instants par le souffle de notre étoile et le rayonnement de notre expertise !
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L’énergie du Soleil, moteur des phénomènes atmosphériques
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Les gaz qui composent notre atmosphère sont soumis au rayonnement solaire pénétrant au sommet de l'atmosphère. Le soleil est ainsi le poumon vital de notre planète, la source d'énergie principale du système Terre et qui orchestre indirectement – par le réchauffement de la surface terrestre – la plupart des circulations atmosphériques. Ce moteur, cependant, est tout sauf uniforme et stable. Il danse au rythme des cycles astronomiques, influençant l'angle des rayons lumineux qui atteignent la surface de la Terre et des océans, et par conséquent les phénomènes météorologiques à différentes échelles spatiales et temporelles (Figure 1).
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Figure 1 : Classification des principaux phénomènes atmosphériques en fonction de leur échelle spatio-temporelle (d’après Malardel, 2005) [1].
Figure 1 : Classification des principaux phénomènes atmosphériques en fonction de leur échelle spatio-temporelle (d’après Malardel, 2005) [1].
Quand le soleil et le vent dansent au rythme de la météo et du climat…
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Échelle planétaire
À l’échelle planétaire (~10,000 km), le soleil joue un rôle de chef d'orchestre dans l'ensemble des phénomènes atmosphériques. Un exemple fascinant de cette influence est la cellule de Hadley, une composante essentielle de la circulation atmosphérique à l'échelle globale (Figure 2). Cette cellule prend naissance en réponse au déséquilibre radiatif qui se produit, d'une part, entre les pôles et l'équateur (Figure 3a), et d'autre part, entre la surface terrestre et la tropopause, la limite supérieure de la troposphère. Deux vastes cellules hémisphériques, caractérisées par leur symétrie axiale, sont responsables du transport – ou redistribution – de l'énergie thermique depuis l’équateur jusqu’à environ 30° de latitude (Figure 3b).
La mousson et les régimes de temps font également partie des phénomènes conditionnant les vents de grande échelle sur des périodes de plusieurs semaines ou de plusieurs mois, en réponse à des variations du bilan d’énergie à la surface de la Terre.
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Figure 2 : Représentation schématique des isobares de pression au niveau de la mer et des vents de surface avec le soleil directement au zénith sur l'équateur (d’après Wallace & Hobbs, 2006) [2].
Figure 2 : Représentation schématique des isobares de pression au niveau de la mer et des vents de surface avec le soleil directement au zénith sur l'équateur (d’après Wallace & Hobbs, 2006) [2].
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Figure 3 : Climatologies mensuelles a) du rayonnement net (W/m²) au sommet de l’atmosphère (bilan des flux absorbés et émis) et b) du vent vertical en moyenne zonal (m/s) sur l’ensemble de l’atmosphère. Données de réanalyses ERA5 produites par le centre européen (ECMWF Copernicus).
Figure 3 : Climatologies mensuelles a) du rayonnement net (W/m²) au sommet de l’atmosphère (bilan des flux absorbés et émis) et b) du vent vertical en moyenne zonal (m/s) sur l’ensemble de l’atmosphère. Données de réanalyses ERA5 produites par le centre européen (ECMWF Copernicus).
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Échelle synoptique
À l'échelle synoptique (~1,000 km), le soleil continue d'exercer son influence sur la dynamique atmosphérique. Cette classe contient essentiellement les dépressions et les anticyclones qui se développent surtout au-dessus des océans aux moyennes latitudes (Figure 4), en réponse aux variations de chauffage solaire à grande échelle combinées à la rotation de la Terre. Les dépressions se forment à partir des zones d'ascendance, générant des vents puissants lors de tempêtes, tandis que les hautes pressions se créent à partir des zones de subsidence, pouvant engendrer des périodes de sécheresse éolienne (situations assez caractéristiques des vagues de chaleur estivales en Europe).
Les cyclones tropicaux, dont un des ingrédients majeurs est l’eau chaude des océans, interviennent également à cette échelle spatio-temporelle, produisant des vents destructeurs et de fortes précipitations.
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Figure 4 : Passage d’une dépression sur l’Europe de l’Ouest en mars 2023. Vitesse et direction du vent à 10m, et pression au niveau de la mer. Données de prévision du modèle allemand ICON-EU (DWD).
Figure 4 : Passage d’une dépression sur l’Europe de l’Ouest en mars 2023. Vitesse et direction du vent à 10m, et pression au niveau de la mer. Données de prévision du modèle allemand ICON-EU (DWD).
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Méso-échelle
À méso-échelle (10-100 km), entrent en jeu des phénomènes tels que les brises de terre/mer, qui résultent des différences de chauffage entre la terre et la mer. Pendant la journée, la terre se réchauffe plus rapidement que la mer, créant une zone de basse pression au-dessus de la terre. L'air plus frais au-dessus de la mer se déplace alors vers la terre, créant la brise de mer qui souffle de la mer vers la terre. La nuit, lorsque la terre refroidit plus rapidement, le phénomène s'inverse, générant la brise de terre avec des vents soufflant de la terre vers la mer. Ce cycle quotidien, courant sur les côtes, peut fortement influencer les conditions météorologiques locales, notamment dans les régions insulaires.
Comme leur nom l’indique, les systèmes convectifs de méso-échelle (lignes de grain, Derecho, etc.) font également partie des phénomènes à répertorier ici. Formés dans une masse d’air instable, ils apportent généralement des vents de plus de 90 km/h sur des centaines de kilomètres de longueur pour des temps caractéristiques de quelques heures (Figure 5).
Figure 5 : Systèmes Convectifs de Méso-échelle en Afrique de l’Ouest (données satellitaires MSG - 0 degree, canal IR10.8 μm et estimation de précipitation, EUMETSAT).
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Échelle aérologique
À l'échelle aérologique (0,1-10 km), le soleil joue un rôle crucial dans la formation d'orages isolés, de tornades et de phénomènes de thermiques purs. Le réchauffement de la surface terrestre par le soleil déclenche la convection de l'air, créant des poches d'air chaud qui s'élèvent et peuvent donner lieu à des orages et d'autres phénomènes météorologiques violents (Figure 6).
Figure 6 : Cellules convectives se développant sur l’île de Tahiti (Polynésie française) : rayonnement solaire et champ de vent à 10m prévus par le modèle WRF-1km de Steadysun.
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Micro-échelle
Enfin, à micro-échelle (~1 m), apparaissent des phénomènes tels que les tourbillons de poussière et les rafales de vent. De légères variations de chauffage entre les surfaces créent des zones d'air instable qui engendrent ces tourbillons et ces vents soudains.
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Quand le vent influence également l’énergie solaire
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Le soleil est donc le moteur principal du vent sans aucun doute. Mais la ressource solaire disponible à la surface et la production issue des centrales de conversion ne sont-elles pas, en retour, influencées dans une certaine mesure par la dynamique atmosphérique ? Voici quelques exemples non exhaustifs.
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Du point de vue des météorologues
En transportant la vapeur d’eau des zones d’évaporation (ex. les océans) vers les zones de condensation (ex. les continents), les vents participent à la formation des nuages, qui ensuite interagissent avec le rayonnement solaire (réflexion, absorption, diffusion). Notons que la vapeur d’eau absorbe également une partie du rayonnement solaire, en fonction de son contenu intégré sur l’ensemble de la colonne atmosphérique. Ainsi, la ressource solaire est dépendante des régimes de vent.
Le vent transporte également des aérosols atmosphériques, comme par exemple, les poussières désertiques, les fumées issues des feux de forêts, les embruns marins, les cendres volcaniques, les sulfates, etc. (Figure 7). Ces minuscules particules solides ou liquides en suspension dans l’air impactent la ressource solaire de deux manières : 1) par les processus de réflexion, absorption et diffusion — comme pour les gouttelettes d’eau formant les nuages et 2) indirectement, les aérosols agissant comme des noyaux de condensation autour desquels ces mêmes gouttelettes nuageuses se forment. Ainsi, à travers les interactions complexes entre le rayonnement, les nuages et les aérosols, le vent est un facteur déterminant pour la production solaire.
Figure 7 : Evolution de la quantité totale d’aérosols intégrée dans la colonne verticale de l’atmosphère à l’échelle globale. AOD550 prévu par le modèle CAMS (Copernicus).
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Du point de vue des énergéticiens
La vitesse du vent modifie la température des modules photovoltaïques (PV). Plus la vitesse est élevée, plus les panneaux auront tendance à refroidir et plus leur rendement sera élevé — toutes choses égales par ailleurs (Figure 8). Inversement, plus il fait chaud, plus le rendement diminue (jusqu’à 0,5 % de performance par degré).
Les poussières et autres particules transportées par les vents peuvent se déposer sur les panneaux solaires (salissures), engendrant des pertes supplémentaires qui varient en fonction de la région : de faibles pertes (1-2%) dans des zones à précipitations régulières comme l'est des États-Unis ou la plupart de l'Europe, à des pertes élevées (80% en pic) au Moyen-Orient après des tempêtes de sable, avec des pertes annuelles de 20% ou plus (NREL, 2022) [3].
Par conséquent, de nombreuses rétroactions existent entre l’énergie éolienne et l’énergie solaire. Appréhender l’ensemble de ces interactions est primordial pour optimiser leur développement et leur intégration dans les réseaux intelligents.
Figure 8 : Température des modules PV en fonction de la vitesse du vent en conditions de test standard (1000 W/m², 25°C) pour différents types de modules et de structures (modèle de King et al, 2004) [4].
Le solaire et l’éolien : une alliance naturelle
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Dans le paysage de la transition énergétique mondiale, le solaire et l'éolien se dressent en tant que piliers incontournables pour atteindre les objectifs de réduction des émissions Gaz à Effet de Serre (GES). Leur importance ne fera que croître de manière spectaculaire au cours des prochaines décennies, avec des capacités installées qui devraient être multipliées par plusieurs facteurs à l’échelle globale d'ici à 2030-2050 selon l’Agence Internationale de l'Énergie (Figure 9). En France, RTE (Réseau de Transport d'Électricité) prévoit une augmentation de la consommation d'électricité de 30 à 40% d'ici à 2035. Pour répondre à ces besoins et décarboner le mix énergétique, il est essentiel de multiplier par quatre la production éolienne et solaire.
Ensemble, le solaire et l'éolien forment ainsi une alliance naturelle, représentant une part majoritaire des futurs mix de production constitués essentiellement d’énergies bas carbone et renouvelables, capable de répondre au besoin d’électrification croissant, et in fine de contribuer de manière significative à la réduction des émissions de GES. Cette synergie représente un élément essentiel pour façonner nos trajectoires climatiques et bâtir un monde plus durable pour les générations futures.
Cependant, le solaire et l’éolien sont, comme nous l’avons vu précédemment, intrinsèquement liés aux conditions météorologiques et donc variables dans l’espace et le temps. Leur prévisibilité est de plus limitée, l’atmosphère étant chaotique, ce qui impacte l’ensemble de la chaîne de valeur de l’électricité — production, transport, distribution, consommation. Il est donc nécessaire de développer et d’agréger massivement des flexibilités (production pilotable, effacement, stockage, interconnexions, etc.) pour pouvoir intégrer ces nouvelles énergies dans le mix à moindre coût, tout en continuant à assurer la sécurité d’approvisionnement et la stabilité des systèmes électriques.
Et c’est ici que les solutions de prévisions entrent en jeu. En effet, anticiper précisément les conditions météorologiques et par conséquent la production des centrales de quelques minutes à plusieurs jours à l’avance permet de piloter efficacement les flexibilités. Mais encore faut-il pouvoir exploiter pleinement le potentiel de cette alliance solaire-éolien, ce que permet désormais notre système de prévision
Figure 9 : Capacité totale installée et production d'électricité par source dans le scénario NZE (Net Zero Emissions), 2010-2050 (IEA, 2023) [5].
Quand la grenouille coasse avec énergie
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Notre expertise en météorologie et en intelligence artificielle (IA) nous a conduit à développer ces dernières années Frogcast, notre plateforme de prévision météorologique au service des secteurs météo-sensibles, dont l’énergie fait partie bien évidemment.
L'un des atouts majeurs de Frogcast réside dans sa précision premium. Fruit de notre savoir-faire unique dans la combinaison de multiples modèles numériques, optimisée par des météorologistes et renforcée par l'IA, cette plateforme fournit des prévisions à haute résolution pour une vingtaine de paramètres atmosphériques jusqu’à 15 jours à l’avance.
Un autre avantage clé réside dans sa résolution ultra-locale. Avec des modèles de prévision météorologique sur mesure allant jusqu'à 1 km et des adaptations locales reposant sur des modèles de terrain à 90 m, les phénomènes de petites échelles sont rigoureusement pris en compte. Cette granularité est particulièrement bénéfique pour les parcs éoliens et solaires pour lesquels les phénomènes locaux ont un impact significatif sur la production d’électricité.
Frogcast ne se limite pas à des prévisions météorologiques classiques, mais offre également des prévisions probabilistes. En fournissant 10 intervalles de confiance (quantiles) pour chaque paramètre atmosphérique, les risques liés à la variabilité météorologique et aux incertitudes de prévision sont mieux gérés, et la gestion des ressources énergétiques est in fine optimisée.
Enfin, que vous opériez en mer, au milieu du désert, sur une île tropicale, ou au cœur d'une métropole animée, notre plateforme fournit une intelligence météorologique partout dans le monde en s'adaptant à chaque région pour une pertinence locale optimale.
En somme, c’est un outil essentiel pour les développeurs de solutions digitales au service de secteurs météo-sensibles, comme Steadysun. En utilisant notre nouvelle API (Interface de Programmation Applicative), vous pouvez pleinement tirer parti de l'alliance naturelle entre le soleil et le vent.
Après avoir configuré votre service de la manière la plus simple et intuitive possible (localisation des actifs, caractéristiques techniques des systèmes et des prévisions attendues, etc.), nos modèles de conversion d’énergie s'activent instantanément et viennent enrichir les données de prévision météorologique à travers une approche hybride, combinant équations et paramètres physiques (profil vertical du vent dans la couche limite, type et hauteur des turbines, etc.) mais aussi IA (post-processing par machine learning, etc.).
Vous pouvez en effet en retour nous transmettre par API vos données de production réalisée en temps réel afin de faciliter les analyses et les améliorations de performance (Figure 10).
Figure 10 : Exemple de prévision de production à J+1 sur une trentaine de jours consécutifs pour une ferme éolienne de 20.4 MW en région insulaire tropicale.
Steadysun : votre nouveau partenaire en prévision éolienne
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En conclusion, l'énergie du vent et du soleil sont étroitement liées, et nous sommes fiers de vous accompagner désormais en tant que partenaire unique pour vos projets solaires ET éoliens !
Pourquoi choisir Steadysun pour vos projets éoliens ?
1. La précision est notre maître-mot. Nous nous engageons à fournir des prévisions de production éolienne avec la même exigence de qualité que pour nos prévisions solaires.
2. Notre diversité de modèles nous permet de vous offrir des prévisions sur des horizons temporels allant de quelques heures à plusieurs jours à l'avance, avec une fréquence d'actualisation très élevée.
3. Nos données couvrent l'ensemble du globe, s'adaptent à toutes les technologies (onshore et offshore) et à toutes les échelles, que vous gériez un parc d'éoliennes, un portefeuille d'actifs répartis sur un territoire ou même sur plusieurs pays.
4. Notre historique de réussite est incontestable sur l’ensemble de la chaîne de valeur (production, réseaux, consommation), avec une confiance accordée sur plus de 14 000 sites et dans plus de 25 pays.
5. La gestion de vos actifs solaires et éoliens via une plateforme unique est essentielle pour optimiser l'utilisation des énergies renouvelables. Grâce à notre API unique et conviviale, vous pouvez accéder facilement à l'ensemble de nos services, notamment la configuration des sites et du service de prévision, les échanges de données bilatéraux, la visualisation en temps réel, les analyses de performance, et bien plus encore.
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Figure 11 : Interface web permettant de configurer, surveiller et analyser nos services de prévision.
Références
[1] Malardel, S., 2005, Fondamentaux de Météorologie, 2è édition, à l’école du temps.
[2] Wallace & Hobbs, 2006, Atmospheric Science, an introductory survey, second edition.
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