Illustration – Principe de la centrale hydroélectrique pompée souterraine urbaine proposée par Pierre Couture. Elle permet de stocker l'énergie et réguler les variations des énergies renouvelables, entre autres, et constitue un élément incontournable des réseaux électriques de demain. (illustration: Paul Berryman, tirée de mon livre Rouler sans pétrole)
Le 5 mars 2009, Steven Chu, le secrétaire d’État à l’énergie des États-Unis, exposait devant une commission sénatoriale les priorités de son gouvernement en recherche et développement. Parmi les 5 secteurs identifiés, on retrouve le stockage d’énergie à grande échelle. Des unités de stockage de taille appropriée permettraient de compenser les variations journalières de l’énergie solaire et éolienne, et d’augmenter l’efficacité des centrales thermiques. Le stockage d’énergie est donc un maillon essentiel pour diminuer les émissions de gaz à effet de serre et les émissions toxiques reliées à la production d’électricité.
La solution la plus utilisée présentement pour le stockage à grande échelle de l’énergie est la centrale hydroélectrique pompée. Dans sa version traditionnelle, il s’agit de deux réservoirs d’eau situés l’un plus haut que l’autre, reliés ensemble par une galerie souterraine où se trouve une turbine qui peut fonctionner dans les deux sens. Pendant les périodes de faible demande d’électricité (la nuit par exemple) le moteur-générateur électrique couplé à la turbine pompe l’eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur. Aux périodes de forte demande, on laisse couler l’eau du réservoir supérieur vers le réservoir inférieur, ce qui entraîne la turbine et génère de l’électricité. On appelle également ces installations des centrales à pompage-turbinage. Dans une centrale bien conçue, l’aller-retour de l’eau entre les deux réservoirs entraîne une perte d’environ 20% de l’énergie stockée.
Mais, pour réguler les fluctuations journalières de l’énergie éolienne et solaire, ou pour réguler les variations de la demande au fil de la journée, on n’a pas besoin de stocker plus de 25% environ de l’énergie produite. La régulation entraîne donc une perte de seulement 5% de l’énergie totale produite.
Illustration – Principe de la centrale hydroélectrique pompée traditionnelle. (source : compagnie suisse FMV)
Il y a présentement près de 200 centrales hydroélectriques pompées sur la planète, totalisant 90 GW de puissance, soit environ 3% de la puissance installée à l’échelle mondiale, selon l’ESA (Electricity Storage Association).
L’obligation d’avoir une dénivellation importante entre les deux réservoirs d’eau a fait dire à plusieurs que le stockage d’énergie par pompage-turbinage était une technologie qu’on ne pouvait exploiter à grande échelle un peu partout. À preuve, l'affirmation suivante
qu'on retrouve dans le document «National Energy Policy Recommandations» de l'IEEE-USA ( Institute of Electrical and Electronics Engineers), datée du 15 janvier 2009 (téléchargement ICI sous la rubrique Energy and Environment).
Mais, il semble bien qu’une telle affirmation relève d’un manque d’imagination, car on peut très bien construire des centrales hydroélectriques pompées au beau milieu de vastes plaines ou encore au cœur d’une ville. Il suffit de creuser un puits profond dans le rock et de construire des galeries au fond pour obtenir le deuxième réservoir.
C’est le concept qui a été proposé par Pierre Couture, chercheur pour Hydro-Québec et inventeur du moteur-roue moderne (billet du 11 février 2009). Louis-Gilles Francoeur, journaliste au journal Le Devoir a dévoilé ce projet dans un article daté du 22 janvier 2004.
Pour éviter de trop grands travaux d'excavation pour les galeries, on a intérêt à les situer à une plus grande profondeur. Pierre Couture préconise de creuser un puits d’environ 2 mètres de diamètres et trois kilomètres de profondeur. Des turbines qui peuvent également être inversées et agir comme pompes sont disposées à tous les kilomètres en descendant, avec une caverne tampon juste derrière (voir l’illustration au début du billet).
Les calculs démontrent que pour obtenir une puissance de 1 GW pendant 10 heures, il faut creuser 3 kilomètres de galeries de 20 mètres x 20 mètres d’ouverture (1,2 millions de mètres cubes) pour emmagasiner l’eau au fond. Le coût d’une telle centrale pompée souterraine serait dans la fourchette 700 M$ à 1000 M$, et pourrait réguler des centrales électriques de 3 à 4 GW de puissance maximale.
En comptant une durée de la centrale pompée de 50 ans, on arrive au bout du compte à un coût inférieur à 0,2 cents/kWh d’énergie produite et régulée, ce qui ne représente que quelques pourcents du coût de production.
Les centrales hydroélectriques pompées peuvent être utilisées de multiples façons. On peut, bien sûr, augmenter le pourcentage d’énergies renouvelables en régulant leurs fluctuations inhérentes. Pour diminuer le besoin de régulation, on a intérêt à mettre en place des lignes à haute tension efficaces pour relier les parcs éoliens sur des milliers de kilomètres, car il y a toujours du vent quelque part. Les lignes à haute tension DC sont particulièrement intéressantes à cet égard puisqu’elles ne génèrent que 3% de pertes par 1000 km. Les centrales solaires, quant à elles, suivent assez bien la demande journalière en électricité (plus de soleil à midi). En les plaçant dans des endroits désertiques, on s’assure d’un minimum de couverture nuageuse, ce qui requerra moins de stockage d’énergie pour les fluctuations. La plus grande partie du stockage servirait à reporter à la nuit une partie de l’énergie produite dans le jour.
Par ailleurs, les centrales hydroélectriques pompées sont également intéressantes pour augmenter l’efficacité des centrales thermiques. On sait, par exemple, que les centrales au gaz naturel à cycle combiné peuvent atteindre une efficacité de 60%. Malheureusement on ne peut varier de façon importante la puissance de telles centrales pour suivre la demande journalière. On doit utiliser pour cela des centrales au gaz dont l’efficacité est inférieure à 40%. On voit donc tout l’intérêt d’une centrale hydroélectrique pompée qui serait couplée à une ou plusieurs centrales au gaz naturel. On pourrait alors utiliser les centrales au gaz les plus efficaces et les faire fonctionner toujours à régime constant optimal. Les fluctuations quotidiennes seraient prises en charge par la centrale pompée. En procédant de la sorte, on obtiendrait 50% plus d’électricité avec le même gaz naturel!
Avec l’électricité supplémentaire ainsi récupérée on pourrait fermer des centrales au charbon beaucoup plus polluantes, en attendant de fermer également, à terme, les centrales au gaz pour les remplacer par de l’énergie renouvelable.
Les centrales hydroélectriques pompées sont donc un élément ESSENTIEL de toute politique énergétique intelligente! Et avec le concept souterrain proposé par Pierre Couture, elles vont devenir de plus en plus intéressantes.
Le 5 mars 2009, Steven Chu, le secrétaire d’État à l’énergie des États-Unis, exposait devant une commission sénatoriale les priorités de son gouvernement en recherche et développement. Parmi les 5 secteurs identifiés, on retrouve le stockage d’énergie à grande échelle. Des unités de stockage de taille appropriée permettraient de compenser les variations journalières de l’énergie solaire et éolienne, et d’augmenter l’efficacité des centrales thermiques. Le stockage d’énergie est donc un maillon essentiel pour diminuer les émissions de gaz à effet de serre et les émissions toxiques reliées à la production d’électricité.
La solution la plus utilisée présentement pour le stockage à grande échelle de l’énergie est la centrale hydroélectrique pompée. Dans sa version traditionnelle, il s’agit de deux réservoirs d’eau situés l’un plus haut que l’autre, reliés ensemble par une galerie souterraine où se trouve une turbine qui peut fonctionner dans les deux sens. Pendant les périodes de faible demande d’électricité (la nuit par exemple) le moteur-générateur électrique couplé à la turbine pompe l’eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur. Aux périodes de forte demande, on laisse couler l’eau du réservoir supérieur vers le réservoir inférieur, ce qui entraîne la turbine et génère de l’électricité. On appelle également ces installations des centrales à pompage-turbinage. Dans une centrale bien conçue, l’aller-retour de l’eau entre les deux réservoirs entraîne une perte d’environ 20% de l’énergie stockée.
Mais, pour réguler les fluctuations journalières de l’énergie éolienne et solaire, ou pour réguler les variations de la demande au fil de la journée, on n’a pas besoin de stocker plus de 25% environ de l’énergie produite. La régulation entraîne donc une perte de seulement 5% de l’énergie totale produite.
Illustration – Principe de la centrale hydroélectrique pompée traditionnelle. (source : compagnie suisse FMV)Il y a présentement près de 200 centrales hydroélectriques pompées sur la planète, totalisant 90 GW de puissance, soit environ 3% de la puissance installée à l’échelle mondiale, selon l’ESA (Electricity Storage Association).
L’obligation d’avoir une dénivellation importante entre les deux réservoirs d’eau a fait dire à plusieurs que le stockage d’énergie par pompage-turbinage était une technologie qu’on ne pouvait exploiter à grande échelle un peu partout. À preuve, l'affirmation suivante
«Expanded use of this technology depends on the availability of suitable geography»
«Une utilisation à grande échelle de cette technologie dépend de la disponibilité d'une géographie appropriée»
qu'on retrouve dans le document «National Energy Policy Recommandations» de l'IEEE-USA ( Institute of Electrical and Electronics Engineers), datée du 15 janvier 2009 (téléchargement ICI sous la rubrique Energy and Environment).
Mais, il semble bien qu’une telle affirmation relève d’un manque d’imagination, car on peut très bien construire des centrales hydroélectriques pompées au beau milieu de vastes plaines ou encore au cœur d’une ville. Il suffit de creuser un puits profond dans le rock et de construire des galeries au fond pour obtenir le deuxième réservoir.
C’est le concept qui a été proposé par Pierre Couture, chercheur pour Hydro-Québec et inventeur du moteur-roue moderne (billet du 11 février 2009). Louis-Gilles Francoeur, journaliste au journal Le Devoir a dévoilé ce projet dans un article daté du 22 janvier 2004.
Pour éviter de trop grands travaux d'excavation pour les galeries, on a intérêt à les situer à une plus grande profondeur. Pierre Couture préconise de creuser un puits d’environ 2 mètres de diamètres et trois kilomètres de profondeur. Des turbines qui peuvent également être inversées et agir comme pompes sont disposées à tous les kilomètres en descendant, avec une caverne tampon juste derrière (voir l’illustration au début du billet).
Les calculs démontrent que pour obtenir une puissance de 1 GW pendant 10 heures, il faut creuser 3 kilomètres de galeries de 20 mètres x 20 mètres d’ouverture (1,2 millions de mètres cubes) pour emmagasiner l’eau au fond. Le coût d’une telle centrale pompée souterraine serait dans la fourchette 700 M$ à 1000 M$, et pourrait réguler des centrales électriques de 3 à 4 GW de puissance maximale.
En comptant une durée de la centrale pompée de 50 ans, on arrive au bout du compte à un coût inférieur à 0,2 cents/kWh d’énergie produite et régulée, ce qui ne représente que quelques pourcents du coût de production.
Les centrales hydroélectriques pompées peuvent être utilisées de multiples façons. On peut, bien sûr, augmenter le pourcentage d’énergies renouvelables en régulant leurs fluctuations inhérentes. Pour diminuer le besoin de régulation, on a intérêt à mettre en place des lignes à haute tension efficaces pour relier les parcs éoliens sur des milliers de kilomètres, car il y a toujours du vent quelque part. Les lignes à haute tension DC sont particulièrement intéressantes à cet égard puisqu’elles ne génèrent que 3% de pertes par 1000 km. Les centrales solaires, quant à elles, suivent assez bien la demande journalière en électricité (plus de soleil à midi). En les plaçant dans des endroits désertiques, on s’assure d’un minimum de couverture nuageuse, ce qui requerra moins de stockage d’énergie pour les fluctuations. La plus grande partie du stockage servirait à reporter à la nuit une partie de l’énergie produite dans le jour.
Par ailleurs, les centrales hydroélectriques pompées sont également intéressantes pour augmenter l’efficacité des centrales thermiques. On sait, par exemple, que les centrales au gaz naturel à cycle combiné peuvent atteindre une efficacité de 60%. Malheureusement on ne peut varier de façon importante la puissance de telles centrales pour suivre la demande journalière. On doit utiliser pour cela des centrales au gaz dont l’efficacité est inférieure à 40%. On voit donc tout l’intérêt d’une centrale hydroélectrique pompée qui serait couplée à une ou plusieurs centrales au gaz naturel. On pourrait alors utiliser les centrales au gaz les plus efficaces et les faire fonctionner toujours à régime constant optimal. Les fluctuations quotidiennes seraient prises en charge par la centrale pompée. En procédant de la sorte, on obtiendrait 50% plus d’électricité avec le même gaz naturel!
Avec l’électricité supplémentaire ainsi récupérée on pourrait fermer des centrales au charbon beaucoup plus polluantes, en attendant de fermer également, à terme, les centrales au gaz pour les remplacer par de l’énergie renouvelable.
Les centrales hydroélectriques pompées sont donc un élément ESSENTIEL de toute politique énergétique intelligente! Et avec le concept souterrain proposé par Pierre Couture, elles vont devenir de plus en plus intéressantes.
