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Comment ça marche : les STEP

Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) sont des installations hydrauliques réversibles, qui permettent de pomper de l’eau dans un lac en hauteur puis d’utiliser sa chute pour produire de l’électricité comme dans les usines hydroélectriques classiques. Elles permettent de stocker l’électricité et apparaissent donc comme un outil efficace pour répondre à l’intermittence des énergies solaire et éolienne.

Image de turbines dans la centrale hydraulique de Grand’Maison, dans les Alpes françaises, dont les retenues d’eau constituent une station STEP
Image de turbines dans la centrale hydraulique de Grand’Maison, dans les Alpes, la plus puissante unité du parc hydroélectrique français. Les deux retenues, en amont et en aval, constituent une STEP ©JEAN-PIERRE CLATOT / AFP

Le principe

La STEP fonctionne entre deux retenues d'eau, un bassin inférieur et un bassin supérieur(voir graphique ci-dessous).

Aux heures de très forte consommation électrique sur le réseau, l'eau du bassin supérieur, captée par une conduite forcée, fait tourner une turbine et un alternateur qui produit de l’électricité. Celle-ci permet de répondre à la demande.

Aux heures de faible consommation, de l’électricité est prélevée sur le réseau pour alimenter une pompe qui remonte l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur. Cette eau sera disponible pour une nouvelle opération de « turbinage ». La retenue supérieure permet donc un stockage d’énergieLe stockage d’énergie consiste, comme son nom l’indique, à stocker une quantité d’énergie en un lieu donné, en vue de l’utiliser ultérieurement... potentielle de gravité, disponible selon les besoins.

L’énergie stockée est proportionnelle au volume d’eau emmagasiné et à la hauteur de la chute.

Schéma illustrant le fonctionnement d'une station STEP

Une réponse partielle à l’intermittence

Les STEP se sont développées à partir des années 1970 pour optimiser le fonctionnement des grandes centrales électriques thermiques et nucléaires, face à une demande en électricité très variable dans le temps.

Elles connaissent un nouvel essor dans le monde en raison de la place croissante des énergies renouvelablesOn appelle énergie renouvelable une source d'énergie dont le renouvellement naturel est immédiat ou très rapide... intermittentes comme l’éolien et le solaire photovoltaïque. Selon la force des vents et la luminosité, la production d’électricité peut dépasser la demande du réseau à un moment donné. L’électricité produite en surplus peut alors être utilisée pour alimenter les pompes de la STEP.

Comme dans tout système, un équilibre économique est nécessaire : il faut que le coût du pompageLe pompage est une technique de récupération assistée du pétrole et du gaz... en période creuse soit nettement moins élevé que le prix de vente en période de pointe, d’autant plus que le processus provoque quelques pertes2.

Les STEP dans le monde

Les STEP (Stations de transfert d’énergie par pompage) permettent de stocker l’électricité via l’eau des lacs de barrage.

Ce nouveau modèle d’utilisation lié aux renouvelables a déclenché une relance de cette technologie en Chine, aux États-Unis, en Europe (notamment en Allemagne et en Norvège), aux Emirats arabes unis, au Maroc, etc. En 2000, il y avait dans le monde une trentaine de stations de plus de 1 000 MW de puissanceEn physique, la puissance représente la quantité d'énergie fournie par un système par unité de temps.... En 2020, il y en aura plus du double. L’Europe compte 170 unités mais avec des puissances généralement autour de quelques centaines de mégawatts.

Les plus grandes stations n’assurent généralement pas plus de 20 à 40 heures sans recourir au pompage. Globalement, cette forme de stockage représente aujourd’hui 95 % du stockage électrique dans le monde, même si la part des batteries électrochimiques de grande capacité augmente régulièrement. Mais ces stations ne restent utiles qu’à petite échelle et ne permettent pas de gérer les grandes variations saisonnières de consommation. En France, les six STEP existantes3 ont une production autour de 5 TWh en moyenne par an (pour une consommation annuelle d’environ 500 TWh).

Les perspectives d’avenir

Deux obstacles freinent la multiplication des STEP : la lourdeur des investissements et les impacts sur l’environnement et le paysage.

Les STEP sont généralement installées en montagne mais une nouvelle conception émerge, celle de « STEP marines » en bordure de littoral. Elles peuvent être utiles pour récupérer l’électricité des grands parcs éoliens offshoreTerme anglais désignant les zones et les opérations d'exploration ou d'exploitation pétrolières en mer... ou assurer l’autonomie énergétique d’îles. Mais il faut pour cela disposer d’un dénivelé d’au moins 100 mètres. La mer constitue alors la retenue inférieure, la retenue amont étant au sommet d’une falaise ou derrière une digue.

Une STEP marine a par exemple été installée dans l'île d'El Hierro, aux Canaries(voir photo). L’énergie en surplus produite par cinq éoliennes permet de pomper l’eau vers un bassin implanté 700 mètres au-dessus du niveau de la mer. EDF étudie des projets à La Réunion, à la Guadeloupe et en Martinique.

De nombreuses sociétés travaillent pour concevoir des modèles de « micro-STEP » disposant de citernes de petites tailles sur deux niveaux. Elles pourraient par exemple alimenter des villages isolés en zone montagneuse. 

Image de la station STEP de l'il d'El Hierro.

La STEP de l’ile d’El Hierro, avec son réservoir supérieur qui communique avec la mer via une station de pompage et de turbinage. À l’arrière-plan, les éoliennes qui alimentent les pompes. ©DESIREE MARTIN / AFP 

 

 

Sources : 

(1) Plus d’infos de source EDF

(2) Pour produire 1 MWh par le turbinage, il faut en moyenne consommer près de 1,25 MWh pour pomper l’eau vers le bassin supérieur.

(3) Il s’agit de Grand’Maison (1 790 MW) en Isère, Montézic (910 MW) dans l’Aveyron, Revin (800 MW) dans les Ardennes, Le Cheylas (460 MW) en Isère, Super-Bissorte (730 MW) et La Coche (330 MW) en Savoie.