Doctorat de Daniel Biner
L’intégration croissante des énergies renouvelables intermittentes augmente les besoins de flexibilité et de stabilisation du réseau électrique. Les centrales de pompage-turbinage jouent un rôle essentiel dans ce contexte grâce à leur capacité à produire, absorber et stocker rapidement de grandes quantités d’énergie. Les technologies à vitesse variable permettent d’accroître encore cette flexibilité, mais les nouveaux modes d’exploitation qu’elles rendent possibles nécessitent d’évaluer leur impact sur la durée de vie des composants hydromécaniques.
La thèse de doctorat de Daniel Biner, réalisée dans le cadre du projet européen XFLEX HYDRO, s’est intéressée à l’influence de ces nouveaux modes de fonctionnement sur la fatigue d’une pompe-turbine réversible à vitesse variable. Les travaux se sont concentrés sur un démonstrateur industriel de 5 MW équipé d’un convertisseur de fréquence pleine puissance, permettant un contrôle étendu de la vitesse de rotation.
La recherche a combiné simulations hydrauliques et mécaniques, analyses de fatigue et campagnes expérimentales sur prototype. Des méthodologies numériques couplant CFD et calculs de structure ont été développées afin d’évaluer les contraintes et l’endommagement de la roue sur une large plage de fonctionnement, notamment à charge partielle et durant les phases transitoires. Une instrumentation spécifique du prototype a permis de confronter ces approches numériques aux mesures réalisées directement sur la machine.
Les travaux ont notamment permis d’étudier comment le contrôle de la vitesse de rotation peut être utilisé pour optimiser les trajectoires de fonctionnement et les séquences de démarrage, tout en limitant les sollicitations de fatigue de la roue et de la conduite forcée. Ils contribuent ainsi à démontrer que l’augmentation de la flexibilité des centrales de pompage-turbinage peut être conciliée avec la maîtrise de la durée de vie des équipements, ouvrant la voie à une exploitation plus flexible et durable des aménagements hydroélectriques.
Publications et travaux associés
Thèse de doctorat
D. Biner, Fatigue investigations of a converter-fed variable speed pump-turbine for flexible power generation, PhD thesis, EPFL, 2024, Thesis No. 10711.https://doi.org/10.5075/epfl-thesis-10711
Articles de journaux
Biner, D., Hasmatuchi, V., Dujic, D., & Münch-Alligné, C. (2026). Fatigue design of Francis-type pump-turbine runners under flexible power generation. Results in Engineering, 29, 109480. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2026.109480
Articles de conférence / proceedings
Biner, D., Hasmatuchi, V., Lecointre, C. L., Quarroz, A., Nicolet, C., Alligné, S., … & Münch-Alligné, C. (2024, November). Experimental investigation of a FSFC variable speed pump-turbine prototype–Part2: runner fatigue reduction. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 1411, No. 1, p. 012031). IOP Publishing.
Biner, D., Dujic, D., & Münch-Alligné, C. (2025, March). Numerical study on pressure fluctuations in a variable speed pump-turbine with head variations. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 1483, No. 1, p. 012028). IOP Publishing.
D. Biner, S. Alligné, V. Hasmatuchi, et al., “Numerical fatigue damage analysis of a variable
speed francis pump-turbine during start-up in generating mode,” IOP Conf. Series: Earth and
Environmental Science 774 (2021) 012070, 2022
D. Biner, P. Bontepms, D. Dujic, et al., “Discretization uncertainties of flow and fatigue damage
simulations of a reversible francis pump-turbine at off-design operation in turbine mode,” in
Advances in Hydroinformatics, 2022, pp. 649–670
J. Schmid, S. Alligné, D. Biner, et al., “Optimization of turbine start-up sequence of a full size
frequency converter variable speed pump-turbine,” IOP Conference Series: Earth and Environmental
Science, vol. 1079, no. 1, p. 012 109, Sep. 2022
S. Alligné, A. Béguin, D. Biner, et al., “Turbine mode start-up simulation of a fsfc variable speed
pump-turbine prototype – Part I: 1d simulation,” IOP Conf. Series: Earth and Environmental
Science 774 (2021) 012052, 2021
D. Biner, S. Alligné, V. Hasmatuchi, et al., “Turbine mode start-up simulation of a variable speed
francis pump-turbine prototype – Part II: 3-d unsteady cfd and fem,” IOP Conf. Series: Earth and
Environmental Science 774 (2021) 012070, 2021
Article de vulgarisation
Biner D, Pacot O, Decaix J, Münch-Alligné C (2022), «Plus de flexibilité grâce aux simulations », Bulletin ElectroSuisse 2, 2022
Other publications, not directly related to the scope of the thesis:
P. Bontemps, D. Biner, C. Münch-Alligné, et al., “Online loss calculation and optimization of
an m3c-driven externally excited sm,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 71, no. 6,
pp. 5608–5617, 2024
J. Decaix, D. Biner, J.-L. Drommi, et al., “Cfd simulations of a y-junction for the implementation of
hydraulic short-circuit operating mode,” IOP Conference Series: Earth and Environmental Science,
vol. 774, no. 1, p. 012 013, Jun. 2021
