Pompage-turbinage

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Le pompage-turbinage est une technique de stockage de l'énergie électrique. Elle repose sur le principe de pomper de l'eau pour la stocker dans des bassins d'accumulation lorsque la demande d'énergie est faible — c'est le pompage — afin de turbiner cette eau plus tard pour produire de l'électricité lorsque la demande est forte — c'est le turbinage.

Elle a été utilisée pour la première fois en Suisse et en Italie dans les années 1890. Dans les années 2000, la puissance mondiale installée dépasse 90 GW[1].

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

Principe[modifier | modifier le code]

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

Le pompage-turbinage consiste à produire de l'électricité avec une centrale hydroélectrique ayant la particularité d'être réversible. L'énergie potentielle de l'eau est soit utilisée (turbinage), soit stockée (pompage).

  • 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.

Principales centrales[modifier | modifier le code]

Centrale de pompage-turbinage de Kruonis en Lituanie (900 MW - extension ultérieure à 1600 MW en projet.

L'article Liste de centrales de pompage-turbinage inventorie les centrales de pompage-turbinage de plus de 1000 MW déjà en service ou en cours de construction : au 1er semestre 2013, les pays les mieux dotés sont :

  • la Chine qui apparait comme le premier pays pour le nombre et la puissance de ses STEP : 13 centrales de plus de 1000 MW avec une puissance totale de 17 884 MW, plus 6 centrales en construction (puissance totale : 8 204 MW) ;
  • les États-Unis qui disposent de 10 centrales d'une puissance totale de 14 323 MW, mais n'ont pas de nouvelle centrale en construction ;
  • le Japon : 7 centrales d'une puissance totale de 9 293 MW, plus 2 centrales en construction (4 420 MW) ;
  • l'Italie : 4 centrales (4 333 MW), pas de projet ;

La France n'apparait qu'avec une seule centrale de plus de 1000 MW : Grand'Maison (1 800 MW), et aucun grand projet en cours. Elle a plusieurs autres centrales de plus petite taille, dont la plus ancienne est celle du Lac Noir dans les Vosges ; on en trouve la liste dans l'article Électricité en France.

La plus puissante centrale de pompage-turbinage du monde est 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) ; en 2020, la centrale japonaise en construction de Kannagawa prendra le 2ème rang avec 2 820 MW.

La centrale la plus puissante d'Europe est la centrale française de Grand'Maison, au 7ème rang, suivie :

  • au 8ème rang par la centrale britannique de Dinorwig (1728 MW),
  • au 16ème rang, par la Centrale d'Entracque en Italie (1 317 MW),
  • au 28ème rang par la Centrale de Coo-Trois-Ponts en Belgique (1 164 MW),
  • au 31ème rang par la centrale de Vianden (1 096 MW) au Luxembourg,
  • aux 36ème et 38ème rangs par les centrales allemandes de Goldisthal (1 060 MW) et de Markersbach (1 050 MW),
  • au 40ème rang par la centrale autrichienne de Malta-Reisseck (1 026 MW),
  • aux 41ème, 47ème et 48ème rangs par les centrales italiennes de Roncovalgrande (1 016 MW), d'Edolo (1 000 MW) et de Presenzano (1 000 MW).

Parmi les grands projets, on note la centrale suisse de Linth-Limmern (1 000 MW) dont la mise en service est prévue en 2015.

Leif-Erik Langhans, de la Ruhr-Universität de Bochum, a étudié un système d'éolienne couplée à une centrale hydraulique de pompage-turbinage. 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.

Centrales de pompage de bord de mer[modifier | modifier le code]

Les projets de centrales de pompage-turbinage d'eau de mer se multiplient depuis le lancement de la construction de parcs éoliens offshore ; 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 de pouvoir 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 existe déjà au Japon, dans l'île d'Okinawa[2], construite en 1999 avec un dénivelé moyen de 136 mètres et une puissance turbinable de 30 MW utilisable pendant 8 heures[3],[4].

En France, plusieurs études ont été consacrées à l'identification du potentiel des côtes de la Manche et de la Bretagne[5], qui apparait intéressant : une douzaine de sites répondent aux critères de compétitivité : dénivelée 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 2 milliards d’euros voisin de celui des STEP de montagne existantes[6],[7]. EDF estime le potentiel des STEP marines à 5000 MW[8], dont un en Guadeloupe et un à la Réunion[9]. Un projet détaillé a été réalisé par l'INP-ENSEEIHT, école publique d'ingénieurs faisant partie de de l’Institut National Polytechnique de Toulouse ; il 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[10].

Il existe en Belgique un projet d'île artificielle servant 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[11].

Autres extensions du concept de transfert d'énergie par pompage[modifier | modifier le code]

Des nombreuses idées sont lancées, en particulier en Allemagne :

  • utiliser d'anciens puits de mines noyés comme sites de pompage/turbinage[12],[13],
  • utiliser les canaux en pompant l'eau des biefs inférieurs vers les biefs supérieurs[14],
  • 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[15].

Utilisation pour l'intégration des énergies intermittentes[modifier | modifier le code]

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[16].

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 à de ceux des quotas de CO2 ; les ministres responsables de l'énergie des 3 pays alpins : Allemagne, Autriche et Suisse, réunis le 5 mai 2012, 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. 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. Les capacités de pompage-turbinage de l'Europe sont en 2012 de 45 GW (170 centrales), dont 75 % dans huit pays, en tête desquels figurent Allemagne, France, Espagne, Italie, Suisse et Autriche ; d'ici 2020 sont prévus environ 60 projets pour 27 GW, surtout en Espagne et dans les trois pays alpins qui prévoient d'ajouter à leurs 12,5 GW actuels (6,5 GW en Allemagne, 4,3 GW en Autriche et 1,7 GW en Suisse) 11 GW supplémentaires d'ici 2020 (4 GW en Allemagne, 3,5 GW en Autriche et 3,5 GW en Suisse)[17],[18].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b (en)ESA - Pumped Hydro Storage ESA, février 2012
  2. (en)OKINAWA SEA WATER PUMPED STORAGE, sur le site de J-Power consulté le 22 juillet 2013.
  3. Japon - La station de pompage/turbinage marine d'Okinawa, sur le site objectifterre.
  4. (en)Development of Pump Turbine for Seawater Pumped-Storage Power Plant, sur le site d'Hitachi consulté le 22 juillet 2013.
  5. Stockage d’énergie par pompage d’eau de mer, par F. Lempérière, 20.12.2011, sur le site Hydrocoop consulté le 22 juillet 2013.
  6. Stockage d’Energie électrique par S.T.E.P. marine, par F. Lempérière, sur le site coopeoliennes consulté le 22 juillet 2013.
  7. Les STEP marines et leur avenir, sur le site belle-ile-union consulté le 22 juillet 2013.
  8. Les projets de STEP marines pilotés par EDF, sur le site lenergieenquestions consulté le 22 juillet 2013.
  9. Innovation : EDF développe le stockage d'énergie à partir de la mer, sur le site d'EDF Guadeloupe consulté le 22 juillet 2013.
  10. Etude d'une Station de Transfert d'Energie par Pompage marine, sur le site de l'INP-ENSEEIHT consulté le 22 juillet 2013.
  11. Audrey Garric, La Belgique veut créer une île pour stocker l’énergie éolienne, Le Monde, 24 janvier 2013.
  12. [PDF](de)Stockage de l'énergie éolienne par réutilisation de mines abandonnées, sur le site [1]
  13. (de)Les profondeurs de la Ruhr stimulent les chercheurs, sur le site [2]
  14. (de)VDI - Les canaux deviennent des centrales de pompage, sur le site [3]
  15. (de)Des sphères creuses pour stocker l'électricité éolienne excédentaire, sur le site de la Frankfurter Allgemeine.
  16. (en) Crettenand, N. (2012) "The facilitation of mini and small hydropower in Switzerland: shaping the institutional framework. With a particular focus on storage and pumped-storage schemes". École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). PhD Thesis N° 5356. http://infoscience.epfl.ch/record/176337?ln=en
  17. (de)04. Juli 2013 Energie-Initiative der Alpenländer (Initiative commune des pays alpins sur l'énergie, 4 juillet 2013), site de BDEW consulté le 31 janvier 2014.
  18. (en)German, Austrian And Swiss Energy Associations Demand Improved Conditions for Pumped Storage Power Plants (traduction en anglais du résumé du texte précédent)

Annexes[modifier | modifier le code]

Sources et bibliographie[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]