LiDAR-Light Detection And Ranging

Le LHEEA s’est doté en 2019 d’un LiDAR scannant, un moyen de mesure innovant pour la caractérisation fine du vent et de l’atmosphère. Ses équipes l’exploiteront pour des applications liées aux énergies marines renouvelables (EMRs), à l’atmosphère urbaine et à la qualité de l’air.


Principe de fonctionnement

Le LiDAR (Light Detection And Ranging) est un dispositif de mesure optique permettant de caractériser l'atmosphère. Un LASER émet, à plusieurs mégahertz, de courtes impulsions dans l'air qui sont renvoyées par les aérosols naturellement présents dans l'atmosphère (poussières, pollution, gouttes d'eau...). Les particules qui renvoient la lumière voyagent à la vitesse du vent local, le signal reçu par le LiDAR est donc déphasé par effet Doppler proportionnellement à la vitesse des particules dans l'axe de visée du LiDAR, on parle ainsi de mesure de vitesse radiale.
Le temps de vol (période entre l'émission d'un pulse laser et la réception de sa rétrodiffusion par les aérosols) permet d'identifier la localisation des particules sur l'axe de visée et ainsi de reconstruire le profil de vitesse radiale en utilisant une gamme de distance prédéfinie (ranging). De plus, le traitement du signal rétrodiffusé permet de déterminer la concentration en aérosols de l'atmosphère le long de la ligne de visée avec une portée de plusieurs kilomètres.

Le LiDAR scannant du LHEEA, modèle WINDCUBE 100S de la société Leosphere, a une portée de 3 km et possède une tête articulée permettant de piloter l'angle de visée en azimut (360°) et en élévation (+/-110° par rapport au zénith). La programmation d'une série de tirs à différents angles permet de reconstruire le profil vertical du vecteur vent avec une période d'environ 3 secondes. D'autres types de scan sont utilisés pour cartographier une tranche verticale de l'atmosphère (azimut fixe et élévation variable) ou une tranche horizontale (élévation à zéro et azimut variable) et ainsi d'étudier spatialement les phénomènes atmosphériques : couche limite atmosphérique, sillages d'éoliennes, dispersion d'aérosols, grandes échelles de turbulence...

Un rayonnement national et international

Les capacités du LiDAR scannant en font aujourd’hui un instrument de premier plan pour l’analyse du vent. La polyvalence d’un LiDAR scannant offre des possibilités d’exploitation qui se situent à la confluence des thématiques de plusieurs équipes du LHEEA : la connaissance de l’environnement atmosphérique et le développement des Energies Marines Renouvelables. La faible disponibilité du dispositif au niveau national (un seul équipement dans le milieu académique en France) et international, ainsi que son tarif de location élevé justifient le choix de l’acquisition d’un LIDAR scannant par le LHEEA.

L’utilisation du LiDAR scannant est une avancée majeure pour le positionnement du laboratoire comme un acteur national majeur sur ces thématiques. Il est un levier important au montage de programmes de recherche collaboratifs, et a déjà permis le dépôt et le démarrage de plusieurs projets de recherche nationaux et internationaux avec des partenaires de haut niveau.

Liste des projets financés dans lesquels une campagne LiDAR scannant est prévue :  WEAMEC FLOATEOLE (2018) et WAKEFUL(2019), ANR MOMENTA (2019) et MATRAC (ANR-18-ASTR-0002), ADEME ePARADISE (2019) et VAMOS (financement Allemand).

Le LiDAR sera en résidence sur le campus de Centrale Nantes et mobilisé sur différents sites pour ces projets.

Un outil de la transition énergétique

Le LiDAR scannant est voué à l’exploitation académique et opérationnelle par les équipes DAUC, EMO et SEM-REV du LHEEA pour répondre aux enjeux sociétaux et environnementaux en lien direct avec la transition énergétique. Ainsi, il sera déterminant pour l’accompagnement au développement des éolienne sur terre et en mer dont :
  • l’évaluation fine des spécificités de la ressource éolienne en mer et des couplages à l’œuvre,
  • la compréhension des phénomènes atmosphériques côtiers complexes,
  • une meilleure caractérisation de la ressource en vent,
  • la vérification des performances des technologies,
  • la quantification des interactions de sillage entre les éoliennes,
  • une meilleure évaluation de l’impact environnemental et économique.
Le LiDAR scannant sera un outil de référence pour l’analyse du microclimat comme :
  • la mesure et l’analyse de la dispersion d’aerosols,
  • l’établissement de diagnostics environnementaux de la qualité de l’air en milieu côtier et urbain,
  • participer au diagnostic du microclimat urbain (ie l’îlot de chaleur urbain).

Le LiDAR impliqué dans de nombreux projets au LHEEA :


> WEAMEC FLOATEOLE (2017-2021)

Le projet FLOATEOLE s’inscrit dans la volonté du LHEEA de contribuer, à travers une approche multidisciplinaire, à l’optimisation du fonctionnement des éoliennes flottantes par une meilleure compréhension des conséquences du couplage houle/vent/structure sur la performance et la durabilité des aérogénérateurs soumis à des conditions de fonctionnement particulièrement hostiles et non déterministes. > En savoir plus

> WEAMEC WAKEFUL(2019-2022)

Le projet WAKEFUL vise à étudier le sillage lointain d’une éolienne flottante à l’échelle 1 dans un environnement météocéanique réel. Le projet fait partie d’une joint LiDAR experiment qui rassemble l’université de Stuttgart (Projet VAMOS), IDEOL et le LHEEA (Centrale Nantes – CNRS) autour de la caractérisation de la courbe de puissance, du sillage proche et du sillage lointain d’une éolienne flottante installée sur le site d’essai en mer du SEM-REV. > En savoir plus

> ANR MOMENTA (2020-2024)

Le projet ANR MOMENTA obtenu en 2019 s’intéresse à l’amélioration de la modélisation/prévision des charges aéro-elastiques induites par le sillage d’une éolienne sur une autre, dans l’objectif de mieux prendre en compte ces charges dans les phases amont de conception des fermes. > En savoir plus

> ANR MATRAC (2019-2021)

Ce projet a pour objectif d'améliorer les connaissances sur la dynamique et les propriétés optiques des aérosols marins dans la couche limite atmosphérique en zone côtière pour caractériser les variations spatio-temporelles du coefficient d’extinction particulaire, évaluer l’impact de ces variations sur la transmission électro-optique et évaluer un modèle de transmission fonctionnant à partir d’un nombre réduit d’entrées météorologiques. > En savoir plus

> ADEME ePARADISE (2020-2023)

Le projet ePARADISE propose d’amener à maturité deux types de capteurs aérodynamiques pour des éoliennes en production dans  l’objectif de les utiliser pour augmenter la durée de vie et de réduire l’émission de bruit des éoliennes, tout en maintenant (voire en augmentant) la production d’énergie.> En savoir plus

> VAMOS (2019-2022)

Une bonne compréhension des éoliennes offshore flottantes est essentielle pour réduire les incertitudes et les risques - et donc les coûts - de cette technologie très prometteuse. Le projet "Validation, mesure et optimisation de l'énergie éolienne flottante" (VAMOS) relève ce défi par une campagne de mesure à grande échelle et une étude de validation. Les connaissances acquises seront directement utilisées pour la conception d'un contrôleur de turbine amélioré afin d’optimiser le comportement dynamique et de réduire les charges. À long terme, cela permettra de concevoir des turbines plus légères et moins chères. > En savoir plus
Publié le 31 mars 2020 Mis à jour le 7 avril 2020