lundi 25 novembre 2013

STEP - Station de Transfert d'Energie par pompage

STEPs de montagne
Principe

Le principe est fort simple : sur un site géographique approprié comportant un lac inférieur et un lac supérieur ayant une grande différence d’altitude, on établit au niveau du lac inférieur une station réversible reliée au lac supérieur par une conduite forcée (tuyau de gros diamètre résistant à la pression). Cette station comporte un ou plusieurs groupes constitués chacun d’une machine électrique synchrone couplée à une turbine hydraulique, toutes deux réversibles, pouvant fonctionner de deux manières :
  • en production, l’eau descend par la conduite forcée et fait tourner la turbine qui entraîne la machine. Celle-ci est alors un alternateur produisant l’énergie électrique écoulée par le réseau de transport.
  • en pompage, la machine utilisée en moteur synchrone consomme l’énergie électrique provenant du réseau et entraîne la turbine qui refoule l’eau du lac inférieur vers le lac supérieur via la conduite forcée.

Caractéristiques

Les paramètres caractéristiques d’une STEP sont donc :
  • Sa dénivellation h, aussi élevée que possible, typiquement plusieurs centaines de mètres déterminant une pression de plusieurs dizaines de bars.
  • La capacité Vs du lac supérieur, aussi élevée que possible, de l’ordre de plusieurs hectares de surface avec une profondeur moyenne de plusieurs dizaines de mètres. 1 million de m3 est assez typique.
  • La capacité Vi du lac inférieur, de préférence au moins égale à celle du lac supérieur (faute de quoi le lac supérieur ne pourrait  pas être rempli par pompage). A défaut, c’est la capacité du lac inférieur qui détermine le stockage maximum.
  • La longueur de la conduite forcée, aussi courte que possible, idéalement peu supérieure à h, pratiquement jusqu’à 10 fois h ou plus.
  • Le débit d’eau maximum qv, qui détermine :
    • la puissance maximum de la station, proportionnelle à débit x dénivellation,
    • la durée maximum de fonctionnement en production, égale à Vs / qv, qui doit atteindre 1 à 3 heures.
  • Les pertes qui ne permettent pas d’atteindre un rendement de 100%, dues :
    • à la turbine / pompe hydraulique qui ne dépasse pas 90%, voire moins si la dénivellation est faible.
    • aux pertes de charge dans la conduite forcée, d’autant plus importantes qu’elle est longue,
    • mais fort peu à l’alternateur/moteur dont le rendement dépasse souvent 99% pour les puissances élevées.

Le prix de stockage du Mwh 
  • décroit si dénivellation croît : Plus de pression, donc moins de débit dans une turbine aussi puissante mais plus petite et moins chère, conduite forcée de moindre section, et capacités des lacs plus réduites.
  • croît avec la puissance de crête en raison de:
    • la taille accrue de la conduite forcée, de la turbine et de la machine électrique,
    • la moindre durée d’utilisation annuelle des investissements, limitée par la capacité du plus petit des deux lacs.
Le rendement croît avec la dénivellation h, car les « pertes de charge » (pertes d’énergie dans un tuyau) sont indépendantes de la pression, mais croissent avec le débit.

Si  sa puissance maximum est élevée, la station peut, être constituée de plusieurs groupes (turbine + machine électrique) utilisés en parallèle, simultanément ou non selon la puissance électrique disponible ou recherchée.
Une STEP peut aussi produire de l’énergie électrique indépendamment du pompage préalable, selon le débit naturel du bassin versant du lac supérieur. C’est un cas très fréquent dans les STEP de montagne qui sont aussi des centrales naturelles de haute chute, également spécialisées dans la production aux heures de pointe, quand le prix de marché du Mwh est élevé.

A titre d’exemple réel, la plus grosse STEP française est à Grand’maison, dans l’Isère :
  • Dénivellé : h = 920 m
  • Conduite forcée : 8 km, soit environ 9 fois h
  • Capacité limitée par le lac inférieur à 15,4  millions de m3 correspondant à 35 Gwh.
  • Elle produit annuellement 1,4 Twh en heures de pointe.



Ci-dessous, à titre indicatif, le tableau de calcul d’une STEP en fonction de ses paramètres caractéristiques :