Les défis scientifiques entre climat et énergies renouvelables R Vautard, Institut Pierre-Simon Laplace, LSCE

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1 Les défis scientifiques entre climat et énergies renouvelables R Vautard, Institut Pierre-Simon Laplace, LSCE Projets CLIMIX IMPACT2C I Balog, FM Bréon, A Colette, JG Devezeaux de Lavergne, S Jerez, P Ruti, F Thais, I Tobin, P Yiou

2 Le paysage se transforme

3 Le paysage se transforme

4 Crédit: M Llorden Le paysage se transforme

5 Le paysage se transforme (région texane couverte d exploitations de gaz de schistes) Crédit: Amy Young

6 Les énergies renouvelables utilisent une ressource naturelle variable

7 Les éoliennes dans une couche atmosphérique peu prévisible After B. Mahoney, ICEM 2013

8 Les risques de black-out augmentent

9 La transition énergétique contient des défis scientifiques considérables Physique, Mathématiques, Socio- Economie

10 Questions liées au développement des énergies renouvelables Quelles sont les ressources? Quels sont les effets sur le climat global du remplacement d énergie fossile? Comment le climat global influe-t-il sur les ressources? Quels effets sur le climat et l environnement régional ou local? Comment optimiser la disposition des parcs de production? Les réseaux de transport? Comment prévoir la ressource à court / moyen terme pour une alimentation fiable en électricité?

11 Questions abordées dans l exposé Disponibilité éolienne et limites Impact du changement climatique sur les ressources renouvelables (éolien, solaire) Impact des éoliennes sur le climat en Europe

12 Outils: modèles globaux et régionaux de climat et impact renouvelables Zoom & Downscaling Global model (eg IPSL-CM) Regional model Pourquoi la modélisation régionale? Permettre une meilleure résolution pour les études d impact Mieux décrire les événements extrêmes Evaluer les effets de politiques régionales INCERTITUDE: utilisation d ensembles de simulations

13 La ressource éolienne et la demande énergétique Ressource disponible continentale théorique entre ~20 TW et ~70 TW Aujourd hui, puissance installée~0.3tw Demande mondiale électricité actuelle ~2 TW, énergie=15tw 282 GW Dans le monde 107 GW En Europe 100 GW En Asie 68 GW En Amérique du Nord 7 GW Autres régions

14 120,000 éoliennes en Europe en 2012 Source

15 Le développement éolien en Europe

16 Disponibilité globale Puissance dissipée sous forme de vent Puissance disponible dans la couche limite Puissance disponible dans la couche limite continentale Miller et al 2011 Puissance productible dans la couche limite continentale (loi de Betz)

17 Effet locaux des éoliennes La ressource dépend de l extraction qu on en fait Expérience de modélisation régionale avec effet des éoliennes Fitch et al. (2012)

18 Puissance réellement disponible Distribution de la puissance dissipée dans la couche limite Miller et al 2011 Puissance réellement disponible globale prenant en compte l extraction

19 Limite de disponibilité régionale Limite à 1 W/m2 Simulation régionale Adams and Keith (2013)

20 Impact du Changement Climatique sur la ressource éolienne

21 Méthodologie Utilisation d un ensemble de projections régionales du climat en Europe (Scénario A1B, ENSEMBLES) Accès à l incertitude Extraction des vents à 10m Modélisation du vent au niveau des éoliennes en Europe Modélisation de la puissance disponible Application aux flottes nationales pour estimer les effets sur la production d électricité

22 Méthodologie

23 Changements dans la puissance disponible 2050-Présent

24 Changements dans les productions nationales Production avec hypothèse Parc 2012

25 Changements dans les productions nationales

26 Pourquoi un déclin pluri-décennal du Effet du changement climatique? Effet de changements de rugosité? Effet de changement de la dynamique, variabilité naturelle? Evolution liée aux aérosols? vent? McVicar et al 2012, Vautard et al., 2010

27 Les éoliennes modifient-elles le climat?

28 Différences de température observées autour des grandes fermes texanes Zhou et al., 2013

29 Redistribution de l énergie Puissance cinétique de l écoulement amont Puissance cinétique de l écoulement Puissance cinétique turbulente Puissance électrique C p = PElectrique/Pamont C T = Pdissipée(TKE + Elect)/Pamont

30 Changements d échelle globale Couverture des shrubland/grassland, zone côtière, approche couplée O/A Changements pour satisfaire 10% de la demande mondiale en 2100

31 Scénario réaliste pour l Europe: Plan expérimental Utilisation de la formulation de Fitch et al (2012) dans un modèle de climat régional Définition d un scénario de développement éolien Simulations sur 33 ans avec et sans éoliennes Évaluation Différences entre les deux simulations Simulations de sensibilité

32 Modélisation des éoliennes dans le modèle WRF Wind Wind TKE Power

33 Comparaisons avec observations des producteurs FR DK DE IE

34 Définition d un scénario

35 Impacts sur la température Hiver Eté

36 Impact sur la pression niveau mer Hiver Eté

37 Précipitation, vent en hiver Précipitation Vent

38 Renouvelables: autres défis Comment «lisser» la variabilité avec un parc adapté? Acceptabilité des changements de paysage? Comment mieux observer et prévoir la vitesse à la hauteur des éoliennes? Quelle influence sur la mer, la biogéochimie marine?

39 Quelques conclusions Peu de menaces entre climat et renouvelables Mais sujets encore émergents, nécessité d un ancrage plus fort sur des observations, sur des ensembles de modèles Evaluation des conséquences environnementales indispensable Défis entre sciences économiques et sociales et climat

40 Merci de votre écoute

41 Energétique de l éolienne P = 1 2 AρV3 C p = 4a(1 a) 2 Max(C p ) = 0.593