Inversion déterministe avec un modèle CFD pour estimer les émissions de l'ISDND d'Ipswich

4.1.4.1 Contexte et présentation du site

Au cours de ma thèse, j'ai été amené à eectuer une mobilité de trois mois au sein de l'université de Manchester dans le cadre de mon nancement par la KIC-Climat. J'ai travaillé sur les données récoltées lors d'une campagne de mesures réalisées dans une ISDND située au Royaume-Uni an d'estimer ses émissions de méthane. Cette installation, dirigée par Viridor Waste Management Ltd., est située à Great Blakenham (longitude : 1,080763 , latitude : 52,109842 , altitude asl : 22 m) au nord d'Ipswich. Ce site, en exploitation depuis 1992, s'étend sur une surface totale de 330 000 m2. La partie en cours d'exploitation, représentée en rouge sur la gure 4.7, est appelée partie active de l'ISDND dans la suite de cette section. La campagne de mesures s'est déroulée pendant deux semaines au début du mois d'août 2014 pendant lesquelles les concentrations en méthane et en dioxyde de carbone ont été mesurées à certaines localisations xes de l'installation de stockage des déchets non dangereux. Un FTIR Ecotech était installé au nord du site à l'endroit appelé Portakabin sur la gure 4.7 et des mesures supplémentaires étaient réalisées à la localisation Ridge avec un Ultraportable Greenhouse Gas Analyser (UGGA) développé par Los Gatos (San Jose, California, USA). Un chromatographe en phase gazeuse (GC Agilent) était installé à 700 mètres au sud-ouest de l'ISDND (Inghams Farm) et un analyseur CRDS Picarro à 300 mètres au nord-est (Chalk Hill Lane) an de mesurer les concentrations de fond en méthane pour diérentes conditions météorologiques.

(a) (b)

Figure 4.7  (a) Vue aérienne de l'installation de stockage des déchets non dangereux d'Ipswich en Grande-Bretagne dont la partie active est représentée en rouge. (b) Concentrations simulées au niveau de la localisation Portakabin à l'aide du modèle CFD provenant de la partie active du site pour un débit unitaire de 1 g:s 1 en fonction de la direction du vent et pour diérentes vitesses de vent.

Durant cette campagne, plusieurs méthodes d'estimation des émissions de méthane ont été déployées an de comparer les résultats obtenus : Riddick et al. (2016) ont utilisé une inversion atmosphérique déterministe avec un modèle Lagrangien tandis que Mønster and Scheutz (2015) ont déployé la méthode traceur.

4.1.4.2 Inversion déterministe avec un modèle CFD

Pour ce site, j'ai été amené à travailler avec les concentrations en méthane mesurées en continue au niveau de diérentes localisations de l'ISDND alors que pour les autres campagnes j'utilise des données mobiles. De ce fait, la méthode d'exploitation des données de ce site est diérente de celle utilisée précédemment. Les concentrations en méthane atmosphérique mesurées à la localisation "Portakabin" sont couplées à un modèle CFD an d'estimer les émissions de l'installation. Ce type de modèle a été choisi plutôt qu'un modèle gaussien du fait de la complexité de la zone étudiée, en eet il a été démontré que les modèles CFD donnaient de meilleurs résultats pour des zones présentant une topographie complexe comme cela est le cas ici (Buccolieri and Sabatino, 2011). Pour que les concentrations mesurées au niveau du repère "Portakabin" soient inuencées par la zone active de l'ISDND, la direction du vent doit

approximativement être comprise entre 120 et 220. De telles conditions de vent se sont produites les 9, 11 et 12 août en journée mais également dans la nuit du 11 au 12 août. L'ensemble de ces travaux, décrits dans un article en cours de révision rédigé par Sonderfeld et al., a été réalisé en partenariat avec l'université de Leicester qui ont fait tourner le modèle CFD et l'université de Manchester.

Les concentrations au niveau du point de prélèvement du FTIR (repère "Portakabin") sont simulées en forçant le modèle CFD avec un ux unitaire pour chacune de ces deux sources séparément, diérentes vitesses de vent comprises entre 4 et 10 m:s 1et diérentes directions de vent comprises entre 120 et 280

. Ces concentrations modélisées sont alors comparées aux concentrations en méthane mesurées à la même localisation. Pour ce faire, les concentrations mesurées correspondant aux diérentes plages de directions et de vitesses de vent utilisées dans le modèle sont moyennées et l'augmentation des concentrations de méthane du fait de la zone active de l'ISDND est déterminée en leur soustrayant la concentration de fond mesurée au niveau de la ferme d'Inghams. Le ux d'émission de la source étudiée est estimé avec un ajustement linéaire des concentrations simulées par la méthode des moindres carrés pour chaque jour et pour la nuit du 11 au 12 août.

Deux sources ont successivement été prises en compte. Dans un premier temps la zone active représentée en rouge sur la gure 4.7 a été utilisée pour simuler les concentrations en méthane au niveau de la localisation "Portakabin". Puis une zone additionnelle représentée en rose sur la gure 4.9 a été ajoutée du fait de la sous-estimation des concentrations modélisées par le modèle CFD sur la plage de vent comprise entre 220 et 240 par rapport aux concentrations mesurées.

4.1.4.3 Estimations des émissions de méthane de l'ISDND d'Ipswich Estimations des émissions de méthane de la partie active

La gure 4.7b présente les concentrations simulées en fonction de la direction du vent pour quatre vitesses de vent (4, 6, 8 et 10 m:s 1) pour un ux unitaire de 1 g:s 1 émis par la zone active, représentée en rouge sur la gure 4.7a, d'une supercie de 17 823 m2. Les ux estimés sont regroupés dans le tableau 4.4 suite à l'inversion déterministe pour les diérents jours de mesures et les diérentes vitesse de vent. Les ux surfaciques estimés pour les diérents jours sont compris entre 0,66 et 0,92 mg.m 2.s 1 et sont relativement proches les uns des autres, même pour des vitesses de vent diérentes. On remarque que l'on trouve un ux plus important de 1,38 mg.m 2.s 1 durant la nuit. Ce phénomène est probablement lié à la stabilisation de l'atmosphère durant cette période qui limite la dispersion verticale et favorise ainsi une augmentation des concentrations de polluants en surface. Lorsque toutes les données sont utilisées en même temps, un ux surfacique moyen de 0,83  0,04 mg.m 2.s 1est estimé correspondant à un ux de 1 278 kg:j 1.

Table 4.4  Flux de méthane estimés grâce au modèle CFD et à l'ajustement des concentrations simulées par la méthode des moindres carrés pour la zone active de l'installation de stockage des déchets non dangereux.

Date Jour / Nuit Vitesse du vent (m:s 1) Flux estimés (mg.m 2.s 1)

09/08 Jour 4 0,89  0,22 6 0,92  0,11 8 0,80 11/08 Jour 4 0,80  0,05 6 0,87  0,10 8 0,79  0,15 10 0,66  0,01 12/08 Jour 6 0,68  0,09 8 0,80  0,20 10 0,90  0,02 11-12/08 Nuit 4 1,37  0,16 6 1,39  0,27

On remarque que les concentrations modélisées diminuent fortement lorsque la direction de vent est comprise entre 220 et 240  contrairement aux concentrations mesurées. Cela laisse à supposer qu'une

Chapitre 4. Quantication des émissions de méthane provenant du secteur des déchets

Figure 4.8  Superposition des concentrations en méthane mesurées à la localisation portakabin en fonction de la direction et la vitesse du vent (en traits pointillés) avec les concentrations simulées par le modèle CFD provenant de la zone active après inversion (en traits continus).

source additionnelle doit être prise en compte par le modèle CFD. Estimations des émissions de méthane de la partie additionnelle

Durant la campagne, aucune émission provenant de la zone située entre les positions Ridge et Portakabin n'a été observée, cependant des émissions ont pu être détectées entre la zone active et la position Ridge mais aussi à l'ouest de la zone active. De ce fait une zone additionnelle d'une surface de 26 400 m2, représentée en rose sur la gure 4.9a, a été ajoutée au modèle CFD. La fonction de réponse du modèle de cette zone additionnelle pour un ux unitaire de 1 g:s 1est présentée sur la gure 4.9b.

La gure 4.10 présente la superposition des concentrations en méthane mesurées et simulées par le modèle CFD avec la zone additionnelle. On remarque que les concentrations simulées pour une direction de vent de 220  sont mieux représentées par le modèle avec la zone additionnelle. Les ux estimés pour les diérentes vitesses de vent suivant les jours sont regroupés dans le tableau 4.5, les résultats obtenus pour les faibles vitesse de vent (4 m:s 1) ne donnent pas de résultats réalistes et ne sont donc pas pris en compte. En utilisant toutes les données pour réaliser l'ajustement linéaire par la méthode des moindres carrés, on trouve un ux de 0,71  0,05 mg.m 2.s 1 pour la zone active et de 0.32  0,08 mg.m 2.s 1

pour la zone additionnelle, soit un ux total de 1 823 kg.j 1.

Mønster and Scheutz (2015) ont estimé que les émissions de l'ensemble du site étaient comprises entre 5 208 et 9 792 kg.j 1 avec la méthode traceur tandis qu'avec la méthode d'inversion atmosphérique avec un modèle Lagrangien de Riddick et al. (2016), on obtient une estimation de 4 288  1 801 kg.j 1. Le modèle utilisé par l'exploitant basé sur la quantité et la composition des déchets stockés donne quant à lui une estimation des émissions moyennes annuelles de 6 110 kg.j 1. Toutes ces estimations sont bien supérieures à celle trouvée avec notre méthode mais il est à noter qu'elles fournissent une estimation des émissions de l'ensemble du site alors que nous nous sommes focalisés sur les émissions de la partie active de l'ISDND. La dénition de la zone étudiée est donc un paramètre crucial du modèle CFD qu'il est important de dénir soigneusement. Il conviendrait d'étendre la zone modélisée pour pouvoir comparer ces chires de façon plus appropriée.

(a) (b)

Figure 4.9  (a) Vue aérienne de l'installation de stockage des déchets non dangereux d'Ipswich en Grande-Bretagne avec une zone d'émission supplémentaire indiquée en rose située entre la partie active, représentée en rouge, et le point de mesures Ridge. (b) Concentrations simulées au niveau de la localisation Portakabin à l'aide du modèle CFD provenant de la zone additionnelle uniquement pour un débit unitaire de 1 g:s 1 en fonction de la direction du vent et pour diérentes vitesses de vent.

Figure 4.10  Superposition des concentrations en méthane mesurées à la localisation portakabin en fonction de la direction et la vitesse du vent (en traits pointillés) avec les concentrations simulées par le modèle CFD provenant de la zone active et de la zone additionnelle du site après inversion (en traits continus).

4.2 Estimation des émissions de méthane provenant de l'épuration des