Key words
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Energy production; Friction losses; Head race tunnel; High head scheme; Hydropower.
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Short description
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Die vorgestellte Pilotstudie hat zum Ziel, das Potential eines umfassenden Forschungsprojekts zu erörtern. Dessen Thema ist von höchster Aktualität und von grosser Bedeutung für die Wasserkraftnutzung, und stellt gleichzeitig eine Herausforderung dar. Die Pilotstudie soll entsprechend einen ersten, breiten Schritt in Richtung der Zielsetzung unternehmen, um das folgende Forschungsprojekt präzise Skizzieren zu können.
Das Forschungsvorhaben konzentriert sich auf die Effizienz von Drucksystemen bei Hockdruckanlagen. Unsere Erfahrung als beratende Experten von Betreibern und Behörden, sowie eine Vielzahl von Offert-Anfragen und ausgeführte Modellstudien haben gezeigt, dass die erwähnte Effizienz von Druckstollen ein zentrales Thema ist, insbesondere vor dem Hintergrund der aktuell ausgebauten Nutzwasserabflüssen.
Heutige Triebwassersysteme wurden meist in den 60er und 70er Jahren erstellt und entsprechend den damaligen Randbedingungen bezüglich Energiekosten optimiert, was aus heutiger Sicht in zu geringen Stollendurchmessern resultierte. Diese sind somit aktuell teilweise unterbemessen. Oder umgekehrt formuliert: die Energieverluste sind überproportional. Um die Effizienz der Stollen zu steigern und dadurch ein ökonomisches Gleichgewicht wiederherzustellen, sind die Stollen und allgemein die Drucksysteme anzupassen. Gleichzeitig besteht ein Interesse, die Wasserverluste infolge der Undichtheit der Auskleidung zu verringern.
Das Projekt konzentriert sich somit auf Ansätze zur Reduktion der Reibungsverluste in Stollen von Hochdruckanalgen mit allenfalls gleichzeitiger Verringerung der Wasserverluste.
Aus hydraulischer Sicht sind dazu folgende Ansätze denkbar:
1. Reduktion der Fliessgeschwindigkeiten, was allerdings im Widerspruch zur generell angestrebten Leistungserhöhung steht,
2. Aufbohren der Durchmesser, was jedoch einen teuren Betriebsunterbruch bedingt, und
3. Reduktion der Stollenoberflächen-Rauheit.
Die Pilotstudie setzt beim dritten, in der Literatur bisher kaum beachteten Punkt an. Mittels neuer Materialtechnologien und Erkenntnissen aus der Turbulenzforschung ist zu prüfen, ob Anstriche oder Aufspritzschichten mit entsprechender Oberflächengestaltung zu verminderten Fliessverlusten führen können. Die Pilotstudie analysiert konkret solche Ansätze aus anderen Disziplinen (Anzüge von Wettkampf-Schwimmern, Hautstruktur von gewissen Fischen, Einfluss von Vegetation auf die Reibung in Flüssen, etc.). Die praktische Relevanz des Vorschlages begründet sich als wichtiger Beitrag zur Energiewende (Strategie 2050) sowie in einer weitsichtigen Anpassung der Anlagen.
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Short description
(English)
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The herein presented pilot study aims to evaluate the potential of a comprehensive research project. The latter is of extraordinary relevance given its impact on hydropower production, but challenging in execution. The pilot study thus represents a first broad approach to the topic, in order to provide a base regarding the feasibility of the following main research project. The research project focuses on the efficiency of the pressure system (head race tunnel) at high head schemes. Our experience as consulting engineers supporting owners of such schemes and authorities, and several request for related physical model studies or numerical simulations, clearly indicate that the mentioned efficiency is a key item, particularly against the background of the presently increased equipped discharges. Today’s head race tunnels were typically built in the sixties and seventies. They were designed according to former conditions including these energy prices, leading to relatively small tunnel diameters if taking into account current conditions. In other words, these tunnels are often operating in a disadvantageous regime, because the related energy losses are disproportionate. The head race tunnels are thus to adapt in order to increase their efficiency and to achieve again an economic equilibrium. Furthermore, a reduction of leak water as a consequence of fissures of the liners is aspired.
The pilot study investigates approaches to reduce friction losses in tunnels of high head schemes, if possible combined with a reduced leakage. From a hydraulic point of view, the following measures are possible:
1. Reduction of flow velocities, what is nevertheless contradictory to the uprating of the equipped discharges,
2. Increase of the tunnel diameters, generating an expensive loss of production during interrupted operation,
3. Reduction of the surface roughness.
The pilot study focuses on the third measure, rarely considered in literature. Approaches from material sciences and from turbulence research are examined to find painted or sprayed surfaces reducing flow losses. Such surfaces exist or were developed in other disciplines, as the skin of sharks, vegetation in channels, or for swim suits. The practical relevance of the project is obvious, and it would support the “Energiewende” as defined by the Swiss Government (Strategie 2050).
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Final report
(German)
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Hydraulische Reibungsverluste im Triebwassersystem von Hochdruck-Wasserkraftwerken verringern deren Wirkungsgrad massgeblich. Diese Verluste betragen meist um 5 bis 10% der Brutto-Fallhöhe und nehmen mit der Zeit oft zu, wodurch die Energieproduktion weiter eingeschränkt wird. Aus hydraulischer Sicht lassen sich diese Verluste verringern, sofern die Strömungsgeschwindigkeit im Stollen reduziert wird – indem beispielweise der Tunneldurchmesser vergrössert oder ein Parallel-Stollen ausgebrochen wird – oder durch eine Verringerung der Oberflächenrauheit mittels Auskleidungen und Anstichen. Die vorliegende Pilotstudie konzentriert sich auf letztgenannte Massnahme, und stellt sowohl die genannten klassischen Massnahme als auch innovative Ansätze aus der Biologie und Medizin vor. Daraus lassen sich unter Umstände neue Möglichkeiten zur Reduktion der Reibungsverluste im Triebwassersystem von Hochdruck-Wasserkraftwerken ableiten.
Herkömmliche Massnahmen konzentrieren sich – sofern von einer Verringerung der Fliessgeschwindigkeit abgesehen wird – meist auf eine Glättung der Stollenoberfläche, entweder mittels Unterhalt bzw. Reinigung, oder durch den Einbau einer glatten Auskleidung. Gleichzeitig zeigen Erfahrungen aus anderen Disziplinen, dass eine bestimmte Oberflächenstruktur die hydraulische Wandschubspannung im Vergleich zur vollkommen glatten Oberfläche verringert. Beispiele dazu liefert die Natur, insbesondere die Mikrostruktur der Haut von Haifischen, die Beschaffenheit einzelner Pflanzenblätter oder Insektenflügel. Die Mikrostruktur der Oberfläche, teils mit hydrophoben Eigenschaften, schützt vor Verunreinigung und verringert Reibungsverluste bei der Fortbewegung. Nach ausgiebiger Forschung nutzt heute die Industrie Werkstoffe mit ähnlichen Eigenschaften, meist in der Textilbranche und im Schiffsbau. Eine Einführung solcher Oberflächen in der Wasserkraft scheint verheissungsvoll und effizient, sofern möglich und rentabel. Gleichzeitig stellt die Applikation der erwähnten Beschichtungen grosse Herausforderung bezüglich der grossflächigen Produktion und der Dauerhaftigkeit. Die Autoren versuchen im Rahmen der vorliegenden Pilotstudie einen ersten Schritt in diese verheissungsvolle Richtung zu machen, indem Literatur zum Thema aufgezeigt wird, mit dem Fokus auf eine Anwendung im Bereich der Wasserkraft. Eine Stellungnahe von Experten aus Wasserkraft, Betreibern von Kraftwerken und Fachpersonen der Beschichtungstechnik rundet den Bericht ab.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Nogueira,Helena I. S.
Pfister,Michael
Schleiss,Anton
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Final report
(English)
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Friction losses represent an important contribution to the lack of efficiency of hydropower systems. These losses typically represent 5 to 10 % of the gross head at the design stage and tend to increase with time, leading to a less efficient system and, therefore, to less energy produced. From a hydraulic perspective, approaches to reduce the friction losses pass by reducing the flow velocity – i.e. increasing the tunnel diameter or providing a parallel-tunnel – or acting on the wall roughness by lining and painting. The present work focuses on the latter approach and investigates both traditional and innovative solutions found in different areas, such as biology and medicine, which might give a new perspective in friction reduction in tunnels of high head hydropower plants.
Traditional solutions typically focus on smoothing the tunnel walls, either by cleaning fouling material or lining the walls with smooth coatings, a measure long believed to provide the minimum frictional resistance. However, scientists have paradoxically found that a surface with a given microstructure may lead to lower wall shear stress than a smooth surface of the same material. This conclusion was drawn after extensive research on the skin of fast swimming sharks, plant leaves and insect wings, where a microstructure, in some cases allied with hydrophobic properties, were seen to protect against biofouling and to reduce friction drag. These observations have been inspiring the design of multiple materials, namely hydrophobic coatings and microstructured films, with diverse applications in industry. The solution where the tunnel walls are lined with a microstructured pattern seems promising for hydropower applications; however, there are still many open questions regarding the application, efficiency and maintenance of this solution that need further investigation. The authors intend to do a first step in that direction.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Nogueira,Helena I. S.
Pfister,Michael
Schleiss,Anton
Related documents
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Final report
(French)
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Les pertes de charge par frottement représentent une contribution importante au manque d’efficacité des aménagements hydroélectriques. Ces pertes représentent généralement de 5 à 10% de la charge brute de dimensionnement. Elles ont tendance s’accroitre avec le temps entrainant une exploitation moins efficace réduisant la production d’énergie par l’aménagement. D’un point de vue hydraulique, les pertes par frottement peuvent être limitées en réduisant la vitesse de l’écoulement ; i.e. soit en augmentant le diamètre de la conduite ou en réalisant une conduite en parallèle, ou en agissant sur la rugosité de la paroi de la conduite en plaçant de la peinture ou un revêtement. Ce travail s’intéresse à cette dernière solution et explore diverses solutions, traditionnelles ou innovantes, trouvées dans différents domaines d’étude comme la biologie ou la médecine. Ceci pourrait entrainer de nouvelles perspectives dans la réduction du frottement dans les conduites des aménagements hydroélectriques à haute chute.
Les solutions traditionnelles utilisent le lissage des parois de conduite, soit en enlevant le mauvais matériau ou en recouvrant les parois avec un revêtement lisse. Ces mesures ont longtemps été utilisées pour assurer une résistance au frottement minimum. Cependant, des scientifiques ont trouvé que, paradoxalement, une surface avec une certaine microstructure peut entraîner une plus petite tension de cisaillement à la surface qu’une paroi lisse avec un même matériau. Cette conclusion a été faite après d’importantes recherches sur la peau des requins nageant à grande vitesse, les feuilles des plantes et des ailes d’insectes. En effet, dans certains cas, une microstructure alliée avec des propriétés hydrophobiques protège de l’encrassement et réduit les forces de frottement. Toutes ces observations ont inspirées le dimensionnement de multiples matériaux ayant diverses applications dans l’industrie tels que des revêtements hydrophobes ou des films microstructurés. Ces solutions semblent prometteuses dans le cas d’une doublure du revêtement de parois de conduite dans des aménagements hydroélectriques. Cependant, il y a encore beaucoup de questions sans réponses quant à l’application, l’efficacité et la maintenance qui nécessitent d’autres recherches. Dans ce travail, les auteurs réalisent un premier pas dans cette direction.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Nogueira,Helena I. S.
Pfister,Michael
Schleiss,Anton
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