Enneigement artificiel et aménagement du domaine skiable

Cette partie, réalisée par le binôme 2, traite de l'enneigement artificiel et de l'aménagement du domaine skiable.

L'étude présentée ci-après se décline en 4 étapes :

  • Hypothèse d'agrandissement afin de déterminer l'apport en eau supplémentaire dont la station aurait besoin
  • Étude du réseau actuel pour mieux comprendre comment est répartie la ressource actuelle d'eau et quels sont les différents canons à neige
  • Étude de l'agrandissement du domaine skiable selon différentes possibilités qui seront discutées par la suite
  • Étude de coûts afin de quantifier le coût d'un tel projet et de voir la rentabilité de celui-ci

Hypothèse d'agrandissement du domaine skiable

Nous allons définir dans cette partie l'hypothèse d'agrandissement concernant l'enneigement artificiel pour la station et la création de nouvelles pistes. On sait qu'il faut $1~m^3$ d'eau liquide pour produire $2$ à $2.5$ $m^3$ de neige artificielle.

Situation actuelle :

Actuellement la station est équipée de 70 enneigeurs de types perche et 5 ventilateurs qui permettent d'enneiger 39 ha sur les 102 du domaine skiable, soit environ $38\%$ du domaine. Les perches correspondent à des canons à neige bifluides tandis que les ventilateurs sont des canons à neige monofluides (voir la section Fonctionnement d'un canon à neige pour plus de détails à ce sujet).

Les pistes actuellement équipées de canons à neige sont représentées sur le schéma ci-dessous :

Figure 1 - Pistes actuellement enneigées artificiellement. (Source : Opensnowmap)

 

Au total, il y a donc 13 kilomètres de pistes enneigées. (Les longueurs des pistes ont été mesurées à l'aide du site opensnowmap.org)

La quantité d'eau actuellement utilisée pour répondre à ces besoins est de $85 000~m^3$.

 

Agrandissement :

L'agrandissement du domaine skiable pour répondre aux besoins futurs consiste à ouvrir une nouvelle piste d'une part, et d'augmenter le nombres de canons à neige d'une seconde part.

Les canons à neige permettraient de palier à l'augmentation de la température due au changement climatique mais également de proposer à la station un meilleur enneigement et ainsi une meilleure attractivité. 

 

  • La nouvelle piste :

Figure 2 - Départ de la nouvelle piste. (Source : Opensnowmap)

 

La nouvelle piste mesure 1,8 km et l'on y placera donc 11 canons. Ce projet a été proposé par la DREAL Provence-Alpes-Côte-d'Azur.

La piste est décomposée en deux partie : Une bleue et une verte. 

Au final la piste s'étend d'une altitude de 1485m à 1385m pour la piste verte et de 1381m à 1148m pour la piste bleue pour une pente moyenne d'environ $19,5\%$

Figure 3 - Projet pour la création de nouvelles pistes. (source : Géoportail)

 

La nouvelle piste permettrait d'assurer la continuité amont-aval entre le domaine skiable de Puy-Saint-Vincent et la commune de Vallouise, située en fond de vallée. Cette piste, jadis existante et reliée au domaine de Puy-Saint-Vincent par un téléski, a été laissée à l'abandon ces dernières années, notamment à cause d'un déficit d'enneigement. L'utilisation de canons à neige sur cette piste réhabilitée permettra ainsi de recréer le lien entre les communes de Puy-Saint-Vincent et Vallouise et redynamisera l'activité touristique hivernale.

 

  • Les nouveaux canons à neige :

Pour l'emplacement des nouveaux canons à neige, nous avons opté pour deux choix :

Choix 1 : 31 canons à neige pour 5,2kms

  • Balme (piste bleue, 2,0km),
  • Bois des Coqs (piste rouge, 2,2km),
  • Liaison Balme et liaison Clot (pistes vertes, 1km)

 

Figure 4 - Choix 1 pour l'agrandissement de l'enneigement artificiel. (source : Opensnowmap).

 

Choix 2 : 31 canons à neige pour 5,5kms

  • Le Chemin (piste verte, 1,3km),
  • Draille (piste rouge, 1,8km),
  • Crête (piste bleue, 2,1kms).

Figure 5 - Choix 2 pour l'agrandissement de l'enneigement artificiel (source : Opensnowmap).

Le choix 1 correspond à la partie la plus basse du domaine et donc celle qui est la plus susceptible d'être impactée par des températures positives, cependant ce sont des pistes situées sur le versant nord. Quant à lui, le choix 2 est situé dans les plus hautes altitudes mais sur le versant sud, donc plus exposé au soleil.

Le choix final se fera en fonction de l'étude d'impact fait par le binôme 4 mais également par l'étude de coût pour le nouveau réseau.

 

Les nouveaux besoins en eaux qui répondront à la création de pistes et à l'installation de canons à neiges sont donc de $50 000$ $m^3$.

Étude du réseau actuel

Ce deuxième grand axe consiste à développer le réseau existant à l'aide du logiciel Porteau.

Objectifs :

  • Étudier le fonctionnement d'un canon à neige
  • Représenter le réseau d'adduction actuel

 

Nous chercherons dans un premier temps à retrouver les résultats observés sur le terrain à l'aide d'une modélisation du réseau actuel et d'une simulation sur une saison complète. Cette première étape nous permettra de valider notre modèle mais également d'avoir le réseau actuel entièrement modélisé, ce qui sera indispensable lors de la création du réseau raccordé faisant suite à l'ajout de nouveaux canons, d'une nouvelle piste, et d'un nouveau réservoir.

Pour cela, nous présenterons les données que nous avons recueilli sur la station de Puy Saint Vincent, avant de nous intéresser au fonctionnement des enneigeurs utilisés. Une fois ces deux étapes réalisées, nous modéliserons le réseau actuel et le validerons sur une saison, afin d'obtenir le niveau d'eau à tout instant et de caler les paramètres auxquels nous n'avons pas pu avoir accès, comme les puissances des pompes qui assurent une pression suffisante en chaque canon à neige.

Données sur Puy Saint Vincent

Cette section répertorie les différentes données récoltées sur le système d'enneigement artificiel de la station Puy-Saint-Vincent.

Enneigeurs :

La station est équipée de 75 canons à neige qui sont alimentés à l'aide de la retenue collinaire située à 2190 m d'altitude. 

Les canons utilisés sont pour la majorité de type bifluide (70), mais quelques canons monofluide pouvant se déplacer sont également présents sur la station (5). Ces canons fonctionnent seulement la nuit et la température de l'eau dans les canalisations est très importante et doit être comprise enter 0°C et 1°C. C'est pour ces raisons que la réserve d'eau pour la neige artificielle est située assez haut en altitude afin de satisfaire ces critères de température. Plusieurs pompes sont nécessaires à l'intérieur du réseau d'alimentation des canons à neige afin d'assurer la pression minimale nécessaire aux canons à neige (16 bars). De même, des réducteurs de pressions sont installés afin de respecter la pression maximale en chaque canon (50 bars).

Lorsque tous les canons à neige fonctionnent, la consommation en eau est de l'ordre de $500~m^3/h$

 

Retenue :

La retenue d'altitude du Rocher Noir a une contenance de $27 000$ $m^3$ et elle est remplie plusieurs fois par an à l'aide de deux pompes situées à $1740$ $m$ et $1800$ $m$ d'altitude.

  • La pompe située en contrebas fournit un débit de $25$ $m^3/h$ et est principalement en activité entre octobre et avril. Certains remplissages peuvent cependant avoir lieu pendant l'automne afin d'avoir une retenue pleine au début de la saison de ski. Cette pompe puise dans une ancienne réserve en eau potable abandonnée à la suite de nouvelles réglementations sur la qualité de l'eau. La canalisation reliant la pompe au réservoir a un diamètre de 200 mm et est en fonte.
  • La seconde pompe fournit un débit de $125$ $m^3/h$. L'eau provient du trop plein d'eau potable et, par conséquent, elle ne fonctionne pas pendant les périodes de vacances scolaires. Le tuyau reliant la pompe à la retenue d'altitude est en acier avec membrane et possède un diamètre de 160 mm. Le volume maximum prélevable sur une année est de $110 000$ $m^3$

Ainsi, le débit maximal de remplissage de la retenue est de $145~m^3/h$

 

Consommations et réseau :

Le réseau d'adduction est composé de tuyaux en fonte de diamètre de 200 mm. Le coefficient de Hazen-Williams, qui caractérise la rugosité d'un matériau, est d'approximativement 100 pour l'ensemble des canalisations. Plus ce coefficient est grand, plus le matériau en question est lisse.

La consommation totale en eau de ces dernières saisons est de :

  • 2012-2013 : $83 000$ $m^3$
  • 2013-2014 : $88 000$ $m^3$
  • 2014-2015 : $86 000$ $m^3$

Ainsi, en moyenne les consommations en eau pour alimenter les canons à neige sont de l'ordre de grandeur de $85 000$ $m^3$ ce qui correspond à une couche d'environ 55 cm (cumulé sur toute la saison hivernale) sur les différentes pistes enneigées.

Fonctionnement des enneigeurs

Types d'enneigeurs :

Il existe deux types d'enneigeurs, monofluide et bifluide. Les enneigeurs monofluides sont alimentés uniquement par un réseau d'eau et agissent tel un ventilateur. Le canon à neige prend la forme d'un ventilateur dans lequel de l'eau sous pression est envoyée. Ils possèdent ainsi l'avantage d'être transportables. Les enneigeurs bi-fluides sont cependant plus répandus grâce à leur efficacité supérieure. Ils sont alimentés par un réseau d'eau et un réseau d'air sous pression, et peuvent être à induction ou à nucléation (voir la partie "Production de la neige").

Nous ne préciserons ici que le fonctionnement des canons à neige bi-fluides, car c'est ce type d'enneigeur qui est majoritairement utilisé sur le domaine de Puy-Saint-Vincent. Le fonctionnement de ces canons est associé à une retenue d'altitude.

Les canons à neige de type bi-fluide utilisent de l'eau et de l'air sous pression pour fonctionner. On trouve donc deux réseaux d'air et d'eau souterrains. Afin d'assurer la pression nécessaire à chaque canon, des stations de pompage et des compresseurs d'air sont installés en des points critiques du réseau. De plus, la retenue collinaire est le plus souvent placée en altitude pour obtenir plus de pression par écoulement gravitaire. De ce fait, les stations de pompages ne sont nécessaires qu'en des points particuliers du réseau. 

Les caractéristiques des canons majoritairement utilisés par la station (modèles Borax et Rubis) sont décrites dans les deux images ci-dessous, obtenues à partir du site de TechnoAlpin :

Figure 1 - Caractéristiques du canon à neige Rubis. (source : Technoalpin)

Figure 2 - Caractéristiques du canon à neige Borax(source : Technoalpin)

 

Les principales caractéristiques que nous veillerons à respecter sont les pressions maximales et minimales ainsi que les débit d'eau entrant dans les canons. D'autres caractéristiques, comme par exemple le niveau sonore, seront prises en compte pour l'étude de l'impact environnemental.

 

Les canons à neige sont équipés de vannes de régulation qui agissent à la fois sur l'air et sur l'eau. En effet, des mesures en temps réel de température et d'humidité sont réalisées par des capteurs placés sur les pistes de ski et permette de réguler la mise en marche des enneigeurs à l'aide d'automates. Les mesures d'humidité sont réalisées à l'aide d'un matériau hygroscopique, c'est à dire qui peut absorber et restituer la vapeur d'eau. Des anémomètres sont également installés pour contrôler la vitesse du vent, qui n'est pas un paramètre clé de fonctionnement mais un paramètre perturbateur, et donc à prendre en compte.

 

Conditions climatiques :

La température à prendre en compte pour le fonctionnement des canons à neige est la température humide. Cette température correspond à la température enregistrée par un thermomètre où le bulbe est recouvert d'une mèche imprégnée d'eau. Ainsi, les températures humides sont inférieures aux températures sèches, puisqu'elles correspondent aux températures sèches dans le cas d'une humidité de $100$ $\%$.

À l'aide d'un diagramme psychrométrique, on obtient le tableau ci dessous :

Tableau 1 : Qualité de la neige

On relève 3 catégories de fonctionnement :

  • En vert, les températures humides sont inférieures à $-7°C$ et la neige produite est de bonne qualité.
  • En jaune, les températures humides sont comprises entre $-7°C$ et $-3°C$ : la production de neige de culture est possible mais la neige est humide. Ce type de neige est toutefois satisfaisant pour réaliser une sous-couche neigeuse en début de saison.
  • En rouge, la température humide est supérieure à $-3°C$ et il n'est pas possible de produire de la neige artificielle.

Ainsi, afin d'obtenir de la neige de bonne qualité, on privilégie un fonctionnement nocturne.

Les automates de régulation installés dans les enneigeurs possèdent en mémoire le diagramme psychrométrique utilisé pour aboutir au tableau ci-dessus, et calculent donc le température humide à tout instant, puis, selon la qualité de neige souhaité, autorisent ou non la mise en marche de l'enneigeur.

 

Production de la neige :

Il existe deux types principaux de canons à neige bi-fluide utilisés sur la station de Puy-Saint-Vincent.

  • À induction :

Les canons à neige bi-fluides à induction (de type Borax) sont équipés d'une buse composée d'une chambre de mélange eau-air et de deux gicleurs. La production de la neige se fait alors en 5 étapes :

  1. Atomisation : le jet d'eau est séparé en fines gouttelettes dont la taille permet une cristallisation en glace dès lors qu'on les projette dans l'air ambiant à température (humide) négative. La congélation est d'autant plus facilitée que la taille des gouttes est petite. En pratique, on cherchera à obtenir un diamètre autour de 0.5 mm.
  2. Insémination : les gouttelettes sont ensuite transformées en grains congelés par rupture de l'état d'équilibre de l'eau en surfusion dès une température aux alentours de -3°C humide. Cette insémination se fait par la rencontre de l'eau atomisée avec le flux de nucléation.
  3. Dispersion : les gouttelettes sont alors projetées dans l'air ambiant et se transforment rapidement en glace, avant d'atteindre le sol. Cette dispersion peut avoir lieu grâce à un ventilateur (plutôt dans le cas d'un enneigeur mono-fluide) ou grâce à la détente d'air comprimé ou d'eau à forte pression. C'est pour cela qu'on cherche à obtenir des pressions d'eau et d'air importantes au niveau du canon à neige.
  4. Évaporation : en parallèle, lorsque la gouttelette est projetée dans l'air, sa partie extérieure va avoir tendance à s'évaporer et ainsi à faciliter sa congélation. Cette évaporation sera d'autant plus importante que l'air ambiant est sec. Ceci est en accord avec le tableau présenté ci-dessus, dans lequel on voit apparaître des températures maximales de production plus élevées pour un air sec.
  5. Convection : enfin, de la chaleur est échangée par le contact entre l'eau (la gouttelette) et l'air, et la neige formé par le processus décrit précédemment est transportée jusqu'au point souhaité. C'est en partie pour cela que des anémomètres sont placés à proximité de chaque canon à neige.

 

  • À nucléation :

Les canons à neige bi-fluides à nucléation (de type Rubis) sont, quant à eux, équipés d'une buse composée de quatre étages de gicleurs. La production de la neige se fait cette fois ci en 6 étapes, une étape de nucléation s'ajoutant entre l'étape d'atomisation et celle d'insémination. Les quatre chambres d'une buse d'un canon de type rubis sont remplies pour trois d'entre elles d'eau sous pression, et pour une d'entre elles d'un mélange eau-air. C'est cette couronne, composée d'un mélange, qui est à la base de la nucléation.

La nucléation permet la formation de micro-cristaux de glace qui seront utiles à l'insémination des gouttelettes lors de leur sortie de l'enneigeur. Ces micro-cristaux sont formés par un mélange eau-air sous pression (avec une proportion d'air importante), puis une fragmentation de ce mélange par un orifice qui provoque une brutale détente de l'air et donc un refroidissement en sortie du nucléateur. Une  cristallisation immédiate des particules d'eau en présence provoque alors la formation des micro-cristaux de glace (aussi appelés noyaux de nucléation).

Les étapes suivantes sont alors similaires au cas du canon à induction et sont facilitées par la présence de ces noyaux de nucléation.

Modélisation sous Porteau

Présentation du logiciel Porteau :

Nous avons choisi d'utiliser le logiciel Porteau pour la modélisation de notre réseau d'eau, que ce soit au niveau de l'alimentation de la retenue d'altitude ou des différents enneigeurs.

Le logiciel Porteau est un logiciel (développé par le concepteur Cemagref) qui permet de simuler un réseau sous pression pour une durée de quelques jours voire quelques mois (1000 heures maximum).

Ce logiciel possède trois modules : Opointe, Zomayet, Qualité qui permettent de s'intéresser respectivement au problème stationnaire, instationnaire et problème de la qualité des eaux.

A l'aide de son interface, il est alors possible de visualiser le réseau et de regarder en tout point du réseau les différentes pressions, hauteurs d'eau, etc..

Dans le cadre de notre étude, nous exploiterons principalement le module Zomayet du logiciel puisque c'est l'impact sur une saison qui est intéressant.

 

Dimensionnement des pompes :

Dans un premier temps il a fallu dimensionner les pompes car les données à notre disposition ne nous permettent pas d'avoir ces valeurs.

Les deux débits d'entrées sont $25m^3/h$ et $120m^3/h$ pour des altitudes qui sont respectivement de $1800$ $m$ et de $1740$ $m$. 

Pour savoir la puissance de la pompe nous utilisons la formule suivante :

$$W = \frac{\rho g Q H} {\eta} $$.

où Q est le débit d'entrée en $m^3/s$, g la constante de gravité en $m/s^2$ et $\rho$ la masse volumique de l'eau en $kg/m^3$ et H la hauteur de chute entre la retenue et les deux pompes.

Avec cette formule nous trouvons alors les valeurs suivantes pour les pompes :

$W1$ = $26,56$ $kW$

$W2$ = $147,15$ $kW$

Note : Le rendement dans la pompe sous Porteau est de 100 %. Le dimensionnement que nous ferons ne correspondra donc pas à la valeur des pompes réelles. Pour connaitre la valeur réelle des pompes en place sur le site il faudra diviser les deux valeurs obtenues par le rendement d'une pompe, compris entre 0.6 et 0.7 selon le type de la pompe.

Nous avons alors regardé l'impact des pertes de charges linéaires sur la puissance.

Pour cela nous avons calculé la perte de charge linéaire à l'aide de la formule d'Hazen Williams simplifiée :

$$ \Delta H = J L$$

Avec L la longueur du tuyau reliant la pompe au réservoir et J un coefficient défini comme :

$$J = 6.18 \left(\frac{V}{C_{HW}}\right)^{1,852} D ^{-1.167}$$

où $C_{HW}$ est le coefficient d'Hazen Williams valant 100 pour la fonte et 120 pour l'acier avec membrane, V la vitesse de l'écoulement en m/s et D le diamètre du tuyau en m.

Avec cette formule nous trouvons les pertes de charges linéaires suivantes :

  • Pompe 1 : $\Delta H_1 = 0.0562 m$
  • Pompe 2 : $ \Delta H_2 = 1.437 m$

Nous pouvons donc conclure que ces pertes de charges sont négligeables devant la hauteur de chute qui vaut environ $300$ $m$.

 

Hypothèses :

Différentes hypothèses ont été faites afin de pouvoir modéliser le problème sous Porteau :

- Les 75 canons à neige sont des enneigeurs bifluides et fixes

- Les pertes de charge linéaires et singulières dans les canalisation ne sont pas prises en compte

- 3 pompes supplémentaires sont nécessaires pour que la pression à chaque canon soit égale à celle demandée

- Les canons à neige sont espacés régulièrement sur chaque piste

 

Simulation :

Avec les hypothèses ci-dessous les entrées géométriques du problèmes sont donc les suivantes :

Surface de la cuve : $5000$ $m^2$

Diamètre des canalisations : $200$ $mm$

Puissance de la pompe 1 :  $150$ $kW$

Puissance de la pompe 2 :  $30$ $kW$

Puissance des pompes assurant la pression minimale :  $350$ $kW$, $15$ $kW$, $15$ $kW$

Plage des fonctionnement des canons à neige : Dépend de la météo mais fonctionnent entre 22 h et 6 h du matin

Débit prélevé pour chaque canon : $1.8~L/s$

Le modèle de consommation utilisé pour représenter les canons à neige est un modèle industriel qui permet de représenter correctement le fonctionnement des canons à neige, en imposant une valeur fixe à chaque canon associé à des plages de fonctionnement.

 

Le réseau alors modélisé sous Porteau est représenté ci-dessous :

Figure 1 : Schématisation du réseau fait sous Porteau

 

Les puissances des pompes supplémentaires ont été imposées de manière à assurer une pression d'au minimum $16$ bars à chaque point de prélèvement (correspondant à chaque canon). Pour minimiser les coûts et ne pas mettre inutilement le réseau sous pression, nous ferons fonctionner les pompes lorsque les canons à neige sont en marche, c'est à dire seulement la nuit.

Nous devons alors nous assurer que le modèle créé fonctionne bien et assure bien tous les critères pour le fonctionnement d'une pompe. Pour cela nous avons fait une simulation sur la première journée où les canons commencent à tourner à 22 h.

Dans un premier temps, nous regardons la consommation en eau en un point quelconque du réseau.

Figure 2 : Visualisation de la consommation en eau au point C2Burle

 

La consommation en eau au point C2Burle est bien de 0 avant 22 h, puis passe à $1,8$ $L/s$ à 22 h. Le modèle de consommation que nous avons imposé semble donc convenir à ce que nous souhaitons modéliser.

Pour valider notre modèle, il est également important de regarder la pression à chaque point. Pour éviter de regarder les 72 points du réseau correspond au 72 canons à neige, nous nous intéresserons à deux points : CoqH, qui correspond au point le plus haut et qui a donc la pression la moins forte, et LandesB, qui correspond au point le plus bas et qui peut avoir des problèmes de surpression.

Figure 3 - Visualisation de la pression au point CoqH

 

Au point CoqH, situé à l'altitude $2323$ $m$, la pression est négative lorsque les canons à neige ne fonctionnent pas puisque ce point est situé plus haut que la retenue d'altitude (qui est à $2190$ $m$). Cependant, lorsque les canons à neige doivent fonctionner les pompes de surpression permettent d'assurer la pression minimale de $16$ bars.

Figure 4 - Visualisation de la pression au point LandesB

 

Dans le cas du point LandesB, la pression lors du fonctionnement des canons est de 75 bars, inférieure à la pression maximale recommandée pour le type de canons de la station Puy Saint Vincent (voir la fiche technique dans la section ''Fonctionnement des enneigeurs''). Cependant d'autres canons à neige nécessitent une pression maximale de $60$ bars. Il est alors important d'installer des réducteurs de pressions afin d'abaisser la pression à celle voulue. En effet, la différence d'altitude entre le haut du domaine et le bas du domaine et de près de $1000$ $m$ et la pression sur les canons du bas du domaine risque d'être trop élevée et d'occasionner des dommages si la pression n'est pas contrôlée.

Le schéma ci-dessous présente 5 réducteurs de pressions assurant une pression adéquate en tout point du réseau. Ces réducteurs ont été installés principalement sur la partie basse du réseau car c'est à cet endroit que la pression, liée à la hauteur de chute, est la plus importante : 

Figure 5 - Nouvelle schématisation du réseau équipé de réducteurs de pression

 

Ce réseau constitue alors le réseau actuel représenté dans sa forme définitive. Par ailleurs, lorsqu'il n'y a pas de consommation, une vanne située au niveau de la retenue empêche l'eau de se répandre dans les canalisations qui se retrouvent ainsi vidangées. Cela est d'autant plus important que les températures sont négatives et que l'eau risquerait de geler dans les canalisations.

Validation du modèle sur une saison

Afin de valider notre modèle nous avons décidé de faire une simulation sur une saison entière afin de retrouver les consommations en eau de la station cités dans la section "Données sur Puy Saint Vincent''.

 

Travail préliminaire :

Nous avons décidé de faire deux modèles de consommation :

  • Un modèle concernant les pistes situées à hautes altitudes (Bergerie, Bois des Coqs, Clos Aval, Le Chemin) où les canons à neige ne fonctionneront qu'en début de saison car il est nécessaire d'avoir une sous-couche qui sera ensuite présente tout au long de l'année et qui stabilisera le manteau neigeux. Ensuite, les chutes de neiges naturelles permettront vraisemblablement d'assurer une hauteur de neige suffisante.
  • Un modèle concernant les autres pistes, qui sont situées à plus basse altitude. Les canons à neiges fonctionneront quand la hauteur de neige sera insuffisante. Cette partie de la station doit être d'autant plus enneigée car c'est elle où il y a le plus de passage et car c'est sur cette partie du domaine que le déficit en neige naturelle est souvent le plus important.

Pour déterminer les périodes de fonctionnement des canons à neige nous avons relevé les hauteurs du neige moyennes pour la saison 2013-2014 sur la station Puy-Saint-Vincent. Sur la figure ci-dessous est présenté les jours où toutes les pistes seront enneigées (en rouge) et où seules les pistes du bas du domaine seront enneigées (en vert) :

 

Figure 1 - Calendrier d'enneigement de la saison 2013-2014 (Source : skiinfo.fr)

Note :

- Le domaine est enneigé de manière à ce qu'il puisse ouvrir pour les vacances de Noël

- Il n'y a plus d'enneigement artificiel à partir de février-mars, c'est à dire la fin de saison, où la couche de neige est suffisante et les températures plus élevées

- La station a connaissance des prévisions climatiques et ainsi, les enneigeurs ne fonctionnent pas pas une veille de chute de neige.

- Le niveau d'eau dans la retenue d'altitude est régulé de manière automatisée. Les pompes assurant le remplissage cessent de fonctionner lorsque le niveau d'eau est suffisamment haut.

 

Résultats :

Une simulation a donc été faite sur la saison 2013/2014. Nous avons tracé ci-dessous la hauteur d'eau dans le réservoir durant les 11 semaines d'enneigements artificiels.

Figure 2 - Évolution de la hauteur d'eau dans le réservoir

 

Comme dit précédemment, nous pouvons observer que les pompes arrêtent de fonctionner lorsque le réservoir atteint 5 mètres et elles redémarrent lorsque le niveau d'eau atteint 3 mètres. Ceci permet de réguler le niveau d'eau dans le réservoir de manière à ce qu'il ne déborde pas ni se retrouve asséché. On peut observer également que les pentes de remplissage sont plus faibles entre les semaines 3 et 5, puisque cette période correspond aux vacances scolaires de Noël, pendant laquelle il n'est pas possible de puiser dans le trop plein d'eau potable.

 

Si nous regardons la consommation en eau au bout de 23 heures, soit une heure après le début de fonctionnement des canons à neige, nous avons une quantité d'eau sortante de $473$ $m^3$ ce qui correspond donc à un débit de $473$ $m^3/h$ pour la production lorsque tous les canons à neige sont en fonctionnement. Nous retrouvons donc bien la valeur annoncée par la station qui est de $400-500$ $m^3/h$.

 

Enfin, si nous regardons la consommation totale d'eau du réservoir au bout de la saison nous avons une consommation en eau de $77$ $000 m^3$ d'eau , ce qui est un peu en dessous des données que nous avons pu récolter sur les consommations en eau. Cela s'explique par le fait que nous n'avions pas les jours où les canons à neige ont été utilisés et que nous avons donc du faire des hypothèses. 

Étude de l'agrandissement du domaine skiable

Cette section décrit le nouveau réseau pour un plus grand enneigement des pistes avec de la neige artificielle. Deux choix ont été retenus et nous regarderons l'impact sur le réservoir de ces deux choix.

Objectif :

  • S'assurer de la production de neige de culture en basses altitudes.​
  • Proposer un nouveau réseau d'adduction

​​

La nouvelle retenue, dont l'emplacement a été défini dans l'étude préliminaire de la conception de la retenue, se situe à une altitude de 1850 m et elle se remplit à $250$ $m^3/h$. Cependant la retenue ne sert pas seulement à l'enneigement artificiel de la station mais elle est aussi une source pour la station de production d'eau potable qui en puise environ $35$ $m^3/h$  en continu.

Nous avons décidé de garder la même consommation en eau pour la première retenue et de puiser les $50 000$ $m^3$ d'eau nécessaire dans la seconde retenue. Cependant il ne s'agissait pas de construire un second réseau mais simplement de raccorder le nouveau réseau à l'ancien afin de limiter les coûts et de répartir judicieusement les ressources en eau à travers le domaine. Pour ce faire, des clapets et des vannes ont été installés pour faire face aux nombreuses ramifications du réseau et éviter que l'eau ne circule dans différents sens. Les vannes permettent aussi de limiter à la valeur actuelle la consommation en eau du réservoir déjà existant malgré l'installation de nouveaux canons à neige. Nous avons voulu minimiser les coûts et pour éviter d'installer une nouvelle pompe la nouvelle réserve en eau a été reliée à un point assez bas du domaine afin que la pression minimale de 16 bars soit assurée sans l'utilisation d'une pompe.

Les deux choix 1 et 2 (explicités dans l'hypothèse d'agrandissement), sont détaillés dans les parties suivantes mais au préalable nous avons voulu vérifier qu'il était possible d'installer des canons à neige sur la piste créée.

Données météorologiques

Pour installer les canons à neige et assurer leur fonctionnement, il faut avoir une pression d'eau suffisante mais il faut également que l'environnement extérieur soit propice. Pour le choix 1 et le choix 2 que nous avons décrit dans la première partie dans la section Hypothèse d'agrandissement, les pistes supplémentaires à enneiger se situent à la même altitude, voire plus haute, que celles déjà enneigées. Il n'y a donc pas de problème. En revanche, pour le projet de la nouvelle piste, si c'est un projet bien concret et abouti, le projet ne parle pas de l'installation de canons à neige sur cette piste.

 

Dans la partie précédente, nous avons vu les conditions de création de la neige artificielle (voir paragraphe Fonctionnement des canons) à l'aide d'un tableau représentant la qualité de la neige en fonction de l'humidité de l'air et de la température. Connaissant ces conditions, nous avons décidé de relever les différentes températures humides en bas de la nouvelle piste (i.e à 1148 m) afin de voir si il serait possible, d'un point de vue météorologique, d'enneiger artificiellement cette piste :

Les relevés sont les relevés pris sur Météo Ciel où la station de mesure se situe à 1400m d'altitude. Chaque jour entre le 19 et le 22 février 2015 et entre le 4 mars et le 7 mars 2015 nous avons relevé sur le site les prévisions pour le jour suivant. Le modèle numérique utilisé est le modèle WRF, un autre modèle existe : le modèle GFS, mais les prévisions que nous avions avec le modèle GFS étaient seulement toutes les trois heures, ce qui n'était pas assez détaillé.

 Pour connaitre les valeurs à 1148m d'altitude nous sommes partis sur le principe que l'air perd 0,65°C tous les 100m. Ainsi la différence de température entre la station de mesure et le bas de la nouvelle piste est de 1,62°C. 

Le tableau ci-dessous récapitule les différentes températures humides au bas de la nouvelle piste : 

Figure 1 :Température humide pour deux périodes distinctes (février et mars) (Source : meteociel.fr)

Pour le graphe ci-dessus, nous avons adopté le même code couleur que dans la partie décrivant les plages de fonctionnement météorologiques des canons à neige. Ainsi, lorsque la case est en verte le fonctionnement du canon à neige est optimal, lorsque la case est colorée en jaune, alors la production de neige de culture est possible bien que la neige obtenue soit humide. Enfin, avec une température inférieure à 3°C, la production de neige artificielle n'est pas possible. 

Nous pouvons remarquer que la plupart du temps les canons  seraient susceptibles de fonctionner car leur température humide sur la piste est inférieure à -7°C pendant le mois de mars.

Il est donc cohérent de vouloir équiper la nouvelle piste de canons à neige. 

Choix 1

Dans un premier temps, nous ajustons le modèle Porteau pour équiper de nouvelles pistes, comme il a été indiqué dans les hypothèses d'agrandissement. Nous ajoutons pour cela tous les canons à neige supplémentaires à l'aide des profils topographiques de chaque piste. Nous avons aussi placé la nouvelle retenue à l'aide des informations obtenues grâce à l'étude du bassin versant. Le nouveau modèle obtenu avec Porteau est le suivant :

Figure 1 : Nouveau réseau correspondant au choix n°1

 

Le nouveau réseau est alors ramifié sur celui déjà existant et plusieurs vannes sont installées aux endroits où l'eau provient potentiellement des deux réservoirs. En effet, l'eau provenant du réservoir actuel arrivera au bas du domaine avec une très forte pression, qui n'est pas nécessaire au fonctionnement des canons à neige. À l'inverse, l'eau provenant du nouveau réservoir, situé plus bas en altitude, aura une pression satisfaisante pour alimenter les canons du bas du domaine, mais pas assez de pression pour alimenter ceux du haut du domaine. L'installation de vannes en des points clés du réseau permet alors de réguler la provenance de l'eau.

On donne donc le schéma ci-dessous qui permet de montrer comment l'eau de chaque réservoir est utilisée :

Figure 2 : Répartition de l'eau pour le choix n°1

 

Le nombre de canons à neige reliés au nouveau réservoir est relativement faible, mais l'ensemble de ces canons est situé sur le bas du domaine skiable, et qui demande donc un enneigement artificiel plus important. Ainsi, nous avons conservé la même consommation pour le réservoir actuel. Bien entendu, cette consommation est susceptible de varier d'une année sur l'autre en fonction des aléas climatiques, et nous avons donc gardé une consommation fixe pour une année donnée seulement.

On donne alors la hauteur d'eau dans le réservoir tout au long de la saison hivernale 2013-2014 :

Figure 3 : Hauteur d'eau dans l'ancien réservoir au cours du temps

 

On peut alors remarquer que notre réservoir a un volume et un débit de remplissage suffisant pour assurer le fonctionnement des différents enneigeurs malgré l'ajustement du réseau de canons à neige. Dans un deuxième temps, il est important de vérifier que le nouveau réservoir que nous souhaitons mettre en place pour l'agrandissement a été correctement dimensionner pour supporter les demandes en eau potable et en eau pour les canons à neige. On observe alors le niveau de ce réservoir au cours du temps pour la même simulation que précédemment. Le résultat obtenu est le suivant :

Figure 4 : Hauteur d'eau dans le nouveau réservoir au cours du temps

 

On observe immédiatement de plus grandes fluctuations de niveau que pour le réservoir existant actuellement dans la station. Cela est directement relié au fait que ce réservoir aura une double utilisation :

  • $35$ $m^3/h$ de débit en continu pour alimenter la station de production d'eau potable
  • $300$ $m^3/h$ de débit pour les canons à neige, sur des plages de fonctionnement de $8$ heures consécutives

Toutefois, le niveau dans le réservoir reste acceptable au cours du temps, ce qui nous conforte dans le bon dimensionnement de ce réservoir en vue de sa double utilisation.

Il est maintenant important de s'assurer qu'un débit de $1.8$ $L/s$ est disponible au niveau de chaque canon et que la pression est comprise entre $16$ et $60$ bars. La consommation en eau au point CoqH est la suivante :

Figure 5 : Consommation instantanée au point CoqH

 

On constate immédiatement que le canon à neige dispose bien de $1.8$ $L/s$ pour fonctionner. Après avoir vérifié ces résultats pour chaque canon à neige du réseau, on choisit de ne présenter pour les pressions que ceux qui concernent le point le haut du réseau, CoqH, susceptible de manque d'eau ou de pression, et celui la plus bas de réseau, NouvelleB, susceptible d'être victime de surpressions. On obtient :

Figure 6 : Pression au point CoqH

 

Nous pouvons alors faire le même constat que dans la modélisation du réseau actuel à savoir que les pressions sont négatives lorsque les canons à neige ne fonctionnent pas, puisque les pompes assurant les surpressions sont coordonnées avec le démarrage des canons. Rappelons que cette pression négative signifie uniquement que l'altitude de ce point est supérieure à celle de la retenue, puisque dans la situation où les canons sont arrêtés, le réseau d'adduction est vidangé afin de limiter le risque de gel. À l'inverse, lors des plages de fonctionnement des canons, les pompes de mettent en marche et la pression minimale de $16$ bars est assurée.

Dans un deuxième temps, nous nous intéressons au point du réseau situé à l'altitude la plus basse, c'est-à-dire le bas de la nouvelle piste. Ce point, situé à $1048$ mètres d'altitude, est très probablement sujet à des problèmes de surpressions puisque la retenue d'altitude est à $2190$ mètres. On choisit alors d'installer des réducteurs de pressions à l'amont de ce canon, pour ne pas avoir de trop fortes pressions qui pourraient détériorer le canon à neige et nuire à son bon fonctionnement.

Figure 7 : Pression au point NouvelleB

 

Tout d'abord, on observe que cette fois-ci, la pression lorsque les canons sont en marche, la pression est inférieure au cas où les canons sont à l'arrêt. Cela s'explique par le fait qu'il n'y a pas de pompes dans cette branche du réseau et que les différentes prises d'eau situées à l'amont abaissent la pression.

Par ailleurs, on observe l'effet des réducteurs de pression puisque la pression reste constamment inférieure à la différence d'altitude entre la prise d'eau au niveau du canon à neige et le réservoir.

Choix 2

Comme pour le premier choix, le modèle initial est modifié afin de correspondre au deuxième choix, lui aussi présenté dans les hypothèses d'agrandissement. On observe en particulier que la nouvelle piste est présente dans les deux modèles.

Figure 1 : Nouveau réseau correspondant au choix n°2

 

Une fois encore, nous avons du ajouter des clapets qui empêchent l'eau de circuler dans plusieurs sens au sein d'un même tuyau, ainsi qu'une pompe assurant une pression suffisante au point DrailleH, situé à la même altitude que le réservoir. La pompe doit donc permettre d'élever la pression d'une valeur nulle à une valeur de $16$ bars, tout en compensant les pertes de charge linéaire dans le tuyau d'amenée. De même que précédemment, chaque réservoir alimente une partie des canons à neige comme le montre la figure ci-dessous :

Figure 2 : Répartition de l'eau dans le choix n°2

 

Le nombre de canons alimentés par chaque réservoir est le même que dans le premier choix. Ainsi, les niveaux d'eau dans chacun des réservoirs sont identiques à ceux présentés précédemment. Nous avons volontairement choisi de fixer ce nombre afin que la décision entre les deux solutions ne se fasse pas sur le critère du manque d'eau mais sur des critères écologiques présentés ici ou encore économiques. Il est cependant important de vérifier que la pression en tout point du réseau est acceptable. Nous choisissons de ne présenter les résultats qu'au bas de la nouvelle piste, en NouvelleB, et au plus haut point ajouté au réseau, DrailleH.

Tout d'abord, nous vérifions que l'eau parvient bien au point DrailleH du réseau, situé à la même altitude que le réservoir mais dont le tronçon d'amené est équipé d'une pompe. On observe ceci :

Figure 3 : Consommation au point DrailleH

 

La consommation est bien celle attendue par définition du modèle de consommation et l'eau parvient donc au canon à neige placé en haut de la piste Draille. Il est maintenant important de vérifier que l'eau y parvient avec une pression supérieure à $16$ bars.

Figure 4 : Pression au point DrailleH

 

Comme attendu, on trouve une pression nulle lorsque les canons à neige (et donc la pompe) sont à l'arrêt. Lorsque la pompe se met en marche, l'eau arrive sous une pression de 35 bars, nettement supérieure au minimum requis. Nous avons fait ce choix car une pression supérieure permet d'avoir un fonctionnement optimal des enneigeurs, et car le réseau d'eau se divise en deux branches au point DrailleH, ce qui réduit la pression aux points suivants.

Enfin, il est important de veiller dans ce cas aussi à ne pas dépasser la pression maximale autorisée, quelque soit le canon à neige considéré. On s'intéresse alors au point le plus critique, c'est à dire celui placé à l'altitude la plus faible, NouvelleB. On obtient :

Figure 5 : Pression au point NouvelleB

 

L'analyse de ces résultats est strictement la même que pour le choix n°1 présenté en page précédente. Des réducteurs de pressions ont également du être installés pour compenser la trop grande différence d'altitude entre le réservoir et ce point.

 

Nous allons désormais devoir retenir l'une des deux solutions présentés, en nous appuyant sur les recommandations du binôme chargé des impacts environnementaux ainsi que sur une étude économique présentée en page suivante.

Étude de coûts

Dans cette dernière partie, nous allons tenter de chiffrer le coût global du projet d'agrandissement. Pour cela, nous tiendrons compte de :

Ces deux éléments ont été réalisés par d'autres binômes et nous mènerons donc l'étude en collaboration avec eux. En ce qui concerne le travail autour de l'aménagement du domaine skiable, il sera important de prendre en compte :

  • L'achat des canons à neige
  • L'installation de nouvelles canalisations (conduites et tranchées)
  • Les équipements annexes du réseau (pompes, vannes, limiteurs de pression)

Dans un dernier temps, nous tenterons de chiffrer le coût énergétique de cet agrandissement :

  • Besoin en eau supplémentaire
  • Électricité assurant le fonctionnement

Par ailleurs, nous chercherons à quantifier les bénéfices apportés par cet agrandissement afin d'étudier la rentabilité d'un tel investissement.

Tout d'abord, il est nécessaire de convertir la puissance hydraulique de nos pompes en puissance électrique. Pour cela, on considère un rendement moyen de 60 % entre l'hydraulique et l'électrique. On aboutit donc aux valeurs suivantes :

Tableau 1 - Puissances électrique et hydraulique pour les pompes supplémentaires

Équipement

Pompe Choix 1 Pompe Choix 2 Pompe Retenue

Puissance hydraulique (kW)

200 250 450

Puissance électrique (kW)

330 420 750

La puissance électrique est celle à prendre en compte pour l'achat du matériel et pour les consommations énergétiques.

Ensuite, nous avons calculé la puissance globale consommée par les canons à neige. En moyenne, un canon à neige de type Borax, consomme 20 kW (pour le compresseur, la turbine et le chauffage qui composent le canon). Étant donné que l'on ajoute 42 canons à neige dans chacun des deux scénarios, cela correspond à une puissance totale de 840 kW.

On aboutit ainsi à la puissance requise, et donc, connaissant les temps de fonctionnement de chacun des ces éléments, à l'énergie nécessaire :

Tableau 2 - Énergie totale requise

Équipement

Temps d'utilisation Puissance Énergie

Pompe de remplissage de

la nouvelle retenue

600 heures 750 kW 450 MWh

Pompe de surpression du choix 1

90 heures 330 kW 29.7 MWh

Pompe de surpression du choix 2

90 heures 420 kW 37.8 MWh

Canons à neige

90 heures 840 kW 75.6 MWh

 

Coût d'installation :

Le tableau ci-dessous présente les coûts pour l'agrandissement du domaine skiable pour les deux scenarii que nous avons développés dans les parties précédentes.

Tableau 3 - Évaluation des coûts

 

Sur la quantité des nouveaux matériels à apporter au réseau, nous pouvons voir que le choix 2 nécessite plus de canalisations (environ 1000 mètres supplémentaires). Cela est dû au fait que nous avons raccordé le haut de la piste Draille à l'ancien réservoir et non au réseau existant. De plus, pour enneiger la nouvelle piste créée, il a fallu amener l'eau jusqu'en haut de cette piste. Le choix 1, quant à lui, nécessite des pompes plus puissantes afin de permettre une pression de 16 bars en tout point du réseau.

En conclusion les deux choix d'enneigement pour les pistes représentent un fort investissement d'environ 2 millions d'euros qui est très conséquent pour une petite commune telle que Puy-Saint-Vincent. Pour palier à ce prix élevé, la commune pourrait prévoir d'enneiger seulement quelques pistes et non pas toutes les pistes que nous avons citées.

Note : Les prix indiqués dans le tableau 1 ne peuvent pas prendre en compte tous les aménagements à faire. On peut donc avoir ainsi seulement un ordre de grandeur des coûts envisagés pour l'agrandissement.

 

Coût de fonctionnement :

Les coûts de fonctionnement induits par cet agrandissement concerne le coût de l'alimentation électrique à fournir pour les canons à neige et les diverses pompes. A noter qu'il n'y a pas de coûts pour le remplissage de la nouvelle retenue puisque l'eau puisée appartient déjà à la commune de Puy-Sainy-Vincent.

  • Alimentation électrique

Avec EDF, il existe différents tarifs pour les professionnels. Le tarif bleu qui correspond à des entreprises ayant peu d'installations électriques et le tarif jaune pour des entreprises qui ont une plus importante consommation en électricité. Au vu de la consommation des canons à neige et des pompes, le tarif jaune semble être le plus approprié.

Sur le site d'EDF nous pouvons alors regarder les tarifs pour le tarif jaune. Ce tarif est composé d'une cotisation annuelle et d'une facture au kWh variant en fonction de la saison et des heures de la journée. 

Le prix observé pour une consommation en hiver en heures creuses est le suivant : 6,692 centimes par kWh. A noter que dans le cas d'une consommation en hiver en heures pleines le prix passe alors à 9,925 centimes par kWh.

Les canons supplémentaires installés et de la pompe amenant l'eau sous pression aux canons fonctionnent sur une durée totale de 90 heures en heures creuses . Le coût de fonctionnement pour les canons à neige et la pompe associé est alors de 7600€ par an pour le choix 1 et de 7050 € par an pour le choix 2.

La pompe alimentant le nouveau réservoir apporte une quantité totale de 150 000 $m^3$ avec un débit fixe de $250m^3$ et fonctionne uniquement en heures creuses. Ainsi la pompe supplémentaire alimentant le réservoir fonctionne durant 600 heures pour un coût de 31 000 € par an.

Là encore les deux choix sont du même ordre de grandeur même si le choix 1 reste à un coût un peu plus élevé. Il semble normal que les coûts de fonctionnement soient du même ordre de grandeur puisque nous avons cherché à enneiger une surface de piste supplémentaire et non pas un nombre de pistes supplémentaires.

En conclusion, le projet est un projet coûteux qui peut cependant être amorti à moyenne durée (environ 30 ans). En effet, la construction de nouveaux logements et la nouvelle attractivité de la station lui permettra de faire face à l'augmentation des touristes pendant la saison hivernale.