Increasing Operational Flexibility of Hydropower by New Technology

Abstract

Jordas økende temperatur har gjort klimaforandringer og global oppvarming til dagsaktuelle temaer. Grønn og fornybar energi er ettertraktet som aldri før. Energiproduksjon fra uforutsigbare kilder som vind og sol øker dag for dag. Energiforsyning basert på kilder med variabel produksjon genererer større etterspørsel etter forutsigbare, fleksible energikilder for å balansere energisystemet. Egenskaper som kort responstid, lagringskapasitet, høy virkningsgrad og driftssikkert gjør vannkraft velegnet til å utligne etterspørselen i perioder der vind og sol ikke er tilgjengelig. I tillegg til mekaniske utfordringer knyttet til raske endringer i produksjon, må vannkraftverk med utløp til elv tilpasses restriksjon på hvor rask vannstrømmen kan endres. I Norge er en betydelig del av den totale installerte kapasiteten fra vannkraft, med utløp til elv. Økt operasjonell fleksibilitet for disse kraftverkene uten at det går på bekostning av miljøet, blir viktig for å øke robustheten i det norske og europeiske energisystemet. Denne masteroppgaven utforsker en foreslått løsning på problemet; ACUR LE(Air Cushion Underground Reservoir Low Energy). Ved å introdusere et trykkregulert lagringsvolum for vann som er koblet på utløpstunnelen er intensjonen at ACUR LE skal kunne kontrollere den totale vannstrømmen som går ut i elva. På denne måten vil vannkraftverket overholde miljømessige krav med hensyn til vannføring i tillegg til å øke sin fleksibilitet. Denne masteroppgaven presenterer en numerisk modell av ACUR LE, implementert i en modell av Bratsberg vannkraftverk. Modellen er laget i MATLAB ved bruk av karakteristikkmetoden og ligninger som beskriver dynamikken til turbin, generator og frekvensregulator. Et matematisk utrykk som beskriver dynamikken i selve kammeret er beskrevet med den ideelle gassloven og det er antatt at vann er inkompressibelt. Luft som strømmer gjennom ventilen er antatt isentropisk, og tar høyde for fire ulike scenarioer på trykkforskjellen på lufta i og utenfor kammeret. Kompressoren er begrenset med en maksimum gjennomstrømning. Det er gjort simuleringer for ulike senarioer der ACUR LE er antatt å være fordelaktig. Resultater fra simuleringene viser at ACUR LE er med på å øke fleksibiliteten til eksempelkraftverket ved å gjøre vannstrømmen ut i elva uavhengig av vannstrømmen gjennom turbinene. ACUR LE har størst positiv effekt ved rask oppstart, der tiden kuttes fra 12 minutter til ca 1 minutt og fra 12 til ca 2 minutter ved nedstengning, uten at endringer i volumstrømmen til elven nedstrøms overskrider dagens krav. I tillegg viser simuleringene at ACUR LE kan brukes til å imitere flom, samt trekke ut vann fra elva, for å dempe små flomtopper. Modellen er foreløpig på et tidlig stadium og har mange usikkerhetsmomenter knyttet til seg, som må undersøkes videre, men potensialet til ACUR LE ser lovende ut.

As the temperature of the planet is rising, climate changes and global warming have become a big part of the politicians agenda. Green and renewable energy is desirable as never before and the energy production from intermittent energy sources as wind and solar increases day by day. Variable production from intermittent sources with no flexibility in time of production generates a need for stabilizing power, balancing the total energy supply. With storage capacity, short response time, high efficiency and reliability hydropower is well suited for this balancing task. In addition to the mechanical challenges consequently varying power production, hydropower plants with outlet to rivers must comply with operational restrictions due to unacceptable environmental impact from fluctuating and rapid alterations in the discharge. Hydropower plants with outlet to rivers are a considerable part of total installed capacity in Norway. Increased operational flexibility for this hydropower plants not at the expense of the river environment is important to increase total hydroelectric flexibility. This thesis investigate a proposed solution, ACUR LE, Air Cushion Underground Reservoir Low Energy. By introducing an excavated, pressure regulated storage volume for water and air in connection with the tailrace tunnel, ACUR LE intends to control the net flow into the river. A regulated valve and compressor will control the pressure in the chamber and hence the discharge to the river, making it possible to meet today’s restriction without decreased flexibility. This master thesis presents the proceeding of a numerical model for ACUR LE implemented in a case power plant. The numerical model is constructed in MATLAB using the Method of Characteristics and equations describing the dynamics of the turbine, the generator and the regulator. A mathematical expression for the dynamics in the ACUR LE has been developed using the ideal gas law and the assumption of incompressible water. The air flowing through the valve is described in four isentropic ways, depending on the pressure difference in the ACUR LE compared to the outside. The compressor is simplified and is only limited by a maximum mass flow and a maximum rate of change in the mass flow. The simulations shows that ACUR LE increases the operational flexibility of the case power plant by decoupling the flow through the runers and the discharge to the downstream river. ACUR LE has best effect at startup scenarios where the startup time for the hydropower plant is reduced from 12 minutes to approximately 1 minute! For shutdown scenario the simulations shows that the time it takes to close down the plant can be reduced to 1/6. In addition to this, simulations shows that ACUR LE successfully can imitate natural flow variations, and extract water from the river to reduce small flood peaks. The model is at an early stage and assumptions leading to simplifications make the model inaccurate and should be looked further into. However, the potential of ACUR LE seems promising.