Le stockage par pompage-turbinage est la technologie la plus répandue et la plus aboutie en matière de stockage d'énergie à grande échelle, et la capacité installée des centrales peut atteindre le gigawatt. Actuellement, le stockage d'énergie le plus performant et le plus important au monde est le stockage hydroélectrique par pompage-turbinage.
La technologie de stockage par pompage-turbinage est éprouvée et stable, offrant des avantages globaux importants. Elle est fréquemment utilisée pour la régulation des pics de consommation et comme solution de secours. Le stockage par pompage-turbinage est la technologie la plus répandue et la plus aboutie en matière de stockage d'énergie à grande échelle, et la capacité installée des centrales peut atteindre le gigawatt.
D'après les statistiques incomplètes du Comité professionnel du stockage d'énergie de l'Association chinoise de recherche énergétique, le pompage-turbinage est actuellement la technologie de stockage d'énergie la plus mature et la plus importante au monde. En 2019, la capacité mondiale de stockage d'énergie opérationnelle atteignait 180 millions de kilowatts, dont plus de 170 millions de kilowatts pour le pompage-turbinage, soit 94 % du stockage d'énergie mondial total.
Les centrales de pompage-turbinage utilisent l'électricité produite pendant les périodes de faible consommation pour pomper l'eau vers un réservoir en altitude et la relâcher afin de produire de l'électricité lors des pics de consommation. En période de faible consommation, la centrale de pompage-turbinage est le consommateur ; en période de forte consommation, elle est la centrale électrique.
La centrale de pompage-turbinage remplit deux fonctions principales : le pompage de l’eau et la production d’électricité. Elle fonctionne comme une turbine hydraulique lorsque la charge du réseau électrique est à son maximum. L’ouverture de la roue directrice de la turbine est ajustée par le régulateur, et l’énergie potentielle de l’eau est convertie en énergie mécanique de rotation de la centrale, puis cette énergie mécanique est convertie en énergie électrique par le générateur.
Lorsque la charge du réseau électrique est faible, la pompe à eau est utilisée pour transférer l'eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur. Grâce au régulateur de vitesse, l'ouverture des aubes directrices est automatiquement ajustée en fonction de la hauteur de refoulement de la pompe, et l'énergie électrique est convertie en énergie potentielle hydraulique et stockée.
Les centrales de pompage-turbinage sont principalement responsables de la régulation des pics de consommation, de la régulation de fréquence, de l'alimentation de secours et du redémarrage après une panne générale du réseau électrique. Elles permettent d'améliorer et d'équilibrer la charge du réseau, d'optimiser la qualité de l'alimentation et d'accroître sa rentabilité. Elles constituent un élément essentiel pour garantir le fonctionnement sûr, économique et stable du réseau électrique. Dans ce contexte, les centrales de pompage-turbinage jouent un rôle crucial en tant que stabilisateurs, régulateurs et équilibreurs.
L'évolution des centrales hydroélectriques à accumulation par pompage se caractérise par une chute de pression élevée, une grande capacité et une vitesse de rotation élevée. La chute de pression élevée signifie que l'unité atteint une hauteur de chute plus importante, la grande capacité signifie que la capacité d'une unité unitaire augmente continuellement et la vitesse de rotation élevée signifie que l'unité adopte une vitesse spécifique plus élevée.
Structure et caractéristiques de la centrale électrique
Les principaux bâtiments d'une centrale de pompage-turbinage comprennent généralement : un réservoir supérieur, un réservoir inférieur, un système de distribution d'eau, un atelier et d'autres bâtiments spécifiques. Comparées aux centrales hydroélectriques classiques, les structures hydrauliques des centrales de pompage-turbinage présentent les principales caractéristiques suivantes :
Il existe des réservoirs supérieurs et inférieurs. Comparée aux centrales hydroélectriques classiques de même puissance installée, la capacité des réservoirs des centrales de pompage-turbinage est généralement relativement faible.
Le niveau d'eau du réservoir fluctue considérablement et monte et descend fréquemment. Afin de lisser les pics de consommation et de compenser les creux de consommation sur le réseau électrique, la variation quotidienne du niveau d'eau du réservoir de la centrale de pompage-turbinage est généralement assez importante, dépassant souvent 10 à 20 mètres, et atteignant même 30 à 40 mètres dans certaines centrales. La vitesse de variation du niveau d'eau du réservoir est relativement rapide, généralement de 5 à 8 m/h, voire de 8 à 10 m/h.
Les exigences en matière de prévention des infiltrations dans les réservoirs sont élevées. Si une centrale hydroélectrique à stockage par pompage subit d'importantes pertes d'eau dues à des infiltrations dans la partie supérieure du réservoir, sa production d'électricité s'en trouvera réduite. Parallèlement, afin d'éviter que les infiltrations d'eau ne détériorent les conditions hydrogéologiques de la zone du projet, entraînant des dommages et des infiltrations concentrées, des exigences renforcées sont également imposées en matière de prévention des infiltrations dans les réservoirs.
La hauteur de chute est importante. La hauteur de chute des centrales de pompage-turbinage est généralement élevée, le plus souvent entre 200 et 800 mètres. La centrale de Jixi, d'une capacité installée totale de 1,8 million de kilowatts, est la première centrale de Chine à atteindre une hauteur de chute de 650 mètres, tandis que celle de Dunhua, d'une capacité installée totale de 1,4 million de kilowatts, est la première à atteindre une hauteur de chute de 700 mètres. Avec le développement continu de la technologie du pompage-turbinage, le nombre de centrales à haute chute et de grande capacité en Chine va augmenter.
L'unité est installée à basse altitude. Afin de pallier l'influence de la poussée d'Archimède et des infiltrations sur la centrale, les grandes centrales de pompage-turbinage construites ces dernières années, tant en Chine qu'à l'étranger, adoptent majoritairement la forme de centrales souterraines.
La plus ancienne centrale hydroélectrique à accumulation par pompage au monde est celle de Netra à Zurich, en Suisse, construite en 1882. La construction de ces centrales en Chine a débuté relativement tard. La première turbine à flux oblique réversible a été installée au réservoir de Gangnan en 1968. Par la suite, avec le développement rapide du secteur énergétique national, la capacité installée des centrales nucléaires et thermiques a connu une forte augmentation, nécessitant l'intégration de turbines à accumulation par pompage dans le réseau électrique.
Depuis les années 1980, la Chine a entrepris la construction intensive de centrales hydroélectriques à accumulation par pompage de grande envergure. Ces dernières années, grâce au développement rapide de son économie et de son secteur énergétique, la Chine a réalisé des progrès scientifiques et technologiques significatifs en matière d'autonomie des équipements de ces centrales.
Fin 2020, la capacité installée de production d'électricité par pompage-turbinage de mon pays s'élevait à 31,49 millions de kilowatts, soit une augmentation de 4 % par rapport à l'année précédente. En 2020, la capacité nationale de production d'électricité par pompage-turbinage atteignait 33,5 milliards de kWh, soit une hausse de 5 % par rapport à l'année précédente ; la capacité nouvellement mise en service était de 1,2 million de kWh. Mon pays compte le plus grand nombre de centrales par pompage-turbinage, en production ou en construction.
La State Grid Corporation of China a toujours accordé une grande importance au développement du stockage par pompage. Actuellement, elle exploite 22 centrales de ce type et en compte 30 en construction.
En 2016, la construction de cinq centrales électriques de pompage-turbinage à Zhen'an, Shaanxi, Jurong, Jiangsu, Qingyuan, Liaoning, Xiamen, Fujian et Fukang, Xinjiang a commencé ;
En 2017, la construction de six centrales électriques de pompage-turbinage a commencé dans le comté de Yi du Hebei, Zhirui de la Mongolie intérieure, Ninghai du Zhejiang, Jinyun du Zhejiang, Luoning du Henan et Pingjiang du Hunan ;
En 2019, la construction de cinq centrales électriques de pompage-turbinage a commencé à Funing dans le Hebei, Jiaohe dans le Jilin, Qujiang dans le Zhejiang, Weifang dans le Shandong et Hami dans le Xinjiang ;
En 2020, quatre centrales électriques de pompage-turbinage dans le Shanxi Yuanqu, le Shanxi Hunyuan, le Zhejiang Pan'an et le Shandong Tai'an Phase II commenceront leur construction.
La première centrale hydroélectrique à accumulation par pompage de mon pays dotée d'équipements entièrement autonomes a été mise en service en octobre 2011, témoignant de la maîtrise par mon pays des technologies clés liées au développement des équipements des centrales à accumulation par pompage.
En avril 2013, la centrale hydroélectrique de pompage-turbinage de Fujian Xianyou a été mise en service. En avril 2016, la centrale de pompage-turbinage de Zhejiang Xianju, d'une capacité unitaire de 375 000 kilowatts, a été raccordée avec succès au réseau. L'utilisation autonome des centrales de pompage-turbinage de grande envergure se généralise et se développe continuellement en Chine.
Il s'agit de la première centrale hydroélectrique à accumulation par pompage de mon pays, d'une chute de 700 mètres. Sa capacité installée totale est de 1,4 million de kilowatts. Le 4 juin 2021, le groupe 1 a été mis en service.
La centrale hydroélectrique à accumulation par pompage la plus puissante au monde est actuellement en construction. Sa capacité totale installée est de 3,6 millions de kilowatts.
Le stockage par pompage présente les caractéristiques d'une infrastructure de base, complète et publique. Il peut contribuer à la régulation des nouvelles liaisons entre la source, le réseau, la charge et le stockage du réseau électrique, et ses avantages globaux sont plus importants. Il assure la stabilisation de l'alimentation électrique, l'équilibrage des émissions de carbone et la régulation du rendement du réseau.
Le premier objectif est de remédier efficacement au manque de capacité de réserve fiable du réseau électrique face à la forte pénétration des énergies renouvelables. Grâce à la régulation de pointe à double capacité, nous pouvons améliorer la capacité de régulation de pointe du réseau et atténuer les problèmes d'approvisionnement liés à l'instabilité des énergies renouvelables et aux creux de consommation. Les difficultés de consommation engendrées par le développement à grande échelle des énergies renouvelables durant cette période peuvent favoriser leur utilisation.
La seconde consiste à gérer efficacement l'inadéquation entre les caractéristiques de production des nouvelles énergies et la demande en énergie, en s'appuyant sur la capacité d'ajustement flexible d'une réponse rapide, afin de mieux s'adapter au caractère aléatoire et volatil des nouvelles énergies et de répondre à la demande d'ajustement flexible induite par les nouvelles énergies « en fonction des conditions météorologiques ».
Le troisième objectif est de pallier efficacement l'inertie insuffisante des réseaux électriques à forte proportion d'énergies nouvelles. Grâce à l'inertie élevée du générateur synchrone, il est possible d'améliorer la résistance aux perturbations du réseau et de maintenir sa stabilité de fréquence.
Le quatrième objectif est de gérer efficacement l'impact potentiel sur la sécurité de la configuration « double puissance » du nouveau réseau électrique, d'assurer la fonction de secours et de répondre instantanément aux besoins d'ajustement grâce à des capacités de démarrage et d'arrêt rapides ainsi qu'à une montée en puissance rapide. Parallèlement, en tant que charge interruptible, elle peut déconnecter en toute sécurité la charge nominale du groupe de pompage en quelques millisecondes, améliorant ainsi le fonctionnement sûr et stable du système.
Le cinquième objectif est de gérer efficacement les coûts d'ajustement élevés induits par le raccordement à grande échelle de nouvelles énergies au réseau. Grâce à des méthodes d'exploitation rationnelles, combinées à l'énergie thermique pour réduire les émissions de carbone et accroître l'efficacité, il s'agit de limiter l'abandon des énergies éolienne et lumineuse, de favoriser une allocation optimale des capacités et d'améliorer la rentabilité globale et le fonctionnement propre de l'ensemble du système.
Renforcer l’optimisation et l’intégration des ressources d’infrastructure, coordonner la gestion de la sécurité, de la qualité et de l’avancement des 30 projets en construction, promouvoir activement la construction mécanisée, le contrôle intelligent et la construction normalisée, optimiser les délais de construction et veiller à ce que la capacité de stockage par pompage dépasse 20 millions de kilowatts pendant la période du « 14e plan quinquennal » et que la capacité installée en service dépasse 70 millions de kilowatts d’ici 2030.
La seconde priorité est d'optimiser la gestion allégée. Il s'agit de renforcer le pilotage de la planification, en se concentrant sur l'objectif « double bilan carbone » et la mise en œuvre de la stratégie de l'entreprise, et d'élaborer avec rigueur le plan de développement du « 14e plan quinquennal » pour les centrales de pompage-turbinage. Il convient d'optimiser scientifiquement les procédures de travail préliminaires du projet et de mener à bien l'étude de faisabilité et l'approbation de manière méthodique. En mettant l'accent sur la sécurité, la qualité, les délais de construction et les coûts, il est essentiel de promouvoir activement la gestion et le contrôle intelligents, la construction mécanisée et les techniques de construction écologiques afin de garantir la rentabilité des projets en cours dans les meilleurs délais.
Approfondir la gestion du cycle de vie des équipements, approfondir la recherche sur les services du réseau électrique assurés par les unités, optimiser la stratégie d'exploitation de ces unités et garantir pleinement le fonctionnement sûr et stable du réseau électrique. Développer une gestion allégée multidimensionnelle, accélérer la mise en place d'une chaîne d'approvisionnement intelligente et moderne, améliorer le système de gestion des matériaux, allouer scientifiquement le capital, les ressources, la technologie, les données et autres facteurs de production, améliorer activement la qualité et l'efficacité, et optimiser globalement l'efficacité de la gestion et de l'exploitation.
Le troisième axe consiste à rechercher des avancées majeures en matière d'innovation technologique. Il s'agit de mettre en œuvre en profondeur le « Plan d'action pour un nouveau bond en avant » en faveur de l'innovation scientifique et technologique, d'accroître les investissements dans la recherche scientifique et de renforcer la capacité d'innovation indépendante. Il convient également d'intensifier l'application de la technologie des groupes électrogènes à vitesse variable, de renforcer la recherche et le développement technologiques des groupes de grande capacité de 400 mégawatts, d'accélérer la construction de laboratoires de modélisation et de simulation de groupes motopompes-turbines, et de tout mettre en œuvre pour bâtir une plateforme d'innovation scientifique et technologique indépendante.
Optimiser l’organisation de la recherche scientifique et l’allocation des ressources, renforcer la recherche sur les technologies clés du stockage par pompage et s’efforcer de surmonter les blocages techniques. Approfondir la recherche sur l’application des nouvelles technologies telles que la « chaîne intelligente IoT du Big Cloud », déployer à grande échelle la construction de centrales électriques intelligentes numériques et accélérer la transformation numérique des entreprises.
Date de publication : 7 mars 2022
