Les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) : le stockage électrique à grande échelle

Sommaire de l’article :

Qu’est-ce qu’une station de transfert d’énergie par pompage ?

La STEP est une technologie qui existe depuis la fin du XIXe siècle. Les premières installations sont apparues en Italie et en Suisse dans les années 1890. En France, la centrale du Lac Noir dans les Vosges fut pionnière. Mais c’est dans les années 1970 que ces stations ont vraiment pris leur essor, notamment pour optimiser le fonctionnement des centrales nucléaires. Aujourd’hui, leur rôle s’est considérablement élargi.

C’est quoi une STEP ?

Une STEP est une installation hydroélectrique réversible. Elle est constituée de deux réservoirs d’eau situés à des altitudes différentes, reliés par une conduite forcée équipée de turbines réversibles. Ce qui la distingue d’une centrale hydroélectrique classique, c’est sa capacité à fonctionner dans les deux sens. Elle peut produire de l’électricité, mais aussi en consommer pour pomper de l’eau vers le bassin supérieur.

En clair, une STEP ne produit pas d’énergie au sens strict. Elle la déplace dans le temps. Elle absorbe de l’électricité quand le réseau en a trop, la stocke sous forme d’eau en hauteur, puis la restitue quand la demande augmente. C’est une batterie géante, mais dont le fluide est l’eau et le réservoir une montagne.

En France, les six principales STEP sont toutes gérées par EDF. Elles sont implantées en zones montagneuses : Grand’Maison dans l’Isère, Montézic en Aveyron, La Coche en Savoie, entre autres. Ensemble, elles représentent une puissance installée de 5 GW et peuvent être mobilisées en quelques minutes seulement.

Comment fonctionne une STEP ?

Le fonctionnement repose sur un cycle en deux temps, directement lié aux variations de la demande électrique sur le réseau.

En période de faible consommation, typiquement la nuit ou lors d’une forte production solaire ou éolienne, la STEP absorbe le surplus d’électricité disponible sur le réseau. Cet excédent alimente des pompes qui font remonter l’eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur. L’eau monte, l’énergie se stocke.

En période de forte demande, le processus s’inverse. Des vannes s’ouvrent, l’eau du bassin supérieur dévale la conduite forcée sous l’effet de la gravité. En passant à travers les turbines, elle les fait tourner. Les turbines entraînent des alternateurs, qui produisent de l’électricité injectée directement sur le réseau.

La réactivité de ces installations est l’un de leurs atouts majeurs. À Montézic, la centrale atteint sa puissance maximale de 920 MW en moins de deux minutes. À Grand’Maison, 1 800 MW sont disponibles en trois minutes. Aucune autre technologie de stockage à grande échelle ne peut rivaliser avec cette vitesse de réponse.

Quelle est la forme d’énergie stockée dans une STEP ?

La réponse est dans la physique de base. Quand l’eau est pompée vers le bassin supérieur, elle emmagasine de l’énergie potentielle de pesanteur. C’est l’énergie liée à la position d’un objet en hauteur. Plus le volume d’eau est important, plus la hauteur de chute est grande, plus l’énergie stockée est élevée.

La formule qui traduit cela est simple : E = k × 9,81 × V × H. Dans cette équation, V est le volume d’eau mobilisable, H est la hauteur de chute entre les deux bassins, 9,81 représente l’accélération de la pesanteur, et k correspond au rendement global du système, autour de 80 %.

Ce principe a une conséquence pratique importante. Une STEP nécessite un dénivelé significatif entre ses deux bassins. C’est pourquoi ces installations se trouvent quasi exclusivement en montagne. Un relief insuffisant réduit la hauteur de chute, donc la densité énergétique du système. C’est précisément cette contrainte géographique qui limite aujourd’hui leur déploiement à grande échelle sur des territoires plats.

Est-il intéressant énergétiquement d’utiliser une STEP ?

Une STEP consomme de l’électricité pour pomper l’eau, puis en produit en la turbinant. Le bilan n’est donc jamais neutre. Pourtant, ces installations restent aujourd’hui la solution de stockage à grande échelle la plus mature et la moins coûteuse disponible. Voici pourquoi.

Quel est le rendement d’une station de stockage par pompage ?

Le rendement d’une STEP se situe entre 70 % et 85 % selon les installations. Concrètement, pour produire 1 MWh d’électricité, il faut avoir consommé en moyenne 1,25 MWh lors de la phase de pompage. Une partie de l’énergie se perd en chemin, notamment dans la turbine, la pompe et les conduites forcées.

Ce chiffre peut sembler décevant au premier abord. Mais il faut le mettre en perspective. Le stockage par hydrogène affiche un rendement inférieur à 25 %. Les batteries électrochimiques de grande capacité perdent également une part significative de l’énergie stockée. À l’échelle industrielle, le rendement de 75 à 80 % des STEP reste donc très compétitif.

Ce qui rend une STEP rentable, ce n’est pas tant son rendement brut que l’écart de prix entre les heures creuses et les heures de pointe. L’objectif est simple, acheter l’électricité bon marché la nuit pour la revendre à prix élevé le jour. Dès que cet écart couvre les frais d’exploitation et d’amortissement, l’installation est économiquement viable. Avec la montée en puissance des énergies renouvelables et leurs épisodes de surproduction, ces écarts de prix tendent à s’accentuer. Ce qui renforce mécaniquement l’intérêt économique des STEP.

Quels sont les 4 types de transfert d’énergie ?

Pour bien situer la STEP dans le paysage du stockage énergétique, il faut rappeler que l’énergie peut être transférée et stockée sous quatre grandes formes.

Il y a d’abord le stockage mécanique qui regroupe les STEP, le stockage par air comprimé et les volants d’inertie. C’est la catégorie la plus développée à grande échelle. Les STEP en sont la technologie phare, représentant à elles seules 95 % des capacités mondiales de stockage stationnaire.

Puis vient le stockage chimique, qui inclut l’hydrogène et les carburants de synthèse. L’énergie électrique est convertie en énergie chimique, stockée sous forme de molécules. Le rendement global reste faible, autour de 25 à 35 % pour le cycle complet power-to-gas-to-power.

Ensuite il y a le stockage électrochimique qui va couvrir les batteries, des plus petites aux plus grandes installations de type grid-scale. La technologie progresse vite, mais les coûts restent élevés et la durée de vie limitée pour des usages industriels intensifs.

Enfin, place au stockage thermique qui consiste à stocker de la chaleur ou du froid, puis à les restituer sous forme d’électricité ou directement sous forme d’énergie thermique. Il est utilisé notamment dans les centrales solaires à concentration.

Chaque type répond à des besoins différents. Pour les volumes massifs et les réponses rapides au réseau, le stockage mécanique par pompage reste la référence mondiale. Les autres technologies viennent en complément, sur des usages où la STEP ne peut pas intervenir.

Station de transfert d’énergie par pompage : les inconvénients

Les STEP ont des atouts indéniables. Mais elles ont aussi des contraintes réelles, que les acteurs du secteur connaissent bien.

Le premier inconvénient est géographique. Une STEP nécessite un dénivelé important entre ses deux bassins, ce qui limite son implantation aux zones montagneuses. Impossible d’en construire en plaine ou dans des régions sans relief notable. En France, les six installations existantes sont toutes en montagne. Ce verrou géographique freine considérablement leur déploiement à l’échelle mondiale.

Un autre inconvénient est financier. Construire une STEP représente un investissement colossal. Les travaux de génie civil, le creusement des tunnels, l’installation des turbines et des conduites forcées mobilisent des centaines de millions, voire des milliards d’euros. Les délais de construction sont longs et les retours sur investissement s’étalent sur plusieurs décennies.

Il y a aussi l’inconvénient environnemental. Créer deux bassins en montagne implique de modifier durablement des paysages et des écosystèmes. L’impact sur la faune, la flore et les cours d’eau locaux doit être soigneusement évalué avant tout projet. C’est l’une des raisons pour lesquelles les procédures d’autorisation sont longues et complexes.

Enfin, les STEP sont soumises au TURPE, le Tarif d’Utilisation des Réseaux Publics d’Électricité. Lorsqu’elles sont considérées comme consommatrices finales d’électricité lors des phases de pompage, elles doivent s’acquitter de ce tarif. C’est une charge financière qui pèse sur leur rentabilité et qui fait l’objet de débats réguliers dans le secteur de l’énergie.

Les STEP au cœur de la transition énergétique : où en est-on ?

Le stockage de l’électricité est devenu un enjeu stratégique. Avec l’accélération du déploiement des énergies renouvelables, la question n’est plus de savoir si les STEP ont un rôle à jouer, mais comment les développer suffisamment vite pour répondre aux besoins. Le point sur la situation en France et dans le monde.

Les STEP en France : un parc puissant mais encore limité

La France dispose de six stations de transfert d’énergie par pompage, toutes gérées par EDF. Leur puissance installée totale atteint environ 5 GW. C’est significatif, mais insuffisant au regard des besoins à venir.

Les installations françaises sont parmi les plus performantes d’Europe. Grand’Maison, dans l’Isère, est la centrale hydroélectrique la plus puissante du continent avec 1 800 MW. Montézic, en Aveyron, culmine à 910 MW et peut atteindre sa puissance maximale en moins de deux minutes. La Coche, en Savoie, a fait l’objet d’une rénovation complète ces dernières années pour gagner 20 % de puissance supplémentaire.

Malgré ces atouts, les capacités actuelles restent insuffisantes. En hiver, lors des périodes froides sans vent ni soleil, la demande électrique française peut atteindre 90 GW. La production nucléaire et les énergies renouvelables disponibles ne couvrent pas toujours ces pics. Les STEP interviennent alors comme filet de sécurité. Mais leur capacité de stockage totale annuelle, estimée autour de 30 TWh, est contrainte par les apports hydrologiques variables selon les années.

La Programmation Pluriannuelle de l’Énergie prévoit le développement de nouvelles capacités STEP pour un potentiel identifié de 1,5 GW supplémentaire, avec des mises en service envisagées entre 2030 et 2035. Le chantier de Montézic 2, dont les travaux préparatoires ont démarré fin 2025, doit ajouter 466 MW à l’installation existante pour porter sa puissance totale à plus de 1 300 MW. Une mise en service est prévue pour 2035.

Énergies renouvelables et STEP : une complémentarité indispensable

Le solaire et l’éolien ont une caractéristique que personne ne peut ignorer : leur production dépend des conditions météorologiques. Un jour sans vent et sans soleil, une éolienne et un panneau photovoltaïque ne produisent rien, ou presque. À l’inverse, lors d’une journée très venteuse avec une faible consommation, le réseau peut se retrouver en situation de surproduction. Les prix de l’électricité peuvent alors devenir négatifs sur les marchés.

C’est précisément dans ces situations que les STEP montrent toute leur valeur. Elles absorbent le surplus d’énergie renouvelable en pompant de l’eau vers le bassin supérieur, et le restituent sous forme d’électricité lors des pics de demande. Elles transforment une production intermittente en une ressource pilotable.

Un exemple concret illustre bien cette logique. Sur l’île espagnole d’El Hierro, une centrale hydro–éolienne associe cinq éoliennes d’une puissance totale de 11,5 MW à une STEP dotée d’un réservoir supérieur à 700 mètres d’altitude et d’un réservoir inférieur au niveau de la mer. Quand le vent souffle fort, l’excédent d’électricité pompe l’eau vers le haut. Quand le vent faiblit, l’eau redescend et produit de l’électricité. L’île peut ainsi fonctionner plusieurs heures uniquement grâce à cette combinaison, sans recourir aux générateurs diesel.

À l’échelle mondiale, l’Agence Internationale de l’Énergie prévoit une multiplication par 3 à 5 des capacités STEP d’ici 2050. La montée en puissance des renouvelables rend ce développement incontournable. Sans stockage massif, une transition énergétique rapide reste une équation sans solution satisfaisante.

Les innovations qui vont changer la donne

Les STEP traditionnelles ont une contrainte majeure, elles ne peuvent donc s’installer qu’en montagne. Cette limite géographique a longtemps freiné leur développement dans de nombreux pays. Mais plusieurs innovations cherchent aujourd’hui à s’en affranchir.

Les STEP marines sont la piste la plus avancée. Elles utilisent l’océan comme réservoir inférieur et un bassin artificiel en hauteur comme réservoir supérieur, ou inversement. La première installation de ce type a été mise en service à Okinawa, au Japon, dès 1999. En France, EDF a identifié un potentiel de 5 GW sur les côtes de la Manche et de la Bretagne. Ces projets permettraient d’implanter des capacités de stockage dans des régions sans relief montagneux, en lien direct avec les parcs éoliens offshore.

Les turbines à vitesse variable représentent une autre avancée significative. Les turbines classiques fonctionnent à vitesse fixe, ce qui limite leur capacité d’ajustement en temps réel. Les dispositifs à vitesse variable offrent un contrôle beaucoup plus fin des volumes d’eau turbinés ou pompés, et donc une meilleure adaptation aux fluctuations du réseau. L’AIE les identifie comme l’une des deux innovations prioritaires pour améliorer les performances des STEP à l’horizon 2050.

Ces évolutions ne changeront pas la nature fondamentale de la technologie. Elles en étendront simplement le champ d’application, à des territoires et à des usages qui lui étaient jusqu’ici inaccessibles. Pour les professionnels de l’énergie, comprendre ces dynamiques devient une compétence clé dans un secteur en pleine recomposition.

Les STEP, un pilier du système électrique de demain

Le stockage de l’électricité n’est plus une option. C’est une nécessité. Et les STEP, malgré leurs contraintes géographiques et financières, restent aujourd’hui la réponse la plus solide et la plus éprouvée à ce défi.

En France comme partout en Europe, les capacités installées devront augmenter significativement dans les années qui viennent. Les projets sont là. Les chantiers s’ouvrent. Et derrière chaque nouvelle installation, il y a des ingénieurs, des techniciens, des experts en énergie capables de comprendre ces systèmes complexes et d’en accompagner le développement.

La transition énergétique ne se fera pas uniquement avec des panneaux solaires et des éoliennes. Elle a besoin de professionnels qui maîtrisent l’ensemble de la chaîne : la production, le stockage, la distribution et les arbitrages techniques qui permettent de tenir un réseau électrique stable.

C’est exactement ce que les formations de l’ENOV préparent à comprendre et à maîtriser. Les grandes thématiques de l’énergie, les technologies en jeu, les enjeux réglementaires et les métiers qui émergent autour de la transition énergétique.