Promotion von Daniel Biner
Die zunehmende Einbindung von intermittierenden erneuerbaren Energien erhöht den Bedarf an Flexibilität und Stabilisierung des Stromnetzes. Pumpspeicherkraftwerke spielen in diesem Zusammenhang eine wesentliche Rolle, da sie in der Lage sind, große Energiemengen schnell zu erzeugen, aufzunehmen und zu speichern. Technologien mit variabler Drehzahl ermöglichen eine weitere Steigerung dieser Flexibilität, doch die neuen Betriebsmodi, die sie ermöglichen, erfordern eine Bewertung ihrer Auswirkungen auf die Lebensdauer der hydromechanischen Komponenten.
Die Doktorarbeit von Daniel Biner, durchgeführt im Rahmen des europäischen Projekts XFLEX HYDRO, hat sich mit dem Einfluss dieser neuen Arbeitsweisen auf die Ermüdung einer reversiblen Pumpe-Turbine mit variabler Drehzahl. Im Mittelpunkt der Arbeiten stand ein industrieller 5-MW-Demonstrator, der mit einem Frequenzumrichter mit voller Leistung ausgestattet ist und eine umfassende Drehzahlregelung ermöglicht.
Die Studie hat Folgendes kombiniert: hydraulische und mechanische Simulationen, Ermüdungsanalysen und Versuchsreihen am Prototyp. Es wurden numerische Methoden entwickelt, die CFD- und Strukturberechnungen miteinander verbinden, um die Spannungen und die Beschädigung des Laufrads über einen breiten Betriebsbereich hinweg zu bewerten, insbesondere bei Teillast und während Übergangsphasen. Mithilfe einer speziellen Messausrüstung am Prototyp konnten diese numerischen Ansätze mit den direkt an der Maschine durchgeführten Messungen verglichen werden.
Im Rahmen der Arbeiten wurde insbesondere untersucht, wie die Steuerung der Drehzahl genutzt werden kann, um die Betriebsabläufe und Startsequenzen optimieren, wobei die Ermüdungsbeanspruchung des Laufrads und der Druckleitung begrenzt wird. Sie tragen somit dazu bei, zu zeigen, dass die Erhöhung der Flexibilität von Pumpspeicherkraftwerken mit der Gewährleistung der Lebensdauer der Anlagen in Einklang gebracht werden kann, was den Weg für einen flexibleren und nachhaltigeren Betrieb von Wasserkraftanlagen ebnet.
Veröffentlichungen und damit verbundene Arbeiten
Doktorarbeit
D. Biner, Ermüdungsuntersuchungen an einer umrichtergesteuerten Pumpturbine mit variabler Drehzahl für eine flexible Stromerzeugung, Doktorarbeit, EPFL, 2024, Dissertationsnummer 10711.https://doi.org/10.5075/epfl-thesis-10711
Zeitungsartikel
Biner, D., Hasmatuchi, V., Dujic, D. & Münch-Alligné, C. (2026). Ermüdungsauslegung von Francis-Pumpenturbinenlaufrädern im flexiblen Stromerzeugungsbetrieb. Results in Engineering, 29, 109480. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2026.109480
Konferenzbeiträge / Tagungsbände
Biner, D., Hasmatuchi, V., Lecointre, C. L., Quarroz, A., Nicolet, C., Alligné, S., … & Münch-Alligné, C. (November 2024). Experimentelle Untersuchung eines FSFC-Prototyps einer Pump-Turbine mit variabler Drehzahl – Teil 2: Verringerung der Laufradermüdung. In IOP Conference Series: Erd- und Umweltwissenschaften (Band 1411, Nr. 1, S. 012031). IOP Publishing.
Biner, D., Dujic, D. & Münch-Alligné, C. (März 2025). Numerische Untersuchung zu Druckschwankungen in einer Pumpturbine mit variabler Drehzahl und Fällschwankungen. In IOP Conference Series: Erd- und Umweltwissenschaften (Band 1483, Nr. 1, S. 012028). IOP Publishing.
D. Biner, S. Alligné, V. Hasmatuchi u. a., “Numerische Ermüdungsschadensanalyse eines variablen
”Drehzahl der Francis-Pumpenturbine beim Anfahren im Erzeugungsbetrieb“, IOP Conf. Series: Earth and
Environmental Science 774 (2021) 012070, 2022
D. Biner, P. Bontepms, D. Dujic u. a., “Diskretisierungsunsicherheiten bei Strömung und Ermüdungsschäden“
”Simulationen einer reversiblen Francis-Pump-Turbine im nicht-Nennbetrieb im Turbinenmodus“, in
Advances in Hydroinformatics, 2022, S. 649–670
J. Schmid, S. Alligné, D. Biner u. a., “Optimierung der Turbinen-Startsequenz einer Anlage in Originalgröße“
”Frequenzumrichter für eine Pumpe-Turbine mit variabler Drehzahl“, IOP Conference Series: Earth and Environmental
Science, Band 1079, Nr. 1, S. 012–109, September 2022
S. Alligné, A. Béguin, D. Biner u. a., “Simulation des Turbinenbetriebs beim Anfahren einer FSFC-Turbine mit variabler Drehzahl“
”Prototyp einer Pumpturbine – Teil I: 1D-Simulation“, IOP Conf. Series: Earth and Environmental
Science 774 (2021) 012052, 2021
D. Biner, S. Alligné, V. Hasmatuchi u. a., “Simulation des Anlaufs im Turbinenbetrieb einer drehzahlgeregelten
”Francis-Pump-Turbinen-Prototyp – Teil II: 3D-CFD-Simulationen unter instationären Bedingungen und FEM“, IOP Conf. Series: Earth and
Environmental Science 774 (2021) 012070, 2021
Populärwissenschaftlicher Artikel
Biner D., Pacot O., Decaix J., Münch-Alligné C. (2022), «Mehr Flexibilität dank Simulationen », ElectroSuisse-Bulletin 2, 2022
Weitere Veröffentlichungen, die nicht in direktem Zusammenhang mit dem Thema der Dissertation stehen:
P. Bontemps, D. Biner, C. Münch-Alligné u. a., “Online-Verlustberechnung und Optimierung von
”Ein m3c-gesteuerter, extern angeregter SM“, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Band 71, Nr. 6,
S. 5608–5617, 2024
J. Decaix, D. Biner, J.-L. Drommi u. a., “CFD-Simulationen einer Y-Verzweigung für die Umsetzung von
”Hydraulischer Kurzschluss-Betriebsmodus“, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science,
Band 774, Nr. 1, S. 012–013, Juni 2021
