Understanding regional climate variability for solar energy development in West Africa.
Compréhension de la variabilité climatique régionale pour le développement de l’énergie solaire en Afrique de l'Ouest
Résumé
Since Paris Agreement in 2015, interest in projects dealing with solar photovoltaic energy implementation in West Africa (WA) has risen tremendously. Nevertheless, a notable drawback to such development in the region is the intense cloud cover which reduces incoming solar radiation when present and causes fluctuations in power production. Understanding the occurrence of clouds and their impacts on the incoming solar radiation is important for developing strategies to manage power generation. However, our understanding of clouds in WA is still relatively low. This is further complicated by the possible future impacts of climate change on the atmospheric factors that control solar power generation. Thus, this thesis seeks to address the following questions:1. How frequent and in what synoptic conditions do clouds occur and evolve in WA?2. What are the effects of the occurrence of clouds on the incoming solar radiation?3. How will climate change affect solar power generation and its atmospheric drivers?A climatology of various cloud types is first created using reanalysis and satellite-based data. In general, cloud cover in WA is characterized by a south-north gradient, with the southern areas cloudiest at all times. During the wet season, the cloud coverage is between 70% and 80% over southern WA. High- and mid-level clouds occur throughout the year over the whole region. However, low clouds, with distinct seasonal and spatial variations, are primarily confined to the south in the dry season but intensify and extend northward in the wet season. South of 15°N, at least one cloud type is present at all times, and simultaneous occurrence of all cloud types is frequent.Afterward, the synoptic conditions in which low clouds occur are investigated. During the wet season, low cloud occurrences are characterized by a high moisture flux dominated by a significant amount of background moisture and strong southwesterly winds blowing from the Guinea Coast. Furthermore, low cloud occurrence is preceded by a significant reduction of the air temperature in the lower atmosphere. Moisture flux is weaker in the dry season; however, the background moisture plays an important role in low clouds’ occurrences.Next, the direct impacts of cloud occurrence on the quantity and variability of incoming solar radiation are quantified. The attenuation of solar radiation is greatest during the summer months. In August, about 55% of solar radiation is lost on average over southern WA, while between 20% and 35% is lost over the Sahel area and northern parts of the region. In terms of the variability, the sub-daily evolution of the incoming solar radiation does not change much from one year to the other in the dry season. On the other hand, the radiation received during the rainy season is associated with higher uncertainty.Finally, the impacts of climate change on future solar power potential and its drivers are investigated with a suite of CMIP6 climate models. Solar power generation is expected to decrease in the region, with most of the models projecting about a 20% reduction over southern WA in the second part of the 21st century. All models project a decrease in surface solar radiation and an increase in the near-surface air temperature. However, the projected reduction of the future solar power potential is mainly due to decreasing solar radiation rather than rising temperatures. These results contribute to the ongoing feasibility assessments of long-term solar energy projects and have direct implications for the siting of solar farms in the region.
Après la COP21 en 2015, les projets de déploiement d’infrastructures photovoltaïques pour l’électrification de l’Afrique de l’Ouest (AO) augmentent significativement. Néanmoins, la couverture nuageuse demeure une limite dans ce déploiement massif. Ainsi, il est important de mieux comprendre pour mieux anticiper la présence des nuages et leurs impacts sur le rayonnement solaire pour mettre en œuvre des stratégies de gestion de production d’énergie solaire adaptées et durables. Notre compréhension sur la variabilité spatio-temporelle des nuages en AO reste encore limitée. Ces enjeux sont exacerbés dans un contexte d’évolution climatique dans la mesure où il est nécessaire de bien anticiper les impacts futurs possibles sur les facteurs physiques qui contrôlent la production d’énergie solaire dans la région. Ainsi, cette thèse s’est attachée à répondre aux questions suivantes:1. Quelles sont les échelles de variabilité spatio-temporelle des nuages en AO et quelles sont les conditions synoptiques associées?2. Quelles sont les signatures des nuages sur le rayonnement solaire net au sol?3. Comment le changement climatique affectera-t-il la production d’énergie solaire et pourquoi?Une climatologie des différents types de nuages au-dessus de l’AO a d’abord été créée en utilisant les réanalyses ERA5 et des observations par satellite. Les résultats montrent que la couverture nuageuse est caractérisée par un gradient sud-nord, les zones méridionales étant les plus nuageuses. Pendant la saison des pluies, les nuages couvrent 70 à 80% de la région sud de l’AO. Les nuages bas sont principalement localisés au sud pendant la saison sèche, mais s’intensifient et s’étendent vers le nord pendant la saison des pluies. Au sud de 15° N, au moins un type de nuage est présent à tout moment, et la présence simultanée de tous les types de nuages est fréquente.Puis, les conditions synoptiques dans lesquelles se produisent les nuages bas ont été étudiées. Les résultats montrent que pendant la saison des pluies, les occurrences de ces nuages sont caractérisées par un flux de sud-ouest dominé par une quantité́ importante d’humidité́ venant du Golfe de Guinée. La formation des nuages bas est précédée d’une réduction significative de la température de l’air dans la basse atmosphère. Le flux d’humidité́ est plus faible pendant la saison sèche; cependant, le niveau d’humidité́ de fond joue un rôle important dans l’apparition de ces nuages dans la région.Les impacts directs de l’apparition des nuages sur la quantité́ et la variabilité́ du rayonnement solaire entrant sont quantifiés. L’atténuation du rayonnement solaire est la plus importante pendant les mois d’été dans toute la région. En août, environ 55% du rayonnement solaire est absorbé par la couverture nuageuse en moyenne sur le sud de l’AO, tandis qu’entre 20 et 35% est perdu sur la zone du Sahel et les parties nord de la région. L’étude a révélé́ également qu’en saison sèche, l’évolution infra-journalière du rayonnement solaire entrant ne change pas beaucoup d’une année à l’autre. En revanche, le rayonnement reçu pendant la saison des pluies est associé à une plus grande incertitude.Enfin, les impacts du changement climatique sur la production future d’énergie solaire sont étudiés à l’aide de quatre modèles climatiques CMIP6. Les résultats montrent une diminution de la production d’énergie solaire en AO, la plupart des modèles prévoyant une réduction d’environ 20% dans le sud de l’AO au cours de la deuxième partie du 21e siècle. Tous les modèles projettent une diminution du rayonnement solaire de surface et une augmentation de la température de l’air à la surface. Cependant, la réduction prévue de la production future d’énergie solaire est principalement liée à la diminution du rayonnement solaire de surface plutôt qu’à l’augmentation de la température. Ces résultats contribuent directement aux études de faisabilité́ d’implantation des fermes solaires dans la région.
Origine : Version validée par le jury (STAR)