Paul Adrien Alves

Titre : Conditions environnementales extrêmes en mer : application au Raz Blanchard

Encadrants : Guillaume Charria (LOPS Ifremer), Nicolas Raillard (LHYMAR Ifremer)
Financement : Ifremer
Date de début : 14/11/2024
Cette thèse est effectuée dans le cadre du Verti-Lab (laboratoire commun Ifremer - HydroQuest). HydroQuest est une entreprise spécialisée dans l'hydrolien en mer.
Le projet a pour objectif d'installer une ferme hydrolienne puissante dans le Raz Blanchard en Normandie, entre la péninsule du Cotentin et l'île anglo-normande d'Aurigny. Le Raz Blanchard est connu pour ses courants de marée très rapides (jusqu'à 5 m/s), inégalés en Europe, ainsi que ses caractéristiques hydrodynamiques particulières [1], et son potentiel énergétique est bien identifié [2, 3]. La mer y est en permanence particulièrement agitée (la vitesse moyenne du courant est supérieure à 2 m/s).
À l'instar du reste de la planète, le Raz Blanchard n'est pas épargné par la probabilité de survenue d'événements dits extrêmes, c'est-à-dire des événements par définition rares et d'une intensité exceptionnelle pour la période. La récente tempête Ciarán (2023) qui a touché la façade Atlantique de l'Europe de l'Ouest peut par exemple être considérée comme un événement extrême.
Cette mer représente un danger pour les structures que l'on souhaite y installer. En conception des structures, on souhaite pouvoir maintenir le matériel opérationnel pendant plusieurs dizaines d'années, à l'image, par exemple, des fermes éoliennes en mer qui doivent produire dans des conditions optimales pendant 20 à 30 ans [4]. Ainsi, la structure doit être dimensionnée de sorte à résister non seulement aux conditions rudes mais habituelles du Raz Blanchard, mais aussi à des conditions résultant d'événements extrêmes qui, bien que rares, n'ont besoin de se produire qu'une fois pour endommager considérablement la machine.
Cette thèse propose donc de caractériser précisément les conditions environnementales du Raz Blanchard, en particulier en étudiant les facteurs coïncidant avec les hauteurs significatives des vagues extrêmes ainsi que leur interactions, notamment avec le courant [5, 6]. Pour cela, nous nous appuierons sur des méthodes statistiques adaptées à la modélisation de valeurs élevées [7, 8, 9] appliquée à la base de données marine RESOURCECODE [10] constituée de 27 ans de données de sorties de modèle numérique avec un maillage fin pour toute l'Europe de l'Ouest. RESOURCECODE s'appuie des forçages de vent provenant d'ERA5, utilise le modèle WAVEWATCH-III pour les états de mer et enfin MARS-2D pour les courants (uniquement des courants de marée, dominants au Raz Blanchard).
Dans un second temps, la thèse s'intéressera à la reconstitution de spectres de vagues par analyse de données fonctionnelles [11] à partir de données d'états de mer, avec l'objectif de pouvoir obtenir des spectres parfois plus fidèles à la réalité et tenant compte des événements extrêmes, ce qui n'est pas toujours le cas avec la modélisation JONSWAP [12], largement utilisée aujourd'hui pour la génération de spectres de vagues.

[1] Bailly du Bois, P., Dumas, F., Morillon, M., Furgerot, L., Voiseux, C., Poizot, E., ... & Bennis, A. C. (2020). The Alderney Race: general hydrodynamic and particular features. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 378(2178), 20190492.
[2] Myers, L., & Bahaj, A. S. (2005). Simulated electrical power potential harnessed by marine current turbine arrays in the Alderney Race. Renewable energy, 30(11), 1713-1731.
[3] Furgerot, L., Sentchev, A., du Bois, P. B., Lopez, G., Morillon, M., Poizot, E., ... & Bennis, A. C. (2020). One year of measurements in Alderney Race. Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 378(2178), 1-20.
[4] Shafiee, M. (2024). Extending the Lifetime of Offshore Wind Turbines: Challenges and Opportunities. Energies, 17(16), 4191.
[5] Mackay, Ed & Hardwick, Jon. (2022). Joint Extremes of Waves and Currents at Tidal Energy Sites in the English Channel. 10.1115/OMAE2022-79348.
[6] Bennis, A. C., Furgerot, L., Du Bois, P. B., Dumas, F., Odaka, T., Lathuiliere, C., & Filipot, J. F. (2020). Numerical modelling of three-dimensional wave-current interactions in complex environment: application to Alderney Race. Applied Ocean Research, 95, 102021.
[7] Coles, S. (2001). An Introduction to Statistical Modeling of Extreme Values. London: Springer London. ISBN: 978-1-84996-874-4
[8] Yu, K., & Moyeed, R. A. (2001). Bayesian quantile regression. Statistics & Probability Letters, 54(4), 437-447.
[9] Ross, E., Astrup, O. C., Bitner-Gregersen, E., Bunn, N., Feld, G., Gouldby, B., ... & Jonathan, P. (2020). On environmental contours for marine and coastal design. Ocean Engineering, 195, 106194.
[10] Accensi, M., Alday, M., Maisondieu, C., Raillard, N., Darbynian, D., Old, C., ... & Guitton, G. (2021, September). ResourceCODE framework: A high-resolution wave parameter dataset for the European Shelf and analysis toolbox. In 14th European Wave and Tidal Energy Conference, EWTEC 2021 (pp. 2182-1). EWTEC.
[11] Ramsay, J. O., Silverman, B. W. (2005). Functional Data Analysis. Springer. ISBN: 9780387400808
[12] Hasselmann, K., Barnett, T. P., Bouws, E., Carlson, H., Cartwright, D. E., Enke, K., ... & Walden, H. (1973). Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP). Ergaenzungsheft zur Deutschen Hydrographischen Zeitschrift, Reihe A.