Förstudie över utbyggnad av vattenkraftverk

Projektrapport för miniprojektet Förstudie över utbyggnad av vattenkraftverk : Förstudie över utbyggnad av vattenkraftverk Beställare: E.ON Projektgrupp: Fredrik Kühn, Ragnar Björkén, Mikael Granholm, Kristoffer Arnqvist 1

Sammanfattning Betsele kraftverk skall byggas ut från två till tre turbiner. En förstudie har utförts för att uppskatta vid vilket flöde den nya turbinen mest frekvent kommer att arbeta. Vid detta flöde borde den nya turbinen ha sin bästa verkningsgrad. Det gjordes även en jämförelse mellan hur det skulle bli om man utformade den nya turbinen på samma sätt som de befintliga. Historiska värden på flöden för kraftverket har behandlats och en fortvarighetskurva för mest frekventa flöden har utformats utifrån dessa. Kombinationsmöjligheter har även studerats m.h.a. en sk. kombinationsmöjlighets graf varierad med olika flöden. I jämförelsen av effekt har den potentiella energin hos vattnet och det förväntade totalflödet genom kraftverket tagits till hänsyn. Det förväntade totalflödet genom kraftverket uppskattades till 318 m 3 /s vilket för ny turbin innebär 128 m 3 /s, för en turbin utformad på samma sätt som gamla innebär detta 106 m 3 /s. Skillnaden mellan utvunnen effekt blir vid det flödet 0,3MW. 2

Innehållsförteckning Inledning... Antaganden......... Avgränsningar...... Metod...... Resultat...... Flödesdata...... Turbinkombinationer...... Effektjämförelse...... Diskussion och slutsats...... Resultat...... Verkningsgrader...... Effekt...... Elcertifikat...... Antaganden...... Avgränsningar...... Problem...... Reflektioner...... Referenser...... Error! Boo Bilagor...... 3

Umeå Universitet den 12 maj 2010 Inledning E-ON ska effektivisera flera vattenkraftverk i Umeälven. Effektiviseringen är den största någonsin i E.ONs svenska vattenkraft, det innebär en årlig produktionsökning med drygt 40 GWh (miljoner kilowattimmar) och en ökning av den installerade effekten med nära 60 MW, ett av dom är Betsele kraftverk. Där ska en ny turbin sättas in för att komplettera de befintliga. Syftet med projektet är att ta fram en metod för att uppskatta vid vilket flöde den nya turbinen ska ha bäst verkningsgrad. Det ska även göras en jämförelse mellan hur det skulle bli om man utformade den nya turbinen på samma sätt som de befintliga, istället för att installera en med ny design. Målet är att leverera en metod för att beräkna förväntat flöde samt även ett värde på det förväntade flödet för den nya turbinen och föreslå att den anpassas till det flödet. Vad skillnaden blir, jämfört med om vi istället väljer att utforma den nya på samma sätt som befintliga turbiner. Antaganden Projektets knappa tidsram har inneburit en del antaganden, nedan listas de mest omfattande delar som inkluderats i beräkningarna. Kommande flöden kommer likna tidigare års data. Ny turbin kan ha optimal verkningsgrad vid ett godtyckligt flöde, och dess verkningsgradskurva kommer ändå likna verkningsgradskurvan ur data. Med tre turbiner kommer ändå stationsflödet ligga på samma nivåer, man kommer ej att öka effekten. I vissa fall har detta antagande förbisetts. Avgränsningar Projektets knappa tidsram har inneburit en del avgränsningar, nedan listas de mest omfattande delar som exkluderats i beräkningarna. Ett av projektets mål har varit att beräkna skillnad i producerade gigawattimmar (GWh) för två scenarion. Pga tidsbrist har detta ej utförts, denna jämförelse kommer endast ske med avseende på effekt (GW). Hänsyn har inte tagits till vattenmagasinets buffertkapacitet. Ekonomiska aspekter har inte tagits i beräkning. Kommande händelser inom energisektorn tas ej i beräkning, t ex eventuella nya anläggningar med vindkraft. 4

Metod De data som legat till grund för att genomföra projektet är erhållen från Ronnie Lindqvist. Det är en ritning över kraftverket, en preliminär verkningsgradskurva för existerande turbiner och nya turbiner, samt statistik över stationsflöden från år 1997-2007. Idén för att genomföra projektet har varit att behandla flödes statistiken i Excel och försöka urskilja de mest frekventa flödena. Endast flöden från år 2003 och framåt används för att förenkla beräkningar. Det flödet som är mest förekommande genom och förbi kraftverket ska urskiljas. Flöde för optimal verkningsgrad för de befintliga turbinerna avläses. Då man drar av befintliga turbiners optimala flöde från det mest förekommande flödet erhålles ett flöde. För det flödet är det lämpligt att anpassa den nya turbinen. De förväntade flödena beräknas: I programmet excel sorteras värden på total tappning från 2003-2007 i kolumnen BSE.TOT.TAPPN.BER (se bifogad excelfil ), på följande sätt: En serie från 0 till 400 med 10 heltals steglängd skapas i respektive årtalsblad. Därefter körs funktionen 'histogram' i 'analysis toolpak' med serien samt flödesvärden som input, analysis toolpak levererar då en tabell med antalet flödestimmar per flödesintervall. Med flödesintervall menas en steglängd i serien, alltså 10, 20 och så vidare. Samtliga årtalstabeller samlas sedan i bladet 'Diagram' och summeras per flödesintervall till kolumnen 'Total' i 'Diagram'. Därefter plottas kolumnen 'flöde' mot 'total' (totalt antal timmar per flödesintervall 2003-2007) och ett histogram "Flödestimmar 2003-2007" bildas (Se resultat). Histogrammet "Flödestimmar 2003-2007" läses sedan av och det mest frekventa flödet observeras ligga runt 290-340 m 3 /s. Ett nytt histogram "Flödestimmar förfinat 2003-2007" (figur 2.) skapas på motsvarande sätt som ovan fast med flödesvärden inom intevallet 290-340 och steglängd 1 heltal. I detta läses resultatet ut. För att göra ett Fortvarighetsdiagram exporteras alla totalflöden år 2003-2007 till Matlab där den sorteras i fallande ordning, sedan används funktionen plot för att rita ut Flödet mot tiden i timmar. Det förväntade flödet genom den nya turbinen beräknas med ett antagande om att E.ON kommer att vilja köra kraftverket med flöden som ger bäst verkningsgrad genom respektive turbin. Flödet som den bästa verkningsgraden ligger på för de befintliga aggregaten läses ur den bifogade grafen 'Preliminär verkningsgradskurva'. Med antagandet ovan kommer allså de två befintliga tillsammans ta upp detta flödet multiplicerat med 2. Om man sedan drar bort de två befintigas gemensamma flöde från det totala flödet genom kraftverket fås det flöde som blir kvar till den nya turbinen. För att göra en kombinationsmöjlighetsgraf har de olika turbinerna kombinerats med tolerans för en halv procents avvikning från optimal verkningsgrad. 5

Andra delen i målsättningen är att jämföra vad skillnaden blir om man skulle konstruera den nya turbinen likadant som de befintliga istället för att designa en modern turbin. Det löses genom att använda data på verkningsgraderna och dela upp det mest frekventa stationsflödet på turbinerna. Då kan man beräkna total effekt i de båda fallen. Den potentiella energin i vattnet är: E=V**g*h Där V är volymsflödet, är densiteten för vatten, g är jordaccelerationen och h är fallhöjden på kraftverket. Om det försummas att dessa variabler varierar kan man bestämma effekten enligt: P=E* där är verkningsgraden för respektive turbin. De olika turbinernas verkningsgrader hämtas ur erhållet dokument. 6

Resultat Flödesdata Analysen i Excel har resulterat i ett antal grafer. I figur 1 har olika flöden (m 3 /s) räknats i antal timmar de olika flödena körts. Totalt är det flöden för fem år (år 2003-2007) som redovisas i grafen. Ur figur 1 kan man utläsa att det vanligaste förekommande flödet detta tidsintervall är kring 320 m 3 /s. Denna topp är tydligt markerad med mindre toppar kring detta flöde. Man ser även ett lokalt maximum i figur 1 vid ett flöde kring 160 m 3 /s. På flödesaxeln i figur 1 betyder över flöden över 400 m 3 /s och 0 att kraftverket stått stilla. Kraftverket har alltså varit utan produktion i drygt fyra tusen timmar inom detta tidsintervall. Figur 1. Antal flödestimmar genom kraftverket under tidsperioden 2003-2007. 7

Figur 2 är samma typ av graf som figur 1, men den täcker bara spannet mellan 295-340 m 3 /s. Därför kan man tydligare urskilja vilket flöde som är det flöde som körts mest inom tidsintervallet. Ur figur 2 kan man se att flödet 318 m 3 /s har körts så när som på 1600 timmar och är det flöde som är mest frekvent inom tidsintervallet. Figur 2. Antal flödestimmar genom kraftverket under tidsperioden 2003-2007 i intervallet 295 340 m3/s. 8

För att illustrera tydligare vilka flöden som har varit mest frekvent inom tidsintervallet har ett så kalla fortvarighetsdiagram gjort och det visas i figur 3. Det blå strecket är flöden och det röda strecket är ett avgränsande intervall mellan 300-3 33 m 3 /s. Det intervallet mellan de röda strecken är utvalt med hänsyn till toppens karaktär i figur 2 där 200 flödestimmar är valt som en gräns för parametrarna. Figur 3. Fortvarighetsdiagram för peri oden 2003-2007 med röd markering vid 300m3/s och 333m3/s. 9

Turbinkombinationer För att åskådliggöra hur flexibelt systemet är med en ny turbin har det gjorts en graf. Det är figur 4. Den visar hur man kan kombinera turbinerna under körning med relativt hög individuell verkningsgrad hos turbinerna. Toleransen för turbinernas verkningsgrader ligger på en halv procentenhet från deras maxvärde. Den vertikala axeln är endast relaterad till vilka turbiner som kommer att köras för ett specifikt flöde. Befintliga turbiners verkningsgrader är hämtade ur en preliminär verkningsgradskurva för existerande turbiner. Ny turbins verkningsgrad är approximerad ur samma dokument, men ur preliminär verkningsgradskurva för ny turbin med verkningsgradstopp då flödet är 128 m 3 /s. Detta flöde är valt enligt figur 2 och dokumentet preliminär verkningsgradskurva för existerande turbiner. Där kan det urskiljas att optimalt flöde för existerande turbiner är 95 m 3 /s och det medför då att den nya turbinen tilldelas ett flöde på 128 m 3 /s. Figur 4. Kombinationsmöjligheter av verkningsgradstoppar vid 0,5 procentenheter från maximal verkningsgrad. 7

Umeå Universitet den 12 maj 2010 Figur 5 visar samma sorts graf som figur 4. I figur 5 visas kombinationsmöjligheterna om det skulle vara installerat en till likadan turbin som de befintliga. Man kan observera en sämre flexibilitet och ett lägre maxflöde med hög verkningsgrad. Figur 5. Kombinationsmöjligheter av verkningsgradstoppar vid 0,5 procentenheter från maximal verkningsgrad, installerad turbin identisk med redan installerade. 8

Umeå Universitet den 13 maj 2010 Enheten för professionskurser Effektjämförel se Beräkningen för potentiell energi ger: E pot = =318m 3 /s *10k g /m 3 *9m * 9,82m /s 2 28104840J Om man delar upp flödet 31 8m 3 /s på tre likadana turbiner blir flödet 1 06m 3 /s för vardera. De befintliga turbinernas verkningsgrader för det flödet uppskattas till: ç = 1 92,5 Då man delar upp flödet för fallet då man har två gamla turbiner och en ny avsätts 95m 3 /s vardera för de gamla och 128m 3 /s för den nya på grund av skillnader i prestanda. Verkningsgraden för den nya turbinen vid det flödet uppskattas till: ç = 2 94,6 De gamla turbinernas verkningsgrader vid 95m 3 /s uppskattas till: ç = 3 92,7 Effekten hos fallet med tre likadana turbiner blir då: P likadana = E pot * 1 = 28104840J *0,925 = 25996980W Effekten hos fallet med två befintliga turbiner och en ny turbin kommer att kräva en ny beräkning för den potentiella energin på grund av att turbinerna har olika verkningsgrader: P ny m s k g m m m s m s k g m m m s = + 128 33 / * 1 0 0 0 / * 9 * 9, 8 2 / 2 * 0, 9 4 6 9 5 3 / * 1 0 0 0 / 3 * 9 * 9, 8 2 / 2 *0,927 = 26268126W Alltså kommer den potentiella skillnaden i effekt vara: Ä = P 26268 126W - 25996980W = 271 147W 0,3M W Effektskillnaden mellan de två fallen kommer vara 0,3 MW 9

Umeå Universitet den 13 maj 2010 Enheten för professionskurser Diskussion och slutsats Resultat I figur 1 kan man se två toppar. Den första toppen beror antagligen på att de är timmar då endast en turbin har använts i kraftproduktion och denna topp visar maxflödet för en turbin. Därför kan man bortse från denna topp, då vi mest arbetar för en ideal situation. Den andra toppen är då två turbiner använts och är antagligen maxflödet för turbinerna. Resultatet i figur 2 visar att det vanligaste flödet i tidsintervallet är på 318 m 3 /s. Man kan anta att det över en längre tidsperiod kommer se ungefär likadant ut. Däremot när man installerar en ny turbin så kommer det att kunna köras ett högre vattenflöde genom kraftverket, därför är resultatet osäkert. Vi har dock vidare genomfört analysen och lagt vikt på detta flödesvärde. Vi antar att man kommer vilja att köra kraftverket vid ett visst flöde och optimera verkningsgraden vid just detta flöde, och genom det optimera effekten. Man kan se ur fortvarighetsdiagrammet (figur 3) att det finns stor potential att arbeta på detta sätt och att det har arbetats på detta sätt. Om man jämför figur 4 och figur 5 så ser man att en större turbin ger ett bredare spann som kraftverket kan köras med optimal verkningsgrad. Tillströmningen till kraftverket varierar månadsvis, årsvis och även över längre tidsperioder varför det kan vara smart i längden att bygga en så bred anläggning som möjligt. En likadan turbin som syns i figur 5 kommer däremot troligen ha ett liknande underhåll som de befintliga turbinerna, dock kommer den förmodligen behöva mer underhåll än en ny, fast det hela beror på investeringskostnaderna för turbinerna. Verkningsgrader Om man utformar ett nytt aggregat på samma sätt som befintliga kommer man få köra turbinerna på flöden som ligger över deras bästa verkningsgrader, enligt våra beräkningar på 106 m3/s. Verkningsgradstopparna (92,7%) ligger på 95 m3/s. Verkningsgraden på 106 m3/s ligger enligt bilaga 'Preliminär verkningsgradskurva' på (92,5%), alltså 0,2% lägre värde än på 95 m3/s. Om man optimerar en turbin efter det förväntade flödet och antar att verkningsgraden på den nya kommer vara samma som den för en turbin med D=5,3m i bilagan 'Preliminär verkningsgradskurva' (94,6%), så kommer den totala verkningsgraden för kraftverket att vara högre. Dessutom kommer EON kunna köra en större andel av flödet genom kraftverket på den nya turbinen med bättre verkningsgrad (94,6%) eftersom den har större snittarea. Effekt Vår beräknade skillnad i effekt om man hade valt att installera en turbin som liknar de befintliga istället för att designa en ny turbin är 0,3 MW. I vår målsättning tänkte vi räkna på energivinsten av den effektskillnaden, men vi anser nu att det är för tidskrävande att gå in på. Problemet ligger i att denna effektskillnad är endast skillnad i maximal effekt. Att räkna ut effektskillnaden för varje flöde och för ett normalår skulle kräva mycket goda approximationer. 10

Umeå Universitet den 13 maj 2010 Enheten för professionskurser Ifall denna effektskillnad är grundande för att välja turbin avgörs av ekonomiska faktorer. Elcertifikat Energi utvunnen ur den nya turbinen kommer ge rätt till elcerifikat. Hur detta kommer att påverka är en parameter vi väljer att inte spekulera om. Antaganden Variationer i flödena kan förekomma beroende på årsnederbörd. Vi har arbetat utifrån att kommande flöden kommer likna tidigare års flöden. Ifall att årsnederbörden avviker tror vi att man vill buffra vatten och sedan släppa ett specifikt flöde, där det specifika flödet är anpassat så att det har god verkningsgrad. Hur prestandan på en nytillverkad turbin ser ut ligger utanför vår kompetens, därför har vi gjort antagandet om turbinens verkningsgrad. De två befintliga tubinerna körs på flöden som ligger långt från deras optimala verkningsgrad. Vi anar att flödet kring 320 kubikmeter per sekund är en begränsning för att inte skada turbinerna. Då man har installerat en tredje turbin kan man anta att stationen i drift kommer köra flöden över det nuvarande maxflödet. Det hade t ex kunnat gynna ekonomin, då man hade kunnat optimera effekten under de tider på dygnet då priset är högre, och resterande timmar lagra vatten i magasin. A vgränsningar Vi har inte kunnat räkna med buffertkapacitet eftersom den är okänd, och vi antar att det finns en övergripande styrning hur vattnet släpps i Umeälven som helhet. Ekonomiska aspekter ligger utanför projektets ram eftersom det blir en för avancerat fråga med många obekanta faktorer, t ex driftstopp, spotpris, installationskostnader. Kommande händelser inom energisektorns tas ej i beräkning, t ex eventuella nya anläggningar med vindkraft. Om vindkraften byggs ut kan man vilja reglera vattenkraften annorlunda än annars för att kompensera för tider då vindkraften ej kan leverera elektricitet. Vindkraften kan man ej reglera utan då det blåser måste man ta till vara på vindens energi, fast vattnet i älvarna kan lagras i magasinen och användas senare. Problem Ett stort problem i vårat projekt har varit att vi grundade förstudien på historiska data. Vi insåg inte till en början att man kanske ökar vattenflödet till hög grad med en extra turbin. Detta har gett en tvetydighet till arbetet eftersom resultatet av våra analyser i Excel måste mötas med en viss mån skepsis. Projektet har även innehållit för många antaganden och avgränsningar att det har varit svårt att hålla relevansen på god nivå. 11

Umeå Universitet den 13 maj 2010 Enheten för professionskurser Plotfunktionen i office klarar bara av 32000 värden åt gången, därför använde vi matlab som klarar av matriser större än 2,6* 106 värden. Vi känner inte exakt till hur driftsplaneringen i älven som helhet implementeras. En uppgradering har skett i kraftverket ovanför Betsele och inga större tillflöden finns mellan kraftverken. Det och liknande saker kan spela in i beräkningar. En tanke kan därför vara att anpassa Betsele efter denna drifts styrning och hur omgivningen ser ut. Reflektioner Vi har stött på flera problem under projektets gång. Det har varit tidsödande arbete, men vi har lärt oss om hur det är att arbeta i projektform. Det har varit nyttigt för oss att få den erfarenheten eftersom vi vanligtvis inte arbetar på detta vis. Normalt studerar vi kompakta kurser intensivt, nu fick vi en ny utmaning att arbeta på låg fart under en lång tid. Vi har även tillgodogjort oss kunskap om hur komplext det är att arbeta med vattenkraft. Att styra drift, anpassa kraftverk efter olika parametrar, och andra tekniska utmaningar kräver ett stort kunnande. Vår kompetens har varit undermålig, men det har varit intressant att få sätta oss in i problematiken. 12

Umeå Universitet den 13 maj 2010 Enheten för professionskurser Bilagor Bilaga, Preliminär Verkningsgradskurva Bilaga Historiska flöden bifogad med rapporten som Excelfil. 13