Carte des vents pour la République et Canton du Jura

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1 Prévisions météo Energies renouvelables Air et climat Géo-Informatique Genossenschaft METEOTEST Fabrikstrasse 14, CH-3012 Jura Tél. +41 (0) Fax +41 (0) Berne, le 28 août 2013 Carte des vents pour la République et Canton du Jura Calcul des ressources de vent avec une modélisation CFD ainsi que validation des résultats Mandant: République et Canton du Jura Service de l'aménagement du territoire Raphaël Macchi Urbaniste Moulins Delémont /sb

2 METEOTEST 2 Version Date Document Numéro de projet Rapport final 13_016 Elaboration Nom Date Crée par Dr. Saskia Bourgeois Contrôlé par Dr. Silke Dierer Approuvé par Beat Schaffner Meteotest garantit à ses clients une exécution soignée et dans les règles de l art de son mandat. Toute responsabilité, en particulier pour les dommages causés par le défaut, est exclue dans la mesure permise par la loi.

3 METEOTEST 3 Résumé Les ressources en vent pour le canton du Jura ont été déterminées à l aide du modèle WindSim CFD (computational fluid dynamics). Un modèle de terrain et un modèle de rugosité ont été utilisés comme données de départ pour la modélisation. Le résultat de la modélisation du vent a été pondéré avec des statistiques de vent pluriannuelles provenant de quatre sites du canton du Jura ou d emplacements proches de la frontière. Les sept mesures effectuées au total, qui ont été utilisées en tant que données de départ pour la modélisation et pour la validation, proviennent de projets d énergie éolienne et ont été mises à disposition par les responsables du développement de ces projets pour être utilisées de façon anonyme. Dans la région des Franches- Montagnes, on dispose de nombreuses mesures, alors que dans la région de l Ajoie et autour de Delémont il n y en a que peu. Le résultat de la modélisation des vents se présente sous forme de cartes de la vitesse du vent à 50, 70, 100 et 130 m de hauteur au-dessus du sol pour le canton du Jura. La précision des calculs relatifs aux ressources en vents a été estimée en comparant la vitesse moyenne modélisée du vent avec des mesures. Des mesures indépendantes, propices à la validation, étaient surtout disponibles dans la région des Franches-Montagnes. En comparaison avec la carte suisse des vents, l incertitude (écart-type empirique) de +/-1 m/s a pu être nettement réduite à moins de 0.5 m/s. L écart moyen de 0.29 m/s correspond à un écart relatif d environ 5% (par rapport à la vitesse moyenne du vent au point de mesure). Dans la région de l Ajoie et autour de Delémont, l incertitude est plus grande parce qu on ne dispose que de peu de mesures. La validation montre toutefois que l incertitude a également pu être réduite à moins de 0.5 m/s par rapport à la carte suisse des vents dans la région de l Ajoie. Cela a permis de réaliser, pour le canton du Jura, une carte des ressources en vent qui constitue une bonne base pour l établissement de plans directeurs et de plans d affectation. Un écart de 0.29 m/s est trop élevé pour la réalisation de projets d énergie éolienne concrets. Pour obtenir des prévisions de rendement précises nécessaires au développement d un projet, il est indispensable de réaliser des mesures de grande qualité sur les sites concernés complétées éventuellement par une modélisation locale affinée du vent.

4 METEOTEST 4 Index 1 Introduction Méthode Introduction à la modélisation Limites des zones de modélisation et conditions marginales Modèle de terrain et modèle de rugosité Assemblage des zones emboîtées Mesures de vent Mesures disponibles dans le canton du Jura Choix des mesures pour la modélisation Carte des ressources en vent pour le canton du Jura Validation de la carte des ressources en vent Ressources en vent dans diverses zones de modélisation Comparaison des résultats de la carte des ressources en vent avec les mesures... 15

5 METEOTEST 5 1 Introduction Le Service de l'aménagement du territoire de Canton du Jura est en train d établir un plan sectoriel de l énergie éolienne et a besoin de données les plus précises et les plus fiables possibles sur son territoire dans le domaine des vitesses du vent. Meteotest a été mandaté pour réaliser une carte des vitesses du vent pour le canton du Jura qui soit plus précise que la carte suisse des vents. Jusqu à maintenant, le Jura ne disposait que de la carte suisse des vents, élaborée par Meteotest dans le cadre du "Concept d énergie éolienne pour la Suisse" 1, mise à jour plusieurs fois par la suite et publiée sur le site "wind-data" 2. La version actuelle date de mars Cette carte des vents est basée sur un modèle statistique qui interpole les valeurs de plus de 100 mesures de vent en Suisse en prenant en compte une correction de l altitude ainsi que des adaptations liées aux formes de terrain comme les crêtes, les mamelons et les plaines. Le résultat présente une incertitude (écart-type) de ±1 m/s. Afin d obtenir une carte plus précise pour le canton du Jura, Meteotest a calculé les conditions de vent sur le territoire cantonal au moyen du modèle WindSim. Le modèle WindSim CFD (computational fluid dynamics) est un modèle physique d écoulement, qui combine les champs de vent calculés avec des climatologies de vent basées sur des mesures, ce qui permet d obtenir une plus grande précision qu avec un procédé purement statistique. Meteotest a été chargé d élaborer des cartes de la vitesse moyenne du vent pour des hauteurs au-dessus du sol de 50, 70, 100 et 130 m avec une résolution horizontale de 100 m pour le canton du Jura. Des mesures de vent effectuées dans le canton du Jura en rapport avec des projets d énergie éoliennes et mises à disposition par les responsables du développement des projets ont été utilisées comme données de départ. Les développeurs ont été assurés que les données seraient utilisées de manière anonyme, si bien que ni les sites, ni les hauteurs, ni les vitesses mesurées ne sont mentionnés. Dans la partie sud-ouest du canton du Jura, c est-à-dire dans les Franches-Montagnes, il y a nettement plus de mesures de vent disponibles en tant que données de départ pour la modélisation que dans l Ajoie ou le bassin de Delémont dans le nord et dans l est. Le présent rapport contient la méthodologie (chapitre 2), les mesures de vent disponibles (chapitre 1) ainsi que les ressources en vent calculées (chapitre 4). Une validation sur la base de mesures effectuées dans le canton du Jura permet d estimer la précision des résultats de la modélisation (chapitre 5)

6 METEOTEST 6 2 Méthode 2.1 Introduction à la modélisation La modélisation des conditions d écoulement en terrain complexe est une opération délicate. On ne peut obtenir des résultats réalistes qu en tenant compte de phénomènes d écoulement tridimensionnels non linéaires, comme par exemple des retours de flux ou la formation de tourbillons. La description mathématique de l écoulement en terrain complexe est basée sur des équations différentielles non linéaires. Les équations doivent être simplifiées pour être résolues. Quelques modèles (p. ex. le modèle WAsP utilisé couramment) réduisent les équations à un système linéaire d équations. Si celui-ci est facile à résoudre, il ne tient pas compte d importants effets d écoulement, si bien que ces modèles ne conviennent pas en terrain complexe. Les modèles CFD (computational fluid dynamics), qui se basent sur des éléments non linéaires pour la description des conditions d écoulement, offrent une alternative. Dans ces modèles, les équations sont résolues de façon itérative, c est-à-dire par une succession de calculs de plus en plus précis. Les modèles CFD nécessitent donc un long travail de calcul mais ils permettent d obtenir une description relativement fidèle des conditions d écoulement en terrain complexe. Meteotest utilise depuis 2003 le logiciel WindSim basé sur une modélisation CFD, qui a été développé pour déterminer les ressources régionales en vent ainsi que les sources d énergie de parcs éoliens. Meteotest a utilisé WindSim avec succès pour de nombreux projets dans une orographie simple et complexe (p.ex. dans les Alpes). Depuis 2007, Meteotest participe en outre régulièrement aux réunions d utilisateurs de WindSim, afin d être constamment ou courant des dernières évolutions en matière de modélisation. La modélisation avec WindSim consiste à calculer les champs de vent sur l ensemble de la zone de modélisation pour douze différentes directions de provenance du vent (secteurs de 30 ). La modélisation est réalisée en deux étapes. Tout d abord, les calculs sont effectués sur une grande zone de modélisation avec une grille à gros maillage (zone de base). Le résultat est ensuite utilisé comme condition initiale et marginale pour une plus petite zone de modélisation avec un maillage plus fin permettant une représentation plus précise des conditions d écoulement. Les calculs effectués pour les champs de vent sont alors pondérés avec les statistiques pluriannuelles de vent mentionnées au chapitre 3. On obtient ainsi pour chaque point de la grille de modélisation une statistique pluriannuelle des vents, sur la base de laquelle on peut calculer une prévision de rendement. 2.2 Limites des zones de modélisation et conditions marginales Les ressources en vent ont été calculées pour le canton du Jura. Le territoire couvert par la modélisation mesure environ 85 km x 70 km. En raison de restrictions

7 METEOTEST 7 sur le plan technique, un calcul avec WindSim ne peut être effectué que sur une extension horizontale maximale d env. 160'000 cellules de grille. Avec une résolution horizontale de 100 m x 100 m pour la carte des vents, cela correspond à une zone de modélisation d environ km 2. Comme le canton du Jura est plus grand, la modélisation du territoire cantonal doit être réalisée en plusieurs zones plus petites. Les différentes zones de modélisation sont simulées séparément et réunies par la suite en une carte globale. Elles sont établies de manière à ce qu au moins une mesure de vent adéquate soit disponible dans chaque zone pour servir de base au calcul des ressources en vent. Trois zones de modélisation d une surface d environ 1'500 km 2 et avec un maillage de 100 m ont été déterminées pour couvrir tout le territoire du canton du Jura. La zone de base de la modélisation ainsi que les trois zones emboîtées sont présentées dans le Table 1 et la Figure 1. La grille de modélisation suit le terrain en direction verticale. La résolution verticale diminue avec l augmentation de la hauteur au-dessus du sol. Table 2 montre la hauteur approximative au-dessus du sol des cinq premiers niveaux de modélisation dans les zones emboîtées. Dans la zone de base, on admet, à la limite du modèle, un profil vertical logarithmique de la vitesse du vent jusqu à 500 m au-dessus du sol et plus haut, une vitesse du vent de 10 m/s. Les résultats de la zone de base servent de conditions marginales pour les zones emboîtées. Table 1 : Extension et résolution de la zone de base et des zones emboîtées (coordonnées: coordonnées nationales suisses LV03). Zone xmin xmax ymin ymax extension [km] résolution horizontale [m] zone de base ' ' x zone emboîtée 1 550' ' ' ' x zone emboîtée 2 553' ' ' ' x zone emboîtée 3 575' ' ' ' x

8 METEOTEST 8 Figure 1 : Table 2 : Zones emboîtées (source carte d arrière-plan : Office fédéral de topographie). Hauteur approximative des cinq premiers niveaux de modélisation dans les zones emboîtées. Niveaux de modélisation verticale Hauteur au-dessus du sol [m]

9 METEOTEST Modèle de terrain et modèle de rugosité En guise de données d entrée pour la modélisation, un modèle de terrain avec une résolution horizontale de 400 m, resp. 100 m est réalisé pour la zone de base et les zones emboîtées (voir Table 1). Le modèle numérique de terrain DHM25 de swisstopo avec une résolution de 25 m x 25 m fournit les informations relatives à l altitude (source: DHM25, Office fédéral de topographie). Les modèles d altitude ont été vérifiés en comparant leurs courbes de niveau à celles des cartes de l Office fédéral de topographie. Un modèle de rugosité avec une résolution horizontale de 400 m resp. 100 m a été généré à partir de la base de données "Statistique de la superficie de la Suisse" (source: Statistique de la superficie 1992/97, OFS GEOSTAT). Les classes d utilisation des sols ont été converties en longueurs de rugosité sur la base des données figurant dans TA Luft 3. Le modèle de rugosité a été vérifié en comparant les longueurs de rugosité avec l utilisation des sols sur les cartes de l Office fédéral de topographie. 2.4 Assemblage des zones emboîtées Selon la méthode décrite dans l alinéa 2.1, les ressources en vent sont calculées pour chaque zone emboîtée. Les résultats sont reportés sur une carte en interpolant la vitesse moyenne du vent dans les secteurs de transition. L interpolation est inversement proportionnelle à la distance jusqu à la limite de la zone de modélisation. Les résultats à la limite de la zone de modélisation ont une pondération nulle et ne sont donc pas pris en compte dans l interpolation. Ce mode d interpolation tient compte du fait que les résultats obtenus au bord des zones sont en partie influencés par des valeurs marginales et sont donc moins précis. 3 Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft, 2002, S. 200

10 METEOTEST 10 3 Mesures de vent 3.1 Mesures disponibles dans le canton du Jura Des mesures accessibles au public (p.ex. SwissMetNet 4 ) ou des mesures réalisées pour des projets éoliens ont été utilisées comme données d entrée pour la modélisation et la validation. Sept séries de mesures sont disponibles pour la région modélisée (canton du Jura et région proche de la frontière). Il s agit de cinq mesures effectuées avec un mât, une mesure avec un SODAR et une mesure avec un LIDAR. La grande majorité des mesures au mât a été réalisée sur une durée d au moins une année à une hauteur d au moins 50 m au-dessus du sol. Les mesures au mât ont été complétées en partie par des mesures SODAR ou LIDAR. Des statistiques de vent pluriannuelles ou des statistiques de vent pluriannuelles lissées sont disponibles pour les différents sites. La densité spatiale des mesures est très variable. Dans la région des Franches-Montagnes, on dispose de nombreuses mesures alors que dans l Ajoie et le bassin de Delémont, il y en a beaucoup moins (voir Table 3). Les mesures provenant des projets d énergie éolienne ont été aimablement mises à disposition par les responsables du développement des projets. Une utilisation anonyme a été garantie pour toutes les données, ce qui signifie que ni la situation, ni l altitude, ni les vitesses moyennes de vent mesurées ne sont précisées dans ce rapport. On y indique seulement combien de mesures provenant de projets d énergie éolienne étaient disponibles dans une zone de modélisation. Seules les différences absolues entre les vitesses du vent calculées et mesurées sont indiquées pour la validation. Le nombre des mesures disponibles par zone de modélisation figure dans le Table 3. Table 3 : Nombre des statistiques de vent pluriannuelles ou pluriannuelles lissées disponibles dans les zones de modélisation. Zone de modélisation Nombre de mesures disponibles zone emboîtée 1 7 zone emboîtée 2 7 zone emboîtée Choix des mesures pour la modélisation Table 3 montre qu on dispose d au moins deux mesures dans toutes les zones emboîtées. Cela représente une bonne couverture. La qualité des statistiques pluriannuelles de vent a une influence déterminante sur le calcul des ressources en vent. 4

11 METEOTEST 11 C est pourquoi il s agit de déterminer, dans un premier temps, si toutes les mesures peuvent être utilisées. Pour obtenir des statistiques de vent pluriannuelles fiables, il faut disposer d une série de mesures d au moins 12 mois sur un site ainsi que d une série complète de données d une station météorologique permanente sur une durée d au moins 10 ans, qui présente une bonne corrélation avec les mesures effectuées au mât. Si la durée de la mesure est de moins d une année, il n est pas certain que la variation annuelle de la vitesse du vent sur le site de mesure soit pareille à celle mesurée par une station météorologique permanente, même si on a une bonne corrélation. Dans ce cas, l incertitude relative à la comparaison pluriannuelle et par conséquent à la comparaison pluriannuelle des statistiques de vent sera élevée. Les mesures SODAR et LIDAR disponibles ont été effectuées sur une durée nettement inférieure à une année, et leur comparaison pluriannuelle présente donc une incertitude. Comme d autres mesures ont été effectuées dans la région des mesures SODAR et LIDAR, ces dernières ne seront pas utilisées pour les calculs, mais seulement prises en compte lors de la validation. Les mesures effectuées au mât pour les projets d énergie éolienne sont de bonne qualité et peuvent donc servir de données d entrée. Une mesure au mât a été utilisée pour la validation. Le nombre de statistiques de vent utilisées dans les zones emboîtées pour les calculs ou la validation figure dans le Table 4. Si plusieurs statistiques de vent sont utilisées pour calculer les ressources en vent dans une zone emboîtée, leur influence diminue plus l éloignement avec le site de mesure est grand. Table 4 : Nombre des statistiques de vent pluriannuelles ou pluriannuelles lissées qui ont été utilisées pour la pondération des champs de vent resp. pour la validation dans les zones emboîtées. Zone de modélisation Nombre des statistiques de vent pour la pondération des champs de vent Nombre des statistiques de vent pour la validation zone emboîtée zone emboîtée zone emboîtée 3 1 1

12 METEOTEST 4 12 Carte des ressources en vent pour le canton du Jura Figure 2 jusqu à Figure 5 montrent la carte des ressources de vent pour les hauteurs de 50, 70, 100 et 130 m au-dessus du sol. La vitesse du vent dans la partie de chevauchement entre les zones de modélisation a été interpolée selon la méthode décrite dans l alinéa 2.4. Figure 2 : Vitesse moyenne du vent à 50 m au-dessus du sol (source carte d arrière-plan: Office fédéral de topographie). Figure 3 : Vitesse moyenne du vent à 70 m au-dessus du sol (source carte d arrière-plan: Office fédéral de topographie).

13 METEOTEST 13 Figure 4 : Vitesse moyenne du vent à 100 m au-dessus du sol (source carte d arrière-plan: Office fédéral de topographie). Figure 5 : Vitesse moyenne du vent à 130 m au-dessus du sol (source carte d arrière-plan: Office fédéral de topographie).

14 METEOTEST 14 5 Validation de la carte des ressources en vent 5.1 Ressources en vent dans diverses zones de modélisation Les ressources en vent ont été calculées pour les hauteurs de 50, 70, 100 et 130 m au-dessus du sol dans plusieurs zones emboîtées. Cela signifie que les ressources en vent calculées sont basées sur divers champs de vent et en partie sur des statistiques de vent pluriannuelles variées. Si les ressources en vent calculées affichent une bonne correspondance dans diverses zones emboîtées malgré des bases différentes, cela augmente la fiabilité des résultats. Dans la Figure 6, on trouve par exemple la carte de la vitesse moyenne du vent à 100 m au-dessus du sol. Les résultats des différentes zones emboîtées sont présentés sans interpolation. Les passages entre les zones de modélisation sont très homogènes. En ce qui concerne la vitesse du vent, on ne constate en général que de très faibles différences aux limites des zones emboîtées. Les écarts sont un peu plus nets au passage entre la zone 2 et la zone 3. Les variations dans la partie de chevauchement des zones de modélisation se situent en moyenne à 0.25 m/s. En comparant les ressources en vent calculées et les statistiques de vent pluriannuelles utilisées pour la pondération, on obtient une fluctuation de moins de 2% de la vitesse moyenne du vent. Ce test confirme que les statistiques de vent sont bien répercutées dans les ressources en vent calculées. Figure 6 : Carte des ressources en vent à 100 m au-dessus du sol (source carte d arrière-plan: Office fédéral de topographie). Les ressources en vent des diverses zones emboîtées sont présentées sans interpolation dans les parties de chevauchement.

15 METEOTEST Comparaison des résultats de la carte des ressources en vent avec les mesures Quatre des séries de mesures disponibles ont été utilisées pour le calcul des ressources en vent. Trois séries de mesures étaient disponibles pour une validation indépendante des ressources en vent. Les mesures disponibles permettent la validation des ressources en vent simulées dans les trois zones emboîtées. Pour la zone emboîtée 3, on disposait aussi de la climatologie pour le calcul ainsi que pour la validation dans la partie sud-ouest de la zone. Table 5 montre la comparaison entre la vitesse moyenne du vent des statistiques pluriannuelles et les ressources en vent calculées pour les zones emboîtées dans lesquelles les statistiques de vent ont été établies. La comparaison de la vitesse moyenne du vent dans la carte des ressources en vent avec les statistiques de vent pluriannuelles montre une bonne concordance. Les écarts se situent entre 0.23 et 0.32 m/s. L écart moyen est de 0.29 m/s. L écart moyen relatif par rapport à la vitesse moyenne sur le site de mesure est de 5.5% au maximum. Les nombre de mesures est trop petit pour calculer un écart-type empirique. Tous les écarts se situent toutefois en-dessous de l incertitude de la carte suisse des vents, qui se monte à 1 m/s. Les écarts se situent dans une fourchette prévisible dans le cadre d une modélisation CFD avec un maillage de 100 m, un certain éloignement du site de référence et une climatologie pluriannuelle dans la zone de modélisation. Table 5 : Ecart absolu de la vitesse moyenne du vent entre les statistiques de vent pluriannuelles et les ressources en vent calculées. Mesure Zone de modélisation Ecart absolu de la vitesse du vent Ecart relatif de la vitesse du vent 1 zone emboîtée 1,2 et m/s 3.7% 2 zone emboîtée 1 et m/s 5.5% 3 zone emboîtée 1 et m/s 5.4% Les écarts plus importants (0.31 et 0.32 m/s), qui apparaissent dans les zones emboîtées 1 et 2 en comparaison avec les statistiques de vent, sont liés aux mesures SODAR et LIDAR. Comme mentionné dans l alinéa 3.2, l incertitude liée aux mesures SODAR ou LIDAR avec un lissage pluriannuel crée une incertitude correspondante au niveau des résultats de la validation. Les résultats dans la région de l Ajoie et dans la région autour de Delémont présentent une plus grande incertitude parce qu on disposait d un moins grand nombre de mesures pour calculer les ressources en vent. Sitôt que de nouvelles mesures seront disponibles, elles pourront servir à valider ou améliorer la modélisation par une pondération des champs de vent avec les nouvelles données.