In the midst of the ongoing transformation in power systems driven by the shift to renewable energy, finding effective ways to balance electricity supply and demand is crucial. Energy storage plays a pivotal role in addressing this challenge, and among the established technologies, pumped hydro energy storage (PHES) stands out as the most mature and widespread. There is however still significant untapped potential and room for improvement in PHES, by exploring new sites and adopting innovative technologies further improving the flexibility of this storage type. Within the the above-mentioned context, this Ph.D. thesis delves into the techno-economic aspects of PHES, with a specific focus on smaller systems that can operate at variable rotational speed. By examining the economic considerations and technological intricacies of these systems, the present research contributes valuable insights to the ongoing discourse on energy storage solutions in the dynamic landscape of the energy transition.

First, the historical value of electricity storage is assessed on energy markets across the EU-28 countries, Norway, Switzerland, and Turkey. Sensitivity analyses are carried out with respect to the round-trip efficiency and storage duration. The results reveal significant variations in storage value from arbitrage, both geographically and temporally, with round-trip efficiency having a major impact on arbitrage value and storage duration having very low marginal value beyond 4 to 6 hours. Additionally, the impact of variable grid fees on arbitrage value is investigated, in the specific case of Belgium. The valuation results show that grid fees can decrease storage arbitrage value by 20% to 50%, and that they can also dramatically decrease storage participation in energy markets.

Second, PHES systems are introduced together with the cavitation phenomena arising in the hydraulic machine involved in those systems. This specificity of PHES plays a crucial role in shaping the limited operating ranges associated with this technology, while it also explains the benefits of operating at variable rotational speed. While PHES systems have historically been operated at fixed rotational speed, recent advancements in power electronics have opened the door to variable-speed operation. In both new installations and the repowering of existing PHES projects, there is now consideration given to operating one or more units at variable speed. The reader is guided into the technicalities of the variable-speed technology and its benefits are explained and illustrated in the case of three topologies, one of them being an innovative system for small-scale PHES.

Third, the power control possibilities brought by the variable speed are investigated in the case of a system classically relying on a reversible Francis pump-turbine, as well as in the aforementioned innovative case. Modelling and simulations of hydro-electromechanical transients in PHES systems are performed, and illustrate the high electrical dynamics achievable through the variable-speed technology. The innovative small-scale PHES system is pushed one step further with a stability analysis, revealing the limitations associated with a too demanding power control strategy.

Dans le cadre de la transformation des systèmes électriques induite par le passage en cours aux énergies renouvelables, il est crucial de trouver des moyens efficaces pour équilibrer l'offre et la demande d'électricité. Le stockage d'énergie joue un rôle clé pour relever ce défi et, parmi les technologies établies, le stockage d'énergie par pompage-turbinage se distingue comme étant le plus mature et le plus répandu. Cependant, il existe encore un potentiel inexploité et une marge d'amélioration significative dans ce domaine, grâce à l'exploration de nouveaux sites et à l'adoption de technologies innovantes qui améliorent encore la flexibilité de ce type de stockage. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat examine les aspects technico-économiques du pompage-turbinage, en se concentrant sur des systèmes à plus petite échelle, pouvant fonctionner à vitesse de rotation variable. En examinant les aspects économiques et les considérations technologiques de ces systèmes, la présente recherche apporte un éclairage précieux sur les solutions de stockage de l'énergie dans le paysage dynamique de la transition énergétique.

Tout d'abord, la valeur historique du stockage d'électricité est évaluée sur les marchés de l'énergie dans les pays de l'UE-28, la Norvège, la Suisse et la Turquie. Des analyses de sensibilité sont effectuées, mettant en avant l'impact du rendement de cycle et de la capacité de stockage. Les résultats révèlent des variations significatives de la valeur d'arbitrage du stockage, à la fois géographiquement et temporellement, le rendement de cycle ayant un impact majeur sur la valeur d'arbitrage et la capacité de stockage ayant une valeur marginale très faible au-delà de 4 à 6 heures. En outre, l'impact des frais de réseau variables sur la valeur d'arbitrage est étudié, dans le cas spécifique de la Belgique. Les résultats de valorisation montrent que les frais de réseau peuvent diminuer la valeur d'arbitrage du stockage de 20% à 50% et qu'ils peuvent également réduire considérablement la participation du stockage dans les marchés de l'énergie.

Deuxièmement, les systèmes de pompage-turbinage sont présentés, ainsi que les phénomènes de cavitation qui se produisent dans la machine hydraulique mise en œuvre dans ces systèmes. Cette spécificité des systèmes de pompage-turbinage joue un rôle crucial dans la définition des plages de fonctionnement limitées associées à cette technologie, tout en expliquant les avantages d'un fonctionnement à vitesse de rotation variable. Alors que les systèmes de pompage-turbinage sont historiquement opérés à vitesse de rotation fixe, les progrès récents en électronique de puissance ont ouvert la voie à un fonctionnement à vitesse variable. Aussi bien dans les nouvelles installations que dans les projets de mise à niveau de centrales de pompage-trubinage existantes, il est désormais envisagé de faire fonctionner une ou plusieurs unités à vitesse variable. Le lecteur est guidé dans les aspects techniques de la technologie à vitesse variable et ses avantages sont expliqués et illustrés dans le cas de trois topologies, l'une d'entre elles étant un système innovant de petite unité de pompage-turbinage.

Troisièmement, les possibilités de contrôle de la puissance offertes par la vitesse variable sont étudiées dans le cas d'un système reposant classiquement sur une pompe-turbine réversible de type Francis, ainsi que dans le cas innovant susmentionné. La modélisation et la simulation des effets hydro-électromécaniques transitoires dans les systèmes de pompage-turbinage sont effectuées et illustrent la dynamique électrique élevée réalisable grâce à la vitesse variable. Le cas innovant de la petite unité de pompage-turbinage est poussé plus loin avec une analyse de stabilité, révélant les limites associées à une stratégie de contrôle de puissance trop exigeante.