Denne artikkelen er produsert og finansiert av De regionale forskningsfondene - les mer.
Dimensjonene er store i tunnelsystemene ved Tonstad kraftverk, som er Norges største. Det avsettes så mye sand og grus at gravemaskiner og lastbærere må til for å få fjernet sedimentene.(Foto: Kaspar Vereide)
Slik unngår vannkraftverkene sand i maskineriet
Stein og grus som skader turbinene er et stort problem for norske vannkraftverk. En diger felle av betong ser ut til å være et effektivt mottiltak.
Vann som fosser med stor kraft gjennom tunnelene i et vannkraftverk, fører med seg sand, grus og stein. Det gir skader og slitasje på turbinene som skal omdanne bevegelsesenergien i vannet til elektrisk strøm.
Nå viser ny forskning at en ganske enkel felle av betong effektivt kan fange det meste av grusen og sanden.
Fellen består av betong-ribber plassert med jevne mellomrom på tvers av vannretningen. Sand og grus synker ned gjennom åpningene og fanges i hulrommet som er skapt på undersiden av fellen.
Enkelt fortalt ser den ut som en gedigen versjon av feristene som brukes på veiene for å stoppe kyr og sauer med utferdstrang.
Kaspar Vereide er førsteamanuensis ved Institutt for miljø- og byggteknikk ved NTNU og prosjektutvikler i Sira-Kvina kraftselskap.(Foto: NTNU)
Større problem enn antatt
Problemet med sand, grus og stein som sliter på turbinene, viser seg å være større enn tidligere antatt.
– Vi har foretatt en enkel kartlegging hos de 20-30 største kraftverkene i landet. I sum står disse for rundt en fjerdedel av den totale vannkraftproduksjonen i Norge, og samtlige hadde utfordringer med det vi kan kalle sand i maskineriet, sier Kaspar Vereide.
Vereide er førsteamanuensis ved Institutt for miljø- og byggteknikk ved NTNU og prosjektutvikler hos Sira-Kvina kraftselskap.
De siste fire årene har han også ledet forskningsprosjektet Fleksible sandfang, et samarbeid mellom kraftselskapet, NTNU og et østerriksk universitet. Regionale forskningsfond Agder har støttet forskningen økonomisk.
Dagens løsninger fanger ikke sanden godt nok
I dag bruker så godt som alle store, norske vannkraftverk såkalte «sandfang» for å hindre grus og stein i å nå frem til turbinene.
– I et sandfang utvides ganske enkelt tunnelen som leder vann inn i kraftverket. Da går hastigheten på vannet ned, slik at sand og grus avsettes på bunnen av tunnelen. Det er teorien, men i praksis fungerer ikke slike sandfang godt nok. Selv om sanden og grusen synker ned, stopper den ikke opp, men fortsetter ferden mot turbinene, sier førsteamanuensen.
Kraftverket Tonstad i Agder er blant dem som har utfordringer med sand og grus. Tonstad er Norges største kraftverk, med en årlig produksjon på rundt fire terrawatt-timer.
Det tilsvarer to-tre prosent av Norges årlige strømproduksjon, eller det årlige strømforbruket i Bergen, Trondheim og Kristiansand kombinert.
– Tunnelen på Tonstad er ti meter høy og ti meter bred. Hastigheten på vannet er 2,5 meter per sekund. Det betyr at når kraftverket går for fullt, passerer det vann tilsvarende innholdet i 250 000 melkekartonger hvert eneste sekund, sier Vereide.
Når vannstrømmen er så kraftig, klarer altså ikke et tradisjonelt sandfang brasene. Derfor har forskerne lett etter alternative metoder til å skille sand effektiv ut fra vann. De har både gjort datasimuleringer og testet fysiske modeller i vassdragslaboratoriet på NTNU og i Østerrike.
Modellforsøk i laboratoriet i Graz i Østerrike med fellen som effektivt fanger grus, stein og sand fra vannstrømmen. Fellen, som enkelt forklart er en rist med tverrgående ribber, fanget opp mot nitti prosent av sanden, grusen og steinene i vannet.(Foto: Kaspar Vereide)
Fra null til full effekt med ulike modeller
Modellene har vært i skala 1:20 og gir ifølge Vereide et godt bilde av hvordan både sand og vann oppfører seg i virkeligheten. Modeller med ulik utforming ga svært ulikt resultat.
Annonse
– Vi prøvde oss blant annet med en hindervegg som skulle få vannet til å roe seg raskere når det kom inn i sandfanget. Tanken var at et slikt hinder skulle ta mye av energien ut av vannet, slik at det ville legge fra seg mer sand og grus, men dette var ikke særlig effektivt, forklarer Vereide.
Forskerne forsøkte seg også med en ganske høy terskel i nederste del av sandfanget.
– Teorien var at sand og grus ikke ville klare å hoppe over en høy terskel, men det holdt ikke stikk i praksis. Hastigheten vannet måtte opp i for å komme over terskelen, var så høy at det også dro med seg sanden og grusen over terskelen. Her var effekten rett og slett lik null, forteller Vereide.
Betongristen udiskutabelt best
«Feristen» av betong var imidlertid en suksess. I mange av forsøkene fanget den opp hele nitti prosent av sedimentene.
Sira-Kvina kraftselskap planlegger derfor å installere en betongrist i full skala i Tonstad kraftverk i 2023.
– Dette er et konsept som kan brukes i de fleste store vannkraftverk og som vi kommer til å anbefale. Det fine er at man kan bruke rimelige ferdigelementer av betong, så vi snakker om en svært beskjeden investering som kan gi stor gevinst i form av mindre slitasje og færre skader på turbinene, sier Kaspar Vereide.
Forskningsprosjektet Fleksible sandfang er et samarbeid mellom NTNU, Technische Universität Graz i Østerrike og Sira-Kvina kraftselskap. Prosjektet er tilknyttet forskningssenteret HydroCen, som er en del av Forskningsrådets ordning med forskningssentre for miljøvennlig energi (FME).
Senteret skal bidra til å styrke Norges posisjon som en ledende vannkraftnasjon og sikre at norsk vannkraftsektor kan utnytte mulighetene i fremtidens fornybare energisystem. NTNU er vertsinstitusjon for HydroCen og hovedforskningspartner sammen med SINTEF og vannforskningsinstituttet NINA.
Senteret har rundt 50 nasjonale og internasjonale partnere fra forskning, industri og forvaltning.
