IZWE Focus – Les STEP, une solution propre et renouvelable de production d’électricité

Qu’est ce qu’un STEP, cette source potentiellement importante d’énergie electrique propre et renouvelable?

L’idée de cet article vient d’une publication de Futura Science, du 6 avril 2019, intitulée “100 % d’énergies renouvelables dans le monde, c’est possible grâce aux Step”.

Qu’est ce qu’un STEP?

Revenons sur ce qu’est un STEP, Stations de transfert d’énergie par pompage ou centrales de pompage-turbinage.

Le principe est simple et basé sur la gravité tout simplement. Il a été utilisé pour la première fois en Suisse et en Italie dans les années 1890.

A minima trois composants pour un STEP:

  • Un bassin supérieur,
  • Une centrale hydroélectrique,
  • Un bassin inférieur (donc situé plus bas que le premier bassin).

Le pompage-turbinage consiste à produire de l’électricité avec une centrale hydroélectrique ayant la particularité d’être réversible. L’eau est soit prélevée du réservoir supérieur pour produire de l’énergie électrique (turbinage), soit remontée du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur pour augmenter l’énergie potentielle de celui-ci (pompage).

  • Lors du pompage, de l’électricité est consommée par des moteurs actionnant des turbines-pompes pour déplacer l’eau du niveau inférieur au niveau supérieur.
  • Lors du turbinage, l’eau qui descend du niveau supérieur vers le niveau inférieur actionne les turbines reliées aux alternateurs qui produisent de l’électricité.
  • Un cycle de pompage-turbinage occasionne une perte d’énergie d’environ 15 à 30 %.

Le pompage-turbinage est aussi utilisé pour des utilisations plus complexes disposant de plusieurs barrages d’accumulation. Quand l’électricité est excédentaire sur le réseau, elle est utilisée pour pomper l’eau dans des barrages d’accumulation à plus basses altitudes vers celui à haute altitude. Quand la demande d’électricité est plus forte, le barrage d’accumulation à plus haute altitude turbine l’eau en vallée et produit de l’électricité. L’eau est ainsi turbinée à un autre endroit que celui où elle est pompée.

Un schéma valant milles explications:

Il est important de noter que le principe du STEP répond aussi à l’enjeu de stockage de l’énergie au travers des bassins de rétention.

Quelle production d’énergie avec un STEP?

La puissance installée des centrales de pompage-turbinage atteint 153 041 MW en 2017, dont 28 490 MW en Chine (18,6 %), 27 637 MW au Japon (18,1 %) et 22 809 MW aux États-Unis (14,9 %) ; ces trois pays rassemblent 51,6 % du total mondial.

Les centrales ci dessous sont comparées du point de vue de leur puissance (Source Wikipedia). Elle ne mentionne pas l’énergie totale stockable.

En 2017, les pays les mieux dotés en puissance de pompage/turbinage sont :

  • la Chine, qui apparaît en 2017 comme le premier pays pour la puissance de ses STEP : 28 490 MW, soit 18,6 % du total mondial, au 1er rang mondial; sur les 3,2 GW de centrales de pompage-turbinage mises en service dans le monde en 2017, 1,8 GW l’ont été en Chine;
  • le Japon : 27 637 MW, 18,1 % du total mondial;
  • les États-Unis : 22 809 MW, 14,9 % du total mondial ;
  • l’Italie : 7 555 MW ;
  • la France : 6 985 MW ; les sept STEP en service représentent 10 % de la capacité hydroélectrique française, sont gérées par EDF et sont mobilisables en 10 minutes:
    • Grand’Maison, Isère, 1 800 MW,
    • Centrale de Montézic, Aveyron, 910 MW,
    • Centrale de Revin, Ardennes, 800 MW,
    • Superbissorte, Savoie 748 MW,
    • Le Cheylas, Isère, 480 MW,
    • Centrale de La Coche, Savoie, 310 MW,
    • Lac Noir, Haut-Rhin, 50 MW.

La plus puissante centrale de pompage-turbinage du monde est celle de Bath County (3 003 MW), aux États-Unis, en Virginie ; elle est suivie par deux centrales chinoises : Huizhou (2 448 MW) et Guangzhou (2 400 MW).

L’Europe compte 12 des 50 plus importantes STEP au monde.

Comment se situe le STEP par rapport aux autres sources d’énergie?

En termes de rejet de CO2:

Abordons ce sujet en termes de rejet de CO2 (méthode ACV méthode d’évaluation normalisée (ISO 14040 et ISO 14044)):

Énergie primairegCO2/kWhCommentaire
charbon800 à 1050 suivant technologie
cycle combiné à gaz430
photovoltaïque60 à 150 hors stockage ou appoint
hydraulique4 à 39
éolien3 à 22 hors stockage ou appoint
nucléaire5 à 17 en gCO2équivalent/kWh
biomasse boisfaible 1500 sans replantation

En termes de puissance générée:

Pour situer les niveaux de puissance, un réacteur de 900 MW produit en moyenne chaque mois 500 000 MWh, ce qui correspond à la consommation de 400 000 foyers environ.

  • Les centrales STEP

En France, comme vu plus avant dans l’article, ces centrales ont une puissance allant de 50 MWatt à 1800 MWatt.

  • Les éoliennes

Il y a trois grandes familles d’éoliennes:

    • Petites éoliennes : diamètre de rotor de 2 à 12 m : de 1 kW à 36 kW.
    • Moyennes éoliennes : diamètre de 12 à 35 m entre 36 et 350 kW.
    • Grandes éoliennes : diamètre de rotor de 35 à 125 m : 350 kW à 5 MW

Pour une puissance de 900 MWatt, il faut donc 180 grandes éoliennes, avec un vent constant.

  • Les centrales nucléaires

En France, le nucléaire est la 1ère source de production d’électricité. Elle provient de 58 réacteurs de différents niveaux de puissance constituant un parc réparti sur l’ensemble du territoire.

Nombre de réacteurs nucléaires en France par puissance

On peut donc noter que la Centrale STEP de 910 mWatt située à Montézic en Aveyron produit autant que le modèle standard de centrale nucléaire en France, sans les déchets, la dangerosité, … Mais pas en continu.

  • Les centrales thermiques

Les sites de production en France font appel à des équipements variés : centrales au charbon, au fioul, au gaz naturel, turbines à combustion (TAC) et cycles combinés gaz (CCG).

La puissance des unités de production va de 120 à 700 MW pour un total de 18,95 GWe de puissance installée (12,65 GWe pour EDF). Les centrales thermiques à gaz représentent à elles-seules plus de 62 % de la capacité installée.

Quel rendement pour les centrales STEP?

Le rendement des centrales STEP est extrêmement intéressant par rapport aux autres énergies:

  • environ 70% pour les centrales STEP,
  • 30 à 36% dans les centrales nucléaires,
  • Environ 33% pour les centrales thermiques,
  • Les éoliennes sont caractérisées par leur rendement en fonction de la vitesse du vent (plafonné à 90km/h), difficile donc de déterminer un rendement, d’autant plus au vu de la saisonnalité de la production.
  • La biomasse a un rendement équivalent à celui du charbon.

Les centrales STEP, la panacée?

Très bon rendement, peu d’émissions de CO2, des puissances comparables à des centrales nucléaires, stockage propre de l’énergie. Beaucoup d’avantages pour ce mode de production d’énergie électrique.

Il y a toutefois plusieurs écueils:

  • L’intermittence de production liée tout simplement au cycle pompage-turbinage. Toutefois des études sont en cours afin d’associer des éoliennes aux centrales STEP, notamment sur la partie pompage;
  • Les coûts et difficultés d’installation: cette difficulté est liée au stockage d’énergie notamment. Plus les retenues sont grandes, moins il y a de sites susceptibles d’accueillir ce type d’installation (CQFD). Et la création de retenues se fait au détriment de l’écosystème présent sur le site. Sans compter le raccordement au réseau. Les développements les plus probables sont des STEP utilisant une retenue existante comme réservoir bas. Le réservoir haut de relativement petite taille a un impact environnemental faible et et peut être plus facilement acceptable.
  • La rentabilité par rapport à des centrales thermiques existantes et un coût de matière première bas.

 

Où implanter des STEPS?

Des chercheurs de l’Université Nationale Australienne ont identifié 530 000 sites potentiels d’implantation, qu’ils ont compilé sous forme d’atlas disponible ci dessous:

Un exemple ici sur le sud de la France de sites potentiels.

Ce travail d’identification ne tient pas compte des difficultés potentielles d’implantation.

 

Les écueils identifiés plus haut ne freinent pas toutefois la R&D sur le sujet, et de nombreux projets sont en cours d’études ou réalisation (STEP bord de mer, utilisation de mines ou puits désaffectés, association de l’éolien, …).

La Chine qui a compris l’intérêt économique des énergies renouvelables (tant pour sa population que pour la maîtrise technologique) investit d’ailleurs fortement le sujet: c’est un signe.

Les STEP sont donc une solution à envisager fortement u vu de l’urgence écologique que nous connaissons.

 

Sources: INSEE, EDF, Engie, Futura Sciences, Usine Nouvelle, Wikipedia

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