Vanntunneler får kjørt seg

Norges framtidige kraftsystem krever at vannkraftverkene må stoppes og startes oftere enn de var bygd for. Det kan skape problemer i tunnelene som fører vannet til turbinene.

Published
Doktorgradsstipendiat Kari Bråtveit på befaring i Tonstad kraftverk. (Foto: Cedren)
Doktorgradsstipendiat Kari Bråtveit på befaring i Tonstad kraftverk. (Foto: Cedren)

Om CEDREN

CEDREN – Centre for Environmental Design of Renewable Energy - er et av 11 forskningssentre for miljøvennlig energi (FME) opprettet av Forskningsrådet. CEDREN er organisert i sju prosjekter, hvor HydroPEAK er det ene.

SINTEF Energi AS, NINA og NTNU leder senteret, med en rekke energibedrifter, norske og utenlandske FoU-institutter og universiteter som partnere.

CEDREN finanseieres av Forskningsrådet, energiselskaper og forvaltning.

www.cedren.no

Både markedsmekanismer og en framtidig tettere tilknytning til Europas kraftsystem skaper behov for hurtigere og hyppigere endringer i norsk vannkraftproduksjon.

Når prisene faller vil en kraftprodusent med ledig plass i magasinet spare på vannet og stenge vannstrømmen til prisene blir høyere igjen.

Et framtidig fornybart Europa vil være avhengig av vind- og solenergi. Når det er for lite vind og sol på kontinentet kan norske vannkraftverk starte eller øke produksjon for å møte Europeisk etterspørsel.

Denne muligheten for å styre vannkraften etter etterspørselen kalles balansekraft. Når et kraftverk stenger vannstrømmen gjennom turbinen vil ikke vannet i tunnelen stanse øyeblikkelig.

Det skapes en trykkbølge som forplanter seg oppover i tunnelen og deretter ned igjen. Vannet i tunnelen blir stående og svinge opp og ned i tunnelen inntil svingningene gradvis dempes i løpet av noen minutter.

– For kraftverkeierne er utfordringen at dagens metoder for å forutsi hvordan anlegget vil oppføre seg er usikre, sier doktorgradsstipendiat Kari Bråtveit.

- Viktig å vite hva systemet tåler

Forskningssenteret for miljøvennlig energiproduksjon, Cedren, finner metoder for at kraftverkene kan forutsi hva som skjer når systemet kjøres hardere enn vanlig.

I den forbindelse har Bråtveit blant annet studert renseprosessen som skiller sand, grus og jord fra vannet ved et aggregat ved Tonstad kraftverk, som er eid av Sira-Kvina kraftselskap.

Renseprosessen gjøres ved at vannet passerer et såkalt sandfang.

− Når du endrer produksjonsmønsteret, får du andre hydrauliske situasjoner. Det er viktig å vite hva systemet ditt tåler det før du endrer kjøremønster. Kraftverkene ønsker å ha kunnskap om hvordan systemet reagerer på slike endringer, sier Bråtveit.

Stein og grus

De kraftige bevegelsene i vannet kan rive med seg steiner fra veggen i tunnelen, som vanligvis er sprengt ut i fjellet. Steinene er i verste fall så store at de kan gjøre stor skade på turbinen.

– Økte trykkvariasjoner kan også føre til oppsprekkinger i svake soner i fjellet som tunnelen går gjennom, og dermed utløse ras som kan blokkere tunnelen, sier Bråtveit.

Før vannet fra magasinet går til turbinene, passerer det et sandfang som hindrer grus, stein og andre fremmedelementer i å komme ned til turbinene. Hyppige opp- og nedkjøringer kan føre til at innholdet i sandfanget spyles ut og likevel kommer ned i turbinene og skader disse.

Forskere laserskanner tilløpstunnelen til Tonstad. (Foto: Cedren)
Forskere laserskanner tilløpstunnelen til Tonstad. (Foto: Cedren)

– Ved noen inntak, særlig bekkeinntak, kan vannet ta med seg luft og dette kan føre til at det bygger seg opp i luftlommer inne i tunnelene.

- Dersom det blir sterke svingninger på grunn av hurtig regulering kan disse luftlommene komme i bevegelse og føre til at det blir en kraftig utblåsing, sier Bråtveit.

Avbildet innenfra

Tre dager i september skannet hennes gruppe innsiden av sandfanget i Tonstad. Ved hjelp av en laser som skanner 360 grader rundt sin egen akse, kartla de overflaten til denne delen av tunnelen i detalj.

Dataene fra skanningen skal brukes i en modell som Bråtveit utvikler. Modellen skal simulere hvordan strømningsmønsteret i sandfanget påvirkes av hyppige og store endringer i vannføringen.

Ved å kjøre beregninger av turbulens og tofasestrømning, håper forskerne å forstå bedre hvilke mekanismer som oppstår ved raske reguleringer. For eksempel vil tunnelgeometrien og ruheten av tunnelveggen sterkt påvirke dempingen av svingingene som oppstår.

Tour de France

Et mål i prosjektet er å vurdere om Bråtveits verktøy kan brukes til å forutsi hvilke konsekvenser nye kjøremønstre kan ha for de enkelte kraftverket.

Dermed kan kraftverkene vurdere hvor hardt de kan kjøre eksisterende anlegg og om de må oppgradere anlegget for å tilpasse seg det nye balansemarkedet.

Foto og laserskannet bilde fra sandfanget i Tonstad kraftverk. (Foto: (Illustrasjon: Cedren))
Foto og laserskannet bilde fra sandfanget i Tonstad kraftverk. (Foto: (Illustrasjon: Cedren))

− Det er som å melde seg på i Tour de France med en gammel sykkel. Enten trår du på og håper den holder til mål, eller så vurderer du hva og hvordan den bør oppgraderes, sier Bråtveit.

Dersom alt går etter planen, skal Tonstad kraftverk installere en rekke sensorer i sandfanget før vannet settes på igjen i januar.

Dermed kan forskerne og kraftverket få data om vannføring, vannhastighet og vanndybde, og teste den nye modellen mot det som faktisk skjer i tunnelen og sandfanget.

Viktig med ny kunnskap

Sira-Kvina hadde allerede før balansekraft til utlandet ble et hett tema, hatt utfordringer med svingninger og transport av sand i vannveiene til kraftverket på Tonstad.

− I dag starter og stoppes kraftverkene mer enn de gjorde på 1980- og 1990-tallet. Det er en utvikling vi tror vil forsterke seg når vi får større prisforskjeller mellom dag og natt og perioder på dagen.

– Dette prosjektet er viktig for å få mer kunnskap om hva som skjer, sier leder produksjon Arne Sæterdal i Sira-Kvina.