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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 ?
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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
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VARIATION PUISSANCE APPELEE EN HIVER
CONTEXTE / POINTE
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=> 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).
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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
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Le meilleur rendement pour un stockage de masse d’énergie électrique
STEP DANS LE MONDE
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CHINE : 20
TOTAL : 140 GW à fin 2011 pour 400 STEP
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STEP PRINCIPALES EN FRANCE
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.
Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing
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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
Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing
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DIFFICULTES / CHARGES ET VALORISATION
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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
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ECART PRIX POINTE / BASE
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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
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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.
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EQUIPEMENTS ELECTROMECANIQUES
TURBINE BULBE
TURBINE KAPLAN
TURBINE FRANCIS
TURBINE PELTON
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RAPPELS DE PHYSIQUE
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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
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Turbine KAPLAN
Turbine BULBE
TURBINES FRANCIS et PELTON
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Turbine FRANCIS
Turbine PELTON
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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1977: début des travaux
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MISE EN EAU : 1984-1987
GRAND-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?
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P EOLIEN
P EOLIEN
DEMANDE AJUST STEP
BESOINS A L’ECHELLE MONDIALE
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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 ?
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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.
Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing 63
EL HIERRO : 100 % renouvelable ?
Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing 64
EL HIERRO : 100 % renouvelable ?
Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing 65
https://demanda.ree.es/visionaCan/VisionaHierro.html#
EL HIERRO : 100 % renouvelable ?
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Cielos + Espejo de Tarapacá CHILI
Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing 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$
Micro-STEP TRI’NERZH Berrien (29)
Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing 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 l’exportation de ce type de micro-STEP.
Micro-STEP TRI’NERZH Berrien (29)
Conférence STEP du 10/09/2015- Patrick Castaing 69
MUSEE EDF HYDRELEC
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FIN
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