Les systèmes de pompage-turbinage peuvent compenser les fluctuations des énergies renouvelables et protéger la stabilité du réseau électrique. Une étude du Ministère de l’Énergie explore comment déterminer les sites idéaux pour les systèmes de pompage-turbinage ainsi que les liners en géomembrane qui offrent une efficacité améliorée pour leur fonctionnement.
La transition vers les énergies propres est en plein essor, et les avancées considérables réalisées par l’énergie solaire, l’énergie éolienne et le marché des véhicules électriques sont au centre de ce changement. Le rôle de l’hydroélectricité est crucial, notamment parce que les systèmes de pompage-turbinage peuvent protéger le réseau contre les pannes imprévues. Lorsqu’une quantité d’énergie excédentaire est disponible, les systèmes de pompage-turbinage peuvent pomper de l’eau dans un réservoir surélevé, créant ainsi une réserve immédiatement disponible en cas de diminution soudaine de l’alimentation électrique provenant de sources solaires et éoliennes intermittentes.
Le Laboratoire national d’Argonne du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) a récemment achevé plusieurs études visant à faire progresser la technologie du pompage-turbinage. Ils ont examiné la topographie de l’Alaska pour cartographier les sites idéaux pour les systèmes de pompage-turbinage et étudié les liners en géomembrane, qui optimisent les performances des systèmes en réduisant les fuites et en favorisant l’efficacité.
Système de pompage-turbinage en fonctionnement. Image gracieuseté du DOE
Impacts sur le réseau des fluctuations des énergies éolienne et solaire
Bien que l’énergie éolienne et solaire contribuent de manière significative à l’alimentation du réseau, les sources d’énergie naturelles ne sont pas contrôlables de la même manière que les combustibles fossiles l’ont été.
Au fil des années, les sources d’électricité renouvelable telles que le solaire et l’éolien connaissent une croissance constante, et l’utilisation des combustibles fossiles diminue dans la même mesure.
Les sources d’électricité. Image gracieuseté de Energy Information Administration
Bien que ces tendances soient stables, elles devront accélérer considérablement dans les années à venir pour répondre aux exigences énergétiques. Diverses réglementations nationales et internationales se dirigent rapidement vers zéro émission nette et une expansion significative de l’éolien et du solaire pour atteindre ces objectifs.
Cependant, à mesure que la dépendance à ces sources d’énergie augmente, le réseau deviendra de plus en plus vulnérable à leurs fluctuations naturelles.
Les énergies renouvelables à entrée variable peuvent causer de graves problèmes aux grands systèmes électriques car elles ne sont tout simplement pas contrôlables et sont donc soumises à des variations inattendues. Les transitions vers d’autres sources d’énergie doivent compenser ces fluctuations. Les récentes vagues de chaleur en Californie et la célèbre tempête hivernale de 2021 au Texas ont entraîné des pannes du réseau liées aux performances insuffisantes des sources d’énergie éolienne et solaire. De plus, 1,1 million de consommateurs britanniques ont été confrontés à une panne de courant lorsque l’installation éolienne offshore Hornsea 1 a connu une défaillance soudaine.
D’autres baisses apparemment banales de la vitesse du vent peuvent également entraîner des problèmes d’alimentation électrique inattendus, comme cela s’est produit en Europe en 2021, lorsque des vents anormalement faibles ont contribué à une pénurie d’électricité, entraînant une augmentation spectaculaire des prix de l’électricité.
Les systèmes de pompage-turbinage stockent de l’énergie pour les périodes de forte demande.
Étant donné les risques associés à l’expansion des secteurs de l’énergie solaire et éolienne, des systèmes d’énergie complémentaires sont nécessaires pour stabiliser les variations inattendues de l’approvisionnement. Les études récemment menées par le Laboratoire national d’Argonne du DOE visent à faciliter la mise en œuvre de systèmes de pompage-turbinage critiques et créateurs de valeur. Elles se sont concentrées sur l’optimisation du processus de sélection du site et sur le développement de la technologie associée aux liners en géomembrane pour améliorer l’efficacité une fois que davantage de systèmes seront construits.
Souvent négligés, les systèmes de pompage-turbinage ont fourni une stupéfiante 96% de l’énergie stockée à l’échelle du réseau en 2022. Avec la croissance prévue des projets éoliens et solaires, il est essentiel de soutenir la croissance des systèmes de pompage-turbinage pour renforcer les vulnérabilités aux fluctuations.
Les études se sont concentrées sur les communautés rurales de l’Alaska, qui dépendent encore à 68% des combustibles fossiles pour leur électricité. De telles communautés rurales sont courantes dans l’ensemble des États-Unis, de sorte que cette recherche établit un précédent pour aider au développement de systèmes de pompage-turbinage dans d’autres régions rurales vulnérables aux pannes de réseau.
L’étude a révélé que les projets de pompage-turbinage à plus petite échelle avec des composants préfabriqués sont plus utiles dans les endroits isolés que les grands projets, qui dépendent d’une infrastructure susceptible d’être insuffisante dans les zones rurales. Ces recherches aideront les parties prenantes à prendre des décisions futures concernant l’évaluation des sites et l’analyse des caractéristiques spécifiques aux sites pour maximiser les investissements dans la construction de systèmes de pompage-turbinage.
L’étude a également évalué les systèmes de liners en géomembrane pour les réservoirs des systèmes de pompage-turbinage. Ces systèmes en géomembrane sont utilisés depuis un certain temps. Des lignes directrices exhaustives existent pour leur utilisation dans d’autres applications, comme les barrages, mais les directives de conception pour leur utilisation dans les systèmes de pompage-turbinage font défaut.
Visualisation d’une géomembrane texturée à différentes hauteurs de seuil. Image gracieuseté du DOE
Le rapport n’a trouvé aucun matériau supérieur pour ces doublures en géomembrane, mais il a recommandé des recherches supplémentaires pour aider à établir des formules de sélection de la meilleure doublure en fonction de nombreuses variables contextuelles. Les chercheurs ont conseillé des travaux supplémentaires sur l’analyse des coûts et la conception de référence pour assurer des performances optimales des doublures en géomembrane utilisées dans les applications de pompage-turbinage.
Ces recherches du DOE aideront d’autres ingénieurs à développer davantage de systèmes de pompage-turbinage, qui joueront un rôle central dans la stabilisation du réseau électrique alors qu’il devient de plus en plus dépendant de sources d’énergie renouvelable soumises à des oscillations climatiques inattendues.