Les STEP répondent aux besoins croissants de stockage d’énergie et stabilisation des réseaux électriques

Les STEP répondent à un besoin crois­sant de sta­bi­li­sa­tion des réseaux élec­triques, dans des condi­tions d’efficacité et d’économie. Elles se mul­ti­plient dans le monde. Avec l’évolution des besoins dans le temps, des solu­tions tech­niques nou­velles sont appa­rues, qui répondent aux dif­fé­rents cas d’usage envi­sa­geables. Mais la ques­tion est moins tech­no­lo­gique que poli­tique : il faut don­ner aux STEP des condi­tions sécu­ri­sées de développement.

Avec l’augmentation de la part des éner­gies inter­mit­tentes dans le mix, les besoins de sto­ckage à toutes les échelles de temps sont de plus en plus impor­tants pour assu­rer la sta­bi­li­té du réseau et la sécu­ri­té de l’approvision­nement. Les STEP (sta­tions de trans­fert d’énergie par pom­page) ont un rôle majeur à jouer. Elles sont adap­tées au sto­ckage quo­ti­dien ou heb­do­ma­daire. Le prin­cipe est simple : l’eau est pom­pée du bas­sin infé­rieur vers le bas­sin supé­rieur quand la demande élec­trique est infé­rieure à la pro­duc­tion ; elle est ensuite tur­bi­née quand la demande élec­trique est plus forte.

Une solution de stockage efficace et économe

Le ren­de­ment de cycle est de l’ordre de 80 % (70 % pour les pre­mières géné­ra­tions). Le CO₂ consom­mé par kilo­watt­heure dépend prin­ci­pa­le­ment du mix éner­gie uti­li­sé pen­dant le pom­page. Dans le cas d’un pom­page décar­bo­né, les émis­sions de gaz à effet de serre sont exclu­si­ve­ment liées à la construc­tion et res­tent donc faibles ; on estime pour l’énergie hydrau­lique les émis­sions de CO₂ com­prises entre 5 et 12 g/kWh. La construc­tion d’une cen­trale hydrau­lique néces­site essen­tiel­le­ment du béton et de l’acier, et elle ne consomme pas de maté­riaux rares. La quan­ti­té d’énergie sto­ckée est pro­por­tion­nelle à la chute (dif­fé­rence d’altitude entre les deux réser­voirs) et au volume du réservoir.

“La solution la plus économique pour des durées de stockage de quelques heures à quelques jours”

Le besoin en fon­cier couvre la sur­face des deux réser­voirs, les cen­trales sont sou­vent enter­rées. Le fon­cier uti­li­sé par kilo­watt­heure (sou­vent entre 5 et 30 kWh/m²) est du même ordre de gran­deur que le fon­cier néces­saire aux bat­te­ries sta­tion­naires (12,9 kWh/m² par exemple pour le pro­jet Horns­dale de 129 MW en Aus­tra­lie). Les STEP sont la solu­tion la plus éco­no­mique pour des durées de sto­ckage de quelques heures à quelques jours ; des com­bi­nai­sons avec du sto­ckage sai­son­nier sont pos­sibles avec l’utilisation de réser­voirs exis­tants ; par exemple la nou­velle STEP de Snowy en Aus­tra­lie a une puis­sance de 2 GW et une capa­ci­té de sto­ckage de 350 GWh. Contrai­re­ment aux idées reçues, il existe de nom­breux sites adap­tés en équi­pant des réser­voirs exis­tants, déjà uti­li­sés pour de l’énergie hydrau­lique ou pour d’autres usages, ou en uti­li­sant de nou­veaux sites.

Des coûts limités, mais de longs délais

Les STEP peuvent être en cir­cuit ouvert, c’est-à-dire en liai­son avec un cours d’eau, ou en cir­cuit fer­mé, c’est-à-dire avec un fonc­tion­ne­ment indé­pen­dant de tout cours d’eau, ce qui a l’avantage de limi­ter les inter­ac­tions et les contraintes de par­tage de la res­source en eau. Si les STEP sont sou­vent de grosses uni­tés (entre 100 et 2 000 MW) gérées de façon cen­tra­li­sée, des ques­tions se posent aus­si sur la décen­tra­li­sa­tion avec de plus petites uni­tés (quelques méga­watts). 

1. Pen­dant les périodes de faible demande (prix faible voire néga­tif), l’énergie renou­ve­lable pro­duite par les sources fatales (éolien et solaire) est uti­li­sée pour pom­per l’eau. 
2. Quand la demande croît (prix éle­vé), l’eau est tur­bi­née pour pro­duire de l’électricité. 
3. Le pom­page-tur­bi­nage asso­cié aux éner­gies renou­ve­lables pro­duit de l’électricité fiable et dis­po­nible, et bas carbone.

L’inconvénient majeur des STEP est la durée néces­saire à la mise en œuvre : les études et les pro­cé­dures néces­saires à l’obtention du per­mis de construire sont longues ; la durée de construc­tion est de quatre à cinq ans. Cer­tains États limitent les pro­cé­dures dans le cas de STEP en cir­cuit fer­mé. L’essentiel des coûts sont des Capex et doivent être inves­tis au moment de la construc­tion. Les coûts de fonc­tion­ne­ment sont faibles et la durée de vie est longue ; une réha­bi­li­ta­tion des machines est faite en moyenne tous les qua­rante ans, alors que les infra­struc­tures béton ont une durée de vie bien plus longue.

Un développement mondial

Aujourd’hui 170 GW de STEP sont ins­tal­lés dans le monde, dont 5 GW en France. Le déve­lop­pe­ment des STEP est fonc­tion des poli­tiques de chaque pays. La Chine a depuis 2016 mis en place un plan de déve­lop­pe­ment de STEP. En 2023 la Chine avait mis en ser­vice 51 GW (soit près du tiers des STEP ins­tal­lées dans le monde) ; 27 pro­jets sont approu­vés ou en cours de construc­tion. Selon les nou­velles pré­co­ni­sa­tions natio­nales : Gui­dance Opi­nions on Streng­the­ning Grid Pea­king Ener­gy Sto­rage and Smart Dis­patch Capa­ci­ty, la Chine pré­voit d’ajouter 80 GW de STEP avant 2027. Ces déci­sions contri­buent à la mise en place d’un sys­tème éner­gé­tique com­pé­ti­tif. Le solaire et l’éolien sont en forte aug­men­ta­tion en Aus­tra­lie, ce qui a créé une fra­gi­li­té du réseau ; en 2016 plu­sieurs pannes d’électricité impor­tantes ont eu lieu et ont per­tur­bé en par­ti­cu­lier la région d’Adélaïde.

La néces­si­té de mettre en place des solu­tions de sto­ckage a mobi­li­sé tous les acteurs : le pro­jet de Snowy 2.0 (2 GW) a été lan­cé, plu­sieurs socié­tés pri­vées ont aus­si inves­ti dans des STEP, l’université, Aus­tra­lian Natio­nal Uni­ver­si­ty, a publié un atlas de l’ensemble des sites poten­tiels. Israël peut être consi­dé­rée comme une île élec­trique, l’accroissement des éner­gies inter­mit­tentes renou­ve­lables impose la mise en place de moyen de sto­ckage. Les auto­ri­tés israé­liennes ont conclu un contrat d’achat d’électricité avec des inves­tis­seurs pri­vés pour la construc­tion et l’opération de trois pro­jets : Gil­boa (300 MW), Kokhav Hayar­den (344 MW) et Mana­ra (154 MW). Les rému­né­ra­tions prennent en compte des cri­tères d’arbitrage, mais aus­si les besoins de flexi­bi­li­té et de chan­ge­ment rapide de mode.

Lire aus­si : La juste rému­né­ra­tion des ser­vices ren­dus par l’hydroélectricité

Des besoins évolutifs

Les pre­mières STEP ont été déve­lop­pées en même temps que le nucléaire, pour pal­lier la varia­tion de consom­mation. Aujourd’hui c’est l’intermittence de la pro­duc­tion qu’il faut gérer. L’objectif est de com­pen­ser les varia­tions des éner­gies renou­ve­lables : pro­duire pen­dant le pic de consom­ma­tion du soir, au moment où le solaire ne pro­duit plus rien, et absor­ber de l’énergie au moment de la pro­duc­tion maxi­male ; mais aus­si être capable de com­pen­ser les baisses de charge rapides, liées à la varia­tion de pro­duc­tion comme le pas­sage d’un nuage ou la varia­tion d’intensité du vent. Si les STEP clas­siques (tur­bine-pompe et moteur-alter­na­teur à vitesse fixe) repré­sentent la plus grosse part du parc ins­tal­lé, les tech­no­lo­gies se sont adap­tées aux nou­veaux besoins.

Des solutions techniques

Les STEP à réac­tion rapide : ce sont des STEP clas­siques avec des options de démar­rage et de chan­ge­ment de mode rapide ; typi­que­ment pas­sage du mode pompe en mode tur­bine en moins d’une minute ; ce type de STEP a été par exemple ins­tal­lé en Israël à Gil­boa (2 x 150 MW), le réseau étant un réseau iso­lé ; le temps de réac­tion est un fac­teur clé.

Les STEP à vitesse variable : tur­bine-pompe et moteur-alter­na­teur à vitesse variable, cette nou­velle tech­no­lo­gie per­met­tant un réglage de puis­sance à la fois en mode pompe et en mode tur­bine ; elle pré­sente aus­si l’avantage de varia­tions très rapides ; quelques mil­li­se­condes grâce à la varia­tion de vitesse élec­trique, avec la pos­si­bi­li­té de tur­bi­ner pen­dant plu­sieurs heures, plu­sieurs jours, voire des semaines ; ces cen­trales peuvent opé­rer sur le mar­ché de l’arbitrage (en pom­pant quand le prix de l’énergie est faible et en tur­bi­nant quand il est éle­vé) et sur le mar­ché des ser­vices sys­tèmes, avec la pos­si­bi­li­té de faire de la régu­la­tion de fré­quence en mode pompe et en mode turbine.

« Des solutions associant STEP et batterie de moindre puissance sont testées pour optimiser les solutions face aux besoins d’aujourd’hui. »

Les Suisses ont choi­si d’installer cette tech­no­lo­gie sur deux cen­trales : Lin­thal (4 x 250 MW) a été mise en ser­vice en 2015 ; avec 33 GWh de capa­ci­té de sto­ckage, soit 32 heures avec une puis­sance de 1 000 MW ; et Nant de Drance avec 6 groupes de 150 MW, mise en ser­vice en 2022 avec une capa­ci­té de sto­ckage de 20 GWh. Ces deux cen­trales jouent un rôle majeur dans la sta­bi­li­sa­tion du réseau euro­péen et la sécu­ri­té de l’approvisionnement suisse.

Le court-cir­cuit hydrau­lique : cela per­met de fonc­tion­ner sur un groupe en mode tur­bine et sur l’autre en mode pompe ; ce type de sys­tème a l’avantage de per­mettre de la varia­tion de puis­sance conti­nue mal­gré un ren­de­ment réduit ; il a été mis en place sur la cen­trale de Grand’Maison (1 800 MW) dans les Alpes, ce qui per­met de mieux répondre aux besoins. L’hybridation : des solu­tions asso­ciant STEP et bat­te­rie de moindre puis­sance sont tes­tées pour opti­mi­ser les solu­tions face aux besoins d’aujourd’hui.

Avoir une vraie vision

La mise en place de solu­tions de sto­ckage est indis­pen­sable à la sécu­ri­té du réseau. Les STEP sont une solu­tion effi­cace, éco­nome, éco­no­mique, mais néces­sitent une vision. Dans un monde où les pré­vi­sions à long terme sont dif­fi­ciles, il est indis­pen­sable de mettre en place les condi­tions qui per­mettent l’investissement : sta­bi­li­té des rému­né­ra­tions, adap­ta­tion des pro­cé­dures aux cir­cuits fer­més. Les STEP contri­buent à une éner­gie sécu­ri­sée, décar­bo­née et compétitive.

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