PAR POMPAGE (STEP)

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LES STATIONS DE

TRANSFERT D’ENERGIE PAR POMPAGE (STEP)

Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing

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SOMMAIRE



I : CONTEXTE / STOCKAGE ENERGIE ELECTRIQUE



II : PRINCIPES GENERAUX STEP



III : STEP GRAND-MAISON



IV : QUEL FUTUR POUR LES STEP ?

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CONTEXTE

 Le contexte énergétique des prochaines décennies :

•

l’accroissement de l’utilisation du vecteur « énergie électrique » ;

•

le développement des énergies renouvelables électriques aléatoires ;

•

l’augmentation de l’intensité de la pointe de demande en électricité.

 Trois réponses indispensables à coordonner :

•

la maîtrise de la demande en énergie ;

•

le stockage de l’électricité ;

•

le déploiement des réseaux électriques « intelligents ».

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CONTEXTE / POINTE

4 VARIATION PUISSANCE APPELEE EN HIVER

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CONTEXTE / POINTE

5 => BESOIN DE STOCKER DE L’ENERGIE POUR « PASSER LA POINTE »

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RAPPELS / STOCKAGE ENERGIE ELECTRIQUE

 Les solutions de stockage d’énergie se divisent en quatre catégories principales :

1- l’énergie mécanique potentielle (barrage hydro-électrique, Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP),

stockage d’énergie par air comprimé (CAES) ;

2- l’énergie mécanique cinétique (volants d’inertie) ;

3- l’énergie électrochimique (piles, batteries, condensateurs, vecteur hydrogène) ;

4- l’énergie thermique (chaleur latente ou sensible).

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COMPARATIF DES TECHNOLOGIES

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COMPARATIF DES TECHNOLOGIES

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STATION DE TRANSFERT D’ÉNERGIE PAR POMPAGE, DITE STEP

Installation hydroélectrique particulière : composée de deux bassins situés à des

altitudes différentes, elle permet de stocker et délivrer de l’énergie afin de maintenir l’équilibre entre production et consommation sur le réseau électrique

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PRINCIPES STEP

La STEP stocke de l’énergie quand la demande est faible (phase de pompage) et utilise cette énergie stockée en heures de pointe (phase de turbinage).

La demande d’électricité est souvent plus faible la nuit que le jour et le week- end que les jours de semaine. Selon le volume de leurs réservoirs, les STEP sont de type :

• « journalier » lorsque les réservoirs ne stockent que l’eau nécessaire à quelques heures de marche ;

• « hebdomadaire » lorsqu’ils permettent quelques dizaines d’heures de pompage .

L’équilibre économique des cycles de pompage-turbinage dépend :

• de l’importance de l’écart de prix entre heures creuses et heures pleines;

• du rendement du cycle (rapport entre l’énergie produite et l’énergie consommée, de 75 à 80 %).

Les STEP hebdomadaires ont davantage d’opportunités d’effectuer des cycles bénéficiaires que les STEP journalières.

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FONCTIONNEMENT TYPE STEP

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PRINCIPE STEP HEBDOMADAIRE

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TYPES DE STEP



les STEP « pures » fonctionnant en circuit fermé avec un apport extérieur d’eau nul ou très réduit ;



les STEP « mixtes » qui reçoivent des flux

naturels d’eau provenant de l’extérieur. Les deux bassins sont généralement situés sur un cours d’eau (Grand’Maison) ou usine de lac avec

turbine-pompe ;



les STEP « marines » en projet avec installation sur le littoral.

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RENDEMENT STEP

14 Le meilleur rendement pour un stockage de masse d’énergie électrique

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STEP DANS LE MONDE

15 CHINE : 20

TOTAL : 140 GW à fin 2011 pour 400 STEP

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16 STEP

PRINCIPALES

EN FRANCE

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STEP PRINCIPALES EN FRANCE

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STEP EN FRANCE

4

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MODES DE DÉMARRAGE STEP

Plusieurs solutions ont été adoptées suivant époques et projets :

• Mode asynchrone (La Coche) : L’appel de courant sur le réseau est très important mais la chute de tension est limitée / réseau 400 kV.

Le transformateur et le stator de l’alternateur/moteur sont renforcés mécaniquement pour encaisser le choc électrodynamique. Amortisseur sur rotor (cage d’écureuil).

• Mode asynchrone + convertisseur de fréquence (Cheylas, Montezic) Le convertisseur augmente progressivement la fréquence et donc la vitesse du moteur. Les pompes, qui sont préalablement dénoyées par injection d’air comprimé, n’ont besoin que d’une faible puissance pour être lancées.

• Démarrage en dos à dos (Grand’Maison, Super-Bissorte) La pompe est lancée à l’aide d’un groupe lanceur (turbine Pelton) connecté électriquement. Montée en vitesse synchrone des 2 groupes.

Après lancement, couplage réseau et déconnexion avec lanceur.

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FRÉQUENCE DÉMARRAGE STEP

Pour ménager la durée de vie des machines, une durée minimale de palier en pompe et en turbine est fixée dans les programmes : ½ heure en

turbine et 1 heure en pompe.

Le temps de passage du mode pompe au mode turbine, ou inversement, dépend des contraintes physiques de chaque aménagement

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SERVICES RENDU / SYSTÈME ELECTRIQUE

Les STEP participent aux services système :

 Réglage de fréquence en turbinage sur les STEP équipées de distributeurs réglables (cas des chutes moyennes, soit 50% du parc STEP EDF France).

 Réglage de tension assuré en pompage et en turbinage sur toutes les STEP, équipées de régulateurs de tension (moteur synchrone).

 Le principe de rémunération de ces services est identique à celui des autres ensembles de production français (disponibilité pour primaire fréquence et tension, disponibilité + énergie pour secondaire fréquence).

 Actuellement la possibilité de « Black Start » n’est pas rémunérée.

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MODELE ÉCONOMIQUE DES STEP

Rappel : calcul économique des investissements de production

La rentabilité d'une centrale hydroélectrique se calcule à partir de ses coûts d'investissement, de ses coûts d'exploitation et de ses recettes.

Dans le cas des STEP : une équation aux inconnues multiples

• coûts d'investissement pas toujours maitrisés

• coûts d'exploitation importants

• recettes à géométrie variable !

L’investissement peut être rentable lorsque la différence de prix de l'électricité entre les périodes creuses (bas prix) et les

périodes de pointe (prix élevé) est importante et lorsque les charges d’exploitation sont raisonnables

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DIFFICULTES / CHARGES ET VALORISATION

23 CHARGES



Des coûts de construction à partir de 1000 €/kW



Ne pas oublier le rendement de l’ordre de l’ordre de 78 %



La fiscalité et les coût d’accès au réseau représentent une part prépondérante des charges d’exploitation des installations

VALORISATION



La valorisation des services est actuellement insuffisante et reste très incertaine, en fonction du niveau des prix de marché (écart pointe- base sous influence du prix des hydrocarbures, du prix du CO2…) et des

évolutions du contexte réglementaire……

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COUT D’ACCES AU RESEAU

Les règles d’accès au réseau sont spécifiques à chaque pays : Allemagne, Suisse, Italie, Espagne sont les plus attractifs

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ECART PRIX POINTE / BASE

25 Aujourd’hui, on observe un écrasement du spread

• Pour partie en raison du design des mécanismes de soutien aux EnR en place

• Ne permet plus de couvrir les coûts

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REMUNERATION INSUFFISANTE / VALEUR POUR LE SYSTEME

26 Nécessité de développer un « marché de capacités » et de prendre en compte les autres services (sécurité, possibilité de « black-start » en cas d’effondrement du réseau, permettant notamment d’alimenter des

centrales nucléaires …)

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QUEL AVENIR POUR LA GESTION DES STEP ?

Modèle actuel non rentable : STEP-production dans lequel l’opérateur de la STEP achète l’électricité de pompage et revend l’électricité turbinée au prix spot du marché intérieur

Modèle alternatif possible dit STEP-stockage, dans lequel l’opérateur de la STEP loue un service de stockage à des opérateurs (de réseau, de production ou de gestionnaire d’équilibre) qui y stockent leur électricité sous forme d’une valeur de l’eau Les STEP hebdomadaires ont davantage d’opportunités d’effectuer des cycles bénéficiaires que les STEP journalières.

Dans les deux cas, il faut que l’opérateur trouve un équilibre économique. Nécessité d’une garantie de rentabilité. Positionnement dans le futur « marché de capacités » ?

Le système d’obligation d’achat des productions éoliennes et photovoltaïque est difficilement compatible avec des systèmes de stockage obéissant aux lois du marché.

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EQUIPEMENTS ELECTROMECANIQUES



TURBINE BULBE



TURBINE KAPLAN



TURBINE FRANCIS



TURBINE PELTON

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RAPPELS DE PHYSIQUE

29 P = g x Q x H x r

P : puissance électrique en kW ; Q : débit moyen mesuré en mètres cube par seconde ;

H : hauteur de chute en mètres ; g: constante de gravité, soit près de 9,81 (m/s2) ;

r : rendement de la centrale

W = P x t

P : puissance électrique en kW ; W : énergie électrique en kWh;

t : temps en heure;

il faut une tonne d’eau (soit 1 m

³

) dévalant 365 m de dénivelé pour produire 1kWh

L'énergie potentielle de pesanteur E

_pp

= m x g x h

E

_pp

: énergie potentielle de l'objet m : masse de l'objet.

g : constante de gravité, soit près de 9,81 (m/s2)

h : hauteur de l'objet / référence

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TURBINES BULBE et KAPLAN

30 Turbine KAPLAN

Turbine BULBE

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TURBINES FRANCIS et PELTON

31 Turbine FRANCIS

Turbine PELTON

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CHOIX TURBINE suivant H et Q

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DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES USINE

La turbine – pompe doit être placée avec contre-pression aval (noyée)

Usine souterraine

Puits

Bulbe : La Rance

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DIFFÉRENTS TYPES DE TURBINE POMPE

Suivant hauteur de chute et réglages possibles

Mono-étage réglable multi-étages non réglables

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GRAND-MAISON : SITUATION

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GRAND-MAISON : SITUATION

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GRAND-MAISON : PROFIL EN LONG

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GRAND-MAISON : BARRAGE AMONT

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39 1977: début des travaux

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42 MISE EN EAU : 1984-1987

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G RAND-MAISON : GALERIE EN CHARGE

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GRAND-MAISON : CONDUITE FORCÉE

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GRAND-MAISON : RETENUE AVAL ET USINES

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GRAND-MAISON : LES USINES

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GRAND-MAISON : LES USINES

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GRAND-MAISON : LES USINES

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GRAND-MAISON : USINE DE SURFACE

Turbine Pelton

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GRAND-MAISON : USINE SOUTERRAINE

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GRAND-MAISON : USINE SOUTERRAINE

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LE DÉMARRAGE DES GROUPES RÉVERSIBLES EN POMPE

Le problème de toutes les STEP

Couplage réseau direct impossible / masse rotor générant des efforts électrodynamiques trop importants

=> 2 solutions

1) Convertisseur de fréquence

2) Démarrage « dos à dos synchrone- synchrone » avec turbine (solution retenue à Grand-Maison)

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AVENIR DES STEP



MAINTENANCE



RENOVATION ET AMELIORATION DES PERFORMANCES



NOUVEAUX PROJETS



STEP MARINES



BESOINS ET PERSPECTIVES

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AMELIORATION PERFORMANCES DES STEP

Opérations de rénovation en cours

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AMELIORATION PERFORMANCES DES STEP

EXEMPLE CHEYLAS

Le pompage à vitesse variable, en effet, permet d’obtenir un meilleur rendement en turbine, et de régler la puissance active en pompe, ce qui offre une plus grande flexibilité de stockage de l’énergie. Une fois achevée, Le Cheylas fournira 70 MW de capacité de régulation supplémentaire au cours de la nuit.

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AMELIORATION PERFORMANCES DES STEP

Exemple de Revin

Un important programme de maintenance a été initié récemment sur Revin, pour un montant de plus de 70 M€ de dépenses sur 7 ans. Il vise à accroître durablement les services rendus par cette STEP :

• Amélioration du rendement de cycle grâce au remplacement des roues et des directrices dont la conception a progressé depuis les années 1970,

• Elargissement de la plage de fonctionnement en turbine,

• Amélioration de la disponibilité par modification des directrices.

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FUTUR : INCIDENCES ENR ALEATOIRES?

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FUTUR : INCIDENCES ENR ALEATOIRES?

58 P EOLIEN

P EOLIEN

DEMANDE AJUST

STEP

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BESOINS A L’ECHELLE MONDIALE

59 L’approche de l’AIE / projection 2050 est la suivante :

Calcul d’un ratio « capacité actuelle de pompage / capacité électrique totale » pour chaque profil de production.

Ratio bas pour les réseaux à dominante hydroélectrique et haut pour les réseaux moins flexibles, soit en 2015 : 2% US, 3% Chine, 5% Europe et 11% Japon.

Projection / ratio suivant croissance ENR et part d’hydroélectricité

Résultat : de 400 à 700 GW

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DÉVELOPPEMENT DES STEP

POTENTIEL STEP France

 4300 MW de potentiel technique identifié dans rapport Dambrine (2006) Projets importants : Roselend-Cevins (1050 MW), Clou – Sainte-Foy-Viclaire (1200 MW), Lautaret (600 MW), Chambon (450 MW), Sorgia (360 MW), Redenat (1100 MW)

 Contraintes environnementales et sociétales bloquantes

 Equilibre économique non assuré

 Projets STEP Marines Guadeloupe et Réunion

PROJETS STEP EUROPE ET MONDE

 Suisse : Nant des Dranses (900 MW) (en cours de réalisation)

 Allemagne: Atdorf (1400 MW) ( opposition entre verts locaux et nationaux)

 Espagne et Portugal : La Muela II (852 MW), Frades II (760 MW), Alto Tamega (900 MW)

 Norvège : + 10 GW à partir de lacs existants

 Chine : de 9 GW en 2009 à 50 GW en 2020 ?

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NANT DES DRANSES

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STEP MARINES

Elles se caractérisent par l’utilisation de l’eau de mer comme liquide et généralement de la mer comme réservoir bas.

2 exemples de ce type encore peu développé :

 la STEP d’Okinawa (Japon) avec une chute de 150 m

 l’usine de La Rance (France) avec une capacité de pompage d’environ 200 MW sous quelques mètres de charge.

2 principaux types d’aménagements suivant leur implantation:

 entre terre (falaise ou côte escarpée) et mer, réservoir haut à terre.

 totalement en mer : réservoir haut adossé à la falaise ou « lagon Lemperiere ».

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STEP MARINES

Avantages:



Possibilité d’implantation hors des zones montagneuses.



Pas de besoin de prélèvement d’eau en rivière ou en lac.



Circuits hydrauliques courts permettant éventuellement de les doubler sans coût excessif (séparation possible entre pompe et turbine).

Inconvénients:

Les STEP marines doivent tenir compte d’un certain nombre de contraintes:



la possible corrosion des matériaux en contact avec l’eau de mer ;



le risque de réduction de rendement des pompes et turbines par collage d’organismes marins ;



la nécessité d’assurer des eaux calmes à la sortie coté mer pour stabiliser la production ;



le respect de l’environnement marin (animaux, plantes, coraux) ;



le respect de l’environnement terrestre y compris la mise en place de mesures destinées à éviter la pollution par l’eau de mer des sols et des nappes souterraines d’eau douce.

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EL HIERRO : 100 % renouvelable ?

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EL HIERRO : 100 % renouvelable ?

65 https://demanda.ree.es/visionaCan/VisionaHierro.html#

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EL HIERRO : 100 % renouvelable ?

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Cielos + Espejo de Tarapacá CHILI

67 Localisation : Désert d’Atacama nord Chili

Parc solaire :

Surface : 1650 ha Puissance : 600 MW Production : 1,8 TWh

Investissement : 900 M US$

STEP

Puissance : 300 MW

Investissement : 400 M US$

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Micro-STEP TRI’NERZH Berrien (29)

68 Présentation :

Le projet Micro-STEP de Berrien (29) vise à mettre en place, sur une carrière en fin

d’exploitation, un système de stockage de type micro-STEP hydroélectrique, dont l’énergie nécessaire pour le pompage sera fournie par une ferme éolienne et un parc photovoltaïque.

Les objectifs du projet sont de :

- Démontrer la faisabilité du pompage par les énergies renouvelables ;

- Développer des modes de gestion adaptés de la centrale « photovoltaïque éolien-stockage

» pour étudier les modes de valorisation possibles du stockage ;

- Définir un modèle d’affaire innovant démontrant la viabilité économique, sans tarif d’achat, des unités de productions d’énergies

renouvelables (EnR)

couplées à des unités de stockage ;

- Montrer l’intérêt de la reconversion d’un site tel qu’une carrière de kaolins en fin de vie (maintien d’une activité industrielle et d’emplois non délocalisables), et de la réplication et