Luftputekammer er vannkraftverkenes versjon av en airbag. Doktorgradsstipendiat Kaspar Vereide bistår nå i utformingen av et luftputekammer til det store vannkraftprosjektet Upper Kon Tum i Vietnam.
Om du skal starte eller stoppe et kraftverk, er det en veldig stor vannmasse som må settes i fart eller stoppes. Da er det helt nødvendig med en støtdemper i systemet for å unngå at vannet krasjer inn i kraftverket med stor kraft.
– Mange vannkraftverk i Norge har tunneler som er over en mil lange, og med tverrsnitt som overgår de fleste biltunneler. Hvis du skal bråstoppe alt dette vannet, er det som om en haug med semitrailere som kjører i tunellen må bråstoppe. Det skaper veldig store trykkrefter i systemet.
Det forteller Kaspar Vereide, som gjennom CEDREN-prosjektet HydroPEAK har tatt en doktorgrad på såkalte luftputekammer. Dette er én slik type støtdemper, og den fungerer nærmest som en airbag i kraftverket.
For å lage et luftputekammer, sprenger man ut en stor fjellhall under jorda.
– Det største i Norge er 120 000 kubikkmeter. Et vanlig auditorium på NTNU er mellom 10 000 og 20 000 kubikkmeter, så disse fjellhallene kan bli omtrent 10 ganger så store som et auditorium, sier Vereide.
Fjellhallen pumpes så full av luft.
– Man fyller luft inn i den som en ballong, slik at man får en luftpute. I stedet for at alt vannet må krasje inn i kraftverket og stoppe veldig raskt, kan vannet strømme inn i luftputa og komprimere luften i den, forklarer Vereide.
Når et kraftverk stoppes er det store vannmasser som vil krasje inn i kraftverket med stor kraft om det ikke stoppes. Et luftputekammer fungerer som en airbag. På den fargede figuren ser man en 3D modell av et luftputekammer med henholdsvis luft i blått og vann i rødt. Figur: Kaspar Vereide.
I Norge er det 10 luftputekammer. Det største ligger i Kvilldal, Norges største kraftverk. I tillegg finnes det tre i Kina, ett i USA og ett i Østerrike. Det er med andre ord ikke den mest brukte «støtdemperen» i vannkraftverk. Vereide forklarer hvorfor:
– Det krever gode geologiske forhold, fordi trykkluften kan lekke ut. Når det er så høyt trykk kan det føre til at fjellet sprekker og lufta forsvinner. Derfor er det få som tør å bygge det.
Det er imidlertid også store fordeler med luftputekammer:
– Siden det er en underjordisk hall, er du veldig uavhengig av terrengforhold som høyde, vegetasjon og infrastruktur på overflaten. Alternativet er å bygge et såkalt åpent svingekammer, som er en sjakt som bores fra tunellen og rett opp.
Vereide samarbeider nå med Multiconsult om å designe et nytt luftputekammer i Vietnam. Kraftverket på 220 MW heter Upper Kon Tum hydropower plant og bygges i elva Se San. Det vil utnytte et fall på 950 meter, og ha en total tunnellengde på over 20 km.
– Byggingen av tunnelsystemet er påbegynt, og byggingen av luftputekammeret skal påbegynnes over sommeren. Designet av luftputekammeret skal derfor være klart før sommeren, forteller Vereide.
Det er nettopp terrengforholdene som gjør at de ønsker å bygge et luftputekammer som støtdemper i det nye kraftverket.
– De har ikke nok fjell over kraftstasjonen til å bygge et åpent svingekammer, i så fall måtte de ha bygget et 200 meter høyt betongtårn på overflaten, forklarer Vereide.
Vereide tror det er potensiale for luftputekammer flere steder. Spesielt har det store fordeler for pumpekraftverk. Pumpekraftverk brukes til å lagre energi i perioder med kraftoverskudd, ved at vann pumpes tilbake opp i et magasin, og er derfor svært relevant for CEDRENs forskning relatert til Norge som grønt batteri.
I et pumpekraftverk må ikke bare vannet stoppes på kort tid, men vannstrømmen må til og med snus. Da blir svingningene enda større. I tillegg vil slike endringer av vannstrømmen skje oftere.
– Mellom «støtdemperen» og kraftverket vil være en vannstreng som ikke vil dempes, og som vil krasje inn i kraftverket. Et luftputekammer kan plasseres veldig nærme turbinene i kraftverk, noe som gjør at kraftverket kan gjøre hurtige endringer av produsert kraft uten å skade anlegget, forklarer Vereide.
Gjennom doktorgradsarbeidet sitt har Vereide spesielt sett på termodynamikken i lufta når luftputekammeret er i bruk.
– Lufta komprimeres, trykket stiger og du får varmedannelse. Jeg har prøvd å forbedre forståelsen av hvordan dette foregår, forklarer Vereide.
Ett av resultatene er at han har forbedret en teoretisk modell for å kunne regne på dette.
– Sivilingeniører må alltid bruke en sikkerhetsfaktor. Når man forstår det bedre kan man redusere sikkerhetsfaktoren, og da kan man redusere kostnadene ved bygging.
I tillegg har Vereide også utviklet en metode for å kunne modellere vannkraftverk med luftputekammer i laboratorium i en skalamodell. Slike modeller er gunstige for å kunne teste hvordan det vil kunne oppføre seg før anlegget skal bygges i virkeligheten.
I vassdragslaboratoriet på NTNU har han og kollegaene bygget en modell i skala 1:65 av et eksisterende vannkraftverk med luftputekammer. Modellen inneholder hele anlegget fra øvre magasin til nedre magasin, og er over 150m lang.
(saken fortsetter under bildet)
Kaspar Vereide og prosjektleder for CEDREN-prosjektet HydroPEAK, Ånund Killingtveit, med laboratoriemodellen av luftputekammeret over hodene sine. Foto: Haakon Barstad.
– Problemet med skalamodeller i laboratoriet er at de forskjellige dimensjonene tid, lengde og masse skaleres med ulike skaleringsfaktorer. Det er derfor vanskelig å skalere alle parameterne i et vannkraftverk korrekt. En slik laboratoriemodell av et vannkraftverk med luftputekammer har aldri vært bygget før, og vi har nå testet hvor nøyaktig vi klarer å modellere fysikken i det virkelige vannkraftverket. Vi ser at vi kan klarer å modellere dem med god nøyaktighet, forteller Vereide
Vereide disputerer den 11.april med oppgaven «Hydraulics and Thermodynamics in Closed Surge Tanks for Hydropower Plants». Etter dette starter han i arbeid hos Sira-Kvina kraftselskap og skal jobbe med opprusting og utvidelsesprosjekter for flere store kraftverk. Etter planen forsetter han også videre med forskning på NTNU i en 20% stilling.
Kontakt: Kaspar Vereide