Pompes-turbines à vitesse variable

Première source d’énergie renouvelable, l’hydroélectricité représente plus de 16% de la production mondiale d’électricité et 80% de la production réalisée à partir de sources d’énergie renouvelable.

Elle connait un essor sans précédent, du fait du potentiel considérable encore inexploité, notamment dans les régions d’Asie et d’Amérique du Sud, mais aussi en raison de son rôle-clé dans l’évolution du mix énergétique et dans la stabilité du réseau électrique.

Grâce à la flexibilité des centrales hydroélectrique et à la possibilité de stocker des quantités importantes d’énergie au moyen du pompage-turbinage (STEP – Stations de transfert d’énergie par pompage), l’hydroélectricité est en mesure de prendre le relais des énergies renouvelables intermittentes (éolien, solaire).

Linthal

Le projet Linthal 2015 porte sur la construction d’une nouvelle centrale de pompage-turbinage souterraine qui servira à refouler l’eau du Limmernsee (Lac dans le sud de Glaris, Suisse) vers le Muttsee (Lac de barrage, Suisse), situé 630 m plus haut, afin de la relâcher pour produire de l’électricité lorsqu’il y en aura besoin. La puissance de pompage et de turbinage de la nouvelle usine sera de 1000 MW.

 

Les 68 blocs constituant le barrage-poids forment un des plus longs ouvrages de ce type en Europe, d’une longueur totale de 1050 m.

 

La dernière innovation

Des pompes-turbines à vitesse variable permettra aux opérateurs d’intégrer de l’énergie solaire et éolienne et d’adapter l’alimentation à la demande à la minute près.
Premier fournisseur mondial de pompes-turbines, Alstom à Grenoble est actuellement entrain de fabriquer la première pompe-turbine à vitesse variable.

 

 

Centrale de pompage-turbinage

Contrairement à une simple centrale à accumulation, une centrale de pompage-turbinage ne dispose pas seulement d’un bassin de retenue situé plus haut, elle comporte aussi un autre bassin servant de réservoir à un niveau inférieur. Son équipement est constitué soit d’un groupe ternaire comprenant turbine, pompe et alternateur-moteur, soit d’un groupe turbine-pompe et d’un alternateur-moteur. Dans les deux cas, les différents éléments sont placés sur une même ligne d’arbre.

En phase de production électrique, l’eau du bassin supérieur (lac de retenue) est relâchée dans le système. Elle actionne la turbine, qui entraîne à son tour l’alternateur. L’électricité ainsi produite est injectée dans le réseau. En aval de la turbine, l’eau s’écoule dans le bassin inférieur. En mode de pompage, l’alternateur-moteur fonctionne comme moteur. Il est alimenté par l’électricité du réseau et entraîne la pompe. Celle-ci refoule l’eau contenue dans le bassin inférieur pour qu’elle s’accumule dans le bassin supérieur. Le dispositif – c’est-à-dire soit la pompe soit la turbine – qui ne travaille pas tourne à vide dans la chambre ne contenant plus d’eau. Dans le cas d’un groupe turbine-pompe, les fonctions de turbinage et de pompage sont assurées par le même équipement, dont le sens de rotation s’inverse suivant le mode de fonctionnement.

 



Le transfert d’énergie par pompage s’accompagne forcément de pertes. Il est possible de récupérer en mode de génération près des trois quarts de l’énergie électrique consommée en mode de pompage. Ce procédé est néanmoins intéressant en ce qu’il permet de transformer en précieuse énergie de pointe l’électricité produite en excédent pendant les périodes de faible charge.

Technologie VARSPEED:

Réglage de la puissance et une grande variation de chute.
– Lac de Limmern 92 x 106 m3.
– Lac de Mutt 25 x 106 m3.
– Variation de chute de 560 m à 724 m.
– 4 pompes‐turbines mono‐étage de 250 MW.
– Servomoteurs indépendants.
– Entraînement à vitesse variable 500 tr/min ±6 %.
– Convertisseur statique de fréquence.
– Générateurs asynchrones à double alimentation : Rotor bobiné cylindrique à 3 phases, collecteur tournant.
– Pompe turbine réversible.

Les générateurs asynchrones à double alimentation alimentés avec des convertisseurs de fréquence statiques alimentant le rotor sont le principe préférentiel pour les moteurs-générateurs à vitesse variable avec des puissances de plus de 50, 100 MW.

Le stator est similaire à celui d’une machine synchrone classique et directement connectée au réseau. Le rotor est équipé d’un enroulement triphasé connecté au réseau par l’intermédiaire d’un convertisseur.

L’utilisation de thyristors du convertisseur ne peut absorber l’énergie réactive, et la fréquence de sortie ne peut pas y avoir plus d’un tiers de la fréquence d’entrée. Cela empêche l’utilisation du convertisseur de démarrage dans le fonctionnement de la pompe.
Un convertisseur supplémentaire de nouvelle génération à tension commutée Inverter (VSI) est utilisé.
Cette technologie permet de corriger la plupart des inconvénients des systèmes classiques de convertisseur de démarrage en permettant :
– Le contrôle de la puissance réactive du côté du rotor.
– Une forte réduction des harmoniques de courant parasite.
– Une réduction du volume de l’installation nécessaire.

 

En alimentant le rotor avec un courant alternatif de basse fréquence, un champ magnétique tournant à la bonne vitesse est créé pour compenser la variation de vitesse de la turbine. En conséquence, il génère un champ magnétique tournant à une vitesse constante une fraction de la fréquence du réseau dans le stator.

 

Avec des unités de vitesse variable, la puissance absorbée en mode de pompage peut varier d’environ 30% sur une certaine plage. Cela permet à l’opérateur de la centrale de réguler la fréquence du réseau en mode de pompage et de fournir des services tels que la régulation de fréquence à l’exploitant du réseau tout en remplissant le réservoir supérieur.
La vitesse variable permet un fonctionnement plus proche des points de fonctionnement optimaux d’efficacité dans les deux modes de turbinage et de pompage.

 

Enjeux technologiques

– Puissance de pointe en turbinage.
– Contrôle de la puissance.
– Démarrages et arrêts fréquents.
– Variation de chute.

Alstom projets en cours :

France :
– Revin, 4 turbines pompes x 180 MW (réhabilitation).
– Romanche Gavet (Isère), 2 turbines Francis x 50 MW (neuf).

International :
– Grand Renaissance (Ethiopie), 8 turbines Francis x 375 MW (neuf).
– Mengue, Kopru, Kavsak (Turquie), 7 turbines totalisant 410 MW (neuf).
– Nant de Drance (Suisse), 6 turbines pompes/alternateurs à vitesse variable x 150 MW (neuf).
– N’Seke (République du Congo), 4 turbines Francis x 65 MW (réhabilitation).
– Peligre (Haiti), 3 turbines Kaplan x 18 MW (réhabilitation).
– Veytaux (Suisse), équipements hydromécaniques.