Le cas d'oujda-angad. A. Sbai, A. Mouhdi, N. Adouk et F. Paul

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1 54 La Météorologie 8 e série - n 5 - mars 1994 CLIMATOLOGIE MODÉLISATION DE LA VITESSE DU VENT ET CALCUL DU POTENTIEL ÉOLIEN DU MAROC ORIENTAL Le cas d'oujda-angad A. Sbai, A. Mouhdi, N. Adouk et F. Paul Université des sciences et technologies de Lille I Laboratoire de climatologie et d'hydrologie Villeneuve d'ascq Cedex RÉSUMÉ ABSTRACT INTRODUCTION Nous présentons ici les résultats d'une étude sur les régimes des vents et le potentiel éolien au Maroc oriental. Ce travail est basé sur les observations météorologiques journalières de la station d'oujda-angad pour la période , ainsi que sur des observations triquotidiennes plus anciennes de cette station. La vitesse moyenne annuelle du vent à 10 m varie de 3,6 à 5,8 m/s tandis que le potentiel éolien, estimé par la loi de Weibull, varie de 57 à 44 W/m. This paper présents the results of a study dealing with the wind régime and the potential of the wind resource of eastern Morocco for power génération. It is based on the daily observations of thesynoptic station of Oujda-Angad. The mean wind speed at 10 m varied between 3.6 and5.8 m/s and the potential of the wind resource, estimated by WeibulPs distribution, varied from 57 to 44 W/m. Dans cet article, nous présentons les résultats d'un travail effectué sur le régime des vents et le potentiel éolien du Maroc oriental à partir des données de la station météorologique d'oujda-angad (fig. 1). Les observations de vent sont effectuées à 6, 1 et 18 h UTC à 10 m au-dessus du sol. Les principales caractéristiques étudiées sont la vitesse moyenne du vent, la distribution statistique du vent et les variations temporelles de la vitesse du vent. Le potentiel éolien est estimé à l'aide du logiciel WAsP (Wind Atlas Analysis and Application Programme). Les vitesses du vent n'ont pas subi de correction en fonction de l'environnement du site de la station. Sans reprendre intégralement l'étude à propos des régimes des vents au Maroc oriental (Sbai et al., 199), nous pouvons néanmoins retrouver quelques idées essentielles sur certains aspects des variations et des régimes des vents. LES CARACTÉRISTIQUES DU VENT La vitesse du vent Variations à l'échelle annuelle et mensuelle Le Maroc oriental est une des régions du Maroc où la vitesse du vent est importante. La vitesse moyenne mensuelle du vent est calculée pour la période la plus longue ( ) à partir d'observations effectuées à 6 h, 1 h et 18 h UTC. Les résultats sont présentés dans le tableau 1. La vitesse moyenne annuelle est de

2 La Météorologie 8 e série - n 5 - mars ,9 m/s, avec des variations interannuelles importantes : coefficient de variation (écart-type/ moyenne) = 0,4 ( ). La vitesse du vent à 6 h est la plus élevée en automne et en hiver (novembrefévrier) et la plus faible en été (maioctobre). A1 h, les vitesses du vent les plus élevées s'observent en hiver (décembre-février) et en été (juinjuillet). A 18 h, les vitesses les plus élevées s'observent surtout en été. y j j Montagnes Plaines et plateaux cours d'eau Figure 1 - Grandes unités de relief du Nord-Est du Maroc et localisation de la station d'oujda-angad Variations à long terme Le Maroc oriental est marqué par une variabilité des vents importante (fig. ). L'écart entre la valeur maximale (1969) et la valeur minimale (1956) est de 3,3 m/s. Cependant, aucune tendance à long terme ne se manifeste comme le montre la figure. On observe des périodes où les vents sont forts et des périodes où les vents sont faibles, comme c'est le cas de 1947 à Cette rupture dans la courbe d'évolution pourrait être liée à un changement de matériel de mesure ou à un déplacement du pylône à partir de valeurs moyennes moyennes mobiles quinquenales Figure - Evolution de la vitesse moyenne annuelle du vent à Oujda ( ) Variations saisonnières La vitesse du vent de chacun des 1 mois fluctue d'une année à l'autre, mais de façon modérée, comme l'indiquent les valeurs assez faibles des coefficients de variation (tableau 1). La variabilité de la vitesse moyenne mensuelle du vent est plus importante en hiver et en automne et dépasse amplement la variabilité de la vitesse moyenne annuelle. Des différenciations saisonnières peuvent être décelées : tendance à une légère diminution de la vitesse du vent au printemps et en automne.

3 56 La Météorologie 8 e série - n 5 - mars 1994 Tableau 1 Variations mensuelles de la vitesse du vent à Oujda (Observations à 6 h, 1 h et 18 h UTC, ) J F M A M J n J t A S O N D Année Moyenne 3,9 4,3 4,0 3,9 3,9 4,1 4,1 3,8 3,5 3,3 3,6 4,4 3,9 Coef. Var.(*) 0,9 0,3 0,3 0,31 0,8 0,6 0,7 0,8 <X8~03 I 0,4 03 0,4 (*) Le coefficient de variation est obtenu à partir de l'écart-type calculé sur les 43 moyennes mensuelles Variations diurnes Les variations diurnes de la vitesse du vent ont été déterminées à partir des données horaires pour l'année 1988 (fig. 3a et 3b). L'allure des courbes est une sinusoïde avec un minimum dans la matinée et au cours de la nuit et un maximum en milieu d'après-midi (fig. 3a). On note une ressemblance entre l'allure de la courbe des moyennes annuelles et celle des moyennes du mois de juillet, avec des valeurs plus élevées l'après-midi pour le mois de juillet et plus faibles au cours de la nuit. Par contre, la courbe de janvier est légèrement décalée par rapport aux deux autres courbes. Ainsi, en hiver, les vitesses maximales et minimales se produisent, respectivement, vers 11 h et 0 h, tandis qu'en été, elles se produisent vers 4 h et 16 h. L'amplitude moyenne horaire est plus faible en hiver, 4,7 m/s, qu'en été, 8, m/s. Le même phénomène a été observé, mais plus faiblement, dans le nord de la France (Paul, 1990) et au sud-ouest du bas Michigan (Weber, 1978). Les vents calmes sont très fréquents à 6 h. Par contre en fin d'après-midi, ce sont les vents forts et surtout en provenance du nord qui dominent (fig. 3b). Figure 3a - Variations diurnes de la vitesse du vent à Oujda en 1988 Figure 3b - Variation des rythmes diurnes du vent à Oujda en 1988 La direction du vent La rose des vents (fig. 4) met en évidence des variations plus importantes dans le temps. Les vents de nord constituent l'élément prédominant de la circulation atmosphérique au niveau du sol. En hiver, c'est plus particulièrement de l'ouest que soufflent les vents forts : 5,7% des vents d'ouest atteignent des vitesses supérieures à 11 m/s. La fréquence des vents forts est également élevée dans le secteur ouest-sudouest : 4,3% des vents y dépassent 11 m/s. Enfin, les vents de sud sont les moins fréquents et donnent naissance à des vitesses faibles et modérées : 3,%. Néanmoins, on peut estimer que la circulation est très rapide à Oujda où les jours de calme ou de vent très faible (< m/s) ne représentent que 6,% des cas. Dans toutes les directions, les vitesses élevées sont très fréquentes. Ainsi, les vents assez forts (8-10 m/s) représentent 16,% des vents d'ouest.

4 La Météorologie 8e série - n 5 - mars EZ -4 m/s ZZ 5-7 HZ] 8-10 l>11m/s Figure 4 - Régime des vents à Oujda ( ) La prépondérance des vents de nord, surtout en été, s'explique essentiellement par l'établissement, quasi quotidien, d'un régime de brise de mer. En effet, les régions intérieures du Maroc oriental sont surchauffées pendant les journées d'été. De basses pressions relatives au sol y sont fréquentes comme en témoignent les violents tourbillons de poussière. Il est facile de définir un rythme saisonnier des vents avec des périodes bien tranchées. En hiver, on note la prédominance des vents d'ouest et de sud-ouest. En été, les vents de nord et de nordest dominent. Mises à part les différences régionales (Sbai et al., 199), on observe les changements qui s'établissent progressivement à Oujda d'une saison à l'autre (fig. 5). Entre les deux situations extrêmes d'hiver et d'été, se dégagent des régimes intermédiaires. Ainsi, de mars à mai les vents d'ouest cèdent la place aux vents de nord-ouest. La transition entre l'été et l'hiver est précisée par les roses des vents du bimestre octobre-novembre qui soulignent un retour progressif des vents d'ouest et de sudouest et un accroissement très net de la vitesse du vent. - 4 m/s H M m/s Figure 5 - Régimes mensuels des vents à Oujda (valeurs à 6 h, 1 h et 18 h, )

5 58 La Météorologie 8 e série - n 5 - mars 1994 MODÉLISATION DE LA VITESSE DU VENT Distribution statistique de la vitesse du vent L'analyse fréquentielle de la vitesse du vent met en évidence les classes de vitesse prédominantes. Par conséquent, et en fonction des caractéristiques des éoliennes disponibles sur le marché, on peut choisir celles qui fournissent le meilleur rendement. On étudie la répartition de la vitesse du vent par classes, la fréquence d'occurrence étant exprimée directement (en pourcentage) ou de façon cumulée, ce qui permet de connaître la probabilité qu'une valeur de vitesse ne soit pas dépassée. La figure 6 montre une prédominance de la tranche de classes -7 m/s qui représente 79,4% des cas avec un maximum pour la classe -3 m/s (16,8%). Presque la moitié des valeurs sont inférieures ou égales à 4 m/s (vents faibles). Les vents modérés (5-7 m/s) représentent 34,5% des cas et les vents assez forts et forts 15,5%. Enfin, les vents violents et très violents ne représentent que 0,5% des cas. Figure 6 - Distribution statistique de la vitesse du vent à Oujda (valeurs mesurées à 6 h, 1 h et 18 h, ) et ajustement par une loi de Weibull Ajustement par la loi de Weibull La distribution p(v) de la vitesse du vent peut être décrite par la loi de Weibull. C'est un modèle à deux paramètres : - un paramètre de forme k qui décrit la dispersion des données (il indique une plus ou moins grande dissymétrie de la distribution des vitesses du vent) ; - un paramètre d'échelle c qui est lié à la vitesse moyenne par la fonction gamma (il caractérise, un peu comme la moyenne, l'intensité du vent). Cette loi est exprimée par la relation suivante : p(v) = k/c (V/c) k -' exp [-(V/c) k ] Les paramètres c et k peuvent être déterminés par une régression linéaire entre les fréquences cumulées et les classes de vitesse, l'équation de régression étant: y = a + bx, avec k = b et c = exp (-a/b) F étant la fréquence cumulée des observations pour lesquelles la vitesse du vent est inférieure à V, on a y = ln (ln 1 ) et x = ln (V). 1 -F V (la vitesse moyenne théorique) est reliée aux paramètres k et c par : V = cr (1 + 1/k), où r est la fonction gamma. Les résultats présentés dans le tableau montrent que k varie entre 1,49 et,16. Les faibles valeurs de k indiquent une grande dispersion des données : les données tendent à être dispersées au-delà d'une classe relativement large de vitesses faibles. Pour les valeurs élevées de k, la majorité des données se concentre autour de la vitesse moyenne; dans ce cas, et si cette moyenne est faible, le vent ne pourra pas être utilisé comme source d'énergie éolienne. Les paramètres k et c sont utilisés pour tracer la courbe de densité de probabilité de la vitesse du vent. Cette courbe, comparée à l'histogramme des fréquences observées (fig. 6), montre que l'ajustement est satisfaisant. L'application du test du Khi confirme l'adéquation de cet ajustement : la valeur calculée (9,13) est inférieure à la valeur théorique lue dans la table du Khi pour un nombre de degrés de liberté de 8 et un risque d'erreur de 0,1. LE POTENTIEL ÉOLIEN Le potentiel éolien P est calculé en utilisant la formule suivante : P = 1/ p V 3, avec P en W/m, où p est la densité de l'air (tableau ). Des paramètres tels que les moyennes annuelles, mensuelles et horaires du potentiel éolien ont été calculées à 10 m et estimées à 30 m et 50 m à partir du logiciel

6 59 e La M é t é o r o l o g i e 8 série - n 5 - m a r s 1994 W a s P après estimation de la vitesse du v e n t en fonction de la hauteur à l'aide de la formule située dans l'encadré ci-dessous. Tableau Variations sur seize années de la vitesse annuelle du vent, des paramètres c et k et du potentiel éolien Année Vit. vent Paramètres à 10 m à 10 m ' c k Potentiel éolien en W/m 10m 30 m 50 m La m o y e n n e annuelle du p o tentiel éolien (à 10 m ) est de 130 W / m, mais cet état m o y e n m a s q u e plusieurs irrégularités. Ainsi, sur la période d ' é t u d e , o n peut distinguer trois périodes (fig. 7) : ,6 4,, ,9 3,7 3,7 4,0 4,5 4,1 4, 4,6 1,74 1,79,16 1, , 4,4 5, 4,8 5,0 6,0 1,99 1,81 1, ,8 5,8 5, 6,8 6,8 6,0,07,10 1, ,0 4,1 4, 4,6 4,6 4,8 1,49 1,54 1, ,3 4,9 1, ,5 5, 1, moyenne 4,41 3,5* 1,37* 130 * valeurs calculées pour toute la période la période où les valeurs d ' é n e r g i e éolienne sont très faibles a v e c un m i n i m u m de 5 7 W / m en 1974 et 1977 ; - l a période c a r a c térisée par les valeurs les plus élev é e s qui, en 198, ont atteint 4 4 W/m ; - la période a v e c des valeurs qui oscillent autour de la moyenne. En ce qui c o n c e r n e les variations m e n s u e l l e s, les m o i s de n o v e m b r e, d é c e m b r e, j a n v i e r et février présentent les valeurs les plus éle89 35 v é e s (195 W / m en d é c e m b r e ). Cela est dû aux fortes variations de la 80 vitesse du vent au cours de cette période hivernale. L e s valeurs minimales se produisent en s e p t e m b r e et en octobre, a v e c respectivement 81 et 8 9 W / m. Les autres m o i s indiquent une certaine stabilité du potentiel éolien. u. u(z) = k où u(z) z k u. g In z z o est la vitesse du vent à la hauteur z au-dessus du sol, la longueur de rugosité, la constante de Von Karman, considérée ici égale à 0,40 est appelée vitesse de frottement liée à la contrainte de surface x par la relation : j t j = pu, L e potentiel éolien a u g m e n t e avec la hauteur aussi bien à l'échelle m e n s u e l l e q u ' à l'échelle annuelle. A 5 0 m les valeurs atteignent presque le double des valeurs calculées à 10 m, m a i s l'allure des c o u r b e s reste identique à celle à 10 m. A l'échelle horaire, notre choix s'est porté sur d e u x m o i s à r e n d e m e n t contrasté en 1988 : s e p t e m b r e et j a n v i e r (fig. 8a et 8b). En janvier ( m o i s à r e n d e m e n t élevé), la m o y e n n e est de 174,6 W / m e t le coefficient de variation de 0,38. Les valeurs les plus élevées sont atteintes entre 9 h et 17 h a v e c un m a x i m u m à m i d i (80 W / m ). La plus faible valeur de la j o u r n é e est de 9 7 W / m à 18 h. En s e p t e m b r e ( m o i s à r e n d e m e n t faible), la m o y e n n e est de 59,7 W / m et le coefficient de variation est de 1,1. Les valeurs sont en général inférieures à la m o y e n n e à l'exception des valeurs de l ' a p r è s - m i d i (14-18 h) qui d é p a s s e n t 100 W / m. L e s d e u x v a l e u r s e x t r ê m e s de la j o u r n é e sont 0 5 W / m à 16 h et 3 W / m à h. Figure 7 - Evolution de la vitesse moyenne annuelle du vent et potentiel éolien à Oujda ( )

7 60 La Météorologie 8 e série - n 5 - mars 1994 Figure 8a - Variations horaires de la vitesse du vent et du potentiel éolien Qanvier 1988) Figure 8b - Variations horaires de la vitesse du vent et du potentiel éolien (septembre 1988) CONCLUSION L'étude des caractéristiques du vent à Oujda révèle des valeurs de vitesse et de potentiel éolien intéressante, pouvant favoriser une exploitation pour la production d'énergie. Le potentiel éolien est en moyenne de 130 W/m. Cette valeur varie en fonction des années et des mois. Le choix d'une longue série nous a permis d'analyser les variations sur seize ans de la vitesse du vent et du potentiel éolien. Ces valeurs devraient être encore plus élevées à une altitude de 0 à 30 m (altitude idéale pour les aérogénérateurs). Une étude plus complète du potentiel éolien au Maroc serait d'une grande importance pour analyser les variations spatiales et localiser les sites favorables à l'installation d'éoliennes. Cette étude permettrait également de prolonger vers le sud l'atlas éolien européen (Troen et Lundtang, 1991). Remerciements BIBLIOGRAPHIE Les auteurs remercient vivement le personnel de la station météorologique d'oujda-angad de nous avoir facilité l'accès aux données, M. Gérard Petit-Renaud, maître de conférences à l'université de Lille I, pour avoir mis à notre disposition les programmes informatiques nécessaires au traitement des données du vent, et M. Henri Delannoy, professeur à l'université d'aix-en-provence, pour avoir lu notre article et apporté les observations nécessaires. Al-Tukhaim K., 1988 : Analysis of wind speed data from Kuwait for European community wind energy conférence, 6-10 june 1988, Paul F., 1990 : Le vent : un aspect de la spécificité climatique de la France du Nord. Revue de géographie de Lyon, 65,, Sbai A., Moussaoui F. et Oualit N., 199 : Les régimes des vents au Maroc oriental. Méditerranée, 3-4, Troen I. et Lundtang Petersen E., 1991 : Atlas éolien européen. CCE, Bruxelles, 78 pp. Weber M.R., 1978 : Average diurnal wind variation in southwestern lower Michigan..Tourna/ of Applied Meteorology, 17, 8,