Modélisation de la vitesse du vent et calcul du potentiel éolien du
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54 e La M é t é o r o l o g i e 8 série - n ° 5 - m a r s 1994 CLIMATOLOGIE MODÉLISATION DE L A VITESSE DU VENT ET C A L C U L DU POTENTIEL ÉOLIEN DU MAROC ORIENTAL Le cas d'Oujda-Angad A. Sbai, A. Mouhdi, N. A d o u k et F. Paul Université des sciences et technologies de Lille I Laboratoire de climatologie et d'hydrologie 59655 Villeneuve d'Ascq Cedex RÉSUMÉ Nous présentons ici les résultats d'une étude sur les régimes des vents et le potentiel éolien au Maroc oriental. Ce travail est basé sur les observations météorologiques journalières de la station d'Oujda-Angad pour la période 19741989, ainsi que sur des observations triquotidiennes plus anciennes de cette station. La vitesse moyenne annuelle du vent à 10 m varie de 3,6 à 5,8 m/s tandis que le potentiel éolien, estimé par la loi de Weibull, varie de 57 à 244 W/m . 2 ABSTRACT This paper présents the results of a study dealing with the wind régime and the potential of the wind resource of eastern Morocco for power génération. It is based on the daily observations of thesynoptic station of Oujda-Angad. The mean wind speed at 10 m varied between 3.6 and5.8 m/s and the potential of the wind resource, estimated by WeibulPs distribution, varied from 57 to 244 W/m . 2 INTRODUCTION D a n s cet article, n o u s p r é s e n t o n s les résultats d ' u n travail effectué sur le r é g i m e des vents et le potentiel éolien du M a r o c oriental à partir des d o n n é e s de la station m é t é o r o l o g i q u e d ' O u j d a - A n g a d (fig. 1). L e s o b s e r v a t i o n s de vent sont effectuées à 6, 12 et 18 h U T C à 10 m au-dessus du sol. L e s principales caractéristiques étudiées sont la vitesse m o y e n n e du vent, la distribution statistique du vent et les variations temporelles de la vitesse du vent. Le potentiel éolien est estimé à l'aide du logiciel W A s P ( W i n d A t l a s A n a l y s i s and A p p l i c a t i o n P r o g r a m m e ) . L e s vitesses du v e n t n ' o n t pas subi de correction en fonction de l ' e n v i r o n n e m e n t du site de la station. S a n s reprendre intégralement l ' é t u d e à p r o p o s des r é g i m e s des v e n t s au M a r o c oriental (Sbai et al., 1992), nous p o u v o n s n é a n m o i n s retrouver q u e l q u e s idées essentielles sur certains aspects des variations et des r é g i m e s des v e n t s . LES CARACTÉRISTIQUES DU VENT La vitesse du vent Variations à l'échelle annuelle et mensuelle L e M a r o c oriental est une des régions du M a r o c où la vitesse du vent est i m p o r t a n t e . La vitesse m o y e n n e m e n s u e l l e du vent est calculée pour la période la plus longue ( 1 9 4 7 - 1 9 8 9 ) à partir d ' o b s e r v a t i o n s effectuées à 6 h, 12 h et 18 h U T C . L e s résultats sont p r é s e n t é s dans le tableau 1. La vitesse m o y e n n e annuelle est de 55 e L a M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 5 - m a r s 1994 3,9 m / s , avec des v a r i a t i o n s interannuelles importantes : coefficient de v a r i a t i o n ( é c a r t - t y p e / m o y e n n e ) = 0,24 ( 1 9 4 7 - 1 9 8 9 ) . L a vitesse du vent à 6 h est la plus élevée en a u t o m n e et en hiver ( n o v e m b r e février) et la plus faible en été (maioctobre). A 1 2 h, les vitesses du vent les p l u s élevées s ' o b s e r v e n t en hiver (décembre-février) et en été (juinjuillet). A 18 h, les vitesses les plus é l e v é e s s ' o b s e r v e n t surtout en été. y j j | | Montagnes Plaines et plateaux cours d'eau Variations à long terme valeurs moyennes Variations saisonnières Figure 1 - Grandes unités de relief du Nord-Est du Maroc et localisation de la station d'Oujda-Angad L e M a r o c oriental est m a r q u é p a r u n e variabilité des vents importante (fig. 2). L ' é c a r t entre la valeur m a x i m a l e (1969) et la valeur minim a l e ( 1 9 5 6 ) est de 3,3 m/s. C e p e n d a n t , a u c u n e t e n d a n c e à long t e r m e ne se manifeste c o m m e le m o n t r e la figure 2. O n observe des p é r i o d e s où les vents sont forts et des périodes où les vents sont faibles, c o m m e c'est le cas de 1947 à 1958. Cette rupture dans la courbe d ' é v o l u t i o n pourrait être liée à un c h a n g e m e n t de matériel de m e s u r e ou à un d é p l a c e m e n t du p y l ô n e à partir de 1959. moyennes mobiles quinquenales Figure 2 - Evolution de la vitesse moyenne annuelle du vent à Oujda (1947-1989) L a vitesse du vent de c h a c u n des 12 m o i s fluctue d ' u n e année à l'autre, mais de façon m o d é r é e , c o m m e l ' i n d i q u e n t les valeurs assez faibles des coefficients de variation (tableau 1). La variabilité de la vitesse m o y e n n e m e n s u e l l e du vent est plus importante en hiver et en a u t o m n e et dépasse a m p l e m e n t la variabilité de la vitesse m o y e n n e annuelle. D e s différenciations saisonnières p e u v e n t être décelées : tendance à u n e légère d i m i n u t i o n de la vitesse du vent au p r i n t e m p s et en a u t o m n e . 56 e La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 5 - m a r s 1994 Tableau 1 Variations mensuelles de la vitesse du vent à Oujda (Observations à 6 h, 12 h et 18 h UTC, 1947-1989) J F 3,9 4,3 Coef. Var.(*) 0,29 0,3 Moyenne M | A 4,0 | 0,3 M J n J t A S O 3,9 3,9 4,1 4,1 3,8 3,5 3,3 0,31 0,28 0,26 0,27 0,28 <X28~032 N D 3,6 4,4 I 0,4 03 Année 3,9 0,24 (*) Le coefficient de variation est obtenu à partir de l'écart-type calculé sur les 43 moyennes mensuelles Variations diurnes L e s variations diurnes de la vitesse du vent ont été d é t e r m i n é e s à partir d e s d o n n é e s horaires pour l ' a n n é e 1988 (fig. 3a et 3b). L ' a l l u r e des courbes est u n e sinusoïde avec un m i n i m u m dans la matinée et au cours de la nuit et un m a x i m u m en milieu d ' a p r è s - m i d i (fig. 3a). O n note une r e s s e m b l a n c e entre l'allure de la courbe des m o y e n n e s annuelles et celle d e s m o y e n n e s du m o i s de juillet, a v e c d e s valeurs plus élevées l'après-midi pour le m o i s de juillet et plus faibles au cours de la nuit. Par contre, la courbe de janvier est légèrement décalée par rapport aux deux autres c o u r b e s . Ainsi, en hiver, les vitesses m a x i m a l e s et m i n i m a l e s se produisent, respectivement, vers 11 h et 2 0 h, tandis q u ' e n été, elles se produisent v e r s 4 h et 16 h. L ' a m p l i t u d e m o y e n n e horaire est plus faible en hiver, 4,7 m/s, q u ' e n été, 8,2 m/s. Le m ê m e p h é n o m è n e a été observé, m a i s plus faiblement, dans le nord de la France (Paul, 1990) et au sud-ouest du bas Michigan ( W e b e r , 1978). Les vents c a l m e s sont très fréquents à 6 h. Par c o n t r e en fin d ' a p r è s - m i d i , ce sont les vents forts et surtout en p r o v e n a n c e du nord qui d o m i n e n t (fig. 3b). Figure 3a - Variations diurnes de la vitesse du vent à Oujda en 1988 Figure 3b - Variation des rythmes diurnes du vent à Oujda en 1988 La direction du vent L a rose d e s v e n t s (fig. 4) met en é v i d e n c e des variations plus importantes d a n s le t e m p s . Les vents de nord constituent l'élément p r é d o m i n a n t de la circulation a t m o s p h é r i q u e au niveau du sol. En hiver, c'est plus particulièrement de l'ouest que soufflent les vents forts : 5 , 7 % des vents d ' o u e s t atteignent d e s vitesses supérieures à 11 m/s. La fréquence des vents forts est également élevée d a n s le secteur ouest-sudouest : 4 , 3 % d e s v e n t s y dépassent 11 m/s. Enfin, les vents de sud sont les m o i n s fréquents et donnent naissance à des vitesses faibles et m o d é r é e s : 3 , 2 % . N é a n m o i n s , on peut estimer que la circulation est très rapide à Oujda où les j o u r s de c a l m e ou de vent très faible (< 2 m/s) ne représentent que 2 6 , 2 % des cas. D a n s toutes les directions, les vitesses élevées sont très fréquentes. Ainsi, les vents assez forts (8-10 m/s) représentent 1 6 , 2 % des v e n t s d ' o u e s t . 57 La M é t é o r o l o g i e 8e série - n° 5 - m a r s 1994 La p r é p o n d é r a n c e des vents de nord, surtout en été, s ' e x plique essentiellement par l ' é t a b l i s s e m e n t , quasi quotidien, d ' u n r é g i m e de brise de mer. E n effet, les régions intérieures du M a r o c oriental sont surchauffées p e n d a n t les j o u r n é e s d ' é t é . D e basses pressions relatives au sol y sont fréquentes c o m m e en t é m o i g n e n t les violents tourbillons de poussière. Il est facile de définir un r y t h m e saisonnier des vents a v e c des périodes bien tranchées. En hiver, on note la p r é d o m i n a n c e des vents d ' o u e s t et de sud-ouest. E n été, les vents de n o r d et de nordest d o m i n e n t . Mises à part les différences régionales (Sbai et al., 1 9 9 2 ) , on o b s e r v e les c h a n g e m e n t s qui s ' é t a b l i s s e n t p r o g r e s s i v e m e n t à Oujda d ' u n e saison à l ' a u t r e (fig. 5). Entre les d e u x situations e x t r ê m e s d ' h i v e r et d ' é t é , se d é g a g e n t des r é g i m e s intermédiaires. Ainsi, de m a r s à mai les vents d ' o u e s t cèdent la place aux vents de nord-ouest. La transition entre l'été et l'hiver est précisée par les roses des vents du b i m e s t r e o c t o b r e - n o v e m b r e qui soulignent un retour progressif des vents d ' o u e s t et de sudouest et un a c c r o i s s e m e n t très net de la vitesse du vent. EZ 2 - 4 m/s ZZ 5-7 HZ] 8-10 l>11m/s Figure 4 - Régime des vents à Oujda (1984-1989) 2 - 4 m/s 8 - 1 0 • H M 1 m/s Figure 5 - Régimes mensuels des vents à Oujda (valeurs à 6 h, 12 h et 18 h, 1974-1989) 58 e La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 5 - m a r s 1994 MODÉLISATION DE LA VITESSE DU VENT Distribution statistique de la vitesse du vent L ' a n a l y s e fréquentielle de la vitesse du vent met en é v i d e n c e les classes de vitesse p r é d o m i n a n t e s . Par conséquent, et en fonction des caractéristiques des éoliennes disponibles sur le m a r c h é , on peut choisir celles qui fournissent le meilleur r e n d e m e n t . On étudie la répartition de la vitesse du vent par classes, la fréquence d ' o c c u r r e n c e étant e x p r i m é e directem e n t (en p o u r c e n t a g e ) ou de façon c u m u l é e , ce qui p e r m e t de connaître la probabilité q u ' u n e valeur de vitesse ne soit pas dépassée. L a figure 6 m o n t r e u n e p r é d o m i n a n c e de la tranche de classes 2-7 m / s qui représente 7 9 , 4 % des cas avec un m a x i m u m pour la classe 2-3 m/s ( 1 6 , 8 % ) . P r e s q u e la moitié des valeurs sont inférieures ou égales à 4 m / s (vents faibles). L e s v e n t s m o d é r é s (5-7 m/s) représentent 3 4 , 5 % des cas et les v e n t s assez forts et forts 1 5 , 5 % . Enfin, les v e n t s violents et très violents ne représentent que 0 , 5 % des cas. Figure 6 - Distribution statistique de la vitesse du vent à Oujda (valeurs mesurées à 6 h, 1 2 h et 1 8 h, 1974-1989) et ajustement par une loi de Weibull Ajustement par la loi de Weibull La distribution p(V) de la vitesse du vent peut être décrite par la loi de W e i b u l l . C ' e s t un m o d è l e à d e u x p a r a m è t r e s : - un p a r a m è t r e de forme k qui décrit la dispersion des d o n n é e s (il indique une plus ou m o i n s g r a n d e dissymétrie de la distribution des vitesses du vent) ; - un p a r a m è t r e d ' é c h e l l e c qui est lié à la vitesse m o y e n n e par la fonction g a m m a (il caractérise, un p e u c o m m e la m o y e n n e , l'intensité du v e n t ) . Cette loi est e x p r i m é e par la relation suivante : k k p ( V ) = k/c (V/c) -' ex p [-(V/c) ] L e s p a r a m è t r e s c et k p e u v e n t être d é t e r m i n é s p a r une régression linéaire entre les fréquences c u m u l é e s et les classes de vitesse, l'équation de régression étant: y = a + bx, a v e c k = b et c = ex p (-a/b) F étant la fréquence c u m u l é e des o b s e r v a t i o n s pour lesquelles la vitesse du v e n t est inférieure à V, on a y = ln (ln 1 ) et x = ln (V). 1 -F V (la vitesse m o y e n n e théorique) est reliée aux p a r a m è t r e s k et c par : V = c r (1 + 1/k), où r est la fonction g a m m a . Les résultats présentés dans le tableau 2 montrent que k varie entre 1,49 et 2,16. Les faibles valeurs de k indiquent une g r a n d e dispersion des d o n n é e s : les d o n n é e s tendent à être dispersées au-delà d ' u n e classe relativement large de vitesses faibles. Pour les valeurs élevées de k, la majorité des d o n n é e s se c o n c e n t r e autour de la vitesse m o y e n n e ; dans ce cas, et si cette m o y e n n e est faible, le vent ne pourra pas être utilisé c o m m e s o u r c e d ' é n e r g i e é o l i e n n e . L e s p a r a m è t r e s k et c sont utilisés pour tracer la c o u r b e de densité de probabilité de la vitesse du vent. Cette courbe, c o m p a r é e à l ' h i s t o g r a m m e des fréquences o b s e r v é e s (fig. 6), m o n t r e que l'ajustement est satisfaisant. L ' a p p l i c a t i o n du test du K h i 2 confirme l ' a d é q u a t i o n de cet ajustement : la valeur calculée (9,13) est inférieure à la valeur théorique lue d a n s la table du K h i 2 p o u r un n o m b r e de d e g r é s de liberté de 8 et un risque d ' e r r e u r de 0 , 1 . LE POTENTIEL ÉOLIEN 3 L e potentiel éolien P est calculé en utilisant la formule suivante : P = 1/2 p V , a v e c P en W / m , où p est la densité de l'air (tableau 2). 2 D e s p a r a m è t r e s tels que les m o y e n n e s annuelles, m e n s u e l l e s et horaires du potentiel éolien ont été calculées à 10 m et estimées à 3 0 m et 5 0 m à partir du logiciel 59 e La M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 5 - m a r s 1994 W a s P après estimation de la vitesse du v e n t en fonction de la hauteur à l'aide de la formule située dans l'encadré ci-dessous. Tableau 2 Variations sur seize années de la vitesse annuelle du vent, des paramètres c et k et du potentiel éolien Année Vit. vent Paramètres à 10 m à 10 m ' c k Potentiel éolien en W/m 10m 30 m 2 50 m La m o y e n n e annuelle du p o tentiel éolien (à 10 m ) est de 130 W / m , mais cet état m o y e n m a s q u e plusieurs irrégularités. Ainsi, sur la période d ' é t u d e 1 9 7 4 - 1 9 8 9 , o n peut distinguer trois périodes (fig. 7) : 2 1974 3,6 4,2 2,14 57 99 131 1975 1976 1977 1978 3,9 3,7 3,7 4,0 4,5 4,1 4,2 4,6 1,74 1,79 2,16 1,93 89 65 57 83 151 109 98 143 193 141 130 186 1979 1980 1981 4,2 4,4 5,2 4,8 5,0 6,0 1,99 1,81 1,87 90 116 190 157 197 329 205 252 413 1982 1983 1984 5,8 5,8 5,2 6,8 6,8 6,0 2,07 2,10 1,89 244 239 187 423 418 322 524 520 400 1985 1986 1987 4,0 4,1 4,2 4,6 4,6 4,8 1,49 1,54 1,49 118 116 136 197 195 226 248 247 284 1988 4,3 4,9 1,63 122 1989 4,5 5,2 1,50 171 moyenne 4,41 3,52* 1,37* 130 * valeurs calculées pour toute la période 1974-1989 - la période 1 9 7 4 - 1 9 7 9 où les valeurs d ' é n e r g i e éolienne sont très faibles a v e c un m i n i m u m de 5 7 W / m en 1974 et 1977 ; 2 - l a période 1 9 8 0 - 1 9 8 4 c a r a c térisée par les valeurs les plus élev é e s qui, en 1982, ont atteint 2 4 4 W/m ; 2 - la période 1 9 8 5 - 1 9 8 9 a v e c des valeurs qui oscillent autour de la moyenne. En ce qui c o n c e r n e les variations m e n s u e l l e s , les m o i s de n o v e m b r e , d é c e m b r e , j a n v i e r et février 206 260 présentent les valeurs les plus éle289 352 v é e s (195 W / m en d é c e m b r e ) . Cela est dû aux fortes variations de la 222 280 vitesse du vent au cours de cette période hivernale. L e s valeurs minimales se produisent en s e p t e m b r e et en octobre, a v e c respectivement 81 et 8 9 W / m . Les autres m o i s indiquent une certaine stabilité du potentiel éolien. 2 2 u. u(z) =— k où u(z) z k u. g In z z o est la vitesse du vent à la hauteur z au-dessus du sol, la longueur de rugosité, la constante de Von Karman, considérée ici égale à 0,40 est appelée vitesse de frottement liée à la contrainte de surface x par la relation : j t j = pu, 2 L e potentiel éolien a u g m e n t e avec la hauteur aussi bien à l'échelle m e n s u e l l e q u ' à l'échelle annuelle. A 5 0 m les valeurs atteignent presque le double des valeurs calculées à 10 m, m a i s l'allure des c o u r b e s reste identique à celle à 10 m. A l'échelle horaire, notre choix s'est porté sur d e u x m o i s à r e n d e m e n t contrasté en 1988 : s e p t e m b r e et j a n v i e r (fig. 8a et 8b). En janvier ( m o i s à r e n d e m e n t élevé), la m o y e n n e est de 174,6 W / m e t le coefficient de variation de 0,38. Les valeurs les plus élevées sont atteintes entre 9 h et 17 h a v e c un m a x i m u m à m i d i (280 W / m ) . La plus faible valeur de la j o u r n é e est de 9 7 W / m à 18 h. En s e p t e m b r e ( m o i s à r e n d e m e n t faible), la m o y e n n e est de 59,7 W / m et le coefficient de variation est de 1,21. Les valeurs sont en général inférieures à la m o y e n n e à l'exception des valeurs de l ' a p r è s - m i d i (14-18 h) qui d é p a s s e n t 100 W / m . L e s d e u x v a l e u r s e x t r ê m e s de la j o u r n é e sont 2 0 5 W / m à 16 h et 3 W / m à 2 2 h. 2 2 2 2 2 2 2 Figure 7 - Evolution de la vitesse moyenne annuelle du vent et potentiel éolien à Oujda (1974-1989) 60 e L a M é t é o r o l o g i e 8 série - n° 5 - m a r s 1994 Figure 8a - Variations horaires de la vitesse du vent et du potentiel éolien Qanvier 1988) CONCLUSION Figure 8b - Variations horaires de la vitesse du vent et du potentiel éolien (septembre 1988) L ' é t u d e des caractéristiques du vent à Oujda révèle des v a l e u r s de vitesse et de potentiel éolien intéressante, p o u v a n t favoriser une exploitation p o u r la p r o d u c tion d ' é n e r g i e . 2 Le potentiel éolien est en m o y e n n e de 130 W / m . Cette valeur varie en fonction des a n n é e s et des m o i s . L e choix d ' u n e l o n g u e série n o u s a p e r m i s d ' a n a l y s e r les variations sur seize ans de la vitesse du vent et du potentiel éolien. C e s valeurs devraient être encore plus élevées à u n e altitude de 20 à 30 m (altitude idéale p o u r les aérogénérateurs). U n e étude p l u s c o m p l è t e du potentiel éolien au M a r o c serait d ' u n e g r a n d e i m p o r t a n c e p o u r analyser les variations spatiales et localiser les sites favorables à l'installation d ' é o l i e n n e s . Cette étude permettrait é g a l e m e n t de prolonger vers le sud l'atlas éolien e u r o p é e n (Troen et L u n d t a n g , 1991). Remerciements BIBLIOGRAPHIE L e s auteurs remercient v i v e m e n t le personnel de la station m é t é o r o l o g i q u e d ' O u j d a - A n g a d de nous avoir facilité l ' a c c è s aux d o n n é e s , M. Gérard Petit-Renaud, maître de conférences à l'université de Lille I, p o u r avoir m i s à notre disposition les p r o g r a m m e s informatiques nécessaires au traitement des d o n n é e s du vent, et M . Henri D e l a n n o y , professeur à l'université d ' A i x - e n - P r o v e n c e , p o u r avoir lu notre article et apporté les observations nécessaires. Al-Tukhaim K., 1988 : Analysis of wind speed data from Kuwait for 1986. European community wind energy conférence, 6-10 june 1988, 187-190. Paul F., 1990 : Le vent : un aspect de la spécificité climatique de la France du Nord. Revue de géographie de Lyon, 65, 2, 80-84. Sbai A., Moussaoui F. et Oualit N., 1992 : Les régimes des vents au Maroc oriental. Méditerranée, 3-4, 45-52. Troen I. et Lundtang Petersen E., 1991 : Atlas éolien européen. CCE, Bruxelles, 278 pp. Weber M.R., 1978 : Average diurnal wind variation in southwestern lower Michigan. .Tourna/ of Applied Meteorology, 17, 8, 1182-1189.
