thumb|Installation de pompage-turbinage du Koepchenwerk, près de Herdecke, en Allemagne. Elle a été inaugurée en 1930.
Le pompage-turbinage est une technique de stockage de l'énergie électrique consistant à remonter de l'eau (d'un cours d'eau ou d'un bassin) pour la stocker en hauteur dans des bassins d'accumulation quand la production d'électricité dépasse la demande — c'est le pompage —, puis de turbiner l'eau ainsi mise en réserve pour produire de l'énergie électrique lorsque la demande est forte — c'est le turbinage.
Cette technique participe à l'ajustement entre l'offre d'électricité et la demande. Utilisée pour la première fois en Suisse et en Italie dans les années 1890, elle présentait en 2024 une puissance mondiale installée d'environ .
Les centrales de pompage-turbinage sont également appelées STEP pour « stations de transfert d'énergie par pompage » en France, ou « centrales hydroélectriques à réserve pompée » au Québec.
Principe
vignette|Le dispositif avec plusieurs barrages d'accumulation du en Afrique du Sud. Le pompage-turbinage consiste à produire de l'électricité avec une centrale hydroélectrique ayant la particularité d'être réversible. L'eau est soit prélevée du réservoir supérieur pour produire de l'énergie électrique (turbinage), soit remontée du réservoir inférieur vers le réservoir supérieur pour augmenter son énergie potentielle (pompage), ce qui permet de stocker de l'énergie. Lors du pompage, de l'électricité est consommée par des moteurs actionnant des turbines-pompes pour déplacer l'eau du niveau inférieur au niveau supérieur. Lors du turbinage, l'eau qui descend du niveau supérieur vers le niveau inférieur actionne les turbines reliées aux alternateurs qui produisent de l'électricité. Un cycle de pompage-turbinage occasionne une perte d'énergie d'environ Pumped Hydro Storage, Energy Storage Association, février 2012..
Le pompage-turbinage est aussi utilisé pour des utilisations plus complexes disposant de plusieurs barrages d'accumulation. Quand l'électricité est peu couteuse à produire et disponible au delà de la consommation à satisfaire, elle peut être utilisée pour pomper l'eau depuis les réservoirs d'accumulation à plus basses altitudes vers ceux à haute altitude. Elle peut alors être utilisée dans des périodes où le coût de production est plus élevé, l'eau est alors turbinée du réservoir d'accumulation à plus haute altitude vers la vallée.
Exemple concret
Le plus grand complexe de pompage-turbinage en France est le site de Grand'Maison en Isère. Il est composé de deux réservoirs. Le réservoir supérieur dit lac de Grand'Maison, d’un volume utile de de mètres cubes, et le réservoir inférieur dit lac du Verney, 930 mètres plus bas et d’un volume utile de de mètres cubes..
Le volume maximum disponible est donc de de mètres cubes en fonctionnement optimum de pompage-turbinage. Il est possible d’aller au delà, mais en régime turbinage simple ou en ajoutant les apports naturels de l'Eau d'Olle.
En turbinage, la puissance maximum de production électrique est de . À cette puissance, la « consommation d’eau » est de , soit environ de mètres cubes par heure. En fonctionnement optimal de pompage-turbinage, il faut un peu plus de pour remplir intégralement le lac inférieur (s’il était vide) et produire .
En pompage, huit des douze groupes sont réversibles. Ils sont capables de remonter vers le lac supérieur, soit un peu moins d’un demi million de mètres cubes par heure, nécessitant une puissance de (supérieure à la production d'une tranche nucléaire). Il faut alors un peu plus de de pompage pour vider le lac inférieur et consommer un peu plus de .
Statistiques mondiales La puissance installée des centrales de pompage-turbinage atteint dans le monde fin 2024, dont en Chine (31 %), au Japon (14,5 %) et aux États-Unis (11,8 %) ; ces trois pays rassemblent 57,3 % du total mondial ; la part de l'Europe () est de 29,6 %..
Région Puissance totalefin 2024 (GW) Asie orientale et Pacifique 97,43 Europe 56,10 Amérique du Nord et centrale 22,44 Asie méridionale et centrale 7,71 Afrique 3,73 Amérique du Sud 0,99 Monde 189,41Principaux pays 58,69 27,47 22,27 9,45 7,26 5,65 5,19 4,75 4,70 4,05 3,87 3,51 2,91 2,83 2,71 2,60 1,76 1,53 1,47 1,40 1,40 1,38 1,31 1,30 1,17 1,04 0,99 0,97 0,90 0,81 0,73 0,70 0,61 0,42 0,30 0,29 0,28 0,24 0,18 0,18 0,10 0,09 0,02Source des données : International Hydropower Association.
Principales centrales
thumb|Centrale de pompage-turbinage de Kruonis en Lituanie ( — extension à en construction)Lituanie : une plus grande indépendance énergétique grâce à un prêt de la BEI à Ignitis, Banque européenne d'investissement, 14 mars 2024.. Cette section compare les centrales du point de vue de leur puissance. Elle ne mentionne pas l'énergie totale stockable, critère majeur mais rarement fourni par les sources usuelles.
En 2024, les pays les mieux dotés en puissance de pompage/turbinage sont : : premier pays pour la puissance de ses STEP : , soit 31 % du total mondial ; : , 14,5 % du total mondial ; : , 11,8 % du total mondial ;
: ; les six principales STEP en service représentaient 18 % de la puissance installée hydroélectrique française en 2017 et fournissaient 10 % de la production hydroélectrique française ; elles sont gérées par EDF et sont mobilisables en dix minutes. : barrage de Grand'Maison, Isère, , centrale de Montézic, Aveyron, , centrale de Revin, Ardennes, , barrage de Bissorte, Savoie , Le Cheylas, Isère, , centrale de La Coche, Savoie, , lac Noir, Haut-Rhin, , arrêtée en 2002 et détruite en 2014, la centrale de Vieux-Pré (), qui utilise les eaux du lac de Pierre-PercéeL’aménagement hydroélectrique EDF de Vieux-Pré, EDF - Unité de Production Est, sur le site de la mairie de Pierre-Percée..
La plus puissante centrale de pompage-turbinage du monde est celle de Fengning ()., en Chine. Elle est suivie de Bath County (), aux États-Unis (Virginie), puis de Huizhou () et de Guangzhou () en Chine.
L'Europe compte 12 des 50 plus importantes STEP au monde : au , la centrale française de Grand'Maison () ; au , la centrale britannique de Dinorwig () ; au , la centrale d'Entracque en Italie () ; au , la centrale de Coo-Trois-Ponts en Belgique () ; au , le complexe de Linth-Limmern (), dans la vallée de la Linth (Suisse), qui comprenait déjà une centrale de pompage-turbinage de entre le lac de Limmern et la centrale de Tierfehd, et a été complété par le projet Linthal 2015 qui ajoute () entre les lacs de Limmern et de Mutt, plus hautLa plus grande centrale hydroélectrique d‘Europe, meva-international, consulté le 10 juillet 2016. ; il a été mis en service en 2016. ; au , la centrale de Vianden () au Luxembourg ; aux et , les centrales allemandes de Goldisthal () et de Markersbach () ; au , la centrale autrichienne de Malta-Reisseck () ; aux , et , les centrales italiennes de Roncovalgrande (), d'Edolo () et de Presenzano ().
Potentiel et perspectives L'université nationale australienne a publié en 2021 le premier atlas du potentiel de pompage-turbinage. Il identifie plus d'un demi-million de sites potentiels, d'une capacité de stockage totale de , soit environ la consommation mondiale annuelle d'électricité. Une autre étude évalue le potentiel de stockage saisonnier du pompage-turbinage d'un coût inférieur à à . Le (NREL) estime le potentiel des États-Unis à de stockage pendant dix heures. En Chine, le gouvernement a fixé des objectifs à long terme de développement du pompage-turbinage : en 2025 et en 2030 ; Power China compte lancer , d'une capacité totale de d'ici les années 2030. En Inde, le gouvernement a révisé son estimation du potentiel à , dont seulement sont exploités en 2022..
La Chine visait pour 2020 plus de de pompage-turbinage, pour compenser l'intermittence des nombreuses centrales éoliennes et solaire en construction ; sont en construction ou en développement en 2019 et la Commission nationale de l'énergie espère atteindre une puissance installée de en 2025..
En 2020, la centrale japonaise en construction de Kannagawa devrait prendre le mondial avec .
Entre 2014 et 2020 sont prévus, en Europe, environ pour , surtout en Espagne et dans les trois pays alpins qui prévoient d'ajouter supplémentaires ( en Allemagne, en Autriche et en Suisse)...
En France, EDF a achevé la rénovation de deux STEP. Celle de la centrale de La Coche, en Savoie, démarrée en 2017, vise à lui ajouter 20 % de puissance. Le , le PDG d’EDF, Jean-Bernard Lévy, inaugure la nouvelle installation. Celle de Romanche-Gavet, ouverte en 2010, doit augmenter la productivité du site de 30 %.. La centrale hydroélectrique est inaugurée et mise officiellement en service le ...
Le potentiel serait encore de , dont en Savoie seule, mais l'imminente mise en concurrence des concessions freine les investissements d'EDF. Les coûts de raccordement au réseau, les problèmes d’acceptabilité des riverains, les contraintes réglementaires et l'éventualité d'une concurrence des batteries électrochimiques sont autant d'obstacles aux nouveaux projets.
Après l'accord négocié en entre la France et la Commission européenne sur les concessions hydroélectriques, EDF a commencé à la fin 2025 les travaux préparatoires pour construire une deuxième usine dans la station de transfert d'énergie par pompage (STEP) de Montézic (Aveyron). Deux turbines-pompes doivent augmenter de sa puissance, qui atteindra alors plus de . Dans la programmation pluriannuelle de l'énergie, EDF prévoit d'augmenter la puissance de son parc hydroélectrique de , dont la moitié d'ici à 2035 et la majeure partie () sous forme de STEP. Le chantier principal de devrait commencer en 2028 pour une mise en service de la centrale en 2035Laurent Marcaillou, Un puits de chute vertigineux, 820 mètres de galeries, deux turbines-pompes : EDF va investir 500 millions dans la centrale hydroélectrique de Montézic, Les Échos, 24 février 2026..
Centrales de pompage-turbinage de bord de mer Des projets de centrales de pompage-turbinage d'eau de mer ont été proposés dès le lancement de la construction de parcs éoliens en mer. Afin de compenser l'intermittence de la production des éoliennes, il est nécessaire de leur adjoindre des capacités de stockage de l'électricité excédentaire produite pendant les périodes de grand vent, utilisables en période de vent faible ou de forte demande. Pour minimiser les pertes de transport et les perturbations apportées au réseau électrique par les fortes fluctuations de la production des éoliennes, il est souhaitable de les construire près des fermes éoliennes, d'où l'idée de bâtir des réservoirs au sommet des falaises et des centrales au pied de ces falaises.
Une telle centrale a été construite au Japon, dans l'île d'Okinawa en 1999 Okinawa sea water pumped storage, J-Power (consulté le 22 juillet 2013)., sur un dénivelé moyen de et une puissance turbinable de utilisable pendant huit heures Development of Pump Turbine for Seawater Pumped-Storage Power Plant , Hitachi (consulté le 22 juillet 2013)., .
En France, les STEP, en 2024, ont une puissance cumulée de et offrent une durée de stockage ne dépassant généralement pas quelques heures (environ pour chaque vidange totale). Or, des périodes froides sans vent ni soleil surviennent plusieurs fois par an dans le pays, qui peuvent durer plus d'une semaine. .. Il faudrait donc idéalement accroître la puissance de STEP du pays.