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Hydroélectricité : stations de transfert d’énergie par pompage (STEP)

Hydroélectricité STEP
Des travaux sont effectués entre deux lacs de retenues du canton suisse du Valais pour que la STEP de Nant de Drance soit opérationnelle à partir de 2017.(©Nant de drance 2013)

Définition et catégories

Les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), ou « pumped storage power plants » (PSP) en anglais, sont un type particulier d’installations hydroélectriques. Composées de deux bassins situés à des altitudes différentes, elles permettent de stocker de l’énergie en pompant l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur lorsque la demande électrique est faible (et le prix de l’électricité peu élevé). Lorsque la demande électrique augmente (tout comme le prix de l’électricité), elles restituent de l’électricité sur le réseau en turbinant l’eau du bassin supérieur.

Grâce à leur fonction de stockage, ces installations contribuent à maintenir l’équilibre entre production et consommation sur le réseau électrique, tout en limitant les coûts de production lors des pics de consommation. A l’heure actuelle, le transfert d’énergie par pompage hydraulique est la technique la plus mature de stockage stationnaire de l’énergie.

Fonctionnement technique ou scientifique

Deux phases : stockage et production

Une STEP est composée d’un bassin supérieur avec une retenue d’eau et d’un bassin inférieur entre lesquels est placé un groupe hydroélectrique réversible, dit « synchrone ». Ce dernier peut fonctionner comme un ensemble pompe-moteur ou turbine-alternateur. En mode pompe-moteur, il consomme de l’électricité pour pomper l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur. En mode turbine-alternateur, il produit de l’électricité lors du transfert d’eau du bassin supérieur vers le bassin inférieur.

Schéma de fonctionnement d'une STEP (©2013)

Schéma de fonctionnement d'une STEP (©2013)

Il existe deux sous-catégories de STEP:

  • les STEP « pures » fonctionnant en circuit fermé avec un apport extérieur d’eau nul ou négligeable ;
  • les STEP « mixtes » qui reçoivent des flux naturels d’eau provenant de l’extérieur(1). Les deux bassins sont alors situés sur un cours d’eau (délimités par des barrages) ou parallèlement à celui-ci. Ils peuvent pomper et turbiner 4 à 5 fois un volume d’eau avant de le restituer au cours d’eau dont il provient. En France, c'est le cas de la STEP de Grand'Maison : le débit de l’Eau d’Olle est significatif à la fonte des neiges et participe au remplissage de la retenue amont de Grand'Maison et aval du Verney.

Modalités d’intervention

Les STEP peuvent être activées sur des courtes durées (parfois quelques minutes), en tant que capacités électriques d’appoint. Elles consomment plus d’électricité qu’elles n’en produisent et sont activées en dernier recours pour sécuriser le réseau électrique.

On distingue les STEP ayant un potentiel d’utilisation :

  • « journalier » lorsque les réservoirs disposent d’une capacité de stockage équivalente à quelques heures de production ;
  • « hebdomadaire » lorsque les réservoirs stockent un volume d’eau suffisant pour produire de l’électricité en continu durant plusieurs dizaines d’heures.

Lorsque la demande d’électricité est faible (et le coût de l’électricité peu élevé, essentiellement d’origine nucléaire), la STEP pompe l’eau vers le bassin supérieur afin de stocker de l’énergie. Lorsque la demande d’électricité est forte (et le coût de l’électricité élevé), la STEP turbine l’eau, exploitant son énergie potentielle due au différentiel d’altitude entre les deux bassins. Elle restitue ainsi de l’électricité sur le réseau.

La phase de pompage des STEP intervient lorsque le coût de l'électricité disponible est peu élevé, en période de faible consommation. Ici, l'appel de puissance pour pomper l'eau dépasse les 3 000 MW entre 3h30 et 4h45. (©2013, d'après données du 2 janvier de RTE)

La phase de pompage des STEP intervient lorsque le coût de l'électricité disponible est peu élevé, en période de faible consommation. Ici, entre minuit et 7h30. (©2013, d'après données du 2 janvier de RTE)

Enjeux par rapport à l'énergie

Rentabilité des installations

Les STEP bénéficient d’un bon rendement (rapport entre électricité produite et l’électricité consommée) qui est situé entre 70% et 85%. Cela signifie que pour produire 1 MWh, il a fallu préalablement consommer près de 1,25 MWh en moyenne pour pomper l’eau jusqu’au bassin supérieur.

L’intervention des STEP dans le mix de production électrique dépend donc étroitement de l’évolution du prix de l’électricité. L’objectif est de pomper l’eau lorsque ce prix est faible et de turbiner l’eau lorsque ce prix est élevé. Ainsi, une installation est rentable dès lors que l’écart de prix de l'électricité entre les périodes creuses (achat d’électricité à bas prix) et les périodes de pointe (vente d’électricité à prix élevé) permet de couvrir les frais d’exploitation et amortissements.

Intervention des STEP en fonction des prix de l’électricité

Sur une période donnée, les STEP permettent de lisser les prix lors des pics de consommation. De plus, ces stations de transfert d’énergie permettent d’absorber l’électricité excédentaire sur le réseau. Par exemple lorsque le parc d’énergies renouvelables produit beaucoup alors que la demande est faible, les STEP consomment l’électricité « fatale » qui aurait été perdue sans leur intervention.

A l’heure actuelle, le stockage d’énergie par STEP est la technologie la plus mature et la moins coûteuse (avec le stockage par air comprimé).  Notons toutefois que le bilan économique des STEP est grevé par le paiement du TURPE dès lors que celles-ci sont considérées comme des consommatrices finales d’électricité (et bien que cette consommation ait lieu en heures creuses).

Identification de sites et maintenance des installations

Les STEP sont des aménagements de grande ampleur qui requièrent des investissements importants. Elles doivent être implantées dans des zones offrant des différences de relief significatives entre les deux bassins. La densité énergétique (énergie par unité de volume) de ces systèmes est relativement faible : 1 m3 d’eau à une altitude de 100 m a une énergie potentielle de 0,272 kWh. Les STEP doivent donc utiliser de très importants volumes d’eau pour produire une quantité significative d’énergie. Dans les faits, elles sont privilégiées en montagne mais de nouveaux projets sont actuellement envisagés en bord de littoral (« STEP marines ») et entre des bassins souterrains. Pour qu’un projet de STEP marine soit intéressant, il faut trouver une dénivelée côtière d’une centaine de mètres de hauteur à proximité de la mer. Il faut également que le site ne soit pas protégé par la loi littoral. Il existe de tels sites en Haute-Normandie et dans les zones montagneuses en bord de mer(2).

Les STEP disposent d’une bonne durée de vie, supérieure à 40 ans. Toutefois, le nombre important de sollicitations de ces installations entraîne une usure plus rapide de certains matériaux (joints, transformateurs, etc.). La fiabilité du démarrage de ces installations est essentielle lors des pics de consommation et une attention particulière est donc portée à la maintenance de ces ouvrages. Le temps de réaction des STEP  dépend de l’état de la turbine à l’instant de la demande. Si la turbine tourne sans charge, ce temps est de quelques dizaines de secondes. Si la turbine est à l’arrêt, il faut quelques minutes pour la lancer et la connecter au réseau. Si la turbine est dans l’air car la bâche spirale a été vidée pour différentes raisons, un temps supplémentaire est nécessaire pour la remplir.

Chiffres clés

  • Les systèmes de stockage par pompage hydraulique totalisent une capacité de près de 127 GW dans le monde en 2011. A l’horizon 2050, l’AIE prévoit une multiplication par 3 à 5 de ces capacités mondiales. A titre de comparaison, la puissance du parc nucléaire mondial avoisine 370 GW.
  • En France, les STEP ont un potentiel de production de 6 à 7 TWh par an (la production nette d’électricité a atteint 541,9 TWh dont 50,3 TWh hydrauliques, en 2011, année sèche, selon les données de RTE).

Il ne faut pas oublier que tous les lacs de barrage sont des stocks d’énergie qui se remplissent au rythme des saisons. Ces lacs apportent une flexibilité aux réseaux. C’est le cas de la gestion des lacs de barrage de Norvège qui permet d’adosser les renouvelables intermittents d’Allemagne.

Zone de présence

Dans le monde, il existe plus d’une soixantaine de STEP en activité ou en construction d’une capacité supérieure à 1 000 MW. Celles-ci sont principalement situées en Chine, au Japon et aux États-Unis. Citons notamment la STEP de Bath County en Virginie (États-Unis) qui dispose d’une capacité supérieure à 3 000 MW, soit l’équivalent de la puissance moyenne de trois réacteurs nucléaires.

En France, il existe actuellement 6 principales STEP en activité offrant une capacité d’appoint significative au réseau électrique national (par ordre de puissance de turbine) :

  • Grand’Maison en Isère, d’une puissance en turbine de 1 790 MW ;
  • Montézic dans l’Aveyron (910 MW) ;
  • Super-Bissorte en Savoie (730 MW) ;
  • Revin dans les Ardennes (720 MW) ;
  • Le Cheylas en Isère (460 MW)
  • La Coche en Savoie (330 MW).

Toutes ces installations ont été mises en service au cours des années 1970/1980 et sont exploitées par EDF.

L’usine marémotrice de la Rance est également utilisée en mode pompage lorsque la marée est décalée par rapport à la demande du réseau. A cet égard, elle peut également être considérée comme une STEP mixte.

Passé et présent

L’usage du stockage hydraulique par pompage apparait à la fin des années 1890 en Italie et en Suisse. La première centrale de pompage en France est construite sur le lac Noir dans les Vosges en 1933. Les premières turbines hydroélectriques réversibles sont également commercialisées au cours des années 1930. Le développement à grande échelle des STEP en France a toutefois lieu dans les années 1970 dans le contexte du premier choc pétrolier et du développement du parc nucléaire, alors que le différentiel de coûts entre heures creuses et heures de pointe s’accroît.

Futur

Dans son rapport sur l’hydroélectricité à l’horizon 2050, l’AIE suggère deux innovations pour faire progresser les technologies des STEP :

  • l’utilisation de machines hydroélectriques à vitesse variable permettant un meilleur contrôle des volumes d’eau pompés ou turbinés. Une telle usine de 1 000 MW a démarré en 2012 en Chine avec des ensembles à vitesse variable d’Alstom ;
  • le développement de STEP marines, connectées à des unités de production offshore comme les éoliennes offshore ou énergies marines (entre 2020 et 2050). L’AIE identifie la Normandie et la Bretagne comme des sites propices à ce type de développement. Il existe également des possibilités sur les côtes méditerranéennes.

Les développements les plus probables sont des STEP utilisant une retenue existante comme réservoir bas. Le réservoir haut de relativement petite taille a un impact environnemental faible et facilement acceptable.

Ce sont les tarifs d’achat et de vente d’électricité qui ont le plus d’impact sur le développement des STEP. La Belgique et la Suisse développent par exemple des STEP en vue d’exporter de l’électricité vers la France.

Concrètement

Le pompage de l'eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur consomme plus d'énergie que le turbinage n'en crée. Avec un rendement énergétique de 75%,  le complexe hydro-électrique de Grand’Maison consomme ainsi 300 GWh de plus qu’il n’en produit.

La galerie reliant les deux bassins de la STEP de Grand’Maison mesure 7,1 kilomètres de longueur. Son diamètre variant entre 7,1 mètres et 7,7 mètres le long du tracé.