Pompage-turbinage

Le pompage-turbinage est une technique de stockage de l'énergie électrique qui consiste à remonter de l'eau d'un cours d'eau ou d'un bassin, pour la stocker dans des bassins d'accumulation, lorsque la production d'électricité est supérieure à la demande — c'est le pompage —, puis de turbiner l'eau ainsi mise en réserve pour produire de l'énergie électrique lorsque la demande est forte — c'est le turbinage. Elle participe à l'ajustement entre l'offre d'électricité et la demande.

Installation de pompage-turbinage du Koepchenwerk (de), près de Herdecke, en Allemagne. Elle a été inaugurée en 1930.

Cette technique a été utilisée pour la première fois en Suisse et en Italie dans les années 1890. En 2019, la puissance mondiale installée atteint 158 GW.

Les centrales de pompage-turbinage sont également appelées STEP pour « Stations de transfert d'énergie par pompage ».

Principe
Le dispositif avec plusieurs barrages d'accumulation du Drakensberg Pumped Storage Scheme (en) en Afrique du Sud.

Le pompage-turbinage consiste à produire de l'électricité avec une centrale hydroélectrique ayant la particularité d'être réversible. L'eau est soit prélevée du réservoir supérieur pour produire de l'énergie électrique (turbinage), soit remontée du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur pour augmenter son énergie potentielle (pompage), ce qui permet de stocker de l'énergie.

  • Lors du pompage, de l'électricité est consommée par des moteurs actionnant des turbines-pompes pour déplacer l'eau du niveau inférieur au niveau supérieur.
  • Lors du turbinage, l'eau qui descend du niveau supérieur vers le niveau inférieur actionne les turbines reliées aux alternateurs qui produisent de l'électricité.

Un cycle de pompage-turbinage occasionne une perte d'énergie d'environ 15 à 30 %[1].

Le pompage-turbinage est aussi utilisé pour des utilisations plus complexes disposant de plusieurs barrages d'accumulation. Quand l'électricité est excédentaire sur le réseau, elle est utilisée pour pomper l'eau dans des barrages d'accumulation à plus basses altitudes vers celui à haute altitude. Quand la demande d'électricité est plus forte, le barrage d'accumulation à plus haute altitude turbine l'eau en vallée et produit de l'électricité. L'eau est ainsi turbinée à un autre endroit que celui où elle est pompée.

Exemple concret

Le plus grand complexe de pompage-turbinage en France est le site de Grand'Maison en Isère. Il est composé de deux réservoirs. Le réservoir supérieur dit lac de Grand'Maison, d’un volume utile de 132 millions de mètres cubes, et le réservoir inférieur dit lac du Verney, d’un volume utile de 14,3 millions de mètres cubes[2].

Le volume maximum disponible est donc de 14,3 millions de mètres cubes en fonctionnement optimum de pompage-turbinage. Il est possible d’aller au delà, mais en régime turbinage simple ou en ajoutant les apports naturels de l'Eau d'Olle.

En turbinage, la puissance maximum de production électrique est de 1 800 MW. À cette puissance, la « consommation d’eau » est de 216,3 m3/s, soit environ 0,78 million de mètres cubes par heure. En fonctionnement optimal de pompage-turbinage, il faut un peu plus de 18 h pour remplir intégralement le lac inférieur (s’il était vide) et produire 33 000 MWh.

En pompage, huit des douze groupes sont réversibles. Ils sont capables de remonter 135 m3/s vers le lac supérieur, soit un peu moins d’un demi million de mètres cubes par heure, nécessitant une puissance de 1 270 MW (supérieure à la production d'une tranche nucléaire). Il faut alors un peu plus de 29 h de pompage pour vider le lac inférieur et consommer un peu plus de 37 000 MWh.

Statistiques mondiales

La puissance installée des centrales de pompage-turbinage atteint 157 994 MW dans le monde en 2019, dont 30 290 MW en Chine (19,2 %), 27 637 MW au Japon (17,5 %) et 22 855 MW aux États-Unis (14,5 %) ; ces trois pays rassemblent 51,2 % du total mondial[3].

Puissance installée des centrales de pompage-turbinage en 2019
Région Puissance totale
fin 2019 (GW)
Asie orientale et Pacifique68,3
Europe54,9
Amérique du Nord et centrale23,0
Asie méridionale et centrale7,5
Afrique3,4
Amérique du Sud1,0
Monde158
Principaux pays
Chine30,29
Japon27,64
États-Unis22,85
Italie7,68
Allemagne6,36
Espagne6,12
France5,84
Autriche5,60
Inde4,79
Corée du Sud4,70
Suisse3,03
Afrique du Sud2,91
Royaume-Uni2,83
Portugal2,82
Taïwan2,60
Pologne1,78
Ukraine1,56
Norvège1,44
Bulgarie1,40
Russie1,38
Australie1,34
Belgique1,31
Luxembourg1,30
République tchèque1,17
Iran1,04
Slovaquie1,02
Thaïlande1,00
Argentine0,97
Lituanie0,90
Grèce0,70
Philippines0,68
Serbie0,64
Maroc0,46
Source des données : International Hydropower Association[3].
 

Principales centrales
Centrale de pompage-turbinage de Kruonis en Lituanie (900 MW - extension ultérieure à 1 600 MW en projet).

Cette section compare les centrales du point de vue de leur puissance. Elle ne mentionne pas l'énergie totale stockable, critère majeur mais rarement fourni par les sources usuelles.

En 2019, les pays les mieux dotés en puissance de pompage/turbinage[3] sont :

La plus puissante centrale de pompage-turbinage du monde est celle de Bath County (3 003 MW), aux États-Unis, en Virginie ; elle est suivie par deux centrales chinoises : Huizhou (2 448 MW) et Guangzhou (2 400 MW).

L'Europe compte 12 des 50 plus importantes STEP au monde :

  • au 7e rang, la centrale française de Grand'Maison (1 800 MW) ;
  • au 8e rang, la centrale britannique de Dinorwig (1 728 MW) ;
  • au 16e rang, la centrale d'Entracque en Italie (1 317 MW) ;
  • au 28e rang, la centrale de Coo-Trois-Ponts en Belgique (1 164 MW) ;
  • au 30e rang, le complexe de Linth-Limmern (1 140 MW), dans la vallée de la Linth, qui comprenait déjà une centrale de pompage-turbinage de 140 MW entre le lac de Limmern et la centrale de Tierfehd, et a été complété par le projet Linthal 2015 qui ajoute (1 000 MW) entre les lacs de Limmern et de Mutt, 600 mètres plus haut[5] ; il a été mis en service en 2016[6] ;
  • au 31e rang, la centrale de Vianden (1 096 MW) au Luxembourg ;
  • aux 36e et 38e rangs, les centrales allemandes de Goldisthal (1 060 MW) et de Markersbach (1 050 MW) ;
  • au 40e rang, la centrale autrichienne de Malta-Reisseck (1 026 MW) ;
  • aux 41e, 47e et 48e rangs, les centrales italiennes de Roncovalgrande (1 016 MW), d'Edolo (1 000 MW) et de Presenzano (1 000 MW).

Potentiels et perspectives

La Chine s'est fixé l'objectif de parvenir en 2020 à plus de 40 GW de pompage-turbinage afin de compenser l'intermittence des nombreuses centrales éoliennes et solaire en construction ; 60 GW sont en construction ou en développement et la National Energy Administration espère atteindre une puissance installée de 90 GW en 2025[7].

En 2020, la centrale japonaise en construction de Kannagawa devrait prendre le 2e rang mondial avec 2 820 MW.

Entre 2014 et 2020 sont prévus, en Europe, environ 60 projets pour 27 GW, surtout en Espagne et dans les trois pays alpins qui prévoient d'ajouter 11 GW supplémentaires (4 GW en Allemagne, 3,5 GW en Autriche et 3,5 GW en Suisse)[8],[9].

En France, EDF a entamé la rénovation de deux STEP :

  • le projet de La Coche, en Savoie, démarré en 2017, vise à lui ajouter 20 % de puissance et doit aboutir fin 2019[4] ;
  • celui de Romanche-Gavet, ouvert en 2010, doit augmenter la productivité du site de 30 % et s’achever en 2020[10].

Le potentiel serait encore de 6 000 MW, dont 2 500 MW en Savoie seule, mais l'imminente mise en concurrence des concessions freine les investissements d'EDF. Les coûts de raccordement au réseau, les problèmes d’acceptabilité des riverains, les contraintes réglementaires et l'éventualité d'une concurrence des batteries électrochimiques sont autant d'obstacles aux nouveaux projets[4].

Centrales de pompage de bord de mer

Des projets de centrales de pompage-turbinage d'eau de mer ont été proposés depuis le lancement de la construction de parcs éoliens en mer. Afin de compenser l'intermittence de la production des éoliennes, il est nécessaire de leur adjoindre des capacités de stockage de l'électricité excédentaire produite pendant les périodes de grand vent, afin l'utiliser lors des périodes de vent faible ou de forte demande ; les centrales de pompage-turbinage sont la solution idéale pour réaliser ce stockage. Afin de minimiser les pertes de transport et les perturbations apportées au réseau électrique par les fortes fluctuations de la production des éoliennes, il est souhaitable de construire de telles centrales au plus près des parcs éoliens, d'où l'idée de bâtir des réservoirs au sommet des falaises et des centrales au pied de ces falaises.

Une telle centrale a été construite au Japon, dans l'île d'Okinawa[11] en 1999 avec un dénivelé moyen de 136 mètres et une puissance turbinable de 30 MW utilisable pendant huit heures[12], mais a été fermée après quelques années d'exploitation[réf. nécessaire].

En France, plusieurs études ont été consacrées à l'identification du potentiel des côtes de la Manche et de la Bretagne[13], qui apparaît intéressant. Une douzaine de sites répondent aux critères de compétitivité : dénivelé d'une centaine de mètres entre la mer comme réservoir bas et un réservoir de 1 à 2 km2 situé à l'écart des villages sur une falaise, puissance installée de 1 à 2 GW pour un investissement de l’ordre de deux milliards d’euros, voisin de celui des STEP de montagne existantes[14],[15]. EDF estime le potentiel des STEP marines à 5 000 MW[16], dont un en Guadeloupe et un à la Réunion[17]. Un projet détaillé a été réalisé par l'ENSEEIHT, qui conclut à la faisabilité technique du projet, à son impact environnemental réduit, mais à son absence de rentabilité dans les conditions actuelles, conclusion qui pourrait cependant changer rapidement avec le coût croissant des contraintes causées par l'intégration dans le réseau de la production des éoliennes[18].

En Belgique, un projet d'île artificielle vise à stocker l'énergie produite par les champs d'éoliennes de la mer du Nord, selon un schéma inverse de celui des STEP de falaise : l'eau d'un puits au centre de l'île serait pompée pour stocker l'énergie excédentaire, puis de l'eau de mer serait turbinée, remplissant le puits, pendant les périodes de vent faible ou de forte demande[19].

Centrales de pompage insulaires

La centrale hydro-éolienne d'El Hierro, sur l'île la plus petite de l’archipel des Canaries, située au large du Maroc, est un exemple d’un système combinant éoliennes et pompage-turbinage dans une démarche visant l'autonomie en électricité. Cinq éoliennes et deux bassins sont reliés par des canalisations sur 700 m de dénivelé, fournissant 11,5 mégawatts pour 10 000 habitants. L'énergie produite par les éoliennes en surplus de la demande est stockée pour alimenter le réseau dans les phases de manque de vent[20]. En 2016, la centrale « hydroéolienne » a couvert en moyenne 41 % des besoins d'électricité de l'île ; le taux de couverture a atteint 100 % pendant 500 heures, soit 5,7 % de l'année[21].

Recherche et développement

Leif-Erik Langhans, de la Ruhr-Universität de Bochum, a étudié un système d'éolienne couplée à une centrale hydraulique de pompage-turbinage[pourquoi ?]. L'énergie éolienne excédentaire sert à amener l'eau dans un bassin surélevé ; cette réserve d'eau est turbinée pour produire de l'électricité en période de faible vent ou de forte demande[réf. nécessaire].

Autres extensions du concept

Des nombreuses idées sont lancées, en particulier en Allemagne :

  • stocker de l'énergie potentielle pondérale de l'eau :
    • utiliser d'anciens puits de mines noyés comme sites de pompage/turbinage[22],[23],
    • utiliser les canaux en pompant l'eau des biefs inférieurs vers les biefs supérieurs[24] ;
  • stocker l'énergie sous forme de différentiel de pression :
    • plonger des réservoirs de béton à de grandes profondeurs sur le plancher marin, utiliser les excédents d'électricité éolienne pour vider ces réservoirs, et les remplir pendant les heures creuses en turbinant l'eau qui y pénètre sous haute pression[25],
    • dans un sol granitique, détacher à partir de la surface un cylindre de taille importante (1 km de diamètre pour 500 m de haut, dans l'étude) et créer un joint d'étanchéité autour du cylindre. Ensuite injecter de l'eau sous ce cylindre en heures creuses, ce qui stocke de l'énergie en soulevant le cylindre. En heure de grande consommation, ouvrir les vannes pour laisser redescendre ce cylindre et utiliser l'énergie disponible en turbinant l'eau sous pression pour produire de l'électricité[26].

Principaux fabricants d'équipements hydroélectriques

Le marché est dominé par trois grands acteurs qui totalisent 80 % de la production, mais qui sont confrontés à la concurrence croissante de compagnies de Corée du Sud et de Chine[27] : General Electric renewable energy ( États-Unis) (anciennement Alstom Hydro), Andritz ( Autriche) et Voith Hydro ( Allemagne).

Utilisation pour l'intégration des énergies intermittentes

L'utilisation de petites centrales à pompage-turbinage a été proposée pour contribuer au stockage d’énergie et à une production flexible décentralisée afin d’intégrer les énergies intermittentes[28]. En pratique cependant, le développement des énergies renouvelables en Europe, en particulier des éoliennes, a plutôt contribué à la réduction de l'usage des centrales existantes à cause de la réduction de l'écart de prix entre la journée et la nuit, indispensable pour rentabiliser les installations étant donné la perte d'énergie provoquée par le cycle pompage-turbinage. Cette réduction d'écart est cependant aussi en partie attribuable à la chute des prix du charbon et de ceux des quotas d'émission de CO2[réf. souhaitée].

Les ministres responsables de l'énergie des trois pays alpins (Allemagne, Autriche et Suisse), réunis le , ont déclaré qu'à l'avenir le développement des énergies renouvelables pour la production d'électricité ne pourrait pas se faire sans un renforcement correspondant des capacités de transport et de stockage, et que la seule technique de stockage à grande échelle actuellement disponible est celle des centrales de pompage-turbinage ; ils se sont engagés à coordonner leurs efforts pour promouvoir cette technique[réf. nécessaire]. Les associations professionnelles du secteur électrique des trois pays ont lancé en commun une initiative pour promouvoir le pompage-turbinage, en réclamant des gouvernements des mesures de facilitation réglementaires et fiscales.

Le rendement global d'une station de pompage-turbinage est de l'ordre de 75–80 %[29],[30],[31],[32], contre 25-35 % pour le procédé power-to-gas-to-power[33].

Notes et références
  1. (en)Pumped Hydro Storage, Energy Storage Association, février 2012.
  2. EDF Unité de Production Alpes, « Aménagement de Grand'Maison » [PDF], sur isere.gouv.fr, (consulté le ).
  3. (en) Association internationale de l'hydroélectricité (IHA), « 2020 Hydropower Status Report » [« Rapport 2020 sur l'état de l'hydroélectricité »] [PDF], (consulté le ), p. 44-45.
  4. Aurélie Barbaux, « Pourquoi EDF n'investit pas plus dans les STEP pour le stockage des énergies renouvelables », sur L'Usine Nouvelle, (consulté le ).
  5. La plus grande centrale hydroélectrique d‘Europe, meva-international, consulté le 10 juillet 2016.
  6. (en) Association internationale de l'hydroélectricité (IHA), « 2017 Hydropower Status Report » [« Rapport 2017 sur l'état de l'hydroélectricité »], (consulté le ).
  7. (en) Association internationale de l'hydroélectricité (IHA), « 2018 Hydropower Status Report » [« Rapport 2018 sur l'état de l'hydroélectricité »] [PDF], (consulté le ), p. 92
  8. (de) « Energie-Initiative der Alpenländer » [PDF], sur BDEW, (consulté le ).
  9. (en) « German, Austrian And Swiss Energy Associations Demand Improved Conditions for Pumped Storage Power Plants », traduction en anglais du résumé du texte précédent.
  10. « Un chantier hydraulique XXL pour EDF à Gavet », sur L'Usine Nouvelle, (consulté le ).
  11. (en)Okinawa sea water pumped storage, J-Power (consulté le 22 juillet 2013).
  12. (en)Development of Pump Turbine for Seawater Pumped-Storage Power Plant, Hitachi (consulté le 22 juillet 2013) [PDF].
  13. F. Lempérière, Stockage d’énergie par pompage d’eau de mer, 20 décembre 2011, Hydrocoop (consulté le 22 juillet 2013) [PDF].
  14. F. Lempérière, Stockage d’Énergie électrique par S.T.E.P. marine, sur coopeoliennes.free.fr (consulté le 22 juillet 2013) [PDF].
  15. Les STEP marines et leur avenir, sur belle-ile-union.org (consulté le 22 juillet 2013) [PDF].
  16. « Les projets de STEP marines pilotés par EDF », sur lenergieenquestions.fr, EDF (consulté le 22 juillet 2013).
  17. Innovation : EDF développe le stockage d'énergie à partir de la mer, EDF Guadeloupe (consulté le 22 juillet 2013).
  18. Étude d'une Station de Transfert d'Énergie par Pompage marine, INP-ENSEEIHT (consulté le 22 juillet 2013).
  19. Audrey Garric, « La Belgique veut créer une île pour stocker l’énergie éolienne », Le Monde, 24 janvier 2013.
  20. Anne-Laure Barral, France Info, 7 mai 2015.
  21. (es) Red Eléctrica de España, El sistema eléctrico español 2016 [« Le système électrique espagnol 2016 »], Red Eléctrica de España, , 114 p. (lire en ligne [PDF]).
  22. (de)Windenergiespeicherung durch Nachnutzung stillgelegter Bergwerke [« Stockage de l'énergie éolienne par réutilisation de mines abandonnées »] (présentation), sur forum-netzintegration.de [PDF], rapport [PDF].
  23. (de)« Les profondeurs de la Ruhr stimulent les chercheurs », sur vdi-nachrichten.com
  24. (de)« Les canaux deviennent des centrales de pompage », sur vdi-nachrichten.com
  25. (de)« Des sphères creuses pour stocker l'électricité éolienne excédentaire », sur faz.net.
  26. « Un ingénieur allemand propose un concept de pompage-turbinage avec de l'eau sous pression », Objectif Terre, 19 janvier 2011.
  27. (en) olivianelson076, « Manufacturers in Hydroelectricity », sur NRG Expert - Energy Market Research (consulté le ).
  28. (en) N. Crettenand, The Facilitation of Mini and Small Hydropower in Switzerland Shaping the Institutional Framework (with a Particular Focus on Storage and Pumped-Storage Schemes) (Thèse de doctorat), École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) (no 5356), (lire en ligne).
  29. Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques, « Énergies alternatives : gestion de l'intermittence et maturité des technologies », audition de l'OPECST au Sénat, Comptes rendus de l'office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques, sur Sénat, .
  30. (de) Jürgen Giesecke, Wasserkraftanlagen : Planung, Bau und Betrieb, Springer-Verlag, 5e édition, Berlin/Heidelberg, 2009, p. 565.
  31. (de) Matthias Popp, Speicherbedarf bei einer Stromversorgung mit erneuerbaren Energien, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg, 2010, p. 42 et suivantes.
  32. (de) Rolf Gloor, Pumpspeicherkraftwerk, sur energie.ch, 21 juin 2010.
  33. « La transition vers un hydrogène bas carbone : atouts et enjeux pour le système électrique à l’horizon 2030-2035 » [PDF], sur RTE, , p. 23.

Annexes

Articles connexes

Liens externes
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