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La modélisation au service de la réalité géographique dans le domaine de l’énergie

pour un développement durable

Le rayonnement solaire incident au sol est considéré par le GCOS (Global Climate Observing System) comme une variable climatologique essentielle. En plus de ses applications dans le domaine de la climatologie, la connaissance du rayonnement solaire est d'un grand intérêt dans d'autres domaines comme les énergies renouvelables (biomasse, systèmes photovoltaïques, thermiques ou thermodynamiques), la santé (cancer de la peau, sclérose en plaque), l'architecture, l'agriculture, la foresterie ou encore l'océanographie. Les utilisateurs publics et privés de données relatives au rayonnement solaire ont besoin d’un accès facile et rapide à cette information, sous forme ponctuelle ou sous forme de cartes à l’échelle locale, régionale, ou nationale.

Les images issues de satellites météorologiques en orbite géostationnaire comme la famille de satellites européens METEOSAT apparaissent comme les plus appropriées pour couvrir une grille d’échantillonnage de haute résolution, régulière dans l’espace et dans le temps. En effet, les stations de mesures pyranométriques au sol ont plusieurs inconvénients : répartition irrégulière nécessitant des interpolations ou extrapolations qui diminuent la précision du résultat, dates de mise en service différentes, format des données et unités de mesure non standardisés, accès aux données non centralisé et le plus souvent sous une forme non adaptée aux besoins des utilisateurs, rendant finalement leur coût assez important.

Le Centre Observation, Impacts, Energie (O.I.E.) du Département Energétique et Procédés de MINES ParisTech apporte une réponse innovante aux besoins des utilisateurs :

• d’une part en développant, depuis 1986, la famille d’algorithmes Heliosat qui permettent de convertir des images de satellites géostationnaires en cartes de rayonnement global incident au sol ;
• d’autre part en implémentant une chaîne de traitement opérationnelle en temps réel entre la réception de l’image, son traitement par Heliosat-2, et son exploitation à tout moment dans le système de bases de données HelioClim [1] ainsi qu’un modèle empirique d'extinction du rayonnement obtenu du fait de la présence de nuages.

Les images METEOSAT de première génération ont permis l'élaboration de la première base de données HelioClim-1 [2]. Celle-ci contient 118 500 pixels, format B2, valides (les pixels pour lesquels le satellite ou le soleil à midi sont vus sous un angle inférieur à 15° sont éliminés, ne pouvant être traités correctement). La résolution spatiale est d’environ 30 km à l’équateur. La résolution temporelle de 3 heures ne permet de fournir avec une précision satisfaisante qu’une valeur de rayonnement journalier, de 1985 à fin 2005.

Depuis février 2004, la seconde génération de satellites METEOSAT a pris le relais, avec des capteurs de meilleure résolution temporelle (1/4 horaire) et spatiale (3 km à l’équateur). Une nouvelle base de données HelioClim-3 a été créée, contenant des données de rayonnement solaire depuis cette date jusqu’à aujourd’hui. Cette base de donnée est réactualisée par des procédures automatisées et opérationnelles, quasiment en temps réel. Elle fournit tous les quarts d’heures, à partir de la réception, des images issues du capteur SEVIRI de METEOSAT Seconde Génération (MSG).

HelioClim-1 est accessible en ligne depuis 2002, et HelioClim-3 à partir de février 2004. La mise à disposition de l’information via le service Web SoDa (Solar radiation Data) rend accessible l’estimation de la ressource solaire sur environ un tiers du globe terrestre depuis 1985, soit sous forme de cartes, soit sous forme de séries temporelles intra-horaires, horaires, journalières ou encore mensuelles. Depuis 2009, les services SoDa sont entièrement gérés sur les plans commerciaux et développement industriel par la société Transvalor Innovation, filiale d'ARMINES. En 2010, on comptait environ 50 000 utilisateurs, dont quelques dizaines d’abonnés aux services payants, et environ 1,5 millions de requêtes sur la base HelioClim-3. Depuis 2011, la base de données HelioClim-1 est disponible gratuitement.

Les utilisateurs, notamment de cartes du gisement solaire, ont exprimé le besoin d’une résolution spatiale plus fine que celle de MSG, de l’ordre de 5 km aux latitudes moyennes. Ceci nous a conduits à développer une méthodologie spécifique visant à améliorer localement la résolution spatiale et la précision des cartes de ressources solaires issues de HelioClim-3. Ainsi, une étude financée par l’ADEME, la Région Provence-Alpes-Côte d'Azur (PACA) et le Conseil Général des Alpes Maritimes a été menée pour la création d’un Atlas solaire pour la région PACA avec une résolution de 200 m. Cet atlas se propose de fournir aux utilisateurs du gisement solaire une analyse géographique du potentiel de la région, de les aider dans le choix des sites et le dimensionnement de leurs systèmes de production. L’atlas est construit avec les rayonnements mensuels et annuels issus de séries temporelles de HelioClim-3. Ces valeurs sont affinées, d’une part, en précision, en les étalonnant avec de mesures pyranométriques in-situ issues de stations du réseau de Météo France, d’autre part, en résolution spatiale, en intégrant des effets orographiques et d'ombres portées calculés à partir du modèle numérique de terrain SRTM d’une résolution de l’ordre de 100 mètres.

Les bases de données HelioClim-1 et 3 sont élaborées à partir du modèle Heliosat-2 ; cette modélisation est dite « inverse » car elle permet l’estimation du rayonnement solaire incident au sol à partir du signal reçu par le capteur embarqué sur le satellite géostationnaire. Un modèle direct, Heliosat-4, actuellement en cours de recherche et développement, tient compte des paramètres physiques de l’atmosphère et des propriétés optiques pour une application d’un modèle de transfert radiatif. HelioClim-4 sera créée avec la même résolution spatio-temporelle que HelioClim-3, mais avec des valeurs plus précises, notamment aux niveaux des composantes directe et diffuse, puisqu’elles seront calculées par le modèle de transfert radiatif, alors que dans Heliosat-2 elles étaient déduites a posteriori du rayonnement global par des modèles empiriques. De plus, Heliosat-4 prendra en compte la variation spectrale du rayonnement solaire, ce qui permettra de fournir des valeurs plus ciblées car intégrées sur une plage du spectre dépendant des applications (capteurs photovoltaïques à une forte sensibilité spectrale, calcul UV, …).

[1] European solar radiation atlas, 2000, includ. CD-ROM. Edited by J. Greif, K. Scharmer. Scientific advisors: R. Dogniaux, J. K. Page. Authors : L. Wald, M. Albuisson, G. Czeplak, B. Bourges, R. Aguiar, H. Lund, A. Joukoff, U. Terzenbach, H. G. Beyer, E. P. Borisenko. Published for the Commission of the European Communities by Presses de l'Ecole, Ecole des Mines de Paris, France.

[2] Cros S., Albuisson M. , Lefevre M., Rigollier C., Wald L., 2004. HelioClim: a long-term database on solar radiation for Europe and Africa. In Proceedings of Eurosun 2004, published by PSE GmbH, Freiburg, Germany, pp. (3)916-920, ISBN 3-9809656-4-3.

BIBLIOGRAPHIE

P. BLANC, B. GSCHWIND, M. LEFEVRE et L. WALD. The HelioClim project: surface solar irradiance data for climate applications, Remote Sensing, 3, pp. 343-361, 2011.

A. OUMBE NDEFFOTSING. Exploitation des nouvelles capacités d’observation de la terre pour évaluer le rayonnement solaire incident au sol. Thèse de doctorat, MINES ParisTech, 137 pp., 2009.

L. WALD. Solar Radiation Energy (Fundamentals), in Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), UNESCO, 28, pp, 2007.

• Contacts : Philippe BLANC, Benoît GSCHWIND, Mireille LEFEVRE, Lionel MENARD, Lucien WALD

Extrait des Carnets de Correspondances n° 5 - MINES ParisTech, Sophia Antipolis, septembre 2013
(dossier spécial : « Le Développement Durable »)

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