Mélodie Trolliet - PhD topic

 

Contexte et enjeux

L'essentiel des dépenses pour un projet de production d'énergie électrique par conversion du rayonnement solaire (centrale solaire photovoltaïque ou thermodynamique à concentration) est concentré à son démarrage, sous la forme d'investissement. Cet investissement est en grande partie financé par un emprunt bancaire qui sera remboursé progressivement par la vente de l'électricité produite au cours de la durée de vie de la centrale solaire, s'étalant typiquement sur 20 ans ou plus. Le projet d'une centrale solaire est ainsi évalué sur le plan financier par les banques sur la capacité de ce dernier à être rentable et a minima à générer suffisamment d'entrée financière pour rembourser progressivement la dette suivant des échéances annuelles ou mensuelles prédéfinies. Cette évaluation tient évidemment compte des aléas de la production électrique sur toute la durée de vie multi-décennale. Ces aléas peuvent être de nature technologique comme l'occurrence de pannes éventuelles, de baisses de rendement, d'ensalissement des capteurs ou encore de déconnexion du réseau électrique. Ces aléas peuvent être aussi de nature climatique ou météorologique avec les incidences des futures variabilités interannuelles et de long-terme de la ressource solaire ainsi que des paramètres météorologiques (température, vitesse de vent, humidité, etc.) influençant la conversion énergétique. L'agence de notation financière internationale Fitch Rating recommande pour ces analyses de risques d'établir des scénarios suivant différents niveaux de probabilité de dépassement (Probability of Exceedance, PoE) comme le P50, le P90 et le P99.

L'utilisation d'une année typique météorologique (Typical Meteorological Year, TMY) avec un simulateur de centrale solaire comme PVSYST ou SAM permet d'analyser la rentabilité moyenne –ou médiane– du projet de centrale solaire. Seule, cette année typique ne permet cependant pas de contribuer à l'analyse des risques financiers pour rendre compte des aléas liés à la variabilité de la ressource solaire et des paramètres météorologiques importants. 

La thèse s'intéressera à la création de scénarios relatifs à la ressource solaire et aux paramètres météorologiques associés pour contribuer, in fine, à l'élaboration de ces scénarios de production énergétique suivant différents niveaux de probabilités de dépassement.

Les méthodes de l'état de l'art actuel comme par exemple celle proposée récemment par Fernández Peruchena et al. (2016) analysent des séries temporelles historiques de données pyranométriques et météorologiques de 10 à 20 ans de données sur le site d'intérêt du projet de centrale solaire. Ces données et leurs incertitudes associées permettent de modéliser la variabilité interannuelle des sommes annuelles des irradiations solaires constituant la ressource solaire pour le projet en question. Pour déterminer les valeurs annuelles d'irradiation pour des niveaux de probabilité de dépassement donnés, sont utilisées des techniques de modélisation de fonction de répartition non-paramétriques (fonction de répartition empirique, estimation par noyau) ou paramétriques en optimisant et testant des familles de densité de probabilité paramétriques (lois normale, log-normale, de Weibull, de Gumbel, etc.).

Cependant, ces approches sont limitées pour plusieurs raisons. Tout d'abord, elles reposent sur l'hypothèse pas toujours –voire rarement– vérifiée que les séries temporelles d'irradiations annuelles issues de la série de données historiques sont des processus stochastiques indépendants et identiquement distribués (i.i.d.). Les écarts constatés vis à vis de cette hypothèse sont susceptibles d'introduire des biais dans la détermination des scénarios.

D'autre part, en pratique, le nombre d'années de la série de données historiques est entre 10 et 20 ans : avec si peu d'irradiations annuelles, hypothèse i.i.d. vérifiées ou non, la détermination paramétrique ou non-paramétrique de la fonction de répartition est très sensible et les intervalles de confiance des niveaux d'irradiations pour une probabilité de dépassement données peuvent être très importants.  

Enfin, ces approches ne sont basées que sur l'analyse statistique de l'historique sur le site d'intérêt. Or le besoin est de qualifier le site pour la durée de vie multi-décennale future : tout changement de long terme dont les échelles se situent au-delà de la durée des données historiques ne peut être correctement modélisé.

 

Objectifs scientifiques

L'objectif de la thèse est de trouver des alternatives aux méthodes existantes de l'état de l'art, permettant :

  • de rendre compte des corrélations interannuelles et des éventuels tendances de la ressource solaire sur la base des données historiques ;
  • d'établir des moyens d'inférence statistique robuste et précise pour caractériser les variabilités de long-terme observées, compte tenu de la durée relativement limitée de l'historique ;
  • de coupler ces données historiques avec des scénarios climatiques de modèles régionaux du climat pour être à même de faire des projections de la ressource solaire sur la durée de vie future de la centrale.

Approche - Méthodes

La première étape consistera à établir une revue bibliographique des méthodes statistiques et/ou climatiques actuellement proposées pour établir des scénarios pour contribuer à l'analyse de risque de projets de centrale solaire. Bien entendu, cette revue bibliographique s'étendra à d'autres domaines, notamment à celui de l'analyse des risques de la ressource éolienne.

Ensuite, on s'attachera à collecter des données pyranométriques et météorologiques intra-horaires de très long-terme (de plus de 30 ans, si possible) sur un grand nombre de sites pour être le plus représentatif de la diversité des conditions. La qualité et l'incertitude de ces données devront être analysées et déterminées scrupuleusement.

Les méthodes de l'état de l'art seront testées et analysées avec ce jeu de données historiques en analysant notamment la sensibilité de ces approches à la durée de la période d'analyse historique choisie ou encore l'écart à l'hypothèse i.i.d. et ses conséquences sur la détermination des scénarios pour des probabilités de dépassement données.   

De nouvelles approches seront proposées afin de tenter de lever, au moins partiellement, les limitations des méthodes actuelles. On s'intéressera notamment aux approches basées sur la décomposition modale empirique (Empirical Mode Decomposition, EMD) proposées par Marc Bengulescu (Bengulescu et al., 2016) pour de sa thèse en cours sur la caractérisation de la variabilité de la ressource solaire. Cette décomposition sur la base de données historiques permet en effet d'appliquer des modélisations de la variabilité de long-terme adaptées à chacun des modes de long-terme détectés en fonction de leurs natures purement stochastiques ou physiques.

Pour la synthèse des scénarios rendant compte des corrélations interannuelles et de long-terme, des méthodes utilisant des techniques de Monte-Carlo par chaînes de Markov  (Monte-Carlo Markov Chain, MCMC) ou encore la notion de coefficient de Hurst pourront être envisagées pour la génération aléatoires de données synthétiques journalières.   

Enfin, on étudiera la possibilité de coupler les données historiques avec les résultats des modèles régionaux du climat suivant différents scénarios de changement climatiques. On évaluera rétrospectivement, en comparant avec les données historiques du site, la capacité de ces modèles régionaux de climat à rendre compte, au moins sur les échelles temporelles les plus larges, des variabilités de la ressource solaire et des autres paramètres météorologiques associés. Si cela s'avère nécessaire, des méthodes d'étalonnage des sorties de ces modèles seront développés et testés  pour corriger les éventuelles erreurs systématiques des modèles régionaux du climat sur le site d'étude. Les différents scénarios climatiques seront utilisés et comparés pour en analyser la sensibilité sur les variabilités de long-terme de la ressource solaire, à l'horizon de la durée de la centrale solaire.

Résultats attendus

Un premier apport de la thèse sera l'identification des limites et des incertitudes des méthodes actuellement utilisées pour réaliser les analyses de risque vis-à-vis de la ressource solaire.

Les méthodes innovantes proposées pour répondre, au moins partiellement, aux différentes limitations des méthodes de l'état de l'art pourront donner lieu à des publications scientifiques. De plus, notamment dans le cadre des programmes PVPS et SolarPACES de l'Agence Internationale de l'Energie, l'analyse des performances de ces nouvelles méthodes permettra de contribuer aux discussions d'experts cherchant à établir, en vue de futures normes ISO ou ASTM, des guides de bonnes pratiques pour ces analyses de risque pour des centrales solaires respectivement photovoltaïques et thermodynamiques à concentration. 

Poster proposed during the 6th session of the Solar Training, Jan. 2018

Title: "On the evaluation of the interannual variability of the solar resource for solar projects"