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Modernisation des données de réanalyse pour WEST et impact sur le potentiel éolien analysé: implantation des réanalyses ERA5

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Grenier, David (2021). Modernisation des données de réanalyse pour WEST et impact sur le potentiel éolien analysé: implantation des réanalyses ERA5. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’évaluation des ressources éoliennes est une étape importante pour l’installation d’un parc éolien. Le laboratoire de recherche du Centre Météorologique du Canada (CMC) d’Environnement Canada (EC) a développé un outil de simulation d’énergie éolienne (WEST) pour l’industrie de l’énergie éolienne. WEST est basé sur le modèle à méso-échelle MC2 (Canadian Mesoscale Compressible Community Model), le modèle micro-échelle MSMicro ainsi qu’un module statistique permettant d’obtenir la climatologie du vent régional à plus hautes résolutions. WEST a notamment été appliqué sur la région de la Gaspésie et sur les régions montagneuses du Yukon afin de simuler le vent en terrain complexe. WEST utilise présentement les réanalyses NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction / National Center for Atmospheric Research). Toutefois, les rénalyses NCEP s’avèrent désuètes. Plusieurs auteurs démontrent que les données de réanalyse de l’ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) ERA5 (ECMWF Reanalysis 5th Generation) offrent de très bonnes performances et que sa fine résolution est prometteuse pour le développement de l’énergie éolienne. Toutefois, d’autre recherches ont démontrées certaines déficiences de prédiction sur les vitesses de vent qui peuvent conduire à une sous-estimation de la production d’énergie éolienne, particulièrement dans les régions ayant une topographie complexe.

L’objectif du projet consiste donc à tenter de moderniser le modèle WEST en modifiant la base de données de réanalyse NCEP 2,5° par ERA5 à 0,25° et d’évaluer l’impact sur le potentiel éolien modélisé pour la région de la Gaspésie. La nouvelle base de données est incorporée dans le schéma de classification géostrophique de WEST afin d’améliorer les tables fréquentielles. Ensuite, une analyse statistique est faite sur les résultats obtenus. Les résultats sont comparés aux données d’anémométrie provenant d’une campagne de mesures faite par le Ministère des Ressources naturelles du Québec (MRNQ) et EC. Il est montré que l’incorporation de ERA5 dans le modèle WEST ne donne pas le rendement escompté. Les résultats montrent que ERA5 à 0,25° n’améliore pas les tables fréquentielles, principalement par rapport à la fréquence de la vitesse et à la direction du vent géostrophique (Vg). En fait, cette mauvaise performance rend pratiquement impossible l’utilisation de réanalyse avec la base de données ERA à 0,25° telle qu’elle est. Cela se traduit par une variabilité accrue localement, qui n’est toutefois pas toujours présente selon le domaine analysé. Or, la moyenne du module de Vg (VGM) a permis de montrer qu’il existe une réduction des pressions au niveau de la mer qui cause une anomalie dans le gradient de pression qui lui définit le Vg sous la montagne. Il est donc essentiel d’apporter une correction à l’erreur des Vg amplifiées par le relief et d’utiliser les réanalyses ERA5 sur les niveaux du modèle (ETA) (dataset = "reanalysis-era5-complete", et non dataset = "reanalysis-era5-pressure-levels"). Une évaluation de la distribution spatiale des histogrammes du module |Vg| et des roses des vents Vg a permis de mettre en évidence les directions erronées et les vitesses surestimées de ERA5 à 0,25° et qui disparaissent lors de l’usage avec ERA5 ETA.

WEST demeure un modèle intéressant pour fournir des champs de vent près de la surface. C’est un outil très important dans l’industrie de l’énergie éolienne. Ainsi, en modernisant les données de réanalyse WEST, il est possible d’améliorer grandement la capacité du modèle à simuler les vents dans des zones potentielles pour le développement d’un parc éolien.

Titre traduit

Modernization of WEST reanalysis data and impact on the wind potential analyzed: implementation of ERA5 reanalysis

Résumé traduit

Wind resource assessment is an important step for the installation of wind farms. Environment Canada’s (EC) Meteorological Center of Canada (CMC) research lab has developed a Wind Energy Simulation Toolkit (WEST). WEST include the MC2 (Canadian Mesoscale Compressible Community Model) mesoscale model, the MSMicro microscale model and a statistical module to establish a regional wind climate at higher resolution. WEST has been applied in the Gaspésie region and in the mountainous regions of Yukon to estimate the wind in complex terrain. WEST currently uses NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction / National Center for Atmospheric Research) reanalysis which is outdated. Researchers have shown that ERA5 (ECMWF Reanalysis 5th Generation) reanalysis data from the ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts) have good skills and its high resolution is promising for the development of wind power. However, Other research have demonstrated some lack in wind speed which can lead to an underestimation of wind power production, particularly in regions with complex topography.

Therefore, in this context the objective of the current work aims to modernize WEST by modifying the NCEP 2.5° reanalysis database by ERA5 to 0.25° and to evaluate its impact on the potential wind power in the Gaspésie region. The new database is incorporated into WEST’s geostrophic classification scheme to improve frequency tables. Then, a statistical analysis is made on the results. The results are compared with anemometry data from a measurement campaign carried out by the Ministry of Natural Resources of Quebec (MRNQ) and EC. It is shown that the implementation of ERA5 in WEST does not provide the expected return. The results show that ERA5 at 0.25° does not improve frequency tables, especially for the frequency of geostrophic wind (Vg) speed and direction. In fact, this weak performance makes it virtually impossible to use 0.25° ERA reanalysis as it is. This results in increased local variability, which is however not always present depending on the area analyzed. However, the average of the magnitude of Vg (VGM) made it possible to show that there is a reduction in pressure at sea level, which causes an anomaly in the pressure gradient that defines the Vg under the mountain. It is therefore essential to correct the error of the Vg amplified by the relief and to use the ERA5 reanlaysis on the model levels (ETA) (dataset = "reanalysis-era5-complete" instead of dataset = "reanalysis-era5-pressure-levels"). An assessment of the spatial distribution of the histograms and wind roses revealed the erroneous directions and overestimated speeds of ERA5 at 0.25 ° which disappear when used with ERA5 ETA.

WEST is still an interesting model to provide wind fields close to the surface. This is an important tool in the wind energy industry. Thus, by modernizing the WEST reanalysis data source, we aim at improving the model’s ability to simulate the winds in potential areas for the development of a wind farm.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 93-96).
Mots-clés libres: énergie éolienne, réanalyses, ERA5, NCEP, modernisation, WEST
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Rousse, Daniel
Codirecteur:
Codirecteur
Benoit, Robert
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 25 nov. 2021 19:29
Dernière modification: 25 nov. 2021 19:29
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2801

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