LES STATIONS DE TRANSFERT D ENERGIE PAR POMPAGE (STEP) Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing 1

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1 LES STATIONS DE TRANSFERT D ENERGIE PAR POMPAGE (STEP) 1

2 SOMMAIRE I : CONTEXTE / STOCKAGE ENERGIE ELECTRIQUE II : PRINCIPES GENERAUX STEP III : STEP GRAND-MAISON IV : QUEL FUTUR POUR LES STEP? 2

3 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». 3

4 CONTEXTE / POINTE VARIATION PUISSANCE APPELEE EN HIVER 4

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

6 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). 6

7 COMPARATIF DES TECHNOLOGIES 7

8 COMPARATIF DES TECHNOLOGIES 8

9 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 9

10 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 weekend 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. 10

11 FONCTIONNEMENT TYPE STEP 11

12 PRINCIPE STEP HEBDOMADAIRE 12

13 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. 13

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

15 STEP DANS LE MONDE CHINE : 20 TOTAL : 140 GW à fin 2011 pour 400 STEP 15

16 STEP PRINCIPALES EN FRANCE 16

17 STEP PRINCIPALES EN FRANCE 4 17

18 STEP EN FRANCE 4 18

19 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. 19

20 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 20

21 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. 21

22 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 22

23 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 23

24 COUT D ACCES AU RESEAU Les règles d accès au réseau sont spécifiques à chaque pays : Allemagne, Suisse, Italie, Espagne sont les plus attractifs 24

25 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 25

26 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 ) 26

27 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. 27

28 EQUIPEMENTS ELECTROMECANIQUES TURBINE BULBE TURBINE KAPLAN TURBINE FRANCIS TURBINE PELTON 28

29 RAPPELS DE PHYSIQUE P = g x Q x H x r W = P x t 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 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 29

30 TURBINES BULBE et KAPLAN Turbine KAPLAN Turbine BULBE 30

31 TURBINES FRANCIS et PELTON Turbine PELTON Turbine FRANCIS 31

32 CHOIX TURBINE suivant H et Q 32

33 DISPOSITIONS CONSTRUCTIVES USINE La turbine pompe doit être placée avec contre-pression aval (noyée) Usine souterraine Puits Bulbe : La Rance 33

34 DIFFÉRENTS TYPES DE TURBINE POMPE Suivant hauteur de chute et réglages possibles Mono-étage réglable multi-étages non réglables 34

35 GRAND-MAISON : SITUATION 35

36 GRAND-MAISON : SITUATION 36

37 GRAND-MAISON : PROFIL EN LONG 37

38 GRAND-MAISON : BARRAGE AMONT 38

39 1977: début des travaux 39

40 40

41 41

42 MISE EN EAU :

43 GRAND-MAISON : GALERIE EN CHARGE 43

44 GRAND-MAISON : CONDUITE FORCÉE 44

45 GRAND-MAISON : RETENUE AVAL ET USINES 45

46 GRAND-MAISON : LES USINES 46

47 GRAND-MAISON : LES USINES 47

48 GRAND-MAISON : LES USINES 48

49 GRAND-MAISON : USINE DE SURFACE Turbine Pelton 49

50 GRAND-MAISON : USINE SOUTERRAINE 50

51 GRAND-MAISON : USINE SOUTERRAINE 51

52 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 synchronesynchrone» avec turbine (solution retenue à Grand-Maison) 52

53 AVENIR DES STEP MAINTENANCE RENOVATION ET AMELIORATION DES PERFORMANCES NOUVEAUX PROJETS STEP MARINES BESOINS ET PERSPECTIVES 53

54 AMELIORATION PERFORMANCES DES STEP Opérations de rénovation en cours 54

55 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. 55

56 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. 56

57 FUTUR : INCIDENCES ENR ALEATOIRES? 57

58 FUTUR : INCIDENCES ENR ALEATOIRES? P EOLIEN P EOLIEN DEMANDE AJUST STEP 58

59 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 59

60 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? 60

61 NANT DES DRANSES 61

62 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». 62

63 Avantages: STEP MARINES 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. 63

64 EL HIERRO : 100 % renouvelable? 64

65 EL HIERRO : 100 % renouvelable? 65

66 EL HIERRO : 100 % renouvelable? 66

67 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$ 67

68 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. 68

69 Micro-STEP TRI NERZH Berrien (29) 69

70 MUSEE EDF HYDRELEC 70

71 FIN 71