– Utfordringen blir å designe pumpeturbinen og boosterpumpen slik at de spiller godt sammen, sier stipendiat Helene Dagsvik. Foto: Stein Arne Bakken

Det er stort potensial for pumpekraft i eksisterende norske kraftverk. Men ombygging til reversibel pumpedrift vil bli svært kostbart. Løsningen kan være booster-teknologi fra marin industri.  

Stipendiat Helene Dagsvik på Vannkraftlaboratoriet ved NTNU arbeider med å designe en pumpeturbin som skal kunne plasseres i eksisterende kraftverk – uten behov for omfattende ombygging og såkalt dykking av turbinen.

Hun forsker på en løsning med boosterpumpe i vannveien som skal kompensere for trykkfallet og spille sammen med pumpeturbinen.

Turbinen må dykkes

– Hovedproblemet med omlegging til pumpedrift i eksisterende kraftverk er at en pumpeturbin må dykkes, altså plasseres mye lavere enn dagens turbin, for å øke det statiske trykket nedstrøms turbinen og forhindre kavitasjon.

En pumpeturbin er dessuten større og tar mer plass enn den eksisterende turbinen i kraftverket. Det krever store ombygginger i kraftverket.

Slik forklarer Dagsvik bakgrunnen for sitt doktorgradsarbeid, som er et FoU-prosjekt i regi av forskningssenteret HydroCen.

– Min tilnærming blir derfor å beholde den nåværende turbinposisjonen og tilhørende arrangement i kraftverket, for å unngå kostbare ombygginger. Det betyr at pumpeturbinen må gjøres mindre, selv om den altså skal kunne pumpe vannet opp i reservoaret ved reversibel drift. Da må turbinen få hjelp av en boosterpumpe, sa Dagsvik da Energiteknikk kom på besøk til laboratoriet i Trondheim i februar.

Pumpe i sugerøret

Løsningen som Dagsvik forsker på, er å sette inn en boosterpumpe i vannveien nedstrøms turbinen, i selve sugerøret. Pumpen skal være med å mate inn trykket som trengs for å forhindre kavitasjon og kompensere for trykkfallet som følge av at pumpeturbinen ikke er dykket.   

– Dette er ikke gjort på vannkraftverk tidligere, men løsningen er blitt brukt i vanningssystemer.

Utfordringer

– Utgangspunktet er å gjenbruke turbinarrangementet i kraftverket og sette inn en pumpeturbin som har samme dimensjoner som den eksisterende turbinen. Samtidig må pumpeturbinen ha nok kapasitet til å kunne kompensere for falltapet som oppstår på grunn av motstand (friksjon) i vannveien. Det betyr at boosterpumpen må dimensjoneres for å kunne gi turbinen en løftehøyde tilstrekkelig til å pumpe vannet helt tilbake til øvre magasin. Slike boosterpumper er ennå ikke laget.

Hun ser for seg en to stegs kontraroterende aksialpumpe i sugerøret nedstrøms turbinen. På denne måten vil pumpen hindre rotasjon i vannet, for å sikre uniform gjennomstrømning til turbinen.

Øke virkningsgraden

Dagsvik peker på at en tradisjonell pumpeturbin må designes som en pumpe, og dette går på bekostning av virkningsgraden.

– Men hvis vi kan designe en pumpeturbin som får høyere løftehøyde ved hjelp av en boosterpumpe, vil turbinen kunne kjøre nærmere sitt normale driftsområde. Boosterpumpen kan altså kompensere for økt diameter på pumpeturbinen og sørge for en dimensjonert løftehøyde som ligger nærmere den originale turbinen.   

Etter å ha designet en boosterpumpe og en pumpeturbin, skal Dagsvik bruke CDF-verktøy for å undersøke ytelsene og simulere interaksjonen mellom enhetene, forhåpentligvis for å kunne avdekke et «proof of consept».