Introduction
Les centrales de pompage-turbinage sont un type de centrale hydroélectrique; elles sont classées comme une forme de production d'énergie renouvelable (verte).
Les centrales de pompage-turbinage convertissent l'énergie potentielle en énergie électrique, ou, l'énergie électrique en énergie potentielle. Elles y parviennent en permettant à l'eau de s'écouler d'une altitude élevée vers une altitude plus basse, ou en pompant l'eau d'une altitude basse vers une altitude plus élevée. Lorsque l'eau s'écoule vers une altitude plus basse, la centrale produit de l'électricité. Lorsque l'eau est pompée vers une altitude plus élevée, la centrale crée une réserve d'énergie potentielle. Les centrales de pompage-turbinage utilisent des turbines Francis car elles peuvent agir à la fois comme pompe hydraulique et turbine hydraulique.
Les centrales de pompage-turbinage sont utilisées pour équilibrer la fréquence, la tension et les demandes de puissance au sein du réseau électrique; elles sont souvent utilisées pour ajouter une capacité supplémentaire en mégawatts au réseau pendant les périodes de forte demande en électricité. Pour cette raison, les centrales de pompage-turbinage sont appelées centrales de ‘pointe’.
Graphique de la demande de puissance du réseau électrique
Parce que les centrales de pompage-turbinage peuvent fournir de l'électricité aux opérateurs de réseau ‘à la demande’, elles ont un haut niveau de dispatchabilité (la capacité de fournir de l'électricité au réseau rapidement lorsque nécessaire).
Conception de la Centrale
Indépendamment de l'emplacement géographique, toutes les centrales de pompage-turbinage nécessitent un réservoir supérieur et un réservoir inférieur. La différence d'altitude entre les réservoirs supérieur et inférieur est appelée ‘hauteur de chute’ (hauteur de pression) et elle doit être significative pour que la centrale fonctionne efficacement.
Une conduite forcée relie le réservoir supérieur à une turbine Francis située dans la centrale. Un tube de fuite et un canal de fuite relient la turbine Francis au réservoir inférieur.
Schéma de la centrale de pompage-turbinage
Vous aimez cet article? Alors n'hésitez pas à consulter notre cours vidéo sur les centrales hydroélectriques! Le cours comprend un quiz, un manuel, et vous recevrez un certificat lorsque vous aurez terminé le cours. Profitez-en!
Comment Fonctionnent les Centrales de Pompage-Turbinage
La vidéo ci-dessous est un extrait de notre cours vidéo en ligne Introduction aux centrales hydroélectriques.
Comment les Centrales de Pompage-Turbinage Génèrent de l'Énergie (Électricité)
L'eau s'écoule du réservoir supérieur, à travers la conduite forcée, et vers la turbine Francis. Lorsque l'eau passe sur les aubes du rotor Francis, un différentiel de pression est créé, ce qui provoque un couple (force rotative) appliqué au rotor. Le rotor commence à tourner.
Le rotor de la turbine est connecté à un générateur électrique sur un arbre commun. Lorsque le rotor tourne, le rotor du générateur tourne également. Lorsque le rotor tourne à travers le champ électromagnétique à l'intérieur du générateur, il induit un courant dans les enroulements du stator et le courant électrique commence à circuler. Le courant électrique est généralement ensuite distribué aux consommateurs finaux via une station de commutation et un transformateur électrique.
Réseau Électrique
L'eau évacuée du rotor de la turbine entre dans un tube de fuite où une partie de l'énergie cinétique est récupérée et convertie en énergie potentielle; l'eau entre ensuite dans le canal de fuite et est évacuée vers le réservoir inférieur.
Dans cet exemple, l'énergie potentielle de l'eau a été convertie par le rotor de la turbine en énergie mécanique. L'énergie mécanique a été transférée sur un arbre commun à un générateur, qui a converti l'énergie mécanique en énergie électrique. Le processus entier peut être continu jusqu'à ce que le réservoir supérieur soit vide.
Comment les Centrales de Pompage-Turbinage Stockent l'Énergie Potentielle
L'eau est pompée du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur par le rotor de la turbine Francis. Le chemin d'écoulement est le même que lors de la production d'électricité, sauf que la direction de l'écoulement est inversée car le rotor Francis est utilisé comme pompe au lieu de turbine.
Économie des Centrales de Pompage-Turbinage
Les centrales de pompage-turbinage reposent sur la variation du prix de l'électricité pour réaliser un profit. De nombreuses centrales thermiques (au charbon, au gaz, etc.) ne peuvent pas augmenter ou réduire rapidement leur production en MW car cela imposerait de grandes contraintes thermiques sur les composants de la centrale (chaudière à tubes d'eau, tuyauterie, etc.). Pour cette raison, les centrales thermiques produisent presque autant d'énergie la nuit que le jour.
Durant la journée, la demande en énergie est forte et les prix de l'électricité sont élevés. La nuit, la demande en énergie est faible et les prix de l'électricité sont bas. Les centrales de pompage-turbinage achètent de l'énergie la nuit pour pomper l'eau vers le réservoir supérieur, puis elles produisent de l'énergie et la revendent au réseau pendant la journée, lorsque la demande -et le prix- est plus élevée.
Exemple 1
L'énergie est achetée au réseau à 1ct/kWh pour pomper l'eau du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur.
L'énergie est vendue au réseau à 2ct/kWh en permettant à l'eau de s'écouler du réservoir supérieur vers le réservoir inférieur.
La centrale de pompage-turbinage a généré un profit de 1ct/kWh au cours de ce processus car :
2ct/kWh (vente) - 1ct/kWh (achat) = 1ctkWh (profit).
Les centrales de pompage-turbinage ont fonctionné de cette manière pendant de nombreuses années, mais l'augmentation récente des sources d'énergie renouvelable change la dynamique de l'industrie énergétique.
Exemple 2
C'est une journée ensoleillée et venteuse, de nombreuses centrales solaires et éoliennes sont en ligne et produisent de l'énergie. En raison de cette augmentation de la disponibilité de l'énergie, il y a un surplus dans le réseau et le prix de l'énergie électrique diminue proportionnellement.
Le prix de l'énergie pendant la journée diminue tellement que les centrales de pompage-turbinage peuvent se mettre en ligne et acheter de l'énergie pour pomper l'eau vers le réservoir supérieur.
Dans ce scénario, les centrales de pompage-turbinage sont utilisées à la fois jour et nuit pour compenser le surplus d'énergie dans le réseau et pour fournir de l'énergie pendant les périodes de forte demande en énergie. Ce scénario est relativement nouveau et a conduit à une intégration plus importante des centrales de pompage-turbinage dans le réseau électrique.
Composants du Modèle 3D
Ce modèle 3D montre tous les principaux composants associés à une centrale de pompage-turbinage typique, ceux-ci incluent :
- Réservoir supérieur et inférieur
- Conduite forcée
- Grille à déchets
- Vannes d'isolement
- Appareillage de commutation
- Rotor de turbine (Francis)
- Boîtier en spirale/volute
- Tube de fuite
- Générateur
- Transformateur électrique
- Poste de commutation en plein air
Ressources Supplémentaires
http://www.wvic.com/content/how_hydropower_works.cfm
https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/hydropower-plant.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine