Une STEP durable : la modélisation hydraulique au service de la transition énergétique 

Concevoir une station de transfert d’énergie par pompage (STEP) implique de relever plusieurs défis techniques : optimiser les écoulements, limiter les pertes de charge, et anticiper les phénomènes complexes comme les vortex ou les jets turbulents. Ces enjeux sont d’autant plus cruciaux dans les configurations à haute chute, où chaque mètre de perte hydraulique peut impacter significativement le rendement global. 

Face à ces contraintes, la simulation numérique s’impose comme un outil incontournable. Elle permet de visualiser les écoulements, de tester différentes géométries, et de valider les performances avant même la construction.

Dans le cadre d’un projet de STEP fermée développé en Utah, la modélisation hydraulique a joué un rôle central pour sécuriser les choix techniques et limiter les incertitudes dès la phase de conception. L’approche retenue repose sur une configuration à faible impact environnemental, avec deux réservoirs situés à des altitudes différentes (environ 600 m) et un fonctionnement réversible pour le pompage et le turbinage. L’un des éléments clés du projet a été l’intégration de la simulation numérique 3D en hydraulique pour valider les performances et anticiper les risques. 

C’est là que FLOW-3D® HYDRO, utilisé par l’équipe de la Southern Utah University a a joué un rôle central. Le logiciel a permis de modéliser les écoulements à surface libre dans plusieurs zones critiques de l’installation : déversoirs, prises d’eau, conduites forcées, et jets de turbines Pelton. Ces simulations ont permis de : 

• Établir les courbes de tarage des déversoirs avec une dissipation d’énergie et une aération adéquate ; 
• Optimiser les dispositifs anti-vortex et les grilles d’entrée pour limiter les pertes de charge ; 
• Analyser les transitions hydrauliques complexes, notamment au niveau des jonctions en Y dans les conduites ; 
• Valider la qualité des jets des turbines Pelton, essentielle pour une bonne efficacité hydraulique ; 
• Simuler la dynamique de remplissage et de vidange des réservoirs, en tenant compte du vent et de la circulation interne ; 
• Anticiper les trajectoires des sédiments et des débris, afin de concevoir des stratégies de maintenance efficaces. 

Les coefficients de perte extraits des simulations ont été intégrés dans le bilan énergétique global du système, permettant de limiter les pertes de charge à environ 44 mètres et d’atteindre une efficacité de cycle complète de 74 %, conforme aux standards actuels du pompage-turbinage. 

En couplant FLOW-3D HYDRO à une démarche rigoureuse de sélection de site, de conception civile et de choix électromécaniques, l’équipe abouti à une solution techniquement robuste, respectueuse de l’environnement et réaliste. Ce projet constitue un modèle reproductible pour d’autres initiatives de stockage hydraulique, qu’il s’agisse de nouveaux sites ou de modernisation d’installations existantes.  Les prochaines étapes incluent des tests physiques sur les dispositifs anti-vortex, la validation expérimentale des jets Pelton, et l’élargissement des analyses d’incertitude pour mieux relier les résultats CFD aux conditions opérationnelles et à la planification de la maintenance.