Ombygging av kraftverk til pumpekraftverk med utgangspunkt i Røldal-Suldal kraft

Abstract

For å nå nullutslippsmålet innen 2050 blir det bygd ut fornybar kraftproduksjon for å erstatte fossile energikilder som olje, gass og kullkraft. Den største økningen i fornybar kraftutbygging skjer innenfor solkraft- og vindkraftsektoren. Både sol og vind er uregulerbare kraftkilder som styres av været, og kan ikke reguleres etter etterspørsel og forbruk. Energiproduksjonen som overgår forbruket, må balanseres av lagringstjenester for å unngå overbelastning på strømnettet. Pumpekraftverk kan spille en viktig rolle i fornybaromstillingen ved å levere reguleringstjenester til strømnettet, og å drive storskala lagring av energi.

Formålet med masteroppgaven har vært å undersøke muligheten for ombygging av tradisjonelle kraftverk til pumpekraftverk ved å gjenbruke så mye som mulig av eksisterende vannei og kraftstasjon. Utfordringene knyttet til ombygging er kartlagt gjennom litteraturstudie av gjennomføre ombyggingsprosjekt, gjennomgang av vannveien til kraftverkene i Røldal-Suldal kraft, RSK, og numerisk modellering av tunnelsystemet Suldal I dersom turbinen byttes ut med en reversibel pumpeturbin.

Arbeidet med oppgaven har kartlagt flere utfordringer knyttet til ombygging til pumpekraftverk, hvor de mest inngripende hydrauliske utfordringene er manglende dykking av løpehjulet, at kraftverksutløpet er plassert for høyt i nedre magasin, og luftinnsug i svingekammer og bekkeinntak. I tillegg vil høy brukstid og underdimensjonert tunnelsystem påvirke lønnsomheten i ombyggingen.

I oppgaven presenteres ulike alternativ for ombygging, hvor kun å skifte av turbinløpehjul til et pumpeløpehjul er det rimeligste alternativet for ombygging til pumpekraftverk. Løpehjulsskifte og installasjon av oppstartsutrustning er kostnadsestimert til 20 $\%$ av kostnaden av en full oppgradering, som omfatter ny vannvei og kraftstasjon i parallell. Oppgaven har vurdert løsninger som boosterpumpe i avløpstunnel som en løsning på manglende dykking av løpehjulet. Denne løsningen er kostnadsestimert til 31 $\%$ av kostnaden av ny vannvei og kraftstasjon.

Av kraftverkene i RSK er det kun Novle kraftverk som kan bygges om med løpehjulsskifte og oppstartsutrustning i form av frekvensomformer eller ponnimotor. I Røldal, Suldal I og Svandalsflona kraftverk er turbinsenteret plassert for høyt i forhold til nedre magasin, og pumpeturbinen vil derfor være utsatt for kavitasjon.

To achieve the net zero emission by 2050, renewable power production will be developed to replace fossil energy sources such as oil, gas and coal. The largest increase in renewable power development is in solar power and wind power business. Both solar and wind are unregulated power sources that are controlled by the weather, and can not be regulated according to demand and consumption. Energy production that exceeds consumption must be balanced by storage services to avoid congestion on the power grid. Pumped power plants can play an important role in the renewable energy transition by providing regulation services to the electricity grid, and operating large-scale energy storage.

The purpose of the master's thesis has been to investigate the possibility of converting traditional hydropower plants to pumped storage power plants by reusing as much as possible of existing waterways and power stations. The challenges associated with conversion have been mapped through a literature study of carrying out conversion projects, a review of the waterway to the power plants in Røldal-Suldal kraft, RSK, and numerical modeling of the tunnel system Suldal I if the turbine is replaced with a reversible pump turbine.

The work on the master's thesis has identified several challenges related to the reconstruction of power plants to pumped storage power plants. The most intrusive hydraulic challenges are the lack of submergence of the runner, that the power plant outlet is located too high in the lower reservoir and air entrainment in the surge tank and brook intakes. In addition, high working time and undersized tunnel system will affect the profitability of the conversion.

The thesis presents various alternatives for reconstruction, where changing the impeller to a pump impeller is the most affordable alternative for reconstruction. Replacing the impeller and installing start-up equipment is estimated to cost 20 $\% $ of the cost of a full upgrade, which includes a new waterway and power station in parallel. The thesis has presented solutions such as a booster pump in a drainage tunnel as a solution to the lack of diving of the impeller. This solution is cost estimated at $ 31 \% $ of the cost of a new waterway and power station.

Of the power plants in RSK, only Novle power plants can be rebuilt with impeller replacement and start-up equipment in the form of a frequency converter or pony motor. In Røldal, Suldal I and Svandalsflona power plants, the turbine center is located too high in relation to the lower reservoir, and the pump turbine will therefore be exposed to cavitation.