Une Équipe De Recherche De L'université Normale De Pékin a Établi Le Modèle ECA-Net Pour Prédire Le Potentiel D'utilisation De L'énergie Éolienne En Chine Au Cours Des 70 Prochaines Années.

De la fréquence accrue des événements climatiques extrêmes tels que les fortes pluies, les inondations, les sécheresses, les ouragans et les incendies de forêt, à l’élévation du niveau de la mer causée par la fonte des glaciers polaires, en passant par la perte de biodiversité et l’augmentation du stress hydrique, le réchauffement climatique a véritablement affecté tout le monde sur la planète.

L’expansion du déploiement des énergies renouvelables est un moyen efficace de ralentir le réchauffement climatique. La Chine s'est engagée à atteindre un pic d'émissions de carbone d'ici 2030 et la neutralité carbone d'ici 2060. Pour atteindre cet objectif, notre pays prévoit de promouvoir vigoureusement l'adoption et le développement des énergies renouvelables, et l'énergie éolienne propre et durable est l'une des ressources les plus précieuses. Cependant, l’un des inconvénients des ressources énergétiques éoliennes est qu’elles dépendent de facteurs météorologiques et sont intermittentes. Cette lacune pourrait être encore amplifiée, notamment dans le contexte du changement climatique.

En réponse à cela, de nombreuses études ont commencé à explorer comment détecter l’impact du changement climatique sur l’énergie éolienne régionale. Dans le même scénario météorologique, différents modèles peuvent produire des prévisions de changement de vitesse du vent différentes, et le même modèle peut également produire des prévisions de changement de vitesse du vent différentes dans différents scénarios.Cette incertitude inter-modèles et cette incertitude de scénario constituent des défis majeurs dans l’évaluation des changements du potentiel de production d’énergie éolienne dans le contexte du changement climatique.

Récemment, une équipe de recherche de l'École de l'environnement de l'Université normale de Pékin a publié un nouvel article intitulé « Évaluation des impacts du changement climatique sur les ressources en énergie éolienne en Chine sur la base de l'ensemble multimodèle CMIP6 » dans ACS Publications. L’étude a évalué comment le potentiel de l’énergie éolienne évoluera dans le contexte du réchauffement climatique.

Par rapport à la plupart des études précédentes qui utilisaient seulement un ou quelques modèles climatiques pour prédire le potentiel régional de l’énergie éolienne,L’étude a utilisé 22 modèles climatiques mondiaux (GCM) CMIP6 comme sortie pour fournir une évaluation fiable des incertitudes entre les modèles.De plus, l'amélioration de la simulation de la vitesse du vent peut réduire efficacement l'incertitude inter-modèles. Cette étude a donc également adopté un réseau neuronal convolutif profond (CNN) combiné à un module d'attention efficace des canaux (ECA) (ECA-Net) pour générer des résultats de prédiction fiables. Les résultats de cette évaluation revêtent une grande importance pour la planification à moyen et à long terme de la production d’énergie éolienne dans mon pays et pour la formulation de politiques liées à la réduction des émissions de carbone.

Points saillants de la recherche :

* L’étude a comparé le potentiel de production d’énergie éolienne de mon pays dans des scénarios de réchauffement faible, moyen et élevé afin de mieux tenir compte des incertitudes environnementales.

* Cette étude a utilisé 22 prédicteurs à grande échelle à partir des sorties du GCM CMIP6 pour générer 22 ensembles de données de simulation afin de fournir une évaluation robuste de l'incertitude inter-modèles

* Les résultats de cette étude sont d’une grande importance pour la planification à moyen et à long terme de la production d’énergie éolienne dans mon pays et pour la formulation ou la mise en œuvre de politiques liées à la réduction des émissions de carbone.

Adresse du document :
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.estlett.3c00829 

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Ensemble de données : évaluations multiples basées sur des données historiques

Cette étude a établi le modèle de réduction d'échelle ECA-Net en utilisant des facteurs de prévision mensuels à grande échelle provenant de l'ensemble de données de réanalyse climatique mondiale (ERA5) du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF) et des données mensuelles sur la vitesse du vent observées de 1981 à 2005.

Parmi eux, les facteurs de prédiction à grande échelle comprennent la vitesse du vent proche de la surface vers l'est (m/s), la vitesse du vent proche de la surface vers le nord (m/s), la vitesse du vent proche de la surface (m/s), la température proche de la surface (K), la pression au niveau de la mer (Pa), le rayonnement à ondes courtes descendant en surface (W/m²), le flux de chaleur sensible ascendant en surface (W/m²) et la température de l'air à 200 hPa (K). Les données mensuelles sur la vitesse du vent proviennent de l'ensemble de données d'éléments de base de la station nationale de Chine V3.0 du Centre national d'information météorologique de l'Administration météorologique de Chine.

Adresse du jeu de données : http://data.cma.cn/en

Le tableau suivant répertorie les détails des ensembles de données utilisés dans cette étude :

Architecture du modèle : prévisions basées sur trois scénarios d'émission

Dans cette étude, le modèle de réduction d’échelle ECA-Net a été établi sur la base de la méthode ECA-Net, et les données de 2006 à 2010 ont été utilisées pour vérifier le modèle établi. Ensuite, en utilisant le modèle validé, la vitesse future du vent dans divers scénarios a été projetée à l'aide des prédicteurs mensuels à grande échelle fournis par GCM, et le potentiel d'énergie éolienne a été calculé sur la base de la fonction de densité d'énergie éolienne.

Dans la figure ci-dessus, la case rose clair représente les données d'entraînement, la case vert clair représente les données de validation, la case jaune représente les données GCM, la case bleu clair représente le modèle de réduction d'échelle ECA-Net, la case orange représente la vitesse du vent réduite, la case grise représente le calcul du potentiel éolien et la case verte représente l'analyse de l'évolution du potentiel éolien dans le cadre du changement climatique.

Les projections climatiques futures impliquent des scénarios d’émissions selon trois modèles de réchauffement, à savoir SSP1-2,6, SSP2-4,5 et SSP5-8,5. SSP1-2.6 représente des niveaux d’émissions de gaz à effet de serre plus faibles et un changement climatique relativement faible, ce qui suggère que l’augmentation de la température ne dépassera pas 2°C d’ici 2100. SSP2-4.5 fait référence à des scénarios d’émissions de gaz à effet de serre modérées, et SSP5-8.5 fait référence à des scénarios d’émissions de gaz à effet de serre élevées et très élevées.

Afin de construire la projection d'ensemble de la vitesse du vent des données GCM, cette étude a d'abord introduit les facteurs de prédiction à grande échelle produits par chaque GCM CMIP6 dans le modèle ECA-Net pour générer un total de 22 ensembles de données de simulation de la vitesse du vent.Ensuite, la moyenne de l’ensemble est calculée sur la base des données de simulation obtenues. Enfin, une analyse de la variabilité spatiale et temporelle, une analyse de cluster K-means et une analyse des points chauds ont été réalisées sur le potentiel éolien prévu dans mon pays.

Pour l'analyse comparative, mon pays a été divisé en sept régions selon les conditions géographiques et climatiques typiques, à savoir, la Chine du Nord-Est (NEC), la Chine du Nord (NC), la Chine de l'Est (EC), la Chine du Sud (SC), la Chine centrale (CC), la Chine du Nord-Ouest (NWC) et la Chine du Sud-Ouest (SWC), et les 30 prochaines années ont été divisées en deux périodes (2031-2060 et 2071-2100), et les changements ont été évalués par rapport à la période de base de 1985-2014.

Résultats de recherche : le développement de l'énergie éolienne dans mon pays est confronté aux défis du changement climatique

Les résultats de la validation montrent que le modèle de réduction d’échelle ECA-Net fonctionne bien dans mon pays et ses sous-régions.

Plus précisément, comme le montre la figure ci-dessous, dans le cadre des trois scénarios d’émissions de carbone (élevées, moyennes et faibles), les chercheurs ont calculé les tendances de variation spatiotemporelle de la densité d’énergie éolienne dans chaque sous-région. Les résultats ont montré qu’il était statistiquement significatif à un niveau α de 0,05 (sauf pour la région centrale dans le scénario SSP5-8,5).La densité globale de l’énergie éolienne de mon pays devrait connaître une légère tendance à la baisse au cours de ce siècle, l’ampleur de cette tendance dépendant du scénario d’émissions.À l’exception de la Chine de l’Est, de la Chine centrale et de la Chine du Sud, les changements relatifs de la densité d’énergie éolienne dans d’autres sous-régions montrent une forte tendance à la baisse, en particulier dans le scénario SSP5-8.5. Il existe des différences régionales évidentes dans les changements de densité d’énergie éolienne dans différentes régions.

La variation de la densité de l’énergie éolienne dans le sud de mon pays (Chine de l’Est, Chine centrale et Chine du Sud) est relativement faible. Parmi toutes les sous-régions, la Chine du Nord est susceptible de connaître la plus forte réduction de la densité d’énergie éolienne, qui pourrait atteindre 22,79% d’ici 2100 dans le scénario SSP5-8,5.

Les augmentations de l’intensité du vent devraient se produire pendant les mois relativement plus frais et être plus importantes dans le scénario d’émissions plus élevées.À l’exception du Moyen Âge (2031-2060) dans le cadre du scénario SSP2-4.5, les ressources en énergie éolienne connaîtront une réduction dans la plupart des régions de mon pays.

Dans les trois scénarios, le potentiel éolien diminue davantage à la fin du siècle qu’au milieu du siècle. Les projections d’ensemble montrent que d’ici la fin de ce siècle (2071–2100), les ressources annuelles moyennes en énergie éolienne augmenteront dans certaines parties de Chongqing, du Hunan et de Hainan selon les scénarios SSP2–4,5 et SSP5–8,5.

L’évolution des ressources en énergie éolienne présente une saisonnalité évidente. Dans la plupart des régions, les ressources éoliennes varient davantage en hiver qu’en été. Entre 2031 et 2060, selon les scénarios SSP2-4,5 et SSP5-8,5, le potentiel éolien en hiver dans la plupart des régions montre une tendance à la hausse, tandis que l’inverse est vrai en été. Cette caractéristique saisonnière évidente peut être attribuée aux changements saisonniers des moussons et des courants océaniques.

Les stations du nord et de l’ouest de mon pays identifiées par le regroupement K-means ont montré une nette tendance à la baisse. Cela suggère que les ressources en énergie éolienne dans certaines régions de mon pays pourraient diminuer et devenir plus instables au cours des années et entre les années en raison du changement climatique.

Ces résultats suggèrent que la durabilité du développement de l’énergie éolienne dans mon pays pourrait être remise en cause par le changement climatique.

Les ressources en énergie éolienne offrent de grandes perspectives mais restent confrontées à des défis

Afin d’atténuer l’effet de serre causé par les émissions de dioxyde de carbone provenant de la combustion d’énergie fossile, la structure énergétique traditionnelle doit être réformée et modernisée pour promouvoir le développement d’une énergie propre et à faible émission de carbone. L’énergie éolienne est une source d’énergie propre et renouvelable qui est inépuisable. Il est très adapté aux îles côtières, aux zones pastorales de prairies, aux zones montagneuses et aux zones de plateau qui manquent d'eau, de carburant et qui ont des transports peu pratiques. Il peut être utilisé pour générer de l’énergie éolienne en fonction des conditions locales. Par conséquent, la production d’énergie éolienne a reçu de plus en plus d’attention de la part des pays du monde entier et est devenue une tendance mondiale.

La production d’énergie éolienne a un potentiel énorme, avec une énergie éolienne mondiale d’environ 2,74 × 10⁹ MW, dont 2×10⁷ MW, soit 10 fois plus que la quantité totale d’énergie hydroélectrique exploitable sur Terre. Selon les statistiques de l’Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA), l’industrie mondiale de l’énergie éolienne s’est développée rapidement ces dernières années et offre de vastes perspectives. En 2017, la production mondiale d’énergie éolienne a dépassé les 100 milliards de kWh, atteignant 114,15 milliards de kWh, soit une augmentation de 18,651 TP3T par rapport à l’année précédente ; en 2022, la production mondiale d'énergie éolienne a battu un nouveau record, atteignant 210,48 milliards de kWh, soit une augmentation de 13,52% par rapport à 2020.

Dans mon pays, le développement de la production d’énergie éolienne contribue à équilibrer la contradiction entre l’offre et la demande d’énergie et à parvenir à un développement durable. Elle revêt également une importance pratique très importante pour atteindre l’objectif de « neutralité carbone ». Les données publiées par l'Administration nationale de l'énergie ont montré qu'en novembre 2021, la capacité installée d'énergie éolienne connectée au réseau de mon pays a atteint 300,15 millions de kilowatts, franchissant la barre des 300 millions de kilowatts. Cela représente 1,4 fois la capacité éolienne totale installée de l’Union européenne à la fin de 2020 et 2,6 fois celle des États-Unis. Il est classé premier au monde depuis 12 années consécutives.

Cependant, par rapport à l’énergie conventionnelle, les caractéristiques intermittentes et variables de l’énergie éolienne font que l’énergie éolienne présente une volatilité et un caractère aléatoire plus forts. La connexion de l’énergie éolienne au réseau aura inévitablement un impact considérable sur le système électrique et affectera la qualité de l’électricité. aussi,Les changements à long terme de la vitesse du vent entraînent également certains défis en matière de planification et d’aménagement de l’industrie de l’énergie éolienne, ce qui met en évidence un besoin urgent de prévoir les changements futurs de la vitesse du vent et de l’énergie éolienne.

Les observations montrent que la vitesse du vent à la surface de la Chine a continué de diminuer ces dernières années, avec de grandes différences régionales et saisonnières. Il reste encore un long chemin à parcourir pour contrôler efficacement les émissions de carbone, développer l’énergie éolienne de manière régionale, saisonnière et globale en fonction des conditions locales, et assurer la programmation et l’utilisation de l’énergie propre dans l’avenir de la Chine.

Références :
1.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.3c00829
2.https://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acs.estlett.3c00829/suppl_file/ez3c00829_si_001.pdf
3.http://dqkxxb.cnjournals.org/dqkxxb/article/html/20230308
4.https://www.chyxx.com/industry/1154543.html