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LES STATIONS DE

TRANSFERT D’ENERGIE

PAR POMPAGE (STEP)

Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing 1

SOMMAIRE

I : CONTEXTE / STOCKAGE ENERGIE ELECTRIQUE

II : PRINCIPES GENERAUX STEP

III : STEP GRAND-MAISON

IV : QUEL FUTUR POUR LES STEP ?


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 ».


CONTEXTE / POINTE


VARIATION PUISSANCE APPELEE EN HIVER

CONTEXTE / POINTE


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

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).

Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing

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COMPARATIF DES TECHNOLOGIES


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


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.


FONCTIONNEMENT TYPE STEP


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PRINCIPE STEP HEBDOMADAIRE


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.


RENDEMENT STEP


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

STEP DANS LE MONDE


CHINE : 20

TOTAL : 140 GW à fin 2011 pour 400 STEP


STEP PRINCIPALES EN FRANCE

STEP PRINCIPALES EN FRANCE

4


STEP EN FRANCE

4


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.


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


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


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……

COUT D’ACCES AU RESEAU

Les règles d’accès au réseau sont spécifiques à chaque pays :

Allemagne, Suisse, Italie, Espagne sont les plus attractifs


ECART PRIX POINTE / BASE


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

REMUNERATION INSUFFISANTE /

VALEUR POUR LE SYSTEME


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 …)

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.


EQUIPEMENTS ELECTROMECANIQUES

TURBINE BULBE

TURBINE KAPLAN

TURBINE FRANCIS

TURBINE PELTON


RAPPELS DE PHYSIQUE


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 m3) dévalant 365 m de dénivelé pour produire 1kWh

L'énergie potentielle de pesanteur Epp = m x g x h Epp : 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

TURBINES BULBE et KAPLAN


Turbine KAPLAN

Turbine BULBE

TURBINES FRANCIS et PELTON


Turbine FRANCIS

Turbine PELTON

CHOIX TURBINE suivant H et Q


DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES USINE

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

(noyée)

Usine souterraine Puits

Bulbe : La Rance


DIFFÉRENTS TYPES DE TURBINE POMPE

Suivant hauteur de chute et réglages possibles

Mono-étage réglable multi-étages non réglables


GRAND-MAISON : SITUATION


GRAND-MAISON : PROFIL EN LONG


GRAND-MAISON : BARRAGE AMONT



1977: début des travaux


MISE EN EAU : 1984-1987

GRAND-MAISON : GALERIE EN CHARGE


GRAND-MAISON : CONDUITE FORCÉE


GRAND-MAISON : RETENUE AVAL ET USINES


GRAND-MAISON : LES USINES


GRAND-MAISON : USINE DE SURFACE

Turbine Pelton


GRAND-MAISON : USINE SOUTERRAINE


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)


AVENIR DES STEP

MAINTENANCE

RENOVATION ET AMELIORATION DES PERFORMANCES

NOUVEAUX PROJETS

STEP MARINES BESOINS ET PERSPECTIVES


AMELIORATION PERFORMANCES DES STEP Opérations de rénovation en cours


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.


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.


FUTUR : INCIDENCES ENR ALEATOIRES?


FUTUR : INCIDENCES ENR ALEATOIRES?


P EOLIEN

P EOLIEN

DEMANDE AJUST STEP

BESOINS A L’ECHELLE MONDIALE


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

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 ?


NANT DES DRANSES


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 ».


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.


EL HIERRO : 100 % renouvelable ?




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

Cielos + Espejo de Tarapacá CHILI


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$

Micro-STEP TRI’NERZH Berrien (29)


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 l’exportation de ce type de micro-STEP.

Micro-STEP TRI’NERZH Berrien (29)


MUSEE EDF HYDRELEC


FIN


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