Nachhaltige Sedimentation in Pumpspeicherwerken

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/500168
• Projekttitel Englisch: Sustainable Sedimentation in Pumped Storage Plants

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Dieses Forschungsprojekt wird den Einfluss des abwechselnden Pumpspeicherbetriebes auf die Partikelkonzentrationen im System einer Anlage, sowie auf die Strömungsbedingungen und die Trübung in den Staubecken untersuchen. Damit sollen Lösungen zu einem langfristigen und nachhaltigen Sedimentmanagement in Pumpspeicherkraftwerken gefunden werden. Auf folgende Hauptfragen sollen Antworten gefunden warden: Wie beeinflusst der Pumpspeicherbetrieb die Turbulenz im Becken und die Ablagerung von Feinsedimenten? Wie kann die Turbulenz durch die Geometrie der Ein- und Auslaufbauwerke beeinflusst werden, um das Absetzen feiner Sedimente zu reduzieren?

Kurzbeschreibung (Englisch)

Studying sedimentation issues such as concentrations throughout the whole scheme and influences of pumping/generation modes on flow fields and turbidity in the reservoirs, the proposed PhD project will examine solutions to guarantee long-term sustainability of pumped storage hydropower plants. The following main questions are to be answered: how does the pumping and generating activity affect turbulence in the reservoir and sedimentation process by fine sediments? How could be influenced the turbulence by the geometry of intakes and outlets in order to reduce settling down the fine sediments?

Kurzbeschreibung (Französisch)

En analysant des aspects de sédimentation tels que les concentrations dans tout le système d'un aménagement et l'influence des alternations modales de pompage-turbinage sur les vitesses d'écoulement et la turbidité dans les réservoirs, le projet de recherche proposé examinera des solutions pour garantir la sécurité des ouvrages d'évacuation et la durabilité à long terme des aménagements de pompage-turbinage. Une réponse aux questions principales suivantes aimerait être trouvé: comment le processus de pompage-turbinage affecte-t-il la turbulence dans le réservoir ainsi que la sédimentation par des particules fines? Comment peut-on influencer la turbulence par la géométrie de la prise d'eau afin de réduire le dépôt des sédiments fins?

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

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 spielendeshalb 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 könntenentwederdurch 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 Strömungsgeschwindigkeitenim Bereich der Wasserfassung gemessen. Eine Trübungsmessungam 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.

Publikationen / Ergebnisse (Französisch)

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 moisainsi 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.

Schlussbericht (Deutsch)

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 hinund hertransportiert werden. Die Sedimentbilanz bleibt jedoch neutral, solange beide Stauhaltungen ungefähr gleiche Partikelkonzentrationen aufweisen.

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht [PDF] 1'938 kB

Schlussbericht (Französisch)

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 concentrationssédimentaires 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.