L’énergie éolienne et les climats froids

L’exploitation des éoliennes dans un climat froid comme celui du Canada entraîne des défis qui ne se posent pas dans les endroits où le climat est plus clément. Par exemple :

  • l’accumulation de givre sur les pales des éoliennes entraîne une diminution de la production électrique et une augmentation de la charge sur les rotors;
  • les arrêts par temps froid pour prévenir les pannes d’équipement;
  • l’accès restreint ou réduit pour les activités d’entretien.

Selon des mesures prises sur le terrain, le givrage peut survenir jusqu’à 20 p. 100 du temps entre les mois de novembre et d’avril. Les éoliennes doivent donc pouvoir résister au moins à un givrage limité sans subir de dommages qui les empêcheraient de fonctionner normalement.

Les fabricants d’éoliennes reconnaissent de plus en plus l’incidence du climat froid sur le fonctionnement des éoliennes et créent des turbines mieux adaptées aux conditions hivernales. Avec l’installation d’ensembles pour climat froid, qui réchauffent les composants des éoliennes tels que le multiplicateur de vitesse, les moteurs d’orientation et de tangage et la batterie, certaines éoliennes peuvent fonctionner à des températures sous les -30 0C.

Divers types de mécanismes de dégivrage et d’antigivrage des pales de rotor, tels que des revêtements chauffants et résistants à l’eau, et des stratégies opérationnelles sont employés afin de limiter l’accumulation de givre.

Toutefois, on ne connaît pas encore les solutions en climat froid qui donneront le meilleur rendement tout en demeurant rentables; il s’agit donc d’un domaine de recherche actif. Puisque la fréquence et l’ampleur du givrage, ainsi que le type varient considérablement selon la région, les méthodes d’atténuation doivent être adaptées aux conditions locales. En outre, il se peut que les éoliennes des différents fabricants soient plus ou moins appropriées à certaines solutions. L’amélioration de l’exactitude des détecteurs de givre et des systèmes de prévisions est un autre moyen de réduire au minimum les pertes attribuables au climat froid.

Le programme de recherche sur le climat froid de CanmetÉNERGIE Ottawa (CEO) a pour but d’analyser l’incidence de l’exploitation en climat froid sur la production d’énergie éolienne au Canada et d’appuyer l’élaboration de solutions ciblées en vue d’améliorer le rendement en climat froid. 

Givrage sur le bord d’attaque d’une pale d’éolienne dans une soufflerie de givrage. Source : Université du Manitoba.

 

Détection de givre et prévision

Le givrage atmosphérique est une importante préoccupation pour les parcs éoliens exploités en climat froid. Il touche l’installation, le fonctionnement et l’entretien et influe négativement sur la production d’énergie et la rentabilité. S’ils sont en mesure de prévoir le type, l’intensité et la durée des épisodes de givre avec exactitude, les exploitants de parc éolien pourront optimiser leur stratégie opérationnelle, prévoir les pertes de production et investir dans des technologies d’atténuation du givre appropriées. À cette fin, CEO a engagé le TechnoCentre éolien (TCE) par contrat relativement au développement et à la validation du modèle de prévision du givre météorologique GEM-LAM-Jones-Makkonen (GLJM) dans les parcs éoliens du Canada. Ce modèle découle du jumelage du modèle de prévision météorologique GEM-LAM élaboré par Environnement Canada, auquel le public a accès gratuitement, et de modèles conçus par Jones et Makkonen pour prévoir le givrage. Un rapport sommaire intitulé « Développement et validation d’un modèle de prévision du givre pour les parcs éoliens » est accessible sur la page Web du TechnoCentre éolien.

La validation avait pour objectif d’évaluer la capacité du modèle GLJM à prévoir les épisodes de givre dans les parcs éoliens et les pertes de production qui y sont rattachées. Des données météorologiques jumelées à des observations in situ et le modèle de prévision du givre Weather Research & Forecasting (WRF) ont servi de base de comparaison pour la réalisation de cette étude. Les données météorologiques recueillies au cours des hivers 2013-2014 et 2014-2015 ont été utilisées pour répertorier et caractériser les épisodes de givre afin d’évaluer les pertes de production subies par les éoliennes visées par l’étude. Ces épisodes ont ensuite été modélisés à l’aide du modèle GLJM et les pertes de production associées aux prévisions de givre ont été calculées. Enfin, le rendement du modèle GLJM a été comparé à celui du modèle Weather Research & Forecasting (WRF), qui est couramment utilisé dans l’industrie. Bien que le modèle GLJM ait été créé dans le contexte de ce projet, son rendement s’est avéré être similaire à celui du modèle WRF. En conséquence, le TCE a recommandé l’élaboration plus poussée du modèle pour qu’il puisse être utilisé dans un contexte opérationnel.

Le TCE participe également à l’élaboration d’un modèle de prévision des pertes de production causées par le givre, dans le cadre d’un vaste projet de recherche sur un modèle de prévision de pointe dans les centrales éoliennes. Ces travaux sont dirigés par l’Université du Nouveau-Brunswick, en vertu d’un contrat avec CEO, et en collaboration avec le TCE et l’Institut de l’énergie éolienne du Canada (IEEC). Un résultat capital de ces travaux est la création d’une fonction de transfert liée à l’accumulation de givre sur un tube de référence fixe aux pertes de production d’une éolienne qui en découlent, pour quatre catégories distinctes de givre.

Observations du givrage au Site nordique expérimental en éolien CORUS, à Rivière-au-Renard, au Québec. À gauche : givrage observé le 18 décembre 2014. À gauche : verglas observé le 3 mai 2015. Source : TechnoCentre éolien.

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Analyse du fonctionnement en climat froid

Bien que les épisodes de givre extrême dans des parcs éoliens en particulier puissent faire les gros titres, l’un des aspects qui n’est pas d’emblée manifeste est l’incidence globale du climat froid sur la production énergétique dans les parcs éoliens du Canada. Il est nécessaire de mieux comprendre l’ampleur du problème afin d’orienter de manière stratégique les travaux de recherche et de développement vers l’atténuation de ces pertes.

Voilà le fondement de l’évaluation de l’incidence du climat froid sur le rendement des centrales éoliennes par CEO. Pour réaliser cette étude, CEO a analysé les données sur la production de 23 parcs éoliens situés dans huit provinces du Canada avec l’objectif de quantifier la mesure dans laquelle l’exploitation en climat froid touche la production d’énergie éolienne au Canada.  Au cours de la période d’étude de six ans (de mai 2010 à avril 2016), le facteur de pertes moyen pour la période estivale de mai à octobre a été estimé à 4,2 %, comparativement à 8,1 % pour la période hivernale de novembre à avril; le facteur de pertes moyen en climat froid a donc été établi à 3,9 %. Dans le cas des parcs éoliens individuels, le facteur de pertes moyen en climat froid pour la période de 2010 à 2016 varie de -6 % (les pertes sont plus élevées l’été que l’hiver) à 16 %. Les pertes en climat froid ont été estimées à 959 GWh dans l’ensemble du pays chaque année, ce qui représente une perte de recettes annuelle de 113 millions de dollars. Compte tenu du niveau de détail des données mensuelles sur la production, les pertes de sources autres que les conditions météorologiques, telles que l’entretien, les pannes et la réduction de la consommation, n’ont pas pu être dégagées. Une recherche plus approfondie contribuera à classifier et à quantifier avec exactitude les pertes qui sont directement attribuables aux conditions météorologiques hivernales.