Produksjonen følger kraftmarkedet. Når prisen går ned, kjøres kraftverket raskt ned ved å stenge vannstrømmen gjennom turbinen. Vannet som da er på vei ned tunnelen vil ikke bremse øyeblikkelig, men skape en trykkbølge som forplanter seg oppover i tunnelen og deretter ned igjen. Vannet i tunnelen blir stående og svinge opp og ned i tunnelen inntil svingningene gradvis dempes i løpet av noen minutter.
De kraftige bevegelsene i vannet kan rive med seg steiner fra veggen i tunnelen, som vanligvis er sprengt ut i fjellet. Steinene kan i verste fall være så store at og vil gjøre stor skade på turbinen. Økte trykkvariasjoner kan også føre til oppsprekkinger i svake soner i fjellet som tunnelen går gjennom og dermed utløse ras som kan blokkere tunnelen.
Før vannet fra magasinet går til turbinene, passerer det et sandfang som hindrer grus, stein og andre fremmedelementer i å komme ned til turbinene. Hyppige opp- og nedkjøringer kan føre til at innholdet i sandfanget spyles ut og likevel kommer ned i turbinene og skader disse. Ved noen inntak, særlig bekkeinntak, kan vannet rive med seg luft og dette kan føre til at det bygger seg opp i luftlommer inne i tunnelene. Dersom det blir sterke svingninger på grunn av hurtig regulering kan disse luftlommene komme i bevegelse og føre til at det blir en kraftig utblåsing. For kraftverkeierne er utfordringen at dagens metoder for å forutsi hvordan anlegget vil oppføre seg usikre.
Illustrasjonsfoto: Utblåsning av luft under høyt trykk – fra rapporten ”Bekkeinntak på kraftverkstunneler”.
Tonstad som case I en av arbeidspakkene i prosjektet HydroPeak kartlegger doktorgradsstipendiat Kari Bråtveit hva som skjer i vannvegene ved effektregulering. Første delstudie er knyttet til sandfanget til aggregat 5 ved Tonstad kraftverk. Anlegget er eid av Sira-Kvina kraftselskap. Hun presenterte prosjektet på brukermøtet i HydroPeak 6. oktober.
− Når du endrer produksjonsmønsteret, får du andre hydrauliske situasjoner. Det viktig å vite hva systemet ditt tåler det før du endrer kjøremønster. Kraftverkene ønsker å ha kunnskap om hvordan systemet reagerer på slike endringer, sier hun.
Tre dager i september skannet hennes gruppe innsiden av sandfanget. På denne måten dokumenterte de geometrien til sandfanget. Ved hjelp av en laser som skanner 360 grader rundt sin egen akse, kartla de overflaten til denne tunnellengden i detalj.
Foto og laserskannet bilde fra sandfanget i Tonstad kraftverk.
Dataene fra skanningen skal brukes i en modell som Bråtveit utvikler. CFD-modellen skal simulere hvordan strømningsmønsteret i sandfanget påvirkes av hyppige og store endringer i vannføringen. Geometrien bygges opp ved hjelp av ulike DAK-verktøy før beregningen skal kjøres ved hjelp av et kommersielt tilgjengelig CFD-verktøy. Ved å kjøre beregninger av turbulens og tofasestrømning, håper forskerne på å forstå bedre hvilke mekanismer som oppstår ved raske reguleringer. For eksempel vil tunnelgeometrien og ruheten av tunnelveggen sterkt påvirke dempingen av svingingene som oppstår.
Tour de France Et mål i prosjektet er å vurdere om CFD-verktøy kan brukes til å forutsi hvilke konsekvenser nye kjøremønstre kan ha for de enkelte kraftverket. Dermed kan kraftverkene vurdere hvor hardt de kan kjøre eksisterende anlegg og om de må oppgradere anlegget for å tilpasse seg det nye balansemarkedet.
− Det er som å melde seg på i Tour de France med en gammel sykkel. Enten trør du på og håper den holder til mål, eller så vurderer du hva og hvordan den bør oppgraderes, sier Bråtveit.
Muligheten til å skanne det ene sandfanget til Tonstad kraftverk bød seg da Sira-Kvina stoppet aggregat 5 er for revisjon. I tillegg til skanningen gir det unike muligheter til å installere utstyr i sandfanget. Dersom alt går etter planen, skal kraftverket installere en rekke sensorer i sandfanget før vannet settes på igjen i januar. Dermed kan forskerne og kraftverket få data om vannføring, vannhastighet og vanndybde, og teste den nye modellen mot det som faktisk skjer i tunnelen og sandfanget.
− Sira-Kvina er kjent for å være innovative og dyktige. De er veldig positive og interessert i forskning, sier Bråtveit om hvorfor hun gikk i gang med dette prosjektet.
Bråtveit har professor Leif Lia ved NTNU som veileder og samarbeider også med turbinteknologileverandøren Rainpower. Prosjektet er finansiert gjennom arbeidspakke 6 i HydroPeak pluss at Sira-Kvina bidrar med ressurser ved kraftverket.
Laserskanning i tilløpstunnelen til Tonstad.
Viktig med ny kunnskap Sira-Kvina hadde allerede før balansekraft til utlandet ble et hett tema, hatt utfordringer med svingninger og transport av sand i vannveiene til kraftverket på Tonstad.
− I dag starter og stoppes kraftverkene mer enn de gjorde på 80- og 90-tallet. Det er en utvikling vi tror vil forsterke seg når vi får større prisforskjeller mellom dag og natt og perioder på dagen. Dette prosjektet er viktig for å få mer kunnskap om hva som skjer, sier leder produksjon Arne Sæterdal i Sira-Kvina.
I Tonstad varer en svingning ved stopp typisk et kvarter. Det betyr at vannsøylen ved hurtig start og stopp for å tilpasse seg etterspørselen, vil kunne stå og svinge tilnærmet hele tiden. I et annet prosjekt for Sira-Kvina utvikler Rainpower et system som skal hjelpe operatørene til å dempe svingningene.
Sira-Kvina er både med i HydroPeak, og i ulike miljøprosjekter i CEDREN. HydroPeak for å lære mer om virkningene av pumpekraft, miljøprosjektene for å gjøre det mulig å produsere mer kraft samtidig som det blir mer laks.
− Vi har en målsetning om å produsere mer fornybar kraft både gjennom tiltak i eksisterende kraftverkene og ved å bygge nye småkraftverk, sier Sæterdal
HydroPeak involverer brukerpartnerne Leder av HydroPeak, professor Ånund Killingtveit ved NTNU sier de fleste prosjektene i arbeidspakkene nå er i godt inngrep med brukere, noe som ble vist på møtet med brukergruppen 6. oktober. Han trekker spesielt frem: