Evaluation des ressources renouvelables disponibles

Evaluation des ressources renouvelables disponibles

Dans cette section, plusieurs ressources d'énergies renouvelables sont évaluées dans le département vendéen en terme de potentiel énergétique. Suite à cette évaluation une sélection de différentes technologies est réalisée pour être ensuite dimensionnée. Les différentes ressources évaluées sont les suivantes :

 

 

 

 

Une synthèse du potentiel de ces énergies est présentée dans la partie Bilan

Le dimensionnement de chaque technologie est présenté sur la page suivante (Dimensionnement des énergies renouvelables disponibles) et prend en compte les données présentées durant cette partie.

Evaluation de la houle

Evaluation de la houle

1. Localisation

La proximité immédiate de l'usine avec la mer lui permettrait d'exploiter une part de l'énergie produite par ce milieu. Lorsque le vent souffle sur les océans, une part de son énergie est absorbée et est à l'origine de la formation de la houle. Les vagues formées peuvent parcourir des milliers de kilomètres sans grande perte d'energie. Des solutions technologiques (qui seront décrites par la suite) existent pour récupérer l'énergie de la houle. 

L'évaluation de la houle s'effectue ici à partir d'une analyse statistique des relevés sur le terrain. Les données sont issues de bouées mesurant en permanence l'intensité de la houle. La bouée récoltant les données se situe entre l'île de Noirmoutier et l'île d'Yeu (Tableau 1 et Figure 1). Ces données ont été récupérées sur la base de données du Centre d'Archivage National des Données de Houle In Situ (CANDHIS) en collaboration avec le CETMEF.

Tableau 1 : Caractéristiques de la bouée de mesure
(CANDHIS, 2013)

Renseignements Données
Code campagne 08504
Nom campagne Ile d'Yeu Nord
Latitude 046°49,933'N
Longitude 002°17,700'W
Profondeur 14 m
Marnage* VEM (m) 4,5 m
Distance à la côte (km) 11,3 km
Nombre de mesures 57127
Date de début 21/06/2005
Date de fin 01/02/2013

*Marnage : Différence de niveau entre marée haute et marée basse

Figure 1 : Localisation de la bouée de mesure de hauteur et de période de houle
(CANDHIS, 2013)

Les données que nous utilisons pour évaluer la ressource sont la hauteur de houle et la période de houle de 2005 à 2013.

2. Hauteur de houle

La hauteur de houle est donnée sous 3 formes (CANDHIS, 2013) :

- H1/3 : Hauteur significative, valeur moyenne du tiers supérieur des hauteurs des vagues
observées sur une durée de 30 minutes.
- H1/10 : Valeur moyenne du dixième supérieur des hauteurs des vagues observées sur une
durée de 30 minutes.
- Hmax : Hauteur de la plus grande vague observée sur une période de 30 minutes.

En utilisant le logiciel statistique R, on obtient des données de 2005 à 2013 les résultats suivants (Tableau 2) :

Tableau 2 : Statistiques des données de hauteur de houle de 2005 à 2013

Données H1/3 (m) H1/10 (m) Hmax (m)
Minimum 0,110 0,140 0,190
1er Quartile 0,610 0,770 1,060
Mediane 0,920 1,150 1,560
Moyenne 1,067 1,335 1,800
3ème Quartile 1,390 1,730 2,320
Maximum 5,320 6,720 8,360

La répartition des hauteurs de houle est présentée sur les histogrammes suivants pour H1/3d, H1/10d et Hmax (Figure 2) :

Figure 2 : Histogrammes de la répartition des hauteurs de houle entre 2005 et 2013
(CANDHIS, 2013)

3. Période de houle

La période de houle est donnée de la même façon que la hauteur sous 3 formes (CANDHIS,2013) :

- TH1/3 : Période significative, définie par la valeur moyenne des périodes du tiers supérieur
des plus grandes vagues observées sur une durée de 30 minutes.
- TH1/10 : Valeur moyenne des périodes du dixième supérieur des plus grandes vagues
observées sur une durée de 30 minutes.
- THmax : Période de la vague de la plus grande hauteur observée sur une durée de 30
minutes.

En utilisant le logiciel statistique R, on obtient des données de 2005 à 2013 les résultats suivants (Tableau 3) :

Tableau 3 : Statistiques des données de périodes de houle de 2005 à 2013

Données TH1/3 (s) TH1/10 (s) THmax (s)
Minimum 2,300 2,200 1,100
1er Quartile 5,800 6,400 6,500
Mediane 7,300 8,100 8,700
Moyenne 7,513 8,217 8,593
3ème Quartile 9,100 10,000 10,600
Maximum 18,900 19,800 25,700

La répartition des périodes de houle est présentée sur les histogrammes suivants (Figure 3) :

Figure 3 : Histogramme de la répartition des périodes de houle entre 2005 et 2013
(CANDHIS, 2013)

4. Relation période-hauteur de houle

Le domaine de fonctionnement (hauteur et période de houle) du constructeur Pelamis Wave Power est donné dans la figure ci-contre (Figure 4).

Figure 4 : Grille de fonctionnement des pelamis
(M. Maranowski, 2013)

Pour chaque hauteur maximale et période de vague est donné la production énergétique en (kW). Cette production a été calculée grâce à la formule suivante (M. Maranowski, 2013) où J est en kW, L la longueur de l'installation (m) et  ${\alpha}$ un coefficient:

$ J = {\alpha}.(H_{max})^{2}.T_{max}.L $

Une comparaison entre ce domaine de fonctionnement et les données de hauteur et de période de houle issues du CANDHIS permettrait d'évaluer le potentiel de la ressource houlo-motrice. Les graphes période-hauteur de houle (H1/3, H1/10, Hmax et Th1/3,Th1/10,Thmax) sont présentés en Figure 5 avec en superposition en rouge les données constructeurs.

Figure 5 : Relation hauteur et période de houle des données mesurées
(J.Le Ster, A.Marty, 2013)

Ces différents graphiques montrent que la zone étudiée semble propice à la production d'énergie par les pelamis. Cependant, afin de quantifier l'énergie produite, il est nécessaire de coupler période et hauteur de houle avec leur fréquence d'apparition en moyenne sur une année.

Le Tableau 4 montre le nombre d'occurences pour chaque hauteur maximale et période de houle au cours de la période mesurée (entre 2005 et 2013) pour les valeurs correspondant au fonctionnement des pelamis (Figure 4).

Tableau 4 : Occurences des couples période - hauteur maximale entre 2005 et 2013

Le graphique suivant (Figure 6) illustre ce tableau en trois dimensions avec la fréquence d'apparition des vagues en fonction de leur hauteur maximale et de leur période. Le cube en rouge représente le domaine de fonctionnement des pelamis.

Figure 6 : Fréquence d'apparition des vagues en fonction de leur hauteur maximale et de leur période
(J.Le Ster, A.Marty, 2013)

En effectuant une moyenne des fréquences d'apparition des vagues en fonction de leur hauteur maximale et de leur période sur une année et en multipliant ces données par les données constructeurs de la Figure 4, il est possible de calculer la production énergétique moyenne sur une année. Ces informations sont représentées dans le Tableau 5.

Tableau 5 : Production énergétique (kWh) moyenne sur une année en fonction de la période et de la hauteur de houle moyenne

    Période de houle (s)
    5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 13
Hauteur de houle (m) 0,5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 1459 2033 2726 3678 4085 5007 4908 4989 3963 3613 2963 2084 1461 0 0 0
1,5 2985 4584 6298 8047 9563 10682 12058 11906 11595 10897 11532 9301 7669 5644 4296 2893 1797
2 3986 8178 10646 13446 14685 16199 15874 14242 15256 14588 14221 12320 10097 8638 5973 4449 3203
2,5 3568 7864 13298 16043 18976 19337 18482 17075 17394 15095 13307 12189 10051 7665 5546 4110 3175
3 1646 4947 11076 15680 18142 20413 19574 19308 17006 16018 13287 9881 8909 7840 6454 4741 3346
3,5 0 2766 8272 11563 15746 15186 17072 15686 14367 13990 11720 11285 7805 7442 5063 4176 3139
4 0 0 1329 4963 10095 12857 12195 14082 14344 13495 9526 9276 8409 5573 3744 2769 2757
4,5 0 0 489 3196 4731 6989 6773 7318 8688 9206 8247 5824 5287 4479 3585 2804 1148
5 0 0 0 1328 1044 3548 3558 5681 5901 6001 5407 4308 4327 2474 1791 1752 1710
5,5 0 0 0 270 404 809 2696 2292 2650 1918 3075 1736 1810 1337 1283 213 638
6 0 0 0 0 135 404 809 809 1618 1213 1789 1934 1669 903 920 676 821
6,5 0 0 0 0 0 135 270 135 270 539 809 801 710 335 312 368 346
7 0 0 0 0 0 0 0 0 135 135 135 270 404 243 110 315 0
7,5 0 0 0 0 0 0 0 0 270 270 135 135 0 0 123 224 0
8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 270 0 0 0 0 0 0

Au final, sur une année, avec un pelamis on obtient une production énergétique moyenne de 1 223 479 kWh soit environ 1 GWh. Le dimensionnement sera fait dans la partie suivante (Dimensionnement des pelamis).

 

 

 

 

Evaluation du rayonnement solaire

Evaluation du rayonnement solaire

Cette partie présente l’évaluation de l’énergie solaire sur le site choisi. La carte ci-dessous (Figure 1) donne une première information. Le département de Vendée  (localisé en rouge) est situé en zone vert clair correspondant à une production d'énergie solaire de 1350 à 1490 kWh/m2/an.

Figure 1 : Carte de l'énergie du rayonnement solaire reçu sur un plan d’inclinaison égal à la latitude et orienté vers le sud
(ADEME,n.d.)

 

Cependant, ces données restent globales et varient en fonction de l’orientation et du type de panneau choisi.

Le diagramme ci dessous donne par exemple l'efficacité des panneaux selon leur inclinaison et leur orientation (Figure 2).

Figure 2 : Efficacité des panneaux photovoltaïques selon leur inclinaison et leur orientation en Europe
(Electropaedia,n.d.)

Les paramètres optimums donnés pour une installation photovoltaïque située en latitude 35°N sont une inclinaison de 35° et une orientation Sud des panneaux. Ainsi, ces paramètres seront pris en compte dans le dimensionnement et les calculs de production énergétique .

Des mesures de rayonnement solaire au niveau de la Vendée donnent une évaluation plus précise de la ressource disponible réelle pour produire de l’énergie solaire. Des données de "productible photovoltaïque" sont disponibles sur le site photovoltaïque.info. dont les données de rayonnement ont été transmises par MINES ParisTech grâce au service SoDa. Elles sont présentées dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Données de productible photovoltaïque en Vendée
(photovoltaïque.info, 2013)

Données (kWh/kWc) 2008 2009 2010 2011 2012
JAN 40 50 40 30 30
FEV 70 70 70 50 70
MAR 100 120 100 110 120
AVR 130 120 150 150 140
MAI 150 150 150 170 160
JUI 160 160 160 150 150
JUIL 150 150 170 160 160
AOU 140 150 140 140 160
SEP 120 130 120 120 120
OCT 90 90 80 80 70
NOV 40 40 40 40 50
DEC 40 30 30 30 30
Cumul sur l'année  1230 1260 1250 1230 1260

Le rayonnement solaire sur une année est globalement constant et donne un potentiel de production énergétique de 1250 kWh/kWc environ. Il aurait néanmoins été plus pertinent d'avoir plus de données sur les autres années pour établir une moyenne statistique plus précise. De plus, ce potentiel varie au cours de l'année comme le montre l'histogramme ci dessous (Figure 3).

Figure 3 : Histogramme du productible photovoltaïque au cours de l'année 2012
(J.Le Ster, A.Marty, 2013)

Logiquement, le maximum de production d'énergie solaire se situe entre Avril et Août. Cette période de productivité est intéressante du fait qu'elle concorde avec celle de sécheresse et donc de l'utilisation de l'usine de dessalement. La production sur cette période est d'environ de 150kWh/kWc par mois.

Afin d'obtenir les données de production énergétique photovoltaïque, il suffit de multiplier le productible par la puissance de nos installations. Si l'inclinaison ou l'orientation est différente de celle mentionnée précédemment, il est nécessaire de multiplier par un facteur de correction donné en Figure 2

Afin d'estimer la production énergétique possible en Vendée, les caractéristiques de plusieurs modules de panneaux photovoltaïques pour centrales solaires ont été récoltées. Ces données sont présentées dans le Tableau 2.

Tableau 2 : Caractéristiques de différents modules photovoltaïques
(Conergy, Atec, SunModule et Sunpower, 2013)

 

Fournisseur Conergy Atec SunModule SunPower
Modèle Conergy PX 305P SILLIA 60P SW E19
Puissance* 305 W 250W 270W 425W
Cellulle polycristallin polycristallin monocristallin monocristallin
Nombre de cellules 72 60 60 128
Dimension du module 1956 × 992 × 50 mm 1665 x 1001 x 42 mm 1675 x 1001 x 31 mm 2067 x 1046 x 30 mm

* Puissance donnée pour un rayonnement de 1000W/m²

Le dimensionnement des différentes installations (production, coût, surface nécessaire) sera faite dans la partie suivante (Dimensionnement des panneaux photovoltaïques).
 

 

 

Evaluation du potentiel éolien

Evaluation du potentiel éolien

Dans cette partie, le potentiel éolien est évalué au niveau de deux zones différentes :

- Le potentiel éolien terrestre vendéen

- Le potentiel éolien au large des côtes vendéenne

Potentiel éolien terrestre

Potentiel éolien terrestre

L'usine de dessalement étant située sur les cotes, il peut sembler judicieux d'évaluer le potentiel éolien du département.

La carte de la France ci dessous (Figure 1) indique tout d'abord le potentiel éolien terrestre national. Le département vendéen (encerclé en rouge) est situé en zone 4 (bleu foncé) correspondant à une vitesse moyenne des vents 50 m d'altitude allant jusqu'à 10 m/s au niveau des collines ce qui représente un potentiel très intéressant.

Figure 1 : Carte du potentiel éolien terrestre en France
(Préfecture Pays de la Loire, 2013)

Cependant, afin de dimensionner des éoliennes terrestres, il est plus précis d'avoir des données à l'échelle de la région voire du département. La préfecture de la région Pays de la Loire a réalisé en Janvier 2013 un schéma régional éolien terrestre afin de promouvoir et développer cette énergie renouvelable. Le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSBT) calcule le potentiel éolien à partir de la vitesse moyenne des vents et aussi la probabilité de l'occurence de chaque vitesse moyenne (Distribution de Weibull). La Figure 2 représente la carte de la vitesse moyenne des vents à 60 m en région Pays de la Loire.

Figure 2 : Carte des moyennes annuelles de vents dans la région Pays de la Loire.
(Ademe, n.d)

Globalement, les côtes vendéenne présentent une vitesse annuelle moyenne des vents de 6 à 8 m/s. Ainsi, à partir d'une telle carte, le potentiel éolien peut être calculé. La Figure 3 montre par exemple le potentiel éolien à 90 m..

Figure 3 : Carte du potentiel éolien à 90 m en région Pays de la Loire
(Préfecture Pays de la Loire, 2013)

 

La côte vendéenne présente ainsi un potentiel éolien intéressant d'environ 400 W/m² à 90 m de hauteur.

Afin d'estimer la production énergétique correspondant à ce potentiel, il est nécessaire de se pencher sur les données des constructeurs d'éoliennes.

Les éoliennes sont classées selon la moyenne annuelle de la vitesse du vent qu'elles peuvent supporter. Le constructeur Vestas classe ainsi ses éoliennes en 3 catégories, présentées dans le Tableau 3. Ces caractéristiques sont données pour la hauteur de la plateforme de la turbine de l'éolienne.

Tableau 1 : Classement des vents
(Vestas, 2013)

Classement IEC I Vents forts IEC II Vents moyens IEC III Vents faibles
Moyenne annuelle de la vitesse des vents 10 m/s 8.5 m/s 7.5 m/s
Rafale extrême (50 ans) 70 m/s 59.5 m/s 52.5 m/s

La Figure 2 indique que la vitesse annuelle moyenne des vents à 60 m de hauteur est de 6 à 8 m/s. Les modèles d'éoliennes terrestres à prendre en compte sont donc celles de catégorie IEC III. En revanche pour des hauteurs plus élevées, une extrapolation est nécessaire pour calculer la vitesse moyenne du vent en fonction de différentes hauteurs.

Pour faire cette extrapolation, nous posons l'hypothèse que la distribution verticale de la vitesse des vents suit un profil logarithmique.

$u_x=(\frac{\ln{\frac{x}{z_0}}}{\ln{\frac{60}{z_0}}}).u_{60}$

avec $u_x$ la vitesse du vent à x mètres et $z_0$ la rugosité

On choisit $z_0=0,03m$ pour une surface de "terrain agricole dégagé, sans clôtures ou haies vives, et avec très peu de constructions. Seulement des collines doucement arrondies" (Association Chazemais Environnement, 2010). Les résultats d'extrapolation sont présentés dans la Figure 4 avec en bleu la vitesse moyenne à 60m de 6m/s et en rouge une vitesse moyenne à 60m de 8m/s.

Figure 4 : Calcul de la vitesse des vents moyennes à différentes altitudes
(J. Le Ster, A.Marty, 2013)

A des hauteurs de 100m la vitesse du vent évolue peu et gagne seulement quelques dizièmes de m/s. Nous considérons ainsi que la classe d'éoliennes à utiliser est IECIII.

Un exemple d'éolienne de Vestas entrant dans cette catégorie est le modèle V126-3MW. Ces caractéristiques sont présentées dans le Tableau 3. .

Tableau 3 : Caractéristiques d'e l'éolienne V126 - 3MW
(Vestas, 2013)

Modèle VESTAS V126
Classe IEC IIII
Puissance  3 MW
Vitesse minimale et maximale de vents 3 - 22,5m/s
Vitesse nominale de vent 12m/s
Taille du mat 119 m
Densité de puissance 0,05 m²/W
Diamètre du rotor 126 m
Surface balayées par les pales 12469 m²
Maximum de bruit émis 107,5 dB

En comparant ces caractéristiques avec la vitesse annuelle moyenne de vents sur les côtes vendéennes, on retrouve une puissance réelle maximale d'environ 1,8 MW (Figure 5).

Figure 5 : Comparaison données constructeur et vitesse moyenne annuelle en vendée
(Vestas, 2013)

Le dimensionnement de ce modèle d'éolienne est réalisé dans la partie suivante (Dimensionnement d'éoliennes terrestres)

Potentiel éolien offshore

Potentiel éolien offshore

 

En l'absence de données relatives à la vitesse moyenne des vents, le choix est fait d'extrapoler les mesures relevées sur les côtes de l'île d'Yeu et de Noirmoutier. Pour cela, nous nous sommes basés d'une part sur les données de la carte des vents présentées lors de l'Evaluation du potentiel éolien terrestre et d'autre part sur une carte en temps réel (des moyennes mensuelles et annuelles n'étant pas disponibles) des vents offshore et terrestre (Figure 1).

Figure 1 : Vitesse des vents terrestres et offshores
(Meteociel, 2013)

On observe une différence d'environ 5 m/s entre le littoral et l'offshore. Nous choisirons ainsi une vitesse moyenne de vent annuelle de 12m/s à 60m d'altitude.

En réalisant à nouveau une extrapolation afin d'obtenir les vitesses à 100 m d'altitude, on aboutit aux résultats présentés sur la Figure 2 (avec $ u= 12 m/s $). Ces résultats sont obtenus en considérant un profil vertical de vent logarithmique, ce qui permet l'utilisation de la formule suivante:

$u_x=(\frac{\ln{\frac{x}{z_0}}}{\ln{\frac{60}{z_0}}}).u_{60}$

avec $u_x$ la vitesse du vent à x mètres et $z_0$ la rugosité

Dans le cas d'une extrapolation réalisée au-dessus de la mer, la rugosité $z_0$ vaut 0.00002 m. 0).u60

Figure 2 : Extrapolation de la vitesse du vent à différentes altitudes entre les îles d'Yeu et de Noirmoutier.
(J. Le Ster, A. Marty, 2013)

A 100 mètres d'altitude, on peut donc envisager des vitesses de vents d'environ 12,5 m/s. Cette vitesse permet l'installation d'éoliennes équivalentes à celles considérées pour l'éolien terrestre.

La figure suivante (Figure 3) nous permet de définir un intervalle de puissance productible par l'installation d'une éolienne de puissance 3MW.

Figure 3 : Puissance fournie par l'éolienne offshore Vestas V112-3 MW en fonction de la vitesse des vents. La vitesse moyenne extrapolée est représentée en rouge.
(Vestas, 2013)

Si les hypothèses concernant l'extrapolation des vitesses de vents entre les îles d'Yeu et de Noirmoutier sont correctes, une éolienne pourrait fournir jusqu'à 3 MW.

Le dimensionnement du parc d'éolienne offshore est réalisé dans la partie suivante (Dimensionnement des éoliennes offshore)

Evaluation des courants marins

Evaluation des courants marins

 

Etant donné les masses d'eau déplacées par les courants, il peut être intéressant d'étudier le potentiel énergétique exploitable par des hydroliennes. Pour cela, il est avant tout nécessaire de calculer la puissance cinétique de la masse d'eau en mouvement. Cette puissance est calculée à partir de la formule suivante:

$ P_{cin}= \frac{1}{2} \rho.S.V^{3} $

$\rho$ correspond à la masse volumique de l'eau de mer (1035,9 kg/m3 dans notre cas), S à la section traversée par le fluide et V à sa vitesse.

En multipliant la puissance cinétique $P_{cin}$ par la surface du rotor de l'hydrolienne, on peut estimer la puissance totale récupérable. Cette dernière multipliée par un coefficient de rendement ($C_{p}$) donne la puissance alors récupérée par l'hydrolienne.

Le graphique suivant (Figure 1) nous donne les puissances récupérables par unité de surface balayée par une hydrolienne selon différents facteurs de puissance $C_{p}$ et pour des vitesses de courant croissantes.

Figure 1 : Puissance récupérable selon la vitesse du courant et les $C_{p}$ d'hydroliennes.
(J. Le Ster, A.Marty, 2013)

 

La vitesse des courants le long des côtes vendéennes est ensuite estimée à partir de la carte suivante (Figure 2) présentant la vitesse moyenne des courants le long des côtes Ouest Européennes. On constate que les côtes vendéennes n'ont pas de courants supérieurs à 1m/s.

Figure 2 : Carte de la ressource hydrolienne en Europe
(ECRIN,n.d.)

En recombinant ces informations avec le graphe de la Figure 1, on constate que la puissance qui peut être obtenue ne dépasse pas 250 W par mètre carré de surface balayée par une hydrolienne.

Ainsi, pour une hydrolienne d'une puissance nominale de 500 kW, d'un diamètre de 10 m, on obtient une production annuelle de 275 MWh.

A partir de ces résultats et suivant les conseils de l'entreprise "Eco.Cinetic", il semble peu judicieux d'installer des hydroliennes au vu des puissances requises pour alimenter l'usine de dessalement.

Bilan

Bilan

La page suivante résume le potentiel des différentes sources énergétiques considérées au cours de cette partie. (Tableau 1). Chaque source est estimé en MWh par kWc de la technologie utilisée.

Tableau 1 : Résumé de l'évaluation des sources d'énergies renouvelables en Vendée

Source Productible par année
Houle 1,6 MWh/kWc
Courants marins 0,55 MWh/kWc
Solaire 1,25 MWh/kWc
Eolien terrestre 3 MWh/kWc
Eolien offshore 2,8 MWh/kWc

Les courants marins correspondent donc à la ressource présentant le plus faible potentiel.

Ainsi toutes les ressources énergétiques renouvelables présentées dans cette partie sont retenues à l'exception des courants marins, insuffisants et trop coûteux pour être rentable.

Le dimensionnement des technologies utilisant ces ressources est présenté dans la partie suivante (Dimensionnement d'énergies renouvelables).