Jump to content Jump to navigation Jump to search
Turbinhjul
Sted: Sunndal
Foto: Karl H. Ystanes

Et gammelt løpehjul fra en Pelton-turbin er plassert utenfor Aura kraftverk på Sunndalsøra i Sunndal kommune i Møre og Romsdal.

Fornybart: Ny turbinteknologi skal gjøre vannkraften mer fleksibel

Vannkraftverk må vanligvis kjøres for fullt eller stoppes helt. Hvis ikke, kan turbinene skades. Statkraft deltar i to internasjonale forskningsprosjekter som skal forbedre turbinene og gjøre vannkraften mer fleksibel.

Erik Jacques Wiborg
Erik Jacques Wiborg
Technical specialist

Erik Jacques Wiborg er spesialist på vannkraftturbiner i enheten Electro & Mechanical i Statkrafts forretningsområde Produksjon.

Sol og vind gir rimelig, ren og fornybar energi, men det er vær og vind som styrer produksjonen, ikke behovet. Derfor er det nødvendig å ha andre kraftkilder som kan skape balanse mellom tilbud og etterspørsel.

Siden det er fornybar energi som gjelder, er regulerbar vannkraft det som er mest egnet. Men selv ikke vannkraften er fleksibel nok i alle situasjoner. Det kan det bli en endring på.

Norddalsvatnet
Hvordan utnytte vannet fra magasiner og elver mest mulig effektivt og fleksibelt i kraftproduksjonen? Det søker nye forskningsprosjekter om turbindrift å gi svar på. Bildet viser overløp ved Norddalsvatnet ovenfor Makkoren vannkraftverk i Høyanger i Sogn og Fjordane. (Foto: Karl H. Ystanes)

Internasjonalt forskningssamarbeid

Francis-turbinen, som er den vanligste turbinen i vannkraftverk, bør helst kjøres med full last, det vil si med maksimal vannføring og vanntrykk. Blir det for lite vann, vil det oppstå turbulens i vannet og trykksvingninger som i løpet av kort tid kan skade turbinen.

– I praksis betyr det at turbinene enten må kjøres for fullt eller stoppes helt, noe som reduserer fleksibiliteten i kraftverket, sier Erik Jacques Wiborg i Statkraft. Han er turbinekspert og også intern prosjektleder for Statkraft i to forskningsprosjekter, AFC4Hydro og HydroFlex, under EUs rammeprogram Horisont 2020.

De to prosjektene har litt ulik tilnærming, men er begge rettet mot å gjøre vannkraftverk mer fleksible. Industripartnere og forskningsinstitusjoner fra flere land deltar i prosjektene.

– Økt fleksibilitet vil gjøre det lettere å bruke regulerbar vannkraft også ved større, raske og potensielt kortvarige produksjonssvingninger fra vind- og solenergi. I dag er det omtrent bare batterier som er egnet for å gjøre den jobben, sier Wiborg.

Mange vannkraftverk har krav til minstevannføring i elven nedenfor kraftverket, noe som gjør at de ofte må la vann passere utenom turbinene.

– På grunn av de tekniske begrensningene i anlegget får vi ikke alltid utnyttet dette vannet til kraftproduksjon. I hvert fall ikke uten at det tærer kraftig på maskinens levetid. Med nye eller forbedrede turbiner vil vi kunne kjøre vannkraftverkene med mindre last og øke reaksjonstiden på maskinene, forklarer han.

Motstrømsteknologi

AFC4Hydro-prosjektet skal utvikle tekniske løsninger for skånsom drift av turbiner ved ugunstig last. Målet er å øke levetiden og fleksibiliteten til eksisterende turbiner. Prosjektet er en videreføring av en teknologi som Statkraft tidligere var med på å utvikle sammen med Flow Design Bureau og Troms Kraft Energi (se video nederst).  

– Dette er et system der vi injiserer vann for å motvirke spinn og trykksvingninger som kan skade turbinen. Dagens system fungerer, men det har et forbedringspotensial. Vi jobber med en løsning der vi kan justere vinkelen på dysene som skyter inn vann, noe som vil forbedre virkningen og redusere vannforbruket, forklarer Wiborg.  

– Vi tester også ut en teknologi der vi bruker mekaniske stempler nedstrøms løpehjulet. Disse kan skape trykk eller undertrykk som motvirker trykksvingninger i vannet. Tiden vil vise hva som fungerer best under ulike forhold, legger han til.

Det opprinnelige systemet der vann injiseres i turbinen for å hindre spinn og trykksvingninger.
Bildet er tatt ved Trollheim vannkraftverk i Surnadal i Møre og Roimsdal og viser det opprinnelige systemet der vann injiseres i turbinen for å hindre spinn og trykksvingninger. (Foto: Statkraft)

Nyutviklet turbin

Det andre prosjektet, HydroFlex, jobber med å designe turbiner og tilhørende systemer som kan tåle raskere start-stopp, flere ganger om dagen.

– Det er responstiden som gjør at vannkraften ikke kan tilby den samme fleksibiliteten som batterier, sier Wiborg.

HydroFlex-prosjektet vil videreutvikle både turbiner, generatorer og transformatorer som kan reagere raskere.  

– Som et viktig miljøtiltak har vi også i samme program et utviklingsløp for et system som skal dempe effekten av hyppige reguleringer nedstrøms kraftverket. Omtrent som i hodetelefoner med støydemping skal det skapes motbølger som nøytraliserer svingningene ut av anlegget. Det vil gjøre at vannføringen i elven blir mer jevn, selv om vi stopper og starter produksjonen oftere, sier Erik Jacques Wiborg.

Fra NTNUs vannkraftlaboratorium i Trondheim.
Fra NTNUs vannkraftlaboratorium i Trondheim, der mye av den praktiske og teoretiske utviklingsjobben i HydroFlex gjøres. NTNU er en av partnerne i forskningskonsortiet. (Foto: Geir Mogen)

Ulike turbintyper

Valg av turbin i et vannkraftverk handler mye om fallhøyden og variasjonen i vannføringen i elven der kraftverket er plassert.  

Francis

Francis-turbin
Francis-turbin der vannet kommer inn fra siden (radialt) og går ut i avløp på undersiden. (Illustrasjon: Store Norske Leksikon)

Francis-turbinen passer for fall mellom 50 til 750 meter og er den mest brukte i norske vannkraftverk. Her kommer vannet radialt inn på turbinhjulet og forlater turbinen aksialt gjennom avløpet (se illustrasjon). Turbinen er oppkalt etter den amerikanske ingeniøren James Bicheno Francis (1815–1892), som oppfant turbinen i 1849.

Kaplan

Kaplan-turbin
Kaplan-turbin der turbinhjulet er formet som en propell. (Illustrasjon: Store Norske Leksikon)

Kaplan-turbinen brukes for små og varierende fallhøyder og store vannføringer. Den er mye brukt i elvekraftverk, fordi den gir god effekt ved varierende vannføring. Turbinhjulet er formet som en propell der propellbladene kan justeres etter vannvolum og vanntrykk (se illustrasjon). Den østerrikske ingeniøren Victor Kaplan (1876–1934) fant opp denne turbinen i 1912.

Pelton

Pelton-turbin
Pelton-turbin der vannet kommer inn gjennom dyser og treffer skovler. (Illustrasjon: Store Norske Leksikon)

Pelton-turbinen har skovler som tar imot vann som spruter fra en eller flere dyser inn mot turbinhjulet (se illustrasjon). Dette er en vanlig turbin i vannkraftverk med store fallhøyder (over 400 meter). Pelton-turbinen ble utviklet i 1880-årene av amerikaneren Lester Allen Pelton.

Turbinforskning ved NTNU
Sted: NTNU, Trondheim
Foto: Halvor Haukvik/NTNU

Uttesting i Waterpower Lab ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) i Trondheim.

Horisont 2020

Horisont 2020 er EUs åttende rammeprogram for forskning, teknologiutvikling og innovasjon. EU og EØS investerer til sammen nærmere 80 milliarder kroner i programmet. Hovedmålet er å svare på noen av utfordringene som fulgte i kjølvannet av finanskrisen i Europa i 2008-2009. Programmet skal koble forskning og innovasjon, fokusere på de store samfunnsutfordringene, koordinere nasjonale programmer i Europa (ERA) og med dette styrke Europas globale posisjon innenfor forskning, innovasjon og teknologi. Blant de store utfordringene Horisont 2020 tar tak i, er de globale klimaendringene, som krever tiltak gjennom økt tilgang på ren og fornybar energi.

Gruppe foran EU-kommisjonens hovedkvarteret i Brüssel
Sted: Brüssel, Belgia
Foto: Erik Jacques Wiborg, Statkraft

Deltakere i AFC4HYDRO-prosjektet foran EU kommisjonens bygg i Brüssel. Fra venstre Malcolm Burns (Universitat Politècnica de Catalunya, UPC), Carl-Maikel Hogstrom (Vattenfall), Michel Cervantes (Luleå Technical University), Xavier Escaler (UPC), Erik Wiborg (Statkraft), Oscar De La Torre Rodriguez (UPC), Morten Kjeldsen (Flow Design Bureau).

Viktig forskning på turbiner

Statkraft deltar i to forskningsprosjektet under EUs rammeprogram for forskning og innovasjon, Horisont 2020. Begge prosjekter skal gjennom innovasjon og teknologisk utvikling gjøre vannkraftverk mer fleksible.

 

  • HydroFlex-prosjektet tar sikte på vitenskapelige og teknologiske gjennombrudd for å gjøre det mulig for vannkraft å operere med svært høy fleksibilitet for å utnytte full kraft- og lagringskapasitet. Prosjektet er ledet av Norges teknisk-vitenskapelige universitet (NTNU).

  • AFC4Hydro-prosjektet forsker og utvikler tekniske løsninger for skånsom drift av turbiner ved ugunstige lastområder, med sikte på å øke levetiden og fleksibilitet til eksisterende turbiner. Prosjektet er ledet av Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)/Barcelona Tech.

Statkraft Injection System

Relaterte artikler

Kontakt oss