Groupe de recherche Hydroélectricité

Hydrolienne - OFEN P+D / The Ark (2015-2019)

Développement d'un premier prototype d'une hydrolienne de 1kW

L’objectif de ce projet, financé par le programme P+D de l'OFEN et la fondation The Ark, est de réaliser un premier prototype d'une turbine permettant de récupérant l'énergie cinétique des cours d'eau. Un premier prototype de cette turbine, appelée hydrolienne, d'une puissance maximale de 1kW sera installée pour une durée de six mois dans le canal de fuite de la centrale de Lavey afin de mesurer ses performances, de valider les résultats des simulations réalisées préalablement et de pouvoir envisager une phase d’industrialisation du produit pour exploiter ce potentiel en Suisse et ailleurs. Pour la Suisse, le potentiel intéressant se trouve dans l’énergie des canaux artificiels à surface libre afin de limiter l’impact sur l’environnement de nos cours d’eau naturels. L’exploitation de l’énergie cinétique des infrastructures existantes comme les canaux de fuite et les galeries d’amenée de nos centrales hydroélectriques, les stations de traitement de l’eau et d’autres infrastructures, pourrait valoriser ce potentiel et augmenter l’efficience de certains procédés. De plus, le potentiel iso-cinétique des canaux de restitution des débits résiduels pourrait encore être ajouté et, pourquoi pas, des passes à poissons. Ce projet mené par la HES SO Valais est réalisé en collaboration avec la société Stahleinbau GmBH et la participation de SIL et de la société Swiss-SIT. Il s'inscrit dans le cadre des activités menées par le grouped hydroélectricité dans le SCCER Supply of Electricity.

COLLABORATEURS

Cécile Münch-Alligné, Anthony Gaspoz, Vlad Hasmatuchi, Sylvain Richard, Samuel Chevailler, Laurent Rapillard, Olivier Pacot, Shadya Martignoni, Jean Decaix, Jérémy Schmid, Théo Gonin, Damien Pettinaroli

PARTENAIRES FINANCIERS

Office Fédérale de l'Energie (OFEN), La fondation The Ark

PARTENAIRES

Stahleinbau GmBH. Service industriel de la ville de Lausanne (SIL), SCCER SoE (Centre de Compétences Suisses pour la Recherche Energétique pour l’Approvisionnement en Electricité)

PUBLICATIONS

Pacot, O.; Pettinaroli, D.; Decaix, J. & Münch-Alligné, C. Cost-effective CFD simulation to predict the performance of a hydrokinetic turbine farm. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, IOP Publishing, 2019, 405, 012037

Pacot, O.; Pettinaroli, D.; Decaix, J. & Münch-Alligné, C., Assessment of a turbine model to predict cost effectively the farwake of a hydrokinetic farm. SCCER-SoE Annual Conference 2019, 2019  

Pacot, O.; Schmid, J.; Martignoni, S.; Decaix, J.; Brunner, N. & Münch-Alligné, C. Hydrokinetic turbine farm: challenges & expectations. SCCER-SoE Annual Conference 2018, 2018

Gaspoz, A.; Richard, S.; Hasmatuchi, V.; Brunner, N. & Münch-Alligné, C. Performance assessment of a new kinetic turbine prototype. SCCER-SoEAnnual Conference 2017, 2017

Hasmatuchi, V.; Gaspoz, A.; Rapillard, L.; Brunner, N.; Richard, S.; Chevailler, S. & Münch-Alligné, C. Open-air laboratory for a new isokinetic turbine prototype. SCCER-SoE Annual Conference 2016, 2016

Hasmatuchi, V.; Alligné, S.; Kueny, J. & Münch, C. Hydraulic Performance of a New Isokinetic Turbine for Rivers and Artificial Channels. E-proceedings of the 36th IAHR World Congress 28 June - 3 July, 2015, The Hague, the Netherlands, 2015

FlexSTOR – Solutions pour l’amélioration de la flexibilité des centrales hydroélectriques à accumulation dans le cadre des modifications de l’environnement et du marché (2016-2018)

Le projet de recherche des “Solutions pour l’amélioration de la flexibilité des centrales hydroélectriques à accumulation dans le cadre des modifications de l’environnement et du marché ” (FlexSTOR), financé par la CTI (No. 17902.3 PFEN-IW-FLEXSTOR), a réuni les partenaires de recherche du programme SCCER-SoE et KWO. Le groupe de recherche Hydroélectricité de la HES-SO VS a mené les activités permettant d’étudier l’impact des nombreux arrêts-démarrages sur la fatigue des groupes ternaires de la centrale de Grimsel 2. Des approches numériques et expérimentales avancées ont été mises en œuvre pour atteindre cet objectif.
Les buts définis du projet ont été largement atteints avec succès. Les principaux accomplissements de ce WP sont les suivants :

• Analyse détaillée de la problématique donnée : analyse de l’historique du groupe, listage des sources d’excitation évidentes et des conditions de fonctionnement extrêmes possibles, regroupement des données disponibles (géométrie, historique de points de fonctionnement, maintenance, etc.)
• Mise au point d’une méthodologie d’investigation adaptée : identification des outils d’investigation adaptés aux objectifs partiels et finaux définis ; sélection d’un point de fonctionnement de référence spécifique au cas investigué.
• Investigation CFD & FEM avancée : identification numérique des modes propres de la roue de la turbine ; calcul de fatigue sur la base de mesures expérimentales de contraintes ; simulations stationnaires et instationnaires de l’écoulement validées avec les données statistiques de SCADA et avec les mesures sur le site.
• Mesures embarquées complexes : mise au point d’un système de mesure autonome robuste réutilisable pour acquérir des signaux synchrones des jauges des contraintes, des accéléromètres et des tachymètres ;résistant aux conditions particulièrement exigeantes : 17 bars de pression statique, forces centrifuges importantes, arbre à axe horizontale, accès frontal impossible au nez de la roue.
• Mise au point des mesures non-intrusives : acquisition des signaux synchronisés avec le système embarqué, avec SCADA et avec d’autres systèmes dédiés disponibles dans la centrale. Déploiement de plusieurs capteurs principalement non-intrusifs comme les accéléromètres, le microphone, les proxymètres, les capteurs de pression, etc. Mise au point d’une technique de synchronisation peu chère basée sur des impacts de marteau pour les mesures embarquées et extérieures.
• Identification des excitations indésirables : évidence claire d’excitation de la structure avec les mesures de contraintes et démonstration de la capacité de détection non-intrusive. Elaboration de diagrammes d’instabilité et listage des solutions technique possibles. 
• Protocole de diagnostic pour d’autres groupes de production hydroélectrique surfant de problèmes de fatigue prématurée : utile pour répéter ce type d’investigation sur un autre cas test.

COLLABORATEURS

Vlad Hasmatuchi, Jean Decaix, Laurent Rapillard, Olivier Walpen, Christian Cachelin, Olivier Pacot, Cécile Münch-Alligné

PARTENAIRES FINANCIERS

CTI (No. 17902.3 PFEN-IW-FLEXSTOR), SCCER-SoE

PARTENAIRES

EPFL-LCH, EPFL-LMH, HES-SO VS, Eawag, WSL, ETHZ-VAW

PUBLICATIONS

Decaix, J.; Hasmatuchi, V.; Titzschkau, M.; Rapillard, L.; Manso, P.; Avellan, F. & Münch-Alligné, C. Experimental and numerical investigations of a high-head pumped-storage power plant at speed no-load. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, IOP Publishing, 2019, 240, 082014

Decaix, J.; Hasmatuchi, V.; Titzschkau, M. & Münch-Alligné, C. CFD Investigation of a High Head Francis Turbine at Speed No-Load Using Advanced URANS Models. Applied Sciences, MDPI AG, 2018, 8, 2505

Hasmatuchi, V.; Decaix, J.; Titzschkau, M. & Münch-Alligné, C. A Challenging puzzle to extend the runner lifetime of a 100 MW Francis runner. Hydro 2018, 2018

Hasmatuchi, V.; Titzschkau, M.; Decaix, J.; Avellan, F. & Münch-Alligné, C. Challenging onboard measurements in a 100 MW high-head Francis turbine prototype. SCCER-SoEAnnual Conference 2017, 2017

Hasmatuchi, V .; Decaix, J.; Titzschkau, M. & Münch-Alligné, C. Augmenter la flexibilité de l’hydroélectricité. Bulletin, 2021

HYPERBOLE – HYdropower plants PERformance and flexiBle Operation towards Lean integration of new renewable Energies (2013-2017)

The HYPERBOLE FP7 European project, which means HYdropower plants PERformance and flexiBle Operation towards Lean integration of new renewable Energies, aims at improving the flexibility of the hydropower plants.

The HES-SO, through the hydraulic laboratory, is in charge of a sub-task, which concerns the study of the flow developing in the draft tube of a Francis turbine at full load. Numerical simulations of the cavitation vortex are performed using the ANSYS CFX software. The goal is to provide an identification of the hydro-acoustic parameters which will be then implemented in a one-dimensional solver to carry out stability analysis of the entire hydraulic system.

COLLABORATEURS

Jean Decaix, Cécile Münch-Alligné

PARTENAIRES FINANCIERS

European Union through the FP7-ENERGY-2013-1, Grant Agreement number 608532

PARTENAIRES

EPFL, ALSTOM HYDRO FRANCE, ANDRITZ HYDRO GMBH, ANDRITZ HYDRO AG, VOITH HYDRO HOLDING GMBH & CO KG, POWER VISION ENGINEERING SARL, UNIVERSITAT POLITECNICA DE CATALUNYA, INESC PORTO - INSTITUTO DE ENGENHARIA DE SISTEMAS E COMPUTADORES DO PORTO, UNIVERSITAET STUTTGART, HAUTE ECOLE SPECIALISEE DE SUISSE OCCIDENTALE

PUBLICATIONS

Decaix, J.; Alligne, S.; Müller, A.; Nicolet, C.; Münch, C. & Avellan, F. Identification of 1-D cavitation model parameters by means of computational fluid dynamics. Journal of Hydraulic Research, Informa UK Limited, 2021, 1-12

Decaix, J.; Müller, A.; Favrel, A.; Avellan, F. & Münch, C. URANS Models for the Simulation of Full Load Pressure Surge in Francis Turbines Validated by Particle Image Velocimetry. Journal of Fluids Engineering, ASME International, 2017, 139

Decaix, J.; Müller, A.; Favrel, A.; Avellan, F. & Münch-Alligné, C. Investigation of the Time Resolution Set Up Used to Compute the Full Load Vortex Rope in a Francis Turbine. Applied Sciences, MDPI AG, 2021, 11, 1168

HYDRONET2 – Modern Methodologies for Design, Manufacturing and Operation of Pumped Storage Power Plants (2012-2015)

The Hydronet2 project focuses on the improvement of hydraulic plants in several domains as project management, monitoring, hydropower design, real time simulation. The project is support by the CCEM, SwissElectricResearch, Canton du Valais and involves several partnerships as: EPFL, EMPA, EAWAG, Hoschule Luzern, ETH Zurich.

The HES-SO focuses numerical investigations of the cavitation tip-leakage vortex that occurs in Kaplan turbines for instance. The tip-leakage vortex develops in the gap between the blade tip and the side wall due to pressure difference between the pressure and suction sides. Cavitation can occurs in the vortex core leading to flow instabilities and erosion.

A NACA blade mounted in a rectangular channel with a gap between the blade tip and the side wall is considered for the computations. The simulations are run using RANS and LES modelling.

The results are compared with experimental data provided by the Laboratory for Hydraulics Machines (EPFL). The simulations show the influence of the gap width on the tip vortex development. Furthermore, for the non-cavitation case, a law has been derived to describe the tip-leakage vortex trajectory above the blade. The influence of the cavitation on the vortex behaviour has also been investigated.

COLLABORATEURS

Jean Decaix, Cécile Münch-Alligné

PARTENAIRES FINANCIERS

Swiss ElectricResearch, CCEM, The Ark

PARTENAIRES

EPFL, EAWAG, EMPA, HSLU, HES-SO

PUBLICATIONS

Decaix, J.; Balarac, G.; Dreyer, M.; Farhat, M. & Münch, C. RANS and LES computations of the tip-leakage vortex for different gap widths. Journal of Turbulence, Informa UK Limited, 2015, 16, 309-341

Dreyer, M.; Decaix, J.; Münch-Alligné, C. & Farhat, M. Mind the gap: a new insight into the tip leakage vortex using stereo-PIV. Experiments in Fluids, Springer Science and Business Media LLC, 2014, 55.

Decaix, J.; Dreyer, M.; Balarac, G.; Farhat, M. & Münch, C. RANS computations of a confined cavitating tip-leakage vortex. European Journal of Mechanics - B/Fluids, Elsevier BV, 2018, 67, 198-210.

SIG-NER – Solution de transfert d’énergie par pompage-turbinage à petite schelle (2016-2017)

D'ici 2050, les nouvelles énergies renouvelables participeront au mix énergétique de la Suisse de manière massive avec une production d'électricité estimée à 12TWh. Ces énergies intermittentes nécessitent la mise en place de système de stockage d’énergie afin de faciliter leur intégration dans le réseau électrique. Le pompage-turbinage à petite échelle est une des solutions envisageables pour stocker localement l’énergie.

Les objectifs de ce projet, financé par le fond SIG-NER et le SCCER Furies, sont d’évaluer le potentiel hydraulique dans les cantons de Vaud et du Valais pour ce type de stockage, d’identifier un modèle économique pour ce service et évaluer la pertinence du développement d’une nouvelle technologie pouvant équiper les sites « basse et moyenne chutes ».

Résultats

Le projet a mis en évidence l’existence de plusieurs sites potentiels en Suisse romande pour l’implantation et le développement d’un système de stockage par pompage-turbinage à petite échelle avec des capacités de plusieurs MWh. Cependant, afin de développer ce potentiel de stockage, il est nécessaire de créer ou d’adapter des mécanismes de rémunération.

Une première analyse par simulation numérique des fluides d’une pompe-turbine adaptée aux basses et moyennes chutes a été réalisée. Les premiers résultats montrent la possibilité de développer une telle machine avec un rendement hydraulique supérieur à 80% à la fois en mode pompe et en mode turbine.

COLLABORATEURS

Cécile Münch-Alligné, Shadya Martignoni, Pascal Grand, Jean Decaix

PARTENAIRES FINANCIERS

Service Industriels de Genève

PARTENAIRES

Mhylab

PUBLICATIONS

S. Martignoni, L. Smati, V. Denis, C. Münch, 2018, Un stockage local et compétitif de l’énergie. Bulletin Electro-Suisse, Février 2018

CLEANCITY – Développement d'outils et de méthodes au service des responsables de projets d'urbanisme et des autorités leur permettant d'obtenir des prédictions sur l'impact des projets en termes de « qualité de l'air », ventilation des quartiers, dispersion de polluants. (2011-2014)

Le projet CleanCity ambitionne de fournir aux urbanistes des outils scientifiques permettant d'apprécier l'impact de leurs projets dans le domaine de la qualité de l’air. Ces outils regroupent : un outil de cartographie 3D d’un quartier urbain, un support informatique de calcul haute puissance, un logiciel de calcul des écoulements 3D, un système de visualisation des résultats en 3D et une soufflerie dédiée aux tests sur des maquettes de quartier.

La HES-SO Valais s’est concentrée sur le développement de l’outil de simulation numérique 3D. Cet outil basé sur le logiciel OpenFOAM (logiciel libre distribué sous une licence GNU-GPL) permet de prévoir la dispersion d’un polluant à travers un milieu urbain. La phase de développement a été validée sur un cas test simplifié. Le cas test consiste en un cube placé dans un écoulement et dont un polluant est éjecté au centre du toit.

COLLABORATEURS

Sylvain Richard, Jean Decaix, Cécile Münch-Alligné

PARTENAIRES FINANCIERS

HES-SO

PARTENAIRES

HEPIA, EIA FR, HEVS

OPTIPEL – Optimisation d’un distributeur d’une turbine Pelton par des méthodes hautement performantes (2013-2015)

Les turbines Pelton sont des turbines à action développées pour les centrales hydro-électriques de haute chute pour la grande et la petite hydraulique. Ces turbines sont composées de quatre parties ; le distributeur, les injecteurs, la roue à auget et la bâche.  Les performances de ces machines sont particulièrement sensibles à la qualité du jet en sortie des injecteurs. L’écoulement en amont dans le distributeur joue donc un rôle crucial pour le rendement de l’installation. L’objectif de ce projet est d’étudier numériquement et expérimentalement l’écoulement turbulent tridimensionnel instationnaire dans le distributeur d’une turbine Pelton avec des méthodes hautement performantes. Différentes géométries de répartiteurs avec un ou deux injecteurs ont été étudiées numériquement par des simulations stationnaires de type RANS avec le logiciel commercial ANSYS CFX et le logiciel opensource OpenFOAM par la HES-SO Valais et Andritz Hydro. Les résultats obtenus par les deux équipes sont qualitativement et quantitativement comparables. Expérimentalement, des nouveaux bancs d’essais ont été conçus et des nouvelles technologies de mesure (PIV avec et sans particules, pression, frottement pariétal) ont été testées et mises au point à la HES-SO Fribourg pour déterminer avec une grande précision les champs de vitesse et de pression instantanés.  Un des challenges de l’étude a été de réaliser des mesures du champ de vitesse par la méthode PIV sans particule sur le banc d’essai du laboratoire d’Andritz Hydro. Un injecteur de bulle d’air a été testé et validé à la HES-SO Fribourg. La conception du futur banc d’essai a été réalisée par  Andritz Hydro et sera situé sur le site de leur laboratoire à Vevey. 

Ce projet a permis de mettre en place une collaboration entre la HES-SO Valais, la HES-SO Fribourg et l’équipe R&D d’Andritz Hydro à Vevey et d’évaluer les outils nécessaires aux futurs recherches dans le domaine des turbomachines.

COLLABORATEURS

Sylvain Richard, Jean Decaix, Vlad Hasmatuchi, Cécile Münch-Alligné

PARTENAIRES

 HES-SO Valais, HES-SO Fribourg et Andritz Hydro à Vevey

EMHT – Essais de performance hydraulique sur une pico-turbine tubulaire (2014-2015)

Dans le cadre du projet EMHT financé par l’OFEN, les performances d’une pico-turbine axiale basse chute en coude, destinée à la récupération d’énergie sur les réseaux d’eau potable, ont été évaluées au laboratoire d’hydraulique de la HES-SO Valais.

Pour atteindre cet objectif, la HES-SO Valais a réalisé dans un premier temps la conception mécanique du modèle réduit (échelle modèle/prototype de 85/100) de la pico-turbine autour de la roue fournie (dessinée et fabriquée en bronze) par le Laboratoire de Construction Hydraulique de l’EPFL. Les différentes pièces mécaniques du concept validé ont été ensuite réalisées par l’atelier mécanique de la HES-SO Valais ainsi que l’assemblage de tous les composants mécaniques et de l’instrumentation nécessaire pour piloter la vitesse de rotation de la machine et pour mesurer la puissance mécanique de la roue. Le moteur électrique ainsi que l’électronique de puissance nécessaires pour le contrôle de la machine ont également été fournis par la HES-SO Valais.

Durand la seconde phase du projet, la conception et la réalisation des conduites nécessaires pour l’implantation de la machine sur le banc d’essais ont été réalisées. Ensuite, préalablement aux mesures, le modèle a été instrumenté et les capteurs employés vérifiés et/ou calibrés. L’interface de contrôle et mesures dédiée à la pico-turbine a également été adaptée. 

Enfin, les courbes caractéristiques hydrauliques de cette pico-turbine axiale en coude d’une puissance maximale de 300W, ont été mesurées avec succès en suivant les prescriptions de la norme CEI 60193.

COLLABORATEURS

Vlad Hasmatuchi, Christian Cachelin, Shadya Gabathuler, Cécile Münch-Alligné, Eric Mabillard, Pierre-André Knupfer, David Berthouzoz

PARTENAIRES FINANCIERS

Office fédéral de l’énergie OFEN

PARTENAIRES

EPFL – Laboratoire de constructions hydrauliques (LCH) – EPFL ; Instituto Superior Técnico – Lisbonne, Portugal