Sensibilité d’un système éolien flottant aux paramètres incertains & identification des variables observables pour l’assimilation de données

Réf. R0421S - CL - F- CALEYRON 25/11

Stage - Mathématiques Appliquées

Localisation : Rhône

Début : entre janvier et mai 2017
Durée : 5 mois
Indem. : Oui

IFP Energies nouvelles - Lyon

IFP Energies nouvelles est un organisme public de recherche, d’innovation industrielle et de formation intervenant dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. Sa mission est d'apporter aux acteurs publics et à l'industrie des technologies performantes, économiques, propres et durables pour relever les trois grands défis sociétaux du 21e siècle : changement climatique et impacts environnementaux, diversification énergétique et gestion des ressources en eau. Son expertise est internationalement reconnue.

IFP Energies nouvelles poursuit 5 priorités stratégiques, indissociables et complémentaires dans l'accomplissement de sa mission d’intérêt général :

  • Produire à partir de sources renouvelables des carburants, des intermédiaires chimiques et de l'énergie
  • Produire de l’énergie en réduisant l’impact sur l’environnement
  • Développer des transports économes et à faible impact environnemental
  • Produire à partir de ressources fossiles des carburants et intermédiaires chimiques à faible impact environnemental
  • Proposer des technologies respectueuses de l'environnement et repousser les limites actuelles des réserves d'hydrocarbures

Son école d'ingénieurs, partie intégrante d'IFP Energies nouvelles, prépare les générations futures à relever ces défis.

Sensibilité d’un système éolien flottant aux paramètres incertains & identification des variables observables pour l’assimilation de données

Dans un contexte énergétique en pleine mutation, les énergies marines, et l’éolien offshore flottant en particulier, constituent une source d’énergie prometteuse en France et à l’international. IFP Energies nouvelles intervient sur différents domaines de l’éolien flottant qui vont de l’estimation de la ressource vent au développement de supports flottants en passant par la définition de stratégie de contrôle des turbines et le développement de codes de calcul.

La conception de ces nouvelles technologies se fait dans un cadre réglementé spécifique à l’environnement dans lequel elles évoluent. En effet, les éoliennes offshores flottantes sont soumises à des chargements continus environnementaux (vent, houle, courant) générant des sollicitations qui conduisent à la fatigue de certains composants. La durée de vie en fatigue est estimée à l'aide de logiciels métiers qui permettent la simulation multi-physique du système via des modélisations couplées (hydrodynamique, aérodynamique, mécanique, contrôle), voir [1] et [2] par exemple. Ces simulations sont alimentées par des données qui sont inévitablement entachées d’incertitudes, que ce soit du point de vue du chargement environnemental ou bien des paramètres physiques des modèles. Ces incertitudes peuvent avoir un impact sur le comportement de la structure et doivent donc être réduites. Pour cela, l’instrumentation et la surveillance continue des éoliennes flottantes, couplées à des mesures environnementales, sont envisagées.

Le travail de stage proposé, s’inscrit dans le cadre d’un futur travail de thèse et vise à estimer la faisabilité de la mise en œuvre de techniques permettant d’estimer ces paramètres incertains. Celles-ci sont basées sur des approches dites d’assimilation de données, qui combinent de façon optimale les modèles numériques et les observations physiques. Pour cela, dans le cadre de ce stage, un cas d’étude sera tout d’abord défini (définition du système éolien flottant et des chargements) et les incertitudes seront précisées (lois des paramètres incertains du modèle, chargement environnementaux).

Le cœur du travail consistera en la mis en en œuvre de ce qu’on appelle une analyse de sensibilité, qui permet d’estimer de façon rigoureuse l’influence des différents paramètres d’entrée sur le fonctionnement du système. Les méthodes envisagées sont basées sur le principe de Monte-Carlo ou quasi-Monte Carlo pour le calcul d’indices de Sobol’. Ces indices permettent d’évaluer la part de variance de la sortie du modèle expliquée par une ou plusieurs variables d’entrée [3]. Les résultats de cette étude seront exploités afin de caractériser le problème étudié (impact des incertitudes, linéarité, coût calcul, quantité de mesures) et définir les mesures optimales qui pourraient être raisonnablement envisagées.

Le stage se déroulera à l’IFP Energies nouvelles à Lyon. L’étudiant sera régulièrement accueilli au sein de l’équipe AIRSEA (https://team.inria.fr/airsea/en/ ) sur Grenoble pour discuter des aspects méthodologiques.

[1] Le Cunff C. et al., Fully coupled floating wind turbine simulator based on nonlinear finite element method - part I : methodology, Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2013-10780.

[2] Perdrizet T. et al., Fully coupled floating wind turbine simulator based on nonlinear finite element method - part II : validation results, Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2013-10785.

[3] L. Gilquin, E. Arnaud, C. Prieur and H. Monod, Recursive estimation procedure of Sobol' indices based on replicated designs. Soumis pour pour publication, novembre 2016.

Caractéristiques du stage

  • Niveau : 5ème année école d’ingénieur, Master 2
  • Prérequis :

Compétences en mathématiques appliquées (optimisation, analyse numérique, probabilités / statistiques)

Compétences en mécanique

Compétences en programmation (Matlab, python, C ou Fortran)

  • Début du stage : 1er semestre 2017
  • Durée : 5 mois
  • Lieu : IFP Energies nouvelles - Etablissement de Lyon

Contacts et encadrement 

Entreprise - Laboratoire

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

  • l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
  • la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Ses programmes sont structurés autour de 3 priorités stratégiques :

  • Mobilité durable : développer des solutions pour des transports efficients et à faible impact environnemental
  • Énergies nouvelles: produire, à partir de sources renouvelables, des carburants, des intermédiaires chimiques et de l'énergie
  • Hydrocarbures responsables : proposer des technologies visant à satisfaire la demande en énergie et en produits chimiques en consommant moins d’énergie et en réduisant l’impact environnemental

L’équipe de recherche AIRSEA est une équipe de INRIA et du laboratoire Jean Kuntzmann de l’Université Grenoble Alpes. Les membres de AIRSEA ont pour objectif le développement de méthodes mathématiques et numériques pour la modélisation des flux atmosphériques et océaniques. Ces méthodes peuvent faire appel à des outils déterministes ou stochastiques. Les domaines d’application vont de la modélisation du climat à la prédiction d’évènements extrêmes.

 **************************************

Sensibility of a floating offshore wind turbine to uncertain parameters & identification of observable variables for data assimilation

In a fast-changing energy context, marine renewable energies in general and floating offshore wind energy in particular are a promising source of energy in France and aboard. IFP Energies nouvelles works on various domains of offshore wind turbines from wind resource characterization to the design of floating units, including the definition of control strategies for turbines and the development of calculation codes.

The design of these new technologies is made in a specific regulated framework related to their environment. Floating offshore wind turbines are submitted to various continuous environmental loadings (wind, current, swell), which generates solicitations and fatigue in some components. Fatigue lifetime is estimated with dedicated software that allows performing coupled multi-physics simulations of the systems (hydrodynamics, aerodynamics, mechanics and controls), see [1] and [2] for example. The inputs of these simulations necessarily include uncertainties regarding the environmental loadings and the physical parameters of the models as well. These uncertainties can have an influence on the simulated behavior of the systems and thus should be reduced. For that purpose, the instrumentation and the continuous monitoring of the floating wind turbines, coupled with environmental measures, are envisaged.

The proposed master internship is related to a future PhD research work and consists in evaluating the feasibility of the implementation of methods for the estimation of uncertain parameters. These methods are based on data assimilation approaches, which optimally combine numerical models and physical observations. To do so, in the framework of the internship, a realistic study case will be defined first (definition of floating offshore wind turbine system and associated loadings), and related uncertainties will then be specified (law of uncertain parameters, environmental loadings).

The core of the work will consist in conducting a sensitivity analysis to assess, in a rigorous way, how the uncertainty on an output of a model can be attributed to sources of uncertainty among the inputs. The approaches that will be considered are based on (quasi)-Monte Carlo principle for the calculation of Sobol’ indices. These indices are used to evaluate in what extend an input or group of inputs is responsible for the output variance [3]. The results of this study will be analyzed in order to better characterize the mathematical problem (influence of uncertainties, linearity, calculation costs, number and type of measures) and define the optimal measures that could be reasonably envisaged.

The internship will be located in IFP Energies nouvelles, in Lyon (France). The student will be regularly visiting the ARSEA team (https://team.inria.fr/airsea/en/), located in Grenoble, to discuss methodological aspects.

[1] Le Cunff C. et al., Fully coupled floating wind turbine simulator based on nonlinear finite element method - part I : methodology, Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2013-10780.

[2] Perdrizet T. et al., Fully coupled floating wind turbine simulator based on nonlinear finite element method - part II : validation results, Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2013-10785.

[3] L. Gilquin, E. Arnaud, C. Prieur and H. Monod, Recursive estimation procedure of Sobol' indices based on replicated designs. Soumis pour pour publication, novembre 2016.

Internship

  • Degree: Master Science
  • Prerequisites :

Skills in applied mathematics  (optimisation, numerical analysis, probability / statististics)

Skills in mechanics

Programming skills (Matlab, python, C ou Fortran)

  • Beginning : 1st semester 2017
  • Duration : 5 months
  • Location : IFP Energies nouvelles - Lyon

Contacts and supervision

Company - Laboratory

IFP Energies nouvelles (IFPEN) is a major research and training player in the fields of energy, transport and the environment. From research to industry, technological innovation is central to all its activities. As part of the public-interest mission with which it has been tasked by the public authorities, IFPEN focuses on:

  • providing solutions to take up the challenges facing society in terms of energy and the climate, promoting the transition towards sustainable mobility and the emergence of a more diversified energy mix;
  • creating wealth and jobs by supporting French and European economic activity, and the competitiveness of related industrial sectors.

Its programs are structured around 3 strategic priorities:

  • Sustainable mobility: developing effective, environmentally-friendly solutions for the transport sector;
  • New energies: producing fuels, chemical intermediates and energy from renewable sources;
  • Responsible oil and gas: proposing technologies that meet the demand for energy and chemical products while improving energy efficiency and reducing the environmental impact.

The Inria project Team AIRSEA is part of Laboratoire Jean Kuntzmann, University Grenoble Alpes. The general scope of AIRSEA is to develop mathematical and computational methods for the modelling of oceanic and atmospheric flows. Available mathematical tools involve both deterministic and statistical approaches. Domains of applications range from climate modelling to the prediction of extreme events.

Contact

IFP Energies nouvelles - Lyon
Fabien CALEYRON
Rond-point de l'échangeur de Solaize
69360 Solaize
Logo IFP Energies nouvelles - Lyon

Nouvelle recherche