Hydrolienne hivernale : contraintes et pistes de développement

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1 Session 3: The Quebec Opportunity Hydrolienne hivernale : contraintes et pistes de développement Yves Choquette (IREQ) Isabelle Thériault, (HQ Équipement) Brian Morse, (Université Laval) Photo: Wieter Boone Marine Renewables Canada 2015 Annual Conference Canada in an emerging world industry Fairmont The Queen Elizabeth Hotel, Montréal (Québec) 4 Novembre Hydro-Québec; Université Laval

2 Contenu de la présentation Opération d hydroliennes en périodes hivernales Contexte: Contraintes anticipées Moyens permettant de minimiser l impact du frasil Détection de la présence de frasil Caractérisation et classification de sites potentiels Utilisation de modèles hydrodynamiques Modèles 1D (Isabelle) Modèles 2D-3D (Brian) Conclusions et récapitulatif 2 Hydro-Québec; Université Laval

3 Contraintes anticipées en période hivernale: Le frasil et la glace Sites nordiques caractérisés par: de fortes vitesses d écoulement propice aux échanges thermiques (eau-air): Forte probabilité de présence d eau «sur-froidie» générant : du frasil qui pourra se transformer en glace de fond, glace de surface, couvert de glace o générant des blocs de glace lors de débâcles o entrainant des débris issus de l arrachement des glaces Milieux salins (estuaires) : l instabilité dans la formation du frasil de la corrosion des turbines 3 Hydro-Québec; Université Laval Frasil en suspension dans la colonne d eau; Selon McFarlane, Loewen et Hicks. 2015

4 Comment minimiser l impact du frasil et de la glace sur les turbines si les performances en sont affectées? Approches incrémentales et déjà disponibles: Systèmes de réchauffement et/ou de recouvrement de structures (puissance de chauffage - rendement) Stratégies d opération, etc. Approches innovantes et radicales (+ long terme) En comprenant l interaction du frasil avec les structures statiques et dynamiques des turbines En utilisant des modèles numériques en dynamique des fluides (CFD) En validant ces modèles à l aide de mesures Développement de revêtements/matériaux durables anti-frasil ou «frasilophobe» 4 Hydro-Québec; Université Laval

5 Comment pouvons-nous détecter le frasil? «Où est l ennemi?» Mesures in-situ: Acoustique, caméras,.. Mesures ex-situ: Observations satellitaires, caméras,. Coût, perte de matériel, disponibilité des images sont parmi les difficultés et risques de ces approches L utilisation de modèles permet: de réduire ces difficultés et ces risques Une caractérisation territoriale plus étendue Daly (2008) Une classification plus orientée des sites potentiels d intérêt (ex. estimation des valeurs de vitesse). 5 Hydro-Québec; Université Laval

6 Caractérisation et classification de sites potentiels En utilisant, adaptant, développant et validant des outils basés Sur la modélisation hydrodynamique Supportée par des modèles hydrologiques si nécessaire Modèles ayant différents niveaux de complexité afin de: Modéliser les rivières (écoulement à 1D) et établir les intrants (conditions limites) des modèles 2D et 3D Modéliser les marées (écoulement à 2D ou 3D) Modèles qui sont alimentés d intrants (mesures) et principalement: Température de l eau et de l air Débit (vitesse d eau), profondeur (bathymétrie) Salinité (module la génération de frasil, plus de corrosion) 6 Hydro-Québec; Université Laval

7 Modélisation des glaces avec modèle 1D Isabelle Thériault, Ing Prédire en fonction des conditions climatiques: la température de l eau et le sur-refroidissement (T< 0 C) la formation de frasil et la densité Formation de glace de fond L étendue de la couverture de glaces Les dates de formation et de départ des glaces Les rehaussements de niveau d eau attendus Vitesse moyenne de l écoulement sur une section donnée Rivières 7 Hydro-Québec; Université Laval

8 Intrants de modélisation Bathymétrie: Sections transversales perpendiculaires au sens d écoulement, relevées sur plusieurs kilomètres Débits de la rivière Températures de l air Températures de l eau (si affectées par un ouvrage hydraulique) Albédo (portion de l énergie solaire réfléchie) Nature des matériaux constituant le lit de la rivière 8 Hydro-Québec; Université Laval

9 Modélisation Simule la formation de glace dans un tronçon de rivière pendant tout un hiver À chaque point et en tout temps: bilan des échanges thermiques entre l eau et l air, la glace fixe et la glace en mouvement. Inclus: Sur-refroidissement et production de frasil lorsque la température 0 C Émergence du frasil et production d assiettes Progression de la glace de rive par superposition des assiettes Transport du frasil sous la glace et formation de barrages suspendus Progression de la glace de rive Variation de la couverture de glace statique Ouverture dans la glace due aux vitesses en présence d eau chaude 9 Hydro-Québec; Université Laval

10 Modélisation calcul du sur-refroidissement 10 Hydro-Québec; Université Laval

11 Formation de frasil, émergence des grains, accumulation en assiettes et évolution de la glace de rive 11 Hydro-Québec; Université Laval

12 Progression du bord frontal par juxtaposition 12 Hydro-Québec; Université Laval

13 Glace de fond 13 Hydro-Québec; Université Laval

14 Validation de la formation de la couverture de glace avec survol photographique Validation de l étendue et des dates de formation: rivière Romaine hiver PK 33 PK Hydro-Québec; Université Laval

15 Validation du départ des glaces avec survol photographique Comparaison de l étendue de la couverture de glace printemps 2010 sur la rivière Romaine Couvert de glace en amont de la chute et à l'eau libre en aval 15 Hydro-Québec; Université Laval

16 Validation avec images satellites Position du bord frontal au PK 20,1 et couverture complète en aval 16 Hydro-Québec; Université Laval

17 Limite des modèles 1D Modèle considère que la vitesse le long d une section transversale varie en fonction de la profondeur. La progression de glace de rive et érosion thermique au printemps est très sensible à la vitesse locale. Les imprécisions peuvent entraîner des écarts localement avec la réalité. Les zones de forte densité de frasil, d accumulation de glace de fond peuvent varier latéralement. Malgré certaines limites, le modèle 1D est un bon indicateur des phénomènes qui gouvernent la dynamique des glaces durant l hiver et de son évolution. Le modèle 1D est requis avant l application 2D-3D car fournit les conditions à la limite amont. 17 Hydro-Québec; Université Laval

18 I La présence de glace et de frasil dans les estuaires Modèles 2D/3D Brian Morse, Ing. L hydrodynamique de chaque estuaire est unique: c est un jeu de marées, de vagues et de débit fluvial Climat Sediment & Wind Glace

19 Exemple de la simulation de niveaux et vitesses dans l estuaire Koksoak :00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00: Vitesses Niveau d'eau

20 L évolution et la métamorphose du frasil en considérant l effet de la salinité Selon Daly (2008) 20

21 Exemple: l Estuaire Portneuf

22 Relation entre la salinité de l eau et sa température dans l estuaire de Portneuf Eau chaude = Fonte Eau en équilibre (point de fusion) Eau en surfusion = Frazil 22

23 Changements de la température de l eau en fonction du temps et la profondeur

24 Concentration du frasil en fonction du temps et la profondeur Temps (total = 24 heures) 24 Selon Richard et Morse

25 Vitesse de l eau en fonction du temps et de la profondeur: l estuaire Portneuf Marée flot Marée jusant Marée flot Channel bottom 25 Selon Morse et al.

26 Intrusion du front salin dans l estuaire de Portneuf: Température et Salinité Arrivée du front salin au pont 5 profondeur locale (m) Niveau de la glace Niveau d'eau :00 10:30 11:00 11:30 heure, 21 février 2001 Niveau du fond Selon Morse et al. 26

27 Relation entre la température et la profondeur Température de l eau de l'eau dans durant l estuaire une marée de Portneuf montante 0 13h20 Température de l'eau (C) -0,2-0,4-0,6-0,8-1 01h00 06h00-1,2-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Niveau d'eau (m) 27

28 Conclusions Le frasil et la glace de fond peuvent nuire au bon fonctionnement des infrastructures marines. Les estuaires présentent une grande variabilité spatiale et temporelle du débit, marée, vent, vagues, géomorphologie ainsi que la température, salinité et processus sédimentaires. Les formations glaciales (ex., frasil et glace de fond) sont à la fois le résultat de cette dynamique et à la fois un élément dominant qui change les dynamiques. La modélisation hydrodynamique et cryologique (glaciale) peut simuler les interactions et nous aide à comprendre et quantifier les processus afin de cibler et résoudre (si possible) les problématiques.

29 Récapitulatif Besoin d outils permettant de caractériser des sites potentiels d assise d hydroliennes exploitées dans des conditions hivernales. Outils fortement orientés vers la modélisation afin de couvrir un territoire d envergure et de pouvoir classifier ces sites. Outils adaptables peu importe la technologie de turbines. 29 Hydro-Québec; Université Laval