Comprendre le stockage par pompage-turbinage : Une solution énergétique mondiale

Le stockage par pompage-turbinage (SPT) est une forme de stockage d'énergie mature et largement déployée qui joue un rôle essentiel dans les réseaux électriques modernes. Alors que le monde s'oriente vers une dépendance accrue aux sources d'énergie renouvelables comme le solaire et l'éolien, le SPT devient de plus en plus critique pour maintenir la stabilité et la fiabilité du réseau. Cet article offre un aperçu complet du SPT, explorant ses principes, ses avantages, ses défis et son avenir dans le paysage énergétique mondial.

Qu'est-ce que le stockage par pompage-turbinage ?

Le stockage par pompage-turbinage est un type de système de stockage d'énergie hydroélectrique utilisé par les systèmes d'électricité pour l'équilibrage de la charge. Il stocke l'énergie sous forme d'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau, pompée d'un réservoir d'altitude inférieure à un réservoir d'altitude supérieure. Pour produire de l'électricité, l'eau stockée est renvoyée vers le réservoir inférieur par une turbine, qui entraîne un générateur. Essentiellement, il agit comme une batterie géante, stockant l'énergie lorsque la demande est faible et la libérant lorsque la demande est élevée.

Les principes de base

Mode pompage : Pendant les périodes de faible demande d'électricité (généralement la nuit), l'excès d'électricité du réseau est utilisé pour pomper l'eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur.
Mode génération : Lorsque la demande d'électricité est élevée (généralement pendant la journée), l'eau est libérée du réservoir supérieur pour redescendre vers le réservoir inférieur, faisant tourner une turbine et produisant de l'électricité.

Le système est généralement conçu pour être un système en boucle fermée, ce qui signifie que la même eau circule entre les réservoirs. Cela minimise les impacts environnementaux par rapport aux barrages hydroélectriques traditionnels.

Comment fonctionne le stockage par pompage-turbinage

Une installation de SPT typique se compose de deux réservoirs à des altitudes différentes, d'une pompe-turbine, d'un moteur-générateur et de conduites forcées (de grands tuyaux qui transportent l'eau entre les réservoirs). Le système fonctionne en deux modes, pompage et génération, utilisant le même équipement pour les deux fonctions, ce qui simplifie l'infrastructure.

Composants clés :

Réservoir supérieur : Le réservoir d'altitude supérieure stocke l'énergie potentielle sous forme d'eau. Sa capacité détermine la quantité d'énergie que le système peut stocker.
Réservoir inférieur : Le réservoir d'altitude inférieure reçoit l'eau pendant la génération et sert de source pour le pompage.
Pompe-turbine : Une pompe-turbine réversible agit à la fois comme pompe (pour déplacer l'eau en amont) et comme turbine (pour produire de l'électricité lorsque l'eau coule en aval).
Moteur-générateur : Un moteur-générateur convertit l'énergie électrique en énergie mécanique pendant le pompage et l'énergie mécanique en énergie électrique pendant la génération.
Conduites forcées : De grands tuyaux ou tunnels relient les réservoirs et transportent l'eau entre eux, assurant un flux efficace.

Le processus de pompage :

L'électricité du réseau alimente le moteur, qui entraîne la pompe-turbine.
La pompe-turbine puise l'eau du réservoir inférieur.
L'eau est pompée à travers les conduites forcées vers le réservoir supérieur, où elle est stockée.

Le processus de génération :

L'eau est libérée du réservoir supérieur et circule à travers les conduites forcées.
L'eau fait tourner la turbine, qui est couplée au générateur.
Le générateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.
L'électricité est injectée dans le réseau pour répondre à la demande.
L'eau s'écoule dans le réservoir inférieur.

Avantages du stockage par pompage-turbinage

Le stockage par pompage-turbinage offre de nombreux avantages qui contribuent à la stabilité du réseau, à l'intégration des énergies renouvelables et à un avenir énergétique plus durable. Ces avantages font du SPT un atout précieux dans un portefeuille énergétique moderne.

Stabilité et fiabilité du réseau :

Régulation de fréquence : Le SPT peut répondre rapidement aux changements de fréquence du réseau, contribuant ainsi à maintenir une alimentation électrique stable et fiable.
Support de tension : Le SPT peut fournir de la puissance réactive pour soutenir les niveaux de tension sur le réseau.
Capacité de démarrage noir : Certaines installations de SPT peuvent redémarrer le réseau après une panne, fournissant un service essentiel pour la restauration du système.

Intégration des énergies renouvelables :

Lissage de l'intermittence : Le SPT peut stocker l'excès d'énergie produit par des sources renouvelables intermittentes comme le solaire et l'éolien, les rendant plus fiables et plus disponibles.
Décalage temporel : Le SPT peut décaler l'énergie des périodes de faible demande (lorsque la production renouvelable est élevée) vers les périodes de forte demande (lorsque la production renouvelable peut être faible).
Augmentation de la capacité renouvelable : En fournissant du stockage, le SPT permet l'intégration de plus de capacité d'énergie renouvelable sur le réseau.

Avantages économiques :

Arbitrage : Le SPT peut acheter de l'électricité à bas prix pendant les heures creuses et la vendre à des prix élevés pendant les heures de pointe, générant ainsi des revenus.
Valeur de capacité : Le SPT peut fournir une capacité de pointe, réduisant le besoin d'installations de pointe coûteuses.
Services auxiliaires : Le SPT peut fournir des services auxiliaires tels que la régulation de fréquence et le support de tension, générant des revenus supplémentaires.

Avantages environnementaux :

Réduction de la dépendance aux combustibles fossiles : En permettant une plus grande intégration des énergies renouvelables, le SPT contribue à réduire la dépendance aux centrales électriques à combustibles fossiles.
Réduction des émissions de gaz à effet de serre : La réduction de la consommation de combustibles fossiles entraîne une diminution des émissions de gaz à effet de serre.
Gestion de l'eau : Le SPT peut offrir des avantages en matière de gestion de l'eau, tels que le contrôle des inondations et l'irrigation, bien que cela nécessite une évaluation minutieuse pour éviter les impacts écologiques négatifs.

Défis et considérations

Bien que le stockage par pompage-turbinage offre des avantages considérables, il présente également certains défis qui doivent être abordés pour un déploiement réussi. Ces défis comprennent les impacts environnementaux, les limitations de sélection de sites et les complexités de développement de projets.

Impacts environnementaux :

Perturbation de l'habitat : La construction de réservoirs et de conduites forcées peut perturber les habitats aquatiques et terrestres.
Qualité de l'eau : Le SPT peut affecter la qualité de l'eau dans les réservoirs et les cours d'eau en aval.
Passage des poissons : Le pompage et la génération peuvent avoir un impact sur les populations de poissons, en particulier pendant la migration. Des mesures d'atténuation, telles que des grilles à poissons et des canaux de dérivation, sont nécessaires.

Limitations de sélection de sites :

Topographie : Le SPT nécessite une topographie appropriée avec deux réservoirs à des altitudes différentes.
Géologie : La géologie doit être stable et capable de supporter les réservoirs et les conduites forcées.
Disponibilité de l'eau : Des ressources en eau suffisantes sont nécessaires pour remplir et exploiter les réservoirs.
Proximité du réseau : Le site doit être proche des lignes de transmission existantes pour minimiser les pertes et les coûts de transmission.

Complexités du développement de projets :

Coûts d'investissement élevés : Les projets de SPT ont généralement des coûts d'investissement initiaux élevés, y compris la construction de réservoirs, de conduites forcées et d'équipements de pompe-turbine.
Longs délais de développement : Les projets de SPT peuvent prendre plusieurs années à se développer, des études de faisabilité initiales à la mise en service.
Permis et approbations réglementaires : Les projets de SPT nécessitent de nombreux permis et approbations réglementaires, qui peuvent être longs et coûteux.
Acceptation sociale : Les préoccupations communautaires concernant les impacts environnementaux et l'utilisation des terres peuvent poser des défis au développement des projets.

Exemples mondiaux de stockage par pompage-turbinage

Les installations de stockage par pompage-turbinage sont déployées dans le monde entier, jouant un rôle important dans le stockage d'énergie et la gestion du réseau. Voici quelques exemples notables :

Europe :

Centrale de pompage-turbinage de Goldisthal (Allemagne) : L'une des plus grandes centrales de SPT d'Europe, avec une capacité de 1 060 MW. Elle contribue de manière significative à la stabilité du réseau et à l'intégration des énergies renouvelables en Allemagne.
Centrale de Dinorwig (Pays de Galles, Royaume-Uni) : Connue sous le nom de « Montagne électrique », Dinorwig offre une réponse rapide aux changements de la demande d'électricité, avec une capacité de 1 728 MW. Elle joue un rôle crucial dans l'équilibrage du réseau électrique du Royaume-Uni.
Coire Ardair (Écosse, Royaume-Uni) : Un nouveau projet en cours de développement. Ce développement innovant utilise un système en boucle fermée à l'intérieur d'une montagne, minimisant ainsi les impacts environnementaux.

Amérique du Nord :

Station de stockage par pompage de Bath County (Virginie, États-Unis) : L'installation de SPT la plus importante au monde, avec une capacité de 3 003 MW. Elle fournit des services essentiels au réseau de l'Est des États-Unis.
Centrale de stockage par pompage de Ludington (Michigan, États-Unis) : Située sur le lac Michigan, cette centrale a une capacité de 1 872 MW et contribue à stabiliser le réseau dans le Midwest.

Asie :

Centrale de stockage par pompage de Fengning (Chine) : La plus grande centrale de stockage par pompage du monde actuellement en construction. Elle devrait atteindre une capacité de 3 600 MW.
Centrale de stockage par pompage d'Okutataragi (Japon) : L'une des plus grandes centrales de SPT du Japon, avec une capacité de 1 932 MW. Elle aide à gérer la demande de pointe et à intégrer les énergies renouvelables dans le réseau.
Centrale de stockage par pompage de Tehri (Inde) : Intégrée au projet du barrage de Tehri, contribuant à la sécurité hydrique et énergétique de l'Inde.

Australie :

Snowy 2.0 (Australie) : Une expansion majeure du schéma hydroélectrique des montagnes de Snowy. Elle fournira une capacité de production par pompage de 2 000 MW et environ 350 000 MWh de stockage d'énergie, contribuant à soutenir la transition de l'Australie vers les énergies renouvelables.

Ces exemples démontrent l'adoption mondiale du stockage par pompage-turbinage comme solution de stockage d'énergie fiable et efficace.

L'avenir du stockage par pompage-turbinage

Le stockage par pompage-turbinage devrait jouer un rôle de plus en plus important dans l'avenir des systèmes énergétiques. Alors que le déploiement des énergies renouvelables continue de croître, le besoin de stockage d'énergie pour équilibrer le réseau deviendra encore plus critique. Plusieurs tendances façonnent l'avenir du SPT.

Nouveaux développements technologiques :

Pompes-turbines à vitesse variable : Ces turbines avancées peuvent fonctionner à des vitesses variables, permettant une opération plus efficace et flexible.
Stockage par pompage-turbinage souterrain (UPHS) : L'UPHS implique la construction de réservoirs souterrains, réduisant les impacts environnementaux et permettant une plus grande flexibilité dans la sélection des sites.
Matériaux avancés : De nouveaux matériaux sont utilisés pour améliorer l'efficacité et la durabilité des composants de SPT.

Soutien politique et réglementaire :

Incitations pour le stockage d'énergie : Les gouvernements du monde entier fournissent des incitations pour les projets de stockage d'énergie, y compris le SPT.
Processus d'autorisation simplifiés : Des efforts sont en cours pour simplifier les processus d'autorisation pour les projets de SPT.
Reconnaissance des services du réseau : Des cadres réglementaires sont développés pour reconnaître et rémunérer le SPT pour les services qu'il fournit au réseau.

Intégration avec les énergies renouvelables :

Colocalisation avec des projets d'énergies renouvelables : Les installations de SPT sont de plus en plus colocalisées avec des projets d'énergies renouvelables, tels que les parcs solaires et éoliens.
Systèmes hybrides : Le SPT peut être intégré à d'autres technologies de stockage d'énergie, telles que les batteries, pour créer des systèmes de stockage d'énergie hybrides.

Croissance mondiale :

Marchés émergents : De nombreux pays en développement explorent le SPT comme moyen d'améliorer la stabilité du réseau et d'intégrer les énergies renouvelables.
Modernisation des installations existantes : Les installations de SPT existantes sont modernisées pour améliorer leur efficacité et leurs performances.

Conclusion

Le stockage par pompage-turbinage est une technologie éprouvée et précieuse pour le stockage d'énergie et la gestion du réseau. Sa capacité à assurer la stabilité du réseau, à intégrer les énergies renouvelables et à offrir des avantages économiques en fait un atout essentiel dans un portefeuille énergétique moderne. Bien que des défis subsistent, les avancées technologiques continues, le soutien politique et la croissance mondiale ouvrent la voie à un avenir prometteur pour le SPT. Alors que le monde évolue vers un avenir énergétique plus durable, le stockage par pompage-turbinage continuera de jouer un rôle vital pour garantir un approvisionnement énergétique fiable, abordable et propre. L'investissement dans le SPT et son optimisation devrait être une priorité stratégique clé à l'échelle mondiale pour gérer efficacement la transition énergétique et améliorer la sécurité énergétique pour toutes les nations.

Points clés à retenir :

Le stockage par pompage-turbinage (SPT) assure un stockage d'énergie à grande échelle en pompant l'eau entre des réservoirs à différentes altitudes.
Le SPT améliore considérablement la stabilité du réseau et permet une plus grande intégration des sources d'énergie renouvelables intermittentes comme le solaire et l'éolien.
Malgré les défis liés aux impacts environnementaux et à la sélection des sites, les avancées technologiques continues et les politiques favorables propulsent la croissance du SPT dans le monde entier.