Estimation de la production éolienne d électricité dans la région d Adrar

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1 Revue es Eergies Reouvelables SMEE 10 Bou Ismail Tipaza (2010) Estimatio e la proutio éoliee életriité as la régio Arar Saï Diaf * Cetre e Développemet es Eergies Reouvelables B.. 62, Route e l Observatoire, 1640 Bouzaréah, Alger Résumé - Aujour hui, ompte teu es ejeux que représetet les soures éergies urables, la promotio es éergies reouvelables ostitue u es gras axes e la politique éergétique et eviroemetale e beauoup e pays. La stratégie e éveloppemet es éergies reouvelables e Algérie vise à porter la part es éergies reouvelables, à l horizo 2015, à eviro 5 % e la proutio atioale 'életriité. our atteire et objetif, e plus es projets réalisés et qui sot e ours, plusieurs projets sot à évelopper et à réaliser as e omaie. armi es projets o trouve les projets fermes éolies as le su u pays. Das e otexte, le travail e reherhe préseté as et artile est ue otributio à l étue e la faisabilité 'implatatio 'ue ferme éoliee pour la proutio életriité sur la régio Arar. our ela, plusieurs éoliees ommeriales Norex e ifféretes sot utilisées. L objetif priipal repose ue part sur: - l étue e faisabilité 'itégratio e systèmes à soures éergie éoliee as la proutio életriité, - et autre part sur le hoix e la taille e l éoliee. our atteire es objetifs, ous avos proéé as ue première phase à l estimatio u potetiel éergétique éolie ispoible sur site et à l aalyse es oées e la vitesse u vet et es résultats relatifs à la esité e puissae éoliee ispoible sur site pour ifféretes hauteurs et as u euxième temps à l estimatio e l éergie életrique éoliee prouite auellemet e kwh/a sur le site Arar. L esemble es résultats e simulatio obteus au ours e ette étue est préseté. Ces résultats motret que pour ue ferme éoliee ue puissae e 12 Mégawatts et e utilisat es éoliees e ifféretes tailles, l éergie totale prouite par la ferme est variable. E oséquee, le hoix e la taille es éoliees est primorial. 1. INTRODUCTION Aujour hui, ompte teu es ejeux que représetet les soures éergies urables, la promotio es éergies reouvelables ostitue u es gras axes e la politique éergétique et eviroemetale e beauoup e pays. Cette politique éergétique vise à maiteir la séurité approvisioemet tout e preat e ompte les préoupatios eviroemetales. E Algérie, beauoup reste à faire e matière e éveloppemet es éergies reouvelables, même si plusieurs programmes sot éjà réalisés ou laés pour la proutio e l életriité à partir es éergies reouvelables. Aujour hui, la part es éergies reouvelables as le bila éergétique atioal eore très faible, otrairemet à autres pays e la régio. Cepeat, l Algérie ispose atuellemet e tous les atouts éessaires pour le éveloppemet es éergies reouvelables; u potetiel osiérable es éergies reouvelables et ue politique éergétique aoptée favorisat ue otributio plus * siaf@hotmail.om 161

2 162 S. Diaf oséquete es éergies reouvelables as le bila éergétique atioal. ar oséquet, u usage massif es éergies reouvelables peut être evisagé. Ce travail est ivisé e eux parties, la première partie osiste e l estimatio u potetiel éolie. E effet, ue aalyse es oées e la vitesse moyee u vet est présetée suivie ue étue e la représetatio e la istributio es vitesses u vet. E erier lieu, osiérée omme u bo iiateur u potetiel éolie ispoible, la esité e puissae éoliee est estimée pour. La euxième partie présete ue part, les ifférets moèles utilisés pour l estimatio e la puissae prouite par les éoliees ave l étue e leur aéquatio ave les oées es ostruteurs et, autre part, l estimatio e la proutio auelle éergie fourie par ue ferme éoliee qui sera istallé prohaiemet sur le site Arar. 2. ESTIMATION DU OTENTIEL DES RESSOURCES EOLIENNES L estimatio u potetiel éergétique éolie ispoible sur u site oé est sas oute l étape la plus importate lorsqu il s agit evisager l implatatio u système exploitatio e e type éergie. Sa épeae irete u vet éessite ue oaissae es ifférets aspets, tels que la variatio horaire et mesuelle e la vitesse u vet aisi que sa istributio e fréquee. Das ette étue, le site oeré est elui Arar. 2.1 Doées utilisées Les oées utilisées as ette étue sot obteues à partir es oées tri-horaires es vitesses e vet mesurées à 10 m u sol, publiées par l Offie Natioal e la Météorologie et olletées sur la périoe , [1]. 2.2 Aalyse es oées e la vitesse moyee u vet La vitesse moyee u vet est le plus simple iiateur e la qualité es ressoures éoliees ue régio. Basées sur les oées publiées par l O.N.M., les moyees mesuelles e la vitesse u vet et les moyee auelles es valeurs tri horaires e la vitesse u vet sot présetées, respetivemet, sur les figures 1 et 2. La figure 1 motre la variatio e la moyee mesuelle e la vitesse u vet pour le site Arar. Cette figure motre que e site présete u maximum e vitesse moyee es vets peat la périoe Juillet-Septembre et le mois e Mars. Quat au miimum, il se prouit urat la périoe hiverale. Aisi, les oées motret que le site Arar est u site veté urat toute l aée, ave ue vitesse moyee auelle autour e 6 à 10 m u sol. L évolutio es moyees auelles e la vitesse u vet tri-horaire u site Arar as ette étue est représetée e figure 2. Cette évolutio e la vitesse motre, ue part, ue imiutio e la vitesse moyee urat la uit et ue augmetatio urat la jourée sot ostatées, et autre part que le site Arar est plus veté l après mii que la matiée. Aisi, les oées motret que le site Arar présete u potetiel éolie importat u fait que le vet souffle à ue vitesse relativemet élevée peat logtemps. E effet, le vet souffle à ue vitesse supérieure à 5 urat toute la jourée et supérieure à 6 peat presque 10 heures (plus e 40% u temps) et ela seulemet à 10 m u sol.

3 SMEE 2010: Estimatio e la proutio éoliee életriité 16 Fig. 1: Moyees mesuelles es vitesses u vet u site Arar Fig. 2: Evolutio e la vitesse moyee horaire u vet pour le site Arar (à 10 m u sol) 2. Distributio e la vitesse u vet La istributio es vitesses u vet représete u iiateur pour le potetiel éolie. Sa oaissae permet l estimatio e l éergie éoliee ispoible sur le site. La istributio es vitesses u vet peut être représetée par u tableau ou par ue fotio mathématique. Le Tableau 1 présete la istributio es fréquees es vitesses moyees mesurées pour ue lasse oée e termes e pouretage pour le site Arar. Tableau 1: Distributio fréquetielle e la vitesse e vets à 10 m sur le site Arar Fréquees es vitesses u vet ( % ) > Ce tableau motre ue part que sur le site Arar, seulemet 12 % es vitesses u vet eregistrées sot iférieures à, vitesse e émarrage e la plupart es éoliees, et autre part que es vitesses exéet que très raremet 1 m, vitesse pour laquelle e type éoliees prouit sa puissae omiale. Ce qui veut ire que les petites éoliees istallées sur e site, à ue hauteur e 10 m, peuvet prouire e l éergie peat 88 % e temps, mais e fotioet que raremet à leur puissae omiale.

4 164 S. Diaf Cepeat pour les graes éoliees qui éessitet pour leur istallatio ue hauteur beauoup plus supérieure à 10 m, les vitesses serot plus graes et es éoliees fotioet beauoup mieux as e larges itervalles e proutio éergie. La représetatio mathématique e la istributio e la vitesse u vet est éfiie gééralemet par la fotio e Weibull qui est u moèle reou e faço géérale par la ommuauté sietifique puisqu'il a émotré e bos résultats. Quat à la représetatio e la istributio e fréquee e la vitesse u vet, elle est érite par l équatio suivate [2]: k1 k k v v f ( ) = exp (1) Où f ( ) est la fotio e esité e probabilité e Weibull, et k sot les paramètres e Weibull appelés respetivemet le paramètre éhelle et le paramètre e forme et est la vitesse u vet. Hammouhe [1] publie l Atlas vet e l Algérie oteat les résultats statistiques e plusieurs statios météorologiques où la istributio e Weibull représete ue boe approximatio e la istributio e la vitesse u vet. La figure présete l histogramme es fréquees e vitesse u vet et la istributio e Weibull pour le site Arar. Fig. : Histogramme et istributio e Weibull es vitesses u vet 2.4 Desité e puissae éoliee La esité e puissae éoliee est gééralemet osiérée omme u bo iiateur u potetiel éolie ispoible. Elle épe e la istributio es fréquees e la vitesse u vet et elle est proportioelle à la moyee u ube e la vitesse u vet,. So expressio est oée par l équatio suivate: 1 ρ 2 Où ρ est la esité e l air supposée. = (2)

5 SMEE 2010: Estimatio e la proutio éoliee életriité 165 Basée sur la fréquee ourree es vitesses apparteat aux ifférets itervalles, la vitesse ubique moyee peut être exprimée omme suit [1,, 4]: ( f ) = i i () i Aussi, elle peut être étermiée à partir es paramètres e Weibull []. = Γ 1 + k ar oséquet, la esité e puissae moyee ispoible peut être exprimée par les équatios suivates: j ( i fi ) 1 = ρ (5) 2 i = 1 Où i est la vitesse méiae u vet u i ième itervalle e vitesse, f i est la fréquee ourrees es vitesses apparteat au i ième itervalle e vitesse (%). j est le ombre itervalles e vitesses. E terme e paramètres e Weibull, elle est exprimée par: 1 = ρ Γ k Où Γ est la fotio gamma. Quat à la puissae éoliee réupérable par l éoliee, elle est iférieure à la puissae ispoible, so maximum théorique est autour e 59 % e la puissae éoliee ispoible. L extrapolatio es paramètres e Weibull u iveau staar (10 m) à u iveau itérêt, tel que la hauteur u moyeu e l éoliee qui permet e étermier la esité e puissae éoliee ispoible à ette hauteur. Les expressios utilisées sot les suivates: [5] k (10) k ( hm ) = l ( hm /10) (7) ( hm ) = (10) ( hm /10) (8) α = l (10) (9) h est la hauteur u moyeu e l éoliee et α est u fateur empirique exprimat les ifluees e la rugosité e la surfae et e la stabilité atmosphérique. E utilisat {eq. (5)}, la esité e puissae éoliee moyee est étermiée après les oées relatives à la istributio e fréquee e la vitesse u vet. De même, e utilisat les paramètres e Weibull, la esité e puissae est étermiée à partir e {eq. (6)}. Le Tableau 2 motre les résultats relatifs à la esité e puissae éoliee moyee pour le site Arar alulée à partir es paramètres e Weibull et es oées es fréquees e vitesse u vet. Les résultats obteus motret que l estimatio e la (4) (6)

6 166 S. Diaf esité e la puissae moyee à partir es paramètres e Weibull oe es valeurs très prohes e elles alulées à partir es oées es fréquees e vitesse. Tableau 2: Desité e puissae éoliee à 10 m u sol (Arar) Desité e puissae (W/m 2 ) Desité e puissae (W/m 2 ) {Eq. (5)} {Eq. (6)} E utilisat les équatios (6-9), la esité e puissae éoliee peut être estimée pour ifféretes hauteurs. Le Tableau présete la esité e puissae moyee alulée à partir es paramètres e Weibull extrapolés à 50 m et elle orrespoat à la hauteur e 10 m u sol pour le site Arar. Tableau : Desité e puissae éoliee ispoible à Arar our eux hauteurs ifféretes Desité e puissae (W/m 2 ) Desité e puissae (W/m 2 ) {10 m} {50 m} L aalyse es résultats motre aussi que: le passage e la hauteur e 10 m à elle e 50 m permet augmeter la esité e puissae ispoible sur site par u oeffiiet e 2 à 2,7 eviro. il existe u potetiel éolie importat as le site Arar pour l exploitatio e e type éergie.. MODELISATION DU GENERATEUR EOLIEN L éergie prouite par ue éoliee épe priipalemet e la istributio es vitesses u vet et e sa ourbe aratéristique puissae-vitesse. La tehologie utilisée et la taille e la mahie sot les eux priipaux paramètres ot épe la aratéristique puissae-vitesse e la mahie. ar oséquet, les moèles e puissae es éoliees qui ot été éveloppés as la littérature reet plus ou mois ompte e la réalité selo la mahie osiérée. Cette setio présete quelques moèles..1 Moèles e la aratéristique puissae vitesse Tous les moèles osièret que la puissae prouite par ue éoliee est ulle as les itervalles e vitesse u vet < et > et elle est maiteue ostate et omiale pour l itervalle < <., et sot respetivemet la vitesse e émarrage, la vitesse orrespoate à la puissae omiale et la vitesse e oupure e la mahie. our l itervalle e vitesses u vet < <, la puissae fourie par l éoliee est fotio e la vitesse u vet et est as et itervalle que es moèles iffèret..1.1 Moèle liéaire Ce moèle est érit par l équatio suivate [6, 7]:

7 SMEE 2010: Estimatio e la proutio éoliee életriité 167 =,ge,ge ge et 0 ( v ) (10),ge est la puissae omiale e l éoliee, est la vitesse u vet à la hauteur u moyeu..1.2 Moèle quaratique Das autres travaux [8, 9], pour l estimatio e la puissae e sortie e l éoliee, les auteurs tieet ompte e plus es paramètres aratéristiques e l éoliee (vitesse e émarrage, vitesse omiale et puissae omiale), es paramètres e la istributio e Weibull aratérisat la istributio e la vitesse u vet. A et effet, la puissae géérée par l éoliee est estimée e utilisat l équatio suivate: =,ge k k k k,ge ge et 0 ( v ) (11) Où k est le paramètre e forme aratérisat la forme e la istributio e fréquee es vitesses. E utilisat la istributio e Rayleigh pour les vitesses u vet aratérisée par u fateur e forme égal à 2, e moèle se trasforme e u moèle quaratique qui peut être érit par l équatio suivate [10]. =,ge ,ge ge et 0 ( v ) (12).1. Moèle ubique D autres moèles ot exprimé la puissae prouite par l éoliee par u polyôme orre trois fotio e la vitesse u vet omme motré i-essous [11, 12]: ( ) =,ge,ge 1 1 ge et 0 B A ( v ) (1) 1 1 A =, 1 B = (14)

8 168 S. Diaf E plus es moèles ités i-essus, la puissae e sortie e l éoliee peut être estimée par l iterpolatio es valeurs es oées fouries par le ostruteur. L iterpolatio liéaire est ertaiemet la méthoe la plus simple, mais l iterpolatio par splies ubiques [1] est souvet la méthoe préférée à l iterpolatio polyomiale ar elle permet avoir es résultats similaires e utilisat es polyômes e egrés iférieurs. La vitesse u vet varie e fotio e la hauteur. Das ette étue, l extrapolatio vertiale e la vitesse u vet est approhée par ue loi e puissae [14]. Les ifférets moèles utilisés pour l estimatio e la puissae e sortie e l éoliee sot appliqués aux oées es trois éoliees (N4/250, N29/600, N54/1000) fouries par les ostruteurs. Les oées aratéristiques tehiques es éoliees sot présetées as le Tableau 4. Tableau 4: Doées tehiques es éoliees Norex Type e l éoliee N29/250 N4/600 N54/1000 uissae omiale, kw itesse émarrage, itesse omiale, ,5 14 itesse oupure, Diamètre rotor, m 29, Hauteur moyeu, m 0, 40, 50 40, 50, 60 50, 60, 70 La figure 4 motre les aratéristiques puissaes-vitesses e es trois éoliees, à partir es oées es ostruteurs, aisi que les résultats e simulatio e es aratéristiques issus es ifférets moèles.

9 SMEE 2010: Estimatio e la proutio éoliee életriité 169 Fig. 4: Courbes e puissaes es éoliees a) Norex N29/250, b)norex N4/600, )Norex N54/1000 Ue omparaiso e es moèles est effetuée sur la base es oeffiiets statistiques: l erreur relative moyee (ERM) et l erreur moyee quaratique relative (EMQR). Ces résultats motret qu il existe auu moèle mathématique qui soit aapté à es trois éoliees. Cepeat, le moèle liéaire quaratique est le mieux aapté pour les eux éoliees N29/600 et N54/1000, quat à l éoliee N4/250, elle s aapte mieux au moèle liéaire. De plus, o ostate que les eux moèles quaratique et ubique sousestimet la puissae (EMQR < 0). Le Tableau 5 résume les valeurs es oeffiiets statistiques e ifférets moèles présetés et ela pour ifférets types éoliees. Tableau 5: aleurs es oeffiiets statistiques e ifférets types éoliees Type éoliee N4/250 N29/600 N54/1000,ge, kw Moèle liéaire ERM EMQR Moèle quaratique ERM EMQR Moèle ubique ERM EMQR ANALYSE DES RESULTATS Afi e étermier l éergie fourie par la ferme éoliee ave ses ifféretes ofiguratios, ous avos étuié l ifluee e eux priipaux paramètres; la hauteur u moyeu et la taille e la mahie utilisée. 4.1 Ifluee e la hauteur u moyeu sur la proutio éergie éoliee Das le but e motrer l ifluee e la hauteur u moyeu e l éoliee sur la proutio éergie, ous avos étermié l éergie fourie par l éoliee pour

10 170 S. Diaf plusieurs hauteurs ifféretes 0, 40, 50 et 60 m. Ces hauteurs présetet les hauteurs u moyeu es éoliees ommeriales présetées as ette étue. L estimatio e l éergie fourie par les ifféretes éoliees est basée sur le moèle e puissae extrapolatio e la vitesse u vet [14]. Les résultats e simulatio relatifs aux trois éoliees osiérées as e travail sot présetés as le Tableau 6. Ces résultats motret qu e passat ue hauteur e 40 m à 50 m, l éergie prouite par l éoliee est augmetée e 6 %. Aisi, le passage ue hauteur e 40 à 60 m permet augmeter l éergie fourie e 11 %. Tableau 6: routio éergie auelle es éoliees ommeriales uissae e routio éergie auelle à ifféretes hauteurs l éoliee, kw 0 m 40 m 50 m 60 m * * * * la hauteur u moyeu pour l éoliee e 600 kw varie e 40 m à 60 m et elle pour l éoliee e 1000 kw varie e 50 m à 70 m 4.2 Ifluee e la taille e l éoliee sur la proutio éergie Ue attetio partiulière est portée sur l ifluee e la taille e l éoliee sur la proutio éergie. E effet, la proutio éergie mesuelle a été estimée pour ue ferme éoliee e 12 MW omposée e 12, 20 et 48 éoliees e puissae omiale respetivemet égale 1000 kw, 600 kw et 250 ave ue hauteur e 50 m. Les résultats sot présetés as La figure 5. Fig. 5: routio éergie ue ferme éoliee e 12 MW ave ifféretes puissaes omiales éoliees (à ue hauteur e 50 m) Cette figure motre ue omparaiso e la proutio éergie mesuelle prouite par ue ferme éoliee e 12 MW omposée es éoliees e ifféretes tailles. L aalyse es résultats motre que la ferme éoliee omposée e 48 mahies e puissae omiale e 250 kw permet e prouire plus éergie omparativemet à elle omposée es mahies e puissae omiale supérieure (600 kw ou 1000 kw).

11 SMEE 2010: Estimatio e la proutio éoliee életriité 171 E effet, ue augmetatio e 14 % e la proutio auelle éergie est ostatée, qua o utilise 48 mahies e 250 kw au lieu e 12 mahies e 1000 kw. 5. CONCLUSION Cet artile présete ue étue relative ue part à l estimatio u potetiel es ressoures éergétiques éoliee sur le site Arar et autre part l estimatio e la proutio auelle éergie ue ferme éoliee. L aalyse es résultats motre que le site Arar ispose u potetiel éergétique éolie importat et qui est plus favorable à l exploitatio e e type éergie pour la proutio életriité. La proutio éergie est iflueée par la hauteur u moyeu e l éoliee. E effet, les résultats motret qu e passat ue hauteur e 40 m à 60 m, l éergie prouite par l éoliee est augmetée e 11 %. Aisi pour la même taille ue ferme éoliee, l utilisatio es mahies e puissae omiale iférieure permet e prouire plus éergie omparativemet à la ferme éoliee omposée e mahies e puissae omiale supérieure. Cela reste à ofroter ave le ritère éoomique. REFERENCES [1] R. Hammouhe, Atlas et e l Algérie, Offie Natioal e la Météorologie, Alger, 1991 [2] I.Y.F. Lu a J.C. Lam, A Stuy of Weibull arameters Usig Log-term Wi Observatio, Reewable Eergy, ol. 20, N 2, pp , [] Ib. Troe, a E. Lutag eterse, Europea Wi Atlas, Risoe Natioal Laboratory, Roskile, Demark. [4] S. Diaf, M. Belhamel, M. Haai, A. Louhe, Assessmet of Wi Resoure i Souther Algeria, Revue es Eergies Reouvelables, ol. 10, N, pp. 21 -, [5] C.G. Justus a A. Mikhail, Height ariatio of Wi Spee a Wi Distributio Statistis, Geophysial Researh Letters, ol., N 5, pp , [6] H. Yag, L. Lu a W. Zhou, A Novel Optimizatio Sizig Moel for Hybri Solar Wi ower Geeratio System, Solar Eergy, ol. 81, N 1, pp , [7] H.X. Yag, L. Lu a J. Burett, Weather Data a robability Aalysis of Hybri hotovoltai - Wi ower Geeratio Systems i Hog Kog, Reewable Eergy, ol. 28, N 11, pp , 200. [8] K.E. Akpiar, S. Akpiar, A Assessmet o Seasoal Aalysis of Wi Eergy Charateristis a Wi Turbie Charateristis, Eergy Coversio a Maagemet, ol. 146, N 11-12, pp , [9] L. Lu, H. Yag a J. Burett, Ivestigatio o Wi ower otetial o Hog Kog Islas- A Aalysis of Wi ower a Wi Turbie Charateristis, Reewable Eergy, ol. 27, N 1, pp. 1-12, [10] R. allabazzer, Evaluatio of Wi Eergy otetiality, Solar Eergy, ol. 55, N 1, pp , 1995.

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