Actuellement dans les grands pays producteurs d'électricité l'importance de l'éolien ou du solaire n'est pas si grande (sauf au Danemark, mais c'est un petit pays, et ses propres STEP sont alors en Norvège) que l'intermittence ne puisse pas être gérée en jouant sur des ressources souples, … qui mettent en œuvre des énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz). Mais la nécessité, et les choix de développement de l'électricité d'origine renouvelable mènent à des études sur l'extension des STEP.

Les STEP sont de plus en plus souvent citées dans le débat sur l'énergie. Ceci parce que c'est un moyen fiable pour mettre en réserve l'électricité dont on n'a pas besoin sur le champ. Comment en effet conserver cette électricité ou en obtenir à partir de trop pleins momentanés lorsque la ressource se fait rare alors que la demande est grande, dépassant la production disponible du moment ? C'est là qu'interviennent les moyens de conservation que sont les STEP.

Ligne THT lien utile entre les centrales de production électrique et les lacs réservoirs.

Effectivement l'électricité ne se conserve pas en tant que telle (sauf dans certains anneaux supraconducteurs très coûteux). Au besoin elle peut être transformée en énergie chimique (batteries, hydrogène), sous forme électrostatique dans certains condensateurs, en énergie mécanique (volants d'inertie, air comprimé).

Pour les très grandes quantités d'électricité qui correspondent à des ressources intermittentes de grande puissance, telles le solaire photovoltaïque (et en partie le solaire thermodynamique) ou l'éolien, ressources en déploiement intensif il est nécessaire d'envisager des moyens de lisser les productions intermittentes afin d'obtenir de l'électricité lorsque le besoin s'en fait sentir (lors de l'absence de vent ou de soleil).

Eolienne de 2 MW, dans le sud de l'Aisne

Introduction

Le concept de ces STEP existe depuis longtemps. Il s'agit l'utiliser les MWh en surnombre pour pomper de grandes quantités d'eau d'une rivière, d'un lac inférieur et de les monter vers un lac réservoir supérieur à quelques dizaines ou quelques centaines de mètres au-dessus : on transforme alors de l'énergie électrique en énergie potentielle de l'eau dans le champ de pesanteur. En cas d'appel de puissance supplémentaire, l'eau est alors turbinée comme dans le cas de l'hydraulique de pointe. Le rendement de conversion électrique-énergie potentielle-électricité est de l'ordre de 75 à 80 %.

La France les utilise pour assouplir un peu sa production d'origine nucléaire, la Suisse fait de même avec l'électricité française nucléaire, achetée lors des prix faibles sur le marché spot de l'électricité et revendue en période de forte demande (vers l'Italie le plus souvent). dans certains endroits des STEP de ce type permettent, en parallèle avec un peu de transformation chimique (batteries, hydrogène), éventuellement avec des centrales thermiques en sortie de méthanisation ou de biomasse de rendre totalement renouvelables l'électricité de petites communautés.

Ici nous nous intéressons à une hypothèse d'école qui apparaît de plus en plus dans des travaux internationaux en vue de se débarrasser de l'électricité d'origine fossile, nucléaire compris. Pour être simple et rendre compte des ordres de grandeurs que cela implique l'on fera l'hypothèse que l'électricité éolienne française, dans son développement actuel, est organisée en parallèle avec des STEP de façon à pouvoir travailler en base.

Electricité éolienne, France 2010

• puissance installée : 5500 MW
• facteur de charge : 0,23, soit en moyenne 1265 MW de puissance lissée sur l'année (un peu plus d'un réacteur nucléaire)

Observations durant l'automne 2010, site RTE

• puissance maximale : 3500 MW
• puissance minimale  : 350 MW ("il y a toujours du vent quelque part"). Pour simplifier les calculs l'on retiendra 500 MW (cf.infra)

En étant très optimiste, nous retenons ici pour hypothèse de travail que l'éolien industriel puisse travailler en base en proposant une puissance de : 2000 MW.

Le mode de fonctionnement

L'éolien et ses STEP fonctionnent en base. Par hypothèse cette puissance base est 2000 MW. Dès que la puissance instantanée éolienne dépasse ce seuil, l'électricité supplémentaire est soutirée par turbinage inverse (pompage). Puis dès que le vent se calme mais que la demande existe, le lac se vide en produisant de l'électricité.

A la limite de la puissance instantanée minimale (500 W), les lacs doivent donc fournir 1500 MW.

La question

Quel débit maximal doit-on prévoir pour ce faire ? (à quel coût ?)

Pour y répondre prenons comme exemple les données (vérifiables) d'un barrage au fil de l'eau dont la hauteur de chute est commensurable à celle fournie par les propositions de STEP, type  lacs Emeraude de François Lempérière.

Le barrage de Génissiat, au fil de l'eau sur le Rhône a pour caractéristiques principales : la hauteur de chute de 67 m, fournissant avec le débit nominal de 750 m³/s une puissance de 400 MW.

Pour notre demande de 1500 MW il nous faut donc un débit de 2800 m³/s. Ce qui apparaît (?) possible sur de courtes périodes. Mais nécessite des retenues de grande importance.

On laisse ici le lecteur faire les évaluations pour gérer 25 GW de ressource éolienne, avec un facteur de charge de 0,3 (obtenu par l'introduction d'une puissance offshore installée non-négligeable). Les coûts sont analysés sur l'intéressant site présentant les Lacs Emeraudes.

Remarques subsidiaires

Il va de soi que ces STEP seront situées en un lieu ouvert à l'air libre : la puissance diminuera au fur et à mesure de l'utilisation (les vents faibles durent souvent plusieurs heures, sinon des jours ou des semaines) puisque le niveau de l'eau baissera.  La puissance maximale garantie nécessitera a) des lacs importants surdimensionnés et la plupart du temps inemployés, et b) ou des emprises grandes.

On voit donc que ces STEP ne peuvent, à coût limité, n'apporter qu'une réponse partielle au lissage de l'éolien. C'est néanmoins un élément qui peut devenir essentiel de notre futur énergétique.

Un projet de STEP existe pour aider à l'alimentation de pointe de la Bretagne, à partir d'un lac réservoir placé à Guerlédan, et travaillant à partir des ressources bretonnes faibles (centrales thermiques fossiles ou éoliennes…, usine marémotrice de la Rance),, mais surtout avec les centrales nucléaires du Cotentin ou de l'estuaire de la Loire.

Autre référence de barrage moderne au fil de l'eau : les 3 Gorges (Chine)

• H de chute : 100 m
• débit nominal : 14500 m³/s
• puis. nominale : 22  GW