Numerical modelling of the impact of tidal stream turbines on the hydrodynamic and sedimentary environment of the Fromveur Strait off the Western Brittany coasts
Creators
- Michelet, Nicolas
- Universite de Caen Normandie, ecole doctorale physique, sciences de l'ingenieur, materiaux, energie, Laboratoire Universitaire des Sciences Appliquees de Cherbourg - Lusac, Site universitaire de Cherbourg-Octeville, 60 rue Max-Pol Fouchet, CS 20082, 50130 Cherbourg-en-Cotentin (France)
- Centre d'etudes et d'expertise sur les risques, l'environnement, la mobilite et l'amenagement - Cerema Eau, Mer et Fleuves, Laboratoire de Genie Cotier et Environnement - LGCE, Plouzane (France)
Description
In spite of only emerging operational development, the extraction of the kinetic energy of tidal currents by turbines appears as a promising solution to contribute locally to the energetic transition of insular territories that are not connected to the continental electricity grid, with limited power needs, and are located in protected and touristic natural areas with a visual heritage to preserve. This doctoral thesis was devoted to the three-dimensional numerical modelling of the hydrodynamic and sedimentary impacts induced by horizontal-axis turbines deployed within the pilot site of the Fromveur Strait, in the natural marine Iroise park, off western Brittany. Numerical simulations are performed with the oceanographic model ROMS (Regional Ocean Modelling System) modified to integrate a theoretical actuator-disk sub-model that assimilates the device to a porous disc opposing the flow with a force equal to the turbine's thrust. This method was assessed against laboratory measurements within the wake of a porous disc with a diameter (D) of 10 cm immersed in a permanent flow. A spatial resolution as small as D/10 was required to reproduce observations. After a numerical convergence study at full scale, ROMS was applied, using a nested grid approach targeted towards the Fromveur Strait, to examine wake interactions and cumulative effects within an array of height turbines of 10-m-diameter expected to fulfill the energy need of the island of Ushant. The array layout followed the commonly recommended staggered configuration with respective longitudinal and lateral spacings of 10 D and 5 D. During spring tidal conditions, the misalignment of the peak flood flow enhanced the wake interactions, reducing by about 15% the array power production in comparison with the peak ebb flow. This lack of power production capacity was lowered to 2% by reducing the lateral spacing to 3 D. ROMS predictions were finally exploited to address the influence of this last array of turbines on the local sediment dynamics. Main effects were expected on (i) the deposition of sediments with diameter over 2 mm within the turbine wakes and (ii) the setting in motion of gravels with a diameter of 5 cm between the wakes. (author)
Abstract (French)
En depit d'un developpement operationnel seulement emergeant, l'extraction de l'energie cinetique des courants de maree par les hydroliennes apparait, des a present, comme une solution prometteuse pour contribuer, localement, a la transition energetique de territoires insulaires deconnectes du reseau electrique continental, ayant des besoins electriques limites, et situes dans des espaces naturels sensibles et/ou touristiques integrant un patrimoine visuel a preserver. Ce travail de these se consacre a la modelisation numerique tridimensionnelle des impacts hydrodynamiques et sedimentaires d'hydroliennes d'axe horizontal deployees dans le site pilote d'implantation de fermes hydroliennes du Passage du Fromveur, au coeur du parc naturel marin d'Iroise, a la pointe Bretagne. Les simulations numeriques se basent sur le modele oceanographique ROMS ('Regional Ocean Modelling System') modifie pour integrer un sous-modele theorique de disque actuateur assimilant l'hydrolienne a un disque poreux opposant a l'ecoulement une force equivalente a la poussee de la turbine. La methode est validee avec des mesures effectuees en laboratoire dans le sillage d'un disque poreux de 10 cm de diametre (D) immerge dans un courant permanent. Une resolution spatiale minimale egale a D/10 est necessaire pour reproduire les observations. Apres une etude de convergence numerique a echelle reelle, le modele ROMS est applique, selon une approche gigogne de maillages imbriques focalisee sur le Passage du Fromveur, pour examiner les interactions des sillages et les effets cumules au sein d'un parc de huit turbines de 10 m de diametre susceptible de satisfaire au besoin energetique de l'ile de Ouessant. L'agencement des turbines suit les recommandations communement adoptees avec une disposition en quinconce et des espacements longitudinaux de 10 D et lateraux de 5 D. En condition de vive-eau moyenne, le desalignement du courant au pic de flot exacerbe les interactions entre sillages, reduisant la production energetique du parc de pres de 15 % par rapport a celle du pic de jusant. Ce deficit de production energetique est limite a 2 % en ramenant l'espacement lateral des turbines a 3 D. Les predictions de ROMS sont enfin exploitees pour apprehender Vinfluence de cette derniere configuration de parc sur la dynamique sedimentaire locale. Les principaux effets attendus concernent (i) le depot de sediments de plus de 2 mm de diametre dans le sillage des dispositifs et (ii) la mise en mouvement de cailloutis de 5 cm de diametre entre les sillages. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Modelisation numerique de l'impact d'une ferme hydroliennes sur les conditions hydrodynamiques et sedimentaires du Passage du Fromveur en Mer d'Iroise
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 137 p.
- Report number
- FRNC-TH--15833
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 55061521
- Subject category
- S42: ENGINEERING; S97: MATHEMATICAL METHODS AND COMPUTING;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ACTUATORS; COMPUTERIZED SIMULATION; CONVERGENCE; ENERGY EFFICIENCY; FLOW MODELS; FLUID-STRUCTURE INTERACTIONS; HYDRODYNAMICS; MESH GENERATION; SEDIMENTS; SENSITIVITY ANALYSIS; SITE CHARACTERIZATION; SPATIAL RESOLUTION; TIDE; VELOCITY; WATER CURRENT POWER GENERATORS
- Descriptors DEC
- EFFICIENCY; ELECTRIC GENERATORS; ELECTRICAL EQUIPMENT; EQUIPMENT; FLUID MECHANICS; MATHEMATICAL MODELS; MECHANICS; RESOLUTION; SIMULATION
Optional Information
- Notes
- 109 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses