Nytt gir sikrer mer fleksibel vannkraft

En turbin som skifter gir gjør det mulig å produsere vannkraft mer fleksibelt. Det nye designet skal bidra til å sikre stabil forsyning av fornybar energi i et system med vann, vind og sol. 

Vannet som styrter gjennom tunnelen og inn i norske vannkraftverk utnyttes nesten 100 prosent til å produsere kraft. Bare 4-6 prosent av energien går til spille når vannet går gjennom en Francis-turbin. Dette har fungert perfekt i hundre år, men klimaendringene fører både til mer varierende værforhold og kutt i fossile energikilder. Det betyr at vannkrafta nå må være en mer fleksibel og stabil energikilde. 

Grønt batteri krever fleksibilitet

– Vanlige vannturbiner er designet for å gå kontinuerlig på fast turtall, eller omdreiningshastighet, for å produsere en forventet mengde strøm til nettet. Når vannkraften nå skal fungere mer som et grønt batteri som slås av og på alt etter hvor mye sol- og vindenergi som produseres, møter turbinen en stor utfordring, forklarer forskeren som har designet den nye turbinen, Igor Iliev i HydroCen. 
I doktorgradprosjektet sitt har han tatt utgangspunkt i en Francis-turbinmodell og sett på muligheten til å forbedre designet til løpehjulet i turbinen. Løpehjulet er den turbindelen som opplever mest tap av energi når turbinen utsettes for vannmengder som er større eller mindre enn den er designet for. Iliev laget en algoritme som simulerte ulike mulige endringer for å få løpehjulet til å fungere optimalt. Målet var å finne det fulle potensialet til turbinen hvis den skulle drives nesten utelukkende med variable turtall.

Igor Iliev og masterstudent Gro Kjeldstadsli Langleite i kontrollrommet på Vannkraftlaboratoriet ved NTNU.

Mindre kraft og økt slitasje

Siden Francis-turbinen er laget for å gå på fast turtall, blir energi-/ kraftproduksjonen mindre effektiv når vannmengden som strømmer gjennom den varierer i stadig større grad. I tillegg gir det økt slitasje på turbindelene. Denne slitasjen fører til dyre reparasjoner og kan gi nedsatt tillit til kraftverket som da ikke kan levere de tjenestene som trengs når de trengs. 
Ilievs løsning på dette er å sørge for turbiner og generatorer som kan operere like godt på variable turtall , som dagens teknologi gjør på fast – eller konstant – turtall. Forenklet blir det som om turbinen kan skifte gir når det trengs.

Gamle ideer i ny drakt

Selv om ideen om å bruke variable hastigheter ikke er helt ny, har den blitt mer aktuell i dag når vi kan tjene mer på å være fleksibel. I tillegg har kraftbransjen innsett at turbiner designet for konstant turtall ikke fungerer optimalt når de blir drevet på variable turtall. Derfor er det nødvendig med nye designer og metoder for å øke effektiviteten. 

Figur 1. En sammenligning mellom referansedesignet til Francis-99 turbinen (venstre) og det optimale designet for variabel hastighet (høyre). 

Fakta om designet: 

Ved å bruke tradisjonelle og nye metoder, har Igor Iliev produsert hundrevis av digitale simuleringer av løpehjulet for å finne den optimale utformingen for variabelt turtall. Han fant at hoveddimensjonen av løpehjulet i turbinen er det som bestemmer hvor bra turbinen presterer, mens designet på turbinbladet var det som holdt igjen det fulle potensialet til turbinen ved variable hastigheter.

Figuren beskriver kjøremønsteret med variabelt turtall som har maksimal effektivitet, hvor hastighetsvariasjon brukes for å balansere de dominerende deltapene i turbinen. Se Igor Iliev forklare dette i webinaret GodForskerMorgen.