Les Sciences des Données appliquées aux données d’Observation de la Terre et à l’énergie Solaire pour la transition énergétique.

OBJECTIFS

Pour répondre aux besoins et aux défis de caractérisation, d’exploitation et de prévision à court, moyen et long termes de la ressource énergétique solaire, la chaire développe quatre axes :

• Axe 1 : Améliorer les méthodes d’estimation et de prévision de la ressource solaire
• Axe 2 : Mieux caractériser la variabilité spatio-temporelle de la ressource renouvelable
• Axe 3 : Développer et analyser de nouveaux usages fondés sur la maîtrise des données de rayonnement solaire
• Axe 4 : Favoriser l’utilisation de mesures in-situ et participer au développement de nouvelles instrumentations

Pour atteindre ces objectifs, la chaire SciDoSol s’appuie sur l’exploitation de vastes volumes de données variées provenant de l’Observation de la Terre (capteurs in-situ, satellites, modèles numériques météorologiques, etc.), et notamment du programme européen Copernicus. Elle mobilise également les méthodologies et techniques les plus innovantes et performantes des sciences des données.

CONTEXTE

Les énergies renouvelables (EnRs) participent d’ores et déjà à la transition énergétique en prenant progressivement une part importante dans les bouquets énergétiques des pays. Le développement de ces EnRs s’inscrit pleinement dans les objectifs de développement durable (SDGs : sustainable development goals) adoptés en 2015 par l'assemblée générale des Nations Unies, avec notamment :

• L’objectif 7 pour une énergie propre et d'un coût abordable ;
• L’objectif 9 pour une infrastructure résiliente et une industrie soutenable et innovante ;
• L’objectif 11 pour des villes durables ;
• L’objectif 13 pour une lutte contre les changements climatiques ;

Parmi ces EnRs, le rayonnement solaire représente la plus importante source d’énergie de la Terre avec plus de 175 millions de GW à chaque instant au sommet de son atmosphère. Elle constitue d’ailleurs le principal moteur ou source primaire de la plupart des phénomènes météorologiques et atmosphériques et donc de la plupart des énergies renouvelables. Plusieurs voies de conversion de cette énergie solaire sont exploitées comme les voies thermique, thermodynamique à concentration ou encore photovoltaïque (PV). Parmi les 100 actions les plus efficaces pour lutter contre le changement climatique identifiées par le collectif Drawdown [1], le développement de centrales PV au sol est classé 8^ième au classement général, et 2^ième parmi les solutions pour la production énergétique. De même, les systèmes PV en toiture en milieu urbain sont classés 10^ième (3^ième), tandis que les systèmes thermodynamiques à concentration et solaires thermiques sont classés respectivement 25^ième (7^ième) et 41^ième (11^ième).

En particulier, le photovoltaïque est depuis quelques années en plein essor, en raison notamment de ses coûts en constante décroissance [2] et de sa polyvalence permettant par exemple une production centralisée, décentralisée ou isolée, suivant des puissances installées allant de la centaine de watts à plusieurs centaines de mégawatts. En 2018, la capacité installée de photovoltaïque dans le monde était ainsi de l’ordre de 480 GWc et l’Agence Internationale de l’Energie (IEA) prévoit plus qu’un doublement de cette capacité d’ici cinq ans [3].

La ressource solaire peut aussi être exploitée par le biais d’optimisation de l’efficacité énergétique en intégrant, par exemple, les apports thermiques passifs ou lumineux dans la régulation des bâtiments.

L’intégration massive de l’énergie d’origine solaire dans l’utilisation et l’approvisionnement énergétique mondial requiert cependant une compréhension très fine de ses modes de variation spatiaux et temporels. En effet, l’utilisation optimale de cette ressource nécessite la prise en compte et l’anticipation de ses fluctuations tant spatiales que temporelles résultant de phénomènes météorologiques et climatologiques complexes. Une meilleure connaissance de la ressource solaire et des approches permettant sa caractérisation et sa prévision précise sont des éléments fondamentaux pour apporter des réponses académiques et opérationnelles à ces défis. Ces améliorations se jouent à différentes échelles spatiales allant des échelles sub-métriques urbaines à celles kilométriques d’une région ou d’un pays. Elle se joue aussi à différentes échelles temporelles, de l’historique de long terme à des échelles sub-horaires, journalières, saisonnières, et même climatologiques.

PROGRAMME

Les trois piliers de SciDoSol - recherche, transfert vers l’industrie et la société, formation - reposent sur les actions suivantes :

• Une production académique internationale de haut niveau.
• Quatre à six thèses de doctorat, un.e post-doctorant.e en parcours vers une Habilitation à Diriger des Recherches (HDR).
• Un transfert de connaissances avec la possibilité d’une valorisation rapide des résultats de recherche.
• Le partage des résultats scientifiques et techniques, et des échanges réguliers avec les communautés scientifiques et industrielles françaises concernées (workshops, webinar…).
• Une implication dans la formation d’élèves-ingénieur.e.s de MINES Paris-PSL avec des projets pédagogiques et des stages de recherche de trois à six mois.
• Des formations continues sur le rayonnement solaire et son exploitation à destination des jeunes recrues d’institutions académiques et d’industriels du domaine.