Demonstrating the retrofitting potential of non-powered dams for hydropower production

Abstract

En stor andel av verdens dammer og reservoarer er bygget for andre grunner enn vannkraft. Med et økt fokus på fornybar energi og miljøvennlige løsninger blir vannkraft både lovprist for å produsere store og fleksible mengder fornybar energi, men også kritisert for å ha en negativ påvirkning på miljøet. Ettermontering av eksisterende dammer uten vannkraftproduksjon til dammer med vannkraftproduksjon krever kun små ingrep sammenlignet med byggingen av en helt ny dam og kraftverk. Derimot kan reservoar bygget for jordvanning, vannforsyning eller andre forbruk ofte ha andre tidsmessige reguleringsmønster enn de som er bygget spesielt for vannkraft. Kompatibiliteten til de forskjellige behovsmønstrene bør derfor undersøkes og evalueres ved å se på vannbalansen i det aktuelle nedbørsfeltet over flere år. Denne studien tar sikte på å demonstrere vannkraftpotensialet som følger den nåværende vannreguleringen ved eksisterende dammer uten vannkraftproduksjon. For å kvantifisere dette potensialet er denne studien basert på en casestudie av nedbørsfeltet Guadalquivir sør i Spania med 13 slike dammer. Hele nedbørsfeltet er simulert over perioden 2009 til 2018 ved bruk av programvaren WEAP med en månedlig tidsoppløsning. Parametere er kalibrert ved å benytte vannføringsdata for uregulerte nedbørsfelt innenfor Guadalquivir nedbørsfeltet, før de er overført til hele nedbørsfeltet. Klimadata er fordelt i nedbørsfeltet som gjennomsnittsverdier innad de mindre nedbørsfeltene. Programvaren QGIS er brukt for prosesseringen av de geografisk spesifiserte punktene for autoriserte vannuttak og evaporasjonspotensialet fra reservoarene. En økonomisk analyse av ettermonterings-potensialet er utført for å sammenligne den økonomiske levedyktigheten av å ettermontere turbiner til eksisterende dammer med nye vannkraftprosjekt og andre fornybare energikilder. Analysen inkluderer kostnadene av bygging, installasjoner, drift og vedlikehold. Inntektene er beregnet ved å anta en fast rente og en fast strømpris for perioden av levetiden som ikke er dekket av simuleringene. Faktiske elektrisitetskostnader over levetiden (LCOE) er beregnet for ettermontering av alle dammene uten vannkraftproduksjon og sammenlignet med andre fornybare energikilder, mens netto nåverdiene er beregnet for kvantifisering av den økonomiske levedyktigheten til ettermonteringen med tanke på den antatte fremtidige strømprisen. Resultatene viser et ettermonteringspotensiale på 64,61 GWh og 45,33 MW for de 13 dammene uten vannkraftproduksjon i Guadalquivir. Når turbiner dimensjonert for observerte uttak fra dammene er tatt med i bestraktningen er fem av de 13 inkluderte dammene uten vannkraftproduksjon funnet å være økonomisk levedyktige. Disse fem representerer en netto nåverdi på 13,67 millioner 2018 EUR og et vannkraftpotensial på 46,79 GWh. Resultatene har et prosentvis avvik på 6% for den totale simulerte vannføringen sammenlignet med målte verdier fra den målestasjonen som er plassert lengst nedstrøms i nedbørsfeltet. En lineær regressjon mellom resultatene og utvalgte parametre i ICOLDs damregister er utført, og det resulterende uttrykket gir et estimat for det globale potensiale for ettermontering på 277,33 TWh. Oppsummert presenterer casestudien viktige resultater som indikerer vannkraftpotensialet og demonstrerer levedyktigheten av ettermontering av dammer uten vannkraftproduksjon.

A large number of the world’s dams and reservoirs are built for other purposes than hydropower production. With an increased focus on renewable energy and environmentally friendly solutions, hydropower is both praised for producing large and flexible quantities of renewable energy, and yet criticized for causing negative impacts on the natural environments. Retrofitting of non-powered dams to dams with a hydropower generating unit require only small interventions compared to the construction of an entirely new dam and power plant. However, reservoirs made for irrigation, domestic water supply, or other purposes often have different regulation patterns than those made solely for hydropower production. The compatibility of the different demand patterns should therefore be assessed and evaluated by investigating the water balance in the relevant basin over several years. This study aims at demonstrating the hydropower potential of non-powered dams following the current water regulation. In order to quantify the hydropower potential of retrofitting non-powered dams, this study is based on a case study of the Guadalquivir basin in Southern Spain including 13 non-powered dams. The entire basin is simulated over the time period from 2009 to 2018 using the software WEAP with a monthly timestep. Parameters are calibrated using streamflow data for unregulated sub-catchments within the Guadalquivir basin, and transposed to the entire basin. Climate data is averaged within the different sub-catchments of the basin. The software QGIS is used for the processing of georeferenced data concerning the authorized withdrawals and potential evaporation from the reservoirs. An economic analysis of the retrofitting potential is made in order to compare retrofitting of existing dams, with new hydropower projects and other renewable energy developments. The included costs in the analysis are the cost of construction, the cost of necessary equipment, and the operation and maintenance cost. The revenues are calculated assuming a fixed interest rate, and a fixed electricity price for the lifetime not covered by the simulation period. Levelized cost of electricity is calculated for the retrofitting of all the non-powered dams and compared to other renewable energy sources, whereas the net present values are calculated to quantify the economic viability of the retrofitting considering the future electricity rate. The results show a retrofitting potential of 64.61 GWh with a corresponding capacity of 45.33 MW for the 13 non-powered dams in Guadalquivir. When considering turbine capacities designed to fit the observed outflow of the non-powered dams, five of the 13 included non-powered dams are found to be economically viable. These five represent a net present value of 13.67 million 2018 EUR and a hydropower potential of 46.79 GWh. The results have a percent bias of 6% when the total simulated streamflow is compared with the measured values at the most downstream gauge in the basin. A linear regression between the results and selected parameters in the ICOLD database is performed, and a global retrofitting potential is estimated to 277.33 TWh from the resulting regression. Summarized, the case study presents important results that indicate the hydropower potential and demonstrates the economic viability of retrofitting existing non-powered dams.