Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0067;F-Wasserkraft
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Sustainable Sedimentation in Pumped Storage Plants
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Die Verlandung von Stauseen und die daraus entstehenden Kapazitätsverluste beeinträchtigen die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von Wasserkraftanlagen sowie die Kontinuität der Energieproduktion. Die Reduktion des Speichervolumens gefährdet die Nutzung von Speichern zum Brechen von Hochwasserspitzen und Ablagerungen vor Einlaufbauwerken oder Grundablässen stellen ein Sicherheitsrisiko für die Bauwerke dar. Dabei sind nicht nur traditionelle Wasserkraftwerke betroffen, sondern auch die neuere Generation von Pumpspeicherwerken. Solche Anlagen erlauben durch die Anordnung mit zwei Staubecken bei Bedarf entweder Strom zu produzieren oder aus dem Netz zu absorbieren und spielen deshalb eine wichtige Rolle bei der Befriedigung der Nachfrage nach Spitzenenergie und bei der Regulierung der Stromnetze. Die Speicher dieser Kraftwerke sind stetig wechselnden Pump- und Turbiniersequenzen ausgesetzt, deren Auswirkungen auf die Verlandungsprozesse verhältnismässig unbekannt sind.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Müller,Michael
De Cesare,Giovanni
Schleiss,Anton
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Sedimentation of dam reservoirs leads to storage loss and seriously affects the reliability and the lifetime of hydropower schemes. Deposits in front of essential elements, such as intake structures or outlet works, further endanger structural safety. Compared to dam reservoirs on a worldwide scale which present a storage loss of 1% per year, Swiss Alpine reservoirs silt up at a rate of only around 0.2% and therefore are more sustainable from the point of view of storage volume. Nevertheless, due to turbidity currents, transporting big amounts of sediments down to the dam like an underwater avalanche, the sedimentation process becomes a real threat after 40 to 60 years of operation.
In addition to hydropower production dam reservoirs are often an important element for flood protection strategies. They provide an intermediate storage and permit to reduce flood peaks and therefore to protect downstream population and infrastructures. In Switzerland, the Rhone River basin is a perfect example for a region characterized by a series of hydropower schemes along the main stream and its tributaries. With their artificial reservoirs, the power plants play an important role in a complex flood protection system. The loss of such storage due to sedimentation would result in catastrophic effects on the whole Rhone Valley in case of floods.
Other fields of exploitation of reservoirs, namely storage of drinking and irrigation water, are concerned by sedimentation processes which lead to reduced storage capacity. Sedimentation thus aggravates future worldwide water scarcity by reducing the storage from already developed supplies.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Müller,Michael
Schleiss,Anton
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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La sédimentation des réservoirs conduit à des pertes de volume et affecte sérieusement la fiabilité, la durée de vie et l’exploitation des aménagements hydroélectriques. De plus, les dépôts sédimentaires devant les ouvrages essentiels des aménagements, à mentionner les prises d'eau et les vidanges de fond, mettent en péril la sécurité structurale. Comparés aux réservoirs crées par des barrages à l'échelle mondiale, qui se remplissent de sédiments à un taux d'environ 1% de leur volume utile par année, les réservoirs alpins suisses subissent d'un taux de sédimentation de 0.2% et sont donc plus durable du point de vue volume de stockage. Néanmoins, des courants de turbidité transportant des grandes quantités de sédiments en direction du barrage sous forme d'une avalanche sous-marine font, que les processus de sédimentation deviennent une menace non négligeable après 40 à 60 années d'exploitation.
Souvent, les bassins d'accumulation des aménagements hydroélectriques servent d’élément essentiel dans la protection contre les crues. Ils mettent à disposition un volume de stockage intermédiaire important, et donc permettent de laminer les crues et de protéger la population et les infrastructures situées à l'aval. En Suisse, le bassin versant du Rhône est un bel exemple d'une région composée de toute une série d'aménagements hydroélectriques qui, avec leurs réservoirs artificiels, font partie d'un système complexe de laminage de crues. Une perte de cette capacité de laminage par sédimentation aura des effets catastrophiques sur la vallée du Rhône lors des événements de crues.
D'autres domaines d'utilisation des réservoirs sont également concernés par les pertes de volume, notamment les fonctions de stockage d'eau pour l'approvisionnement en eau potable et pour l'irrigation. La sédimentation aggrave la future pénurie d'eau mondiale en réduisant la capacité des réservoirs déjà développés.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Müller,Michael
Schleiss,Anton
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Stauraumverlandung und die daraus resultierenden Kapazitätsverluste beeinträchtigen Zuverlässigkeit, Effizienz, Lebensdauer und Sicherheit von Wasserkraftanlagen. Nebst traditionellen Speicherkraftwerken sind auch Pumpspeicherwerke betroffen, die durch flexibles Turbinieren und Pumpen zwischen zwei Stauhaltungen erlauben, je nach Bedarf Strom zu produzieren oder zu absorbieren. Sie spielen deshalb eine wichtige Rolle bei der Stromnetzregulierung und der Bereitstellung von Spitzenenergie. Inspiriert durch das zyklische Hin-und-her-Bewegen der Wassermassen wurde in der vorliegenden Studie untersucht, ob Feinsedimente nach deren Eintrag in den Stausee im Bereich der Wasserfassung durch die von Pumpspeichersequenzen erzeugte Turbulenz in Suspension gehalten werden können. So würden sich die Partikel langsamer absetzen und könnten entweder durch den Triebwasserstollen abturbiniert, oder durch andere Bauwerke wie z.B. einen Spülstollen abgeführt werden.
Im Pumpspeicherkraftwerk Grimsel 2 in den Schweizer Alpen wurden über mehrere Wochen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Wasserfassung gemessen. Eine Trübungsmessung am oberen Ende des Druckschachts erlaubte ein Echtzeitmonitoring der Sedimentkonzentrationen während rund acht Monaten und das Errechnen der Sedimentbilanz zwischen den beiden Stauseen.
In der Versuchsanlage im Labor wurde der Einfluss von Abfluss und Frequenz der Pumpspeicherzyklen auf die Strömungsverhältnisse und das Absetzverhalten von Feinsedimenten untersucht. Neben 2D Strömungsfeldern wurde die zeitliche Entwicklung des in Suspension gehaltenen Sedimentanteils gemessen und mit einem Referenzszenario ohne Pumpspeicherbetrieb verglichen. Ausserdem konnten Ein- und Austrag von Sediment und damit die Sedimentbilanz des Systems errechnet werden.
Prototypmessungen sowie Laborversuche zeigen, dass Pumpspeichersequenzen die Strömungsbedingungen in Staubecken und insbesondere im Nahbereich der Wasserfassung beeinflussen. Die verursachte Turbulenz hält Feinsedimente in Suspension, so dass beträchtliche Sedimentmassen im System hin- und hertransportiert werden. Die Sedimentbilanz bleibt jedoch neutral, solange beide Stauhaltungen ungefähr gleiche Partikelkonzentrationen aufweisen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Müller,Michael
De Cesare,Giovanni
Schleiss,Anton
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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La sédimentation des réservoirs et les pertes de capacité qui en résultent affectent la fiabilité, l’efficience, la durée de vie et la sécurité des aménagements hydroélectriques. Comme tous les aménagements traditionnels d’accumulation, les aménagements de pompage-turbinage sont également concernés. Par un turbinage et pompage flexible entre deux réservoirs, ils permettent de produire de l’énergie ou de l’absorber, selon les besoins. Ainsi, ils jouent un rôle clé dans la régulation des réseaux et dans l’approvisionnement en énergie de pointe. Inspiré par les allers-retours d’eau dus aux cycles d’exploitation, l’objectif de la présente recherche est d’étudier si les particules fines arrivant dans le réservoir et plus précisément devant la prise d’eau pouvaient être gardées en suspension par la turbulence induite par les séquences de pompage-turbinage. Ainsi, leur dépôt pourrait être retardé et leur évacuation par les turbines ou éventuellement par des systèmes de vidange ou de purge pourrait être favorisée.
Dans l’aménagement de pompage-turbinage Grimsel 2 dans les Alpes Suisses, les vitesses d’écoulement devant la prise d’eau ont été mesurées pendant plusieurs semaines. Un système de mesure de turbidité dans la partie supérieure du puits blindé a permis une surveillance continue en temps réel des concentrations sédimentaires pendant huit mois ainsi que l’établissement du bilan sédimentaire entre les deux réservoirs.
Lors des essais en laboratoire, l’influence du débit et de la fréquence des cycles de pompage-turbinage sur les conditions d’écoulement et la sédimentation des particules fines a été étudiée. Appart de champs de vitesse 2D, l’évolution temporelle du taux de sédiments en suspension a été mesurée et comparée à un essai de référence sans opération de pompage-turbinage. De plus, le bilan sédimentaire du système a été calculé.
Les mesures sur prototype et en laboratoire ont montré que les séquences de pompage-turbinage affectent les conditions d’écoulement dans un réservoir. La turbulence provoquée permet de garder en suspension les sédiments fins, ce qui conduit à des masses considérables transportés dans le système. Globalement, le bilan sédimentaire reste équilibré tant que les deux réservoirs présentent des concentrations similaires.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Müller,Michael
De Cesare,Giovanni
Schleiss,Anton
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