V annkraftforskningen bidrar til en mer effektiv og miljøvennlig utnyttelse av vannkraften, for eksempel gjennom forskning på turbinteknologi og mer effektive vannveier. Dette bidrar igjen til å styrke konkurransekraften og verdiskapingen for vannkraft, sier energiminister Tina Bru (H).

– Det er viktig å opprettholde og styrke Norges posisjon som en ledende vannkraftnasjon, og sikre at norsk vannkraftsektor kan møte komplekse utfordringer og utnytte mulighetene også i fremtidens fornybare energisystem, legger hun til.

Styrket satsing

Bru viser til at regjeringen har styrket satsingen på vannkraftforskning de senere årene gjennom støtteordninger i Norges forskningsråd.

– Etter at norsk vannkraftsenter ble etablert i 2014, økte forskningsaktiviteten i forsknings- og teknologimiljøene. Samlede bevilgninger til vannkraftforskning økte fra om lag 20 millioner kroner per år til 60 millioner kroner i 2018. Nivået på bevilgningene til vannkraftforskning har fra 2018/2019 ligget på rundt 50-60 millioner kroner per år. Samlet, fra 2015 til 2020, er det bevilget om lag 265 millioner kroner til vannkraftforskning gjennom Forskningsrådet, fremholder energiministeren.

Viktig område

Vannkraftforskning er et viktig temaområde i Forskningsrådets store energiforskningsprogram Energix.

– Men klart størst aktivitet blir generert i FME HydroCen, et eget forskningssenter for vannkraft som ble etablert under FMEordningen i Forskningsrådet i 2016. Senteret mottar om lag 200 millioner kroner fra Forskningsrådet over åtte år. Ytterligere 200 millioner kroner kommer fra næringsliv, forvaltning og forskningspartnere, fremholder Bru.

Hun oppfatter at forskningsmiljøene og næringslivet stort sett er fornøyd med bevilgningsnivået på vannkraftforskning. – Etableringen av FME HydroCen har vært viktig. Forskningsrådet vil likevel fortsette sitt arbeid med å mobilisere vannkraftbransjen til å investere ytterligere i FoU i årene fremover.

Pumpekraft

– Noe av det som forskes på, er pumpekraft. Er det realistisk å tro at det blir bygget store pumpekraftverk i Norge?

– Om det blir aktuelt med store pumpekraftverk i Norge i fremtiden, avhenger av mange faktorer. De markedsmessige forholdene vil være viktige for om dette er økonomisk interessant for aktørene. Å pumpe vann opp igjen i magasinene og deretter produsere kraft på kort tid, medfører også miljøvirkninger, og vil måtte vurderes konkret fra sak til sak.

Grønt batteri

– Tror du Norge kan bli Europas grønne batteri?

– Jeg tror det er for ambisiøst å tenke at Norge skal sikre behovet for fleksibel kraftproduksjon i hele eller store deler av Europa. Vi bør imidlertid kunne gi et ikke uvesentlig bidrag, sier Bru. Hun viser til at Norge allerede i dag leverer regulerbar energi til Europa gjennom utveksling, blant annet med våre naboland.

– Tror du det vil bli flere nye utenlandskabler, og i tilfelle når?

– Om det skal bygges flere kabler fra Norge til utlandet enn de vi har i dag, vil avhenge av erfaringene fra virkningene på kraftsystemet av de to forbindelsene vi har godkjent: NordLink til Tyskland og North Sea Link til Storbritannia, sier energiminister Tina Bru.

V i har fått mye ut av forskningen i de fire arbeidspakkene så langt, og det er begynt å komme konkrete resultater av prosjekter som nærmer seg avslutning, sier en fornøyd senterleder i HydroCen, Liv Randi Hultgreen.

Hun legger til at de førti partnerne har vært flinke til å sende inn evalueringer i forbindelse med rapporteringen til Forskningsrådet. – Vi opplever at tilbakemeldingene er gode, partnerne ser åpenbart nytteverdien av å delta i HydroCen.

Hultgreen begynte som senterleder 1. juni i fjor, med bakgrunn fra offshorenæringen. Kunnskapen om vannkraft var begrenset, men godt hjulpet av en varm mottakelse fra industri og forskere i HydroCen, begynner innsikten å øke.

Korona-pandemien har satt sitt preg på arbeidet det siste drøye året, blant annet i den viktige kontakten med partnerne. Men ifølge Hultgreen har dette gått rimelig greit. – Selv om vi helst skulle arrangert fysiske møter og samlet folk, gir digitale møter flere anledning til å delta, som sist på fagutvalgsmøtet i februar, der det var i alt 143 deltakere, sier hun.

Traff godt strategisk

– I de fem årene som er gått siden HydroCen kom i gang, har det skjedd mye på energiområdet som får betydning for hva det strategisk bør forskes på. De som utformet søknaden om å etablere HydroCen, traff godt med å fokusere på behovet for mer kunnskap rundt økt effektkjøring av kraftverkene og hvordan vannkraftsystemets unike fleksibilitet best kan utnyttes.

Siden den gangen er dette er blitt enda mer aktuelt, ikke minst gjennom utbygging av andre fornybare energikilder, som sol og vind, senest de norske planene om bygging av store offshore vindparker i Nordsjøen. Vi har fått en mer tydelig og forpliktende utvikling i retning av Det grønne skiftet, og begrepet elektrifisering er blitt langt mer konkretisert gjennom planene om etablering av datasentre, batterifabrikker, ladestasjoner i transportsektoren etc.

Stort behov for effekt

– For å kunne gjennomføre Det grønne skiftet, vil samfunnet ha behov for langt mer elektrisk kraft, og da ikke minst, som effekt, også for å kunne balansere kraftnettet. Det innebærer at vannkraftens unike fleksibilitet må utnyttes, og da trengs all den kunnskap vi kan frembringe gjennom forskningen.

Hultgreen trekker frem det unike samarbeidet mellom forskere innen tidligere tradisjonelt avgrensede fagdisipliner, som maskin, elektro, vassdragsteknikk, ingeniørgeologi, datamodellering og det som blir kalt miljødesign.

– Tverrfagligheten er et kjennetegn på forskningen i HydroCen. Marinbiologer og ingeniører arbeider sammen for å finne kreative løsninger på nye problemstillinger. Det dreier seg om å forstå hva andre driver med, få respekt og lære av hverandre. Vi opplever at 1 + 1 blir 3. Det bidrar til å øke kvaliteten på forskningen, sier Hultgreen.

Satsing på infrastruktur

– Vi må se fremover, hvilket forskningsbehov vil vannkraften ha om tjue-tretti år? Dette ble gjort da vi i 2019 søkte Forskningsrådet om midler til opprustning av de gamle laboratoriene. I første omgang har vi fått om lag 50 millioner kroner, og vi er i gang, blant annet med moderniseringen av Vassdragslaboratoriet og Vannkraftlaboratoriet.

Hultgren legger til at den samlete infrastrukturen for vannkraftrelatert forskning i Trondheim er imponerende, og vekker internasjonal oppsikt. Det gjør også selve forskningen, jfr. lederrollen NTNU/HydroCen har fått som koordinator av vannkraftforskningen i EU og det omfattende samarbeidet med amerikanske myndigheter.

Jobber langsiktig

–Har dere begynt å tenke på hva som skal skje når perioden for HydroCen er over om drøye tre år?

– I forskningen jobbes det langsiktig, det vil stadig dukke opp utfordringer for vannkraften som må løses med ny kunnskap, også etter 2024. Det er en kamp om forskningsmillionene, og vi er opptatt av at det høye nivået på norsk vannkraftforskning blir ført videre, også etter at HydroCen er avsluttet.

Hultgreen legger til at mye av oppmerksomheten nå er rettet mot offshore vindkraft. –Havvind er spennende, men det er viktig å få formidlet overfor myndighetene at en slik svær utbygging vil kreve at vannkraftsystemet må stille opp med mye balansekraft. Tingene henger sammen i energisystemet, sier hun.

H alvor Kjærås (34) fra Tønsberg er en vannkraftingeniør som definitivt ikke er redd for å tenke langt «utenfor boksen». Da han som sekstenåring ville inn på Slottsfjellet Steinerskole, fikk han høre at han sto langt bak i køen, fordi skolen ville ha inn flere jenter som søkere. Etter å ha møtt opp i skjørt, fikk han likevel plass.

Han var heller ikke redd for å søke matematikkstudier i Frankrike etter videregående, men fant ut at verken fransken eller matematikkunnskapene på det tidspunktet sto i stil med viljen eller realitetene.

Faglig utålmodighet

Da ble det i stedet mer matte og fysikk i Norge, og byggstudiet på NTNU med fordypning i vassdragsteknikk. Etter en master, og deretter seks år som rådgivende ingeniør hos konsulentfirmaet Sweco, kjente Halvor på en faglig utålmodighet.

– Det var både fint og utfordrende å jobbe med vassdragstekniske oppdrag hos Sweco. Men jeg ville jobbe mer tverrfaglig, men også mer målbevisst med konkrete miljøsaker, sier den fiskevennlige naturentusiasten.

Smoltprosjekt

Han søkte og fikk et doktorgradsstipendiat gjennom HydroCens arbeidspakke 1, der han har bidratt til å designe spesielle ledegrinder til smoltprosjektet i Laudal kraftverk i Mandalsvassdraget (se reportasje på side 16). Prosjektet har også modellert turbulensen for å finne ut hvordan grindene skal plasseres i forhold til vannstrømmene.

Nå er han og kollegaene godt i gang med å radiomerke noen av den vandringsklare smolten for å finne ut om ledegrindene faktisk greier å lede fisken utenom inntaket til kraftverket.

D et innebærer at vi må utnytte den unike fleksibiliteten til vannkraften, ved å bygge om eksisterende kraftverk for mer effektkjøring og noen til pumpedrift, sier Ole Gunnar Dahlhaug, professor på Vannkraftlaboratoriet/Institutt for energiog prosessteknikk ved NTNU og en sentral aktør i forskningssenteret HydroCen.

Dahlhaug viser til en tidligere rapport om at det vil være mulig å hente ut 20 GW, i tillegg til dagens effekt på om lag 33 GW, gjennom en opprustning av det norske vannkraftsystemet, først og fremst ved å bygge om eksisterende magasinkraftverk til pumpedrift.

Flere norske kraftselskap med blant annet Statkraft og Agder Energi i spissen, sammen med Equinor, Deep Wind Ocean og Aker-gruppen, står bak initiativ om å bygge flere svære vindparker på norsk sokkel, den største i Sørlige Nordsjøen II og Utsira Nord. Dahlhaug mener at disse planene vil gi en ny dimensjon til begrepet «grønt batteri» som er knyttet til den norske vannkraften.

– Vi har snakket om å forsyne områder på Kontinentet med effekt gjennom utenlandsforbindelser, slik at de aktuelle landene skal kunne balansere sitt energisystem, som i stadig større grad blir preget av uregulert kraft fra sol og vind.

Et nytt «grønt batteri»

En fremtidig nasjonal utbygging av havvind i Nordsjøen – sammen med tilsvarende planer som eksempelvis Danmark har – vil snu opp ned på dette. Slik jeg ser det, vil en slik vindkraftproduksjon fra Nordsjøen komme til å dominere bruken av effekt fra de norske vannkraftverkene og ta det meste av fleksibiliteten vi kan klare å få ut av systemet, sier han.

Dahlhaug viser til de svære mengdene uregulert kraft som det er planer om å produsere. Det vil i seg selv skape et stort behov for systemtjenester i kraftnettet.

– Men hvis vi også tar høyde for at betydelige mengder, og da snakker vi om flere TWh på årsbasis, vil bli produsert i perioder det ikke er behov for denne vindkraften, eller til svært lave priser, vil det være god butikk å bruke denne billige overskuddskraften til å pumpe opp vann i kraftverk ombygget for dette formålet, for så å produsere denne kraften i perioder med høye priser.

Dahlhaug tror dette nye, nasjonale perspektivet vil gjøre det lettere å oppnå bred politisk aksept for en opprustning av vårt vannkraftsystem, blant annet ombygging til pumpekraftverk.

– Vi snakker ikke her om store naturinngrep, men om å bygge parallelle tunneler mellom eksisterende magasiner i kraftverk som egner seg for pumpedrift. Ulempene er knyttet til deponering av masse fra tuneller, foruten at vi vil få hyppigere endringer av vannstanden i de berørte magasinene. Men effektkjøring og pumpedrift vil i liten grad påvirke livet i vassdragene, ettersom det her dreier seg om kraftverk som har direkte utløp i eksisterende magasiner.

Økt fokus på fleksibilitet

Ifølge Dahlhaug har fleksibilitet vært den røde tråden gjennom forskningsarbeidet i HydroCen siden starten i 2016. Mange av FoU-prosjektene dreier seg om hvordan kraftverkene skal kunne generere mer effekt på en mest mulig kostnadseffektiv måte, med minst mulige skadevirkninger for omgivelsene.

Perspektivet med store mengder uregulert offshore vindkraft fra norske aktører i fremtiden, vil bidra til et enda større fokus på fleksibilitet. – Når vannkraftverkene skal kjøres hardere, øker slitasjen på kritiske komponenter, ifølge enkelte beregninger kan det dreie seg om en halvering av levetiden. Dette vil rettferdiggjøre investeringer i ny teknologi, for eksempel i «digitale tvillinger » av komponentene, fordi du da vil kunne styre vedlikeholdet på en langt bedre måte.

Savner vilje til utprøving

–Når HydroCen avsluttes om tre år, vil vi sitte igjen med mye ny kunnskap om vannkraftsystemet. Men det er viktig at teknologien som er utviklet, blir testet i eksisterende kraftverk. Jeg har et ønske om at kraftselskapene i større grad stiller opp med demonstrasjonsprosjekter.

Vi står overfor en spennende fremtid for vannkraften, ikke minst ser jeg store muligheter gjennom et samspill med industribedrifter, slik vi nå ser med engasjementet fra Aker-gruppen. Dessverre er kraftselskapene lite opptatt av å sikre og utvikle underleverandører, bransjen er preget av konservative holdninger til dette, sier NTNUprofessor Ole Gunnar Dahlhaug.

N år det gjelder pumpekraft, har vi snart lukket gapet mellom resultater fra teknologisk forskning og hva som umiddelbart kan anvendes kommersielt. Vi har fått frem tilstrekkelig kunnskap til å kunne bygge om Roskrepp kraftverk for pumpedrift.

Prosjektet ser ut til å være lønnsomt, så snart er det bare investeringsbeslutningen som mangler, sier Kaspar Vereide, som en av de sentrale aktørene i forskningen rundt pumpedrift ved NTNU.

Vereide er ansatt både i Sira-Kvina kraftselskap, som eier Rosekrepp kraftverk, og i en 20 prosent stilling som førsteamanuensis på Institutt for bygg- og miljøteknikk ved NTNU i Trondheim.

De siste brikkene

– De siste brikkene er snart på plass i puslespillet, sier Vereide når vi ber ham oppsummere status for forskningen på pumpedrift i HydroCen.

Han forteller at Sira-Kvina kraftselskap har jobbet videre med et ombyggingskonsept på grunnlag av forskningsresultatene, sammen med to turbinleverandører og andre kommersielle aktører.

– Vi er kommet frem til et forslag til ombygging av Roskrepp som vi mener er teknisk og økonomisk mulig å gjennomføre, sier Vereide.

Han legger til at selskapet nå venter på en verifikasjon av de tekniske løsningene fra en nøytral tredjepart.

Utfordringer med pumpedrift

Ifølge Vereide vil det ble valgt spesielle løsninger som er tilpasset Roskrepp. Han viser til at det er to hovedutfordringer ved ombygging av kraftverk for pumpedrift.

Den ene er at trykket på nedstrøms side av pumpen blir for lavt som følge av at kraftverket er for lite dykket, at turbinene er plassert for høyt i forhold til avløpsvannet. Når kraftverket går over til pumpedrift, vil det derfor oppstå kavitasjon, som på kort tid kan ødelegge turbinen.

I forskningen i HydroCen utvikles det derfor en såkalt booster-pumpe som sørger for at øke trykket på innløpet til pumpeturbinen, slik at man unngår kavitasjon.

Bruker nedre magasin

– Vi har løst dette på en annen måte på Roskrepp. I stedet for å installere en boosterpumpe, innfører vi en begrensning på regulering av nedstrøms magasin under pumpedrift. Vi utnytter muligheten til å kun bruke de øverste fem meterne i reguleringen av magasinet for å holde det nødvendige trykket på nedstrøms side av pumpen, sier Vereide.

Mindre og flere ledeskovler

Den andre utfordringen er å oppnå tilstrekkelig kraft til å pumpe vannet opp til øvre magasin. I HydroCen er det designet et reversibelt løpehjul for pumpedrift som skal kunne få plass i det eksisterende aggregatet i kraftverket.

– Men forskningen viste at et slikt løpehjul ikke vil kunne gi den løfteevnen som trengs i Roskrepp. Derfor har vi samarbeidet med to turbinleverandører om andre løsninger. Vi har vurdert å fjerne ledeskovlene for å få plass til et løpehjul med større diameter, men da mistet vi muligheten til å regulere. Løsningen vi har endt med, er bytte ut dagens ledeskovler med langt flere som er mindre, slik at det blir plass til et større løpehjul med bedre løfteevne.

– Men selv dette er ikke nok til å kunne pumpe opp vannet til øvre magasin. Vi må få opp turtallet på løpehjulet, og det oppnår vi med en frekvensomformer. Den gjør det også mulig å kjøre turbinen fra lavt turtall mens den er i vann, og ikke i luft, som ellers er vanlig ved pumpedrift. Dette er en stor fordel.

Endrer på svingekammer

– Må dere bygge om tunnelsystemet?

– Nei, vi kan i stor grad bruke det vi har. Det er gjort en rekke forsøk i Vassdragslaboratoriet på en modell av vannveiene i Roskrepp gjennom PhD-prosjektet til Livia Pitorac. Hun har sett nærmere på hvilke hydrauliske begrensninger vannveien setter for et tøffere kjøremønster i kraftverk og hvordan disse utfordringene kan løses.

Forsøkene viser at hvis vi vi bygger om til pumpedrift, så vil vannet i nedstrøms svingkammer nå et så høyt nivå at kraftstasjonen kan bli fylt med vann. Livia har funnet løsninger på dette som gjør at vi unngår kostbar ombygging, sier Kaspar Vereide.

20 GW pumpekraft

Det er gjort beregninger som viser at så mye som 20 GW effekt kan hentes ut ved å pumpe vann mellom nedre og øvre magasin i norske kraftverk.

Det har ikke vist seg å være lønnsomt å bygge pumpekraftverk, dessuten vil slike prosjekter lett kunne møte motstand fra naturvernhold. Planer er lagt i skuffen i påvente av et marked som priser effekt, slik Sira-Kvina kraftselskap har gjort med Tonstad III (950 MW) og Solhom II (500 MW).

Lønnsomt med ombygging

Det vil derimot være lettere å bygge om eksisterende kraftverk for pumpedrift, dette kan bli lønnsomt så fremt det finnes gode tekniske løsninger som får ned investeringskostnadene. Et slikt teknologisk grunnlag er nå blitt lagt gjennom den tverrfaglige forskningen i HydroCen.

En reversibel franscisturbin med variabel turtall er designet, og en modell er testet ut gjennom PhD-prosjektet til Helene Dagsvik på Vannkraftlaboratoriet. Hun har også forsket på en såkalt booster-pumpe, som skal spille sammen med turbinen.

Både konseptet for den reversible pumpeturbinen og booster-pumpen er klar, det gjenstår bare å designe en spesiell elektromotor med delt rotor som skal drive pumpen.

Videre er det på Smartgridlaboratoriet langt på vei funnet løsninger for en frekvensomformer som kan styre turtallet og stabilisere pumpeturbinen, foruten å synkronisere generatoren, uten at denne må kobles fra eller til nettet.

N å håper de at næringsrettet industriforskning får større oppmerksomhet. Teknisk direktør og sjef på Rainpowers turbinlaboratorium i Trondheim, Henning Lysaker, mener at selskapet så langt har fått mye igjen for deltakelsen i HydroCen.

– Vi er fornøyd med den brede tverrfagligheten senteret og prosjektene har hatt. Vi har fått dypere innsikt i problemstillinger rundt anleggene og vassdragene der våre maskiner skal fungere, og hvilke premisser og rammebetingelser våre kunder opererer under. Det er verdifullt for oss når vi treffer beslutninger om vår egen utvikling, sier Lysaker.

Han fremhever også senterets funksjon som en felles møteplass for industrien, kraftselskapene og regulantene, i tillegg til forskningsmiljøene og akademia.

– Her lærer vi å forstå hverandres språk og behov. Normalt ville dette også vært en svært verdifull rekrutteringsarena for oss, men de siste årene har dessverre markedssituasjonen vært slik at dette arbeidet har blitt satt på vent, sier han.

Ønsker næringsprioritering

Når HydroCen nå er inne i den andre halvdelen av senterets åtte leveår, håper Lysaker at senterledelsen retter større oppmerksomhet mot industrien og prioriterer den næringsrettede forskningen enda mer.

Han viser til at senteret har et formulert mål om å bidra til en økt omsetning hos turbin-leverandørene med i størrelsesorden 150 millioner kroner. Omregnet til arbeid, blir dette et sted mellom 50 og 100 nye industriarbeidsplasser.

Bransjen bruker mye av sine utviklingsmidler inn mot HydroCen. Det er nå mindre midler til utvikling mellom kraftverkseierne og leverandørene.

– Da er det viktig at senteret fokuserer på å få til prosjekter som kan skape norske arbeidsplasser. Vi håper at vi vinner gehør for prosjekter basert på de frie midlene som kan bidra til at industribedriftene kan utvikle produkter i tråd med kundenes behov, og dermed skape flere arbeidsplasser, sier Lysaker.

Må styres fra ledelsen

Han uttrykker forståelse for at HydroCen, i likhet med de andre FME-ene, er en viktig finansieringskilde for forskningen og de akademiske miljøene, mens den andre tunge grupperingen av partnere, kraftselskapene, har størst oppmerksomhet rettet mot prosjekter og tiltak som bedrer deres inntjening.

– Satt opp mot disse to, er leverandørindustrien dessverre en lettvekter i de interne organene der beslutningene fattes. Vi opplever likevel at vi har gehør for argumentet om at så vel kraftselskapene som forskningsmiljøene og akademia profiterer på en sunn leverandørindustri. Og hvem klarer vel å argumentere mot nye industriarbeidsplasser? spør Lysaker

Likevel mener han at dette må styres ovenfra og ned. – I de besluttende organene er det «kjøttvekta» som rår. Det er demokratiet i praksis, og helt naturlig. Men det er en ledelsesoppgave å påse at alle intensjonene med HydroCen blir nådd, også det klare målet om å bidra til en omsetningsøkning i leverandørindustrien, understreker han.

Gode fellesprosjekter

For Rainpowers del, peker Lysaker på blant annet måleteknikk, reguleringsteknikk og materialtesting som gode fellesprosjekter der industribedriftene kan ha fordel av å samarbeide med hverandre og med de øvrige partnerne i senteret.

– Vi er i gang med et prosjekt for å se på forbedret metodikk for måling av virkningsgraden på peltonturbiner, sier han, og legger til at Rainpower også bidrar med en nærings-PhD inn i prosjektet. Denne stipendiaten skal blant annet jobbe med prosjekter som knytter sammen modellturbinen ved Vannkraftlaboratoriet og Smartgridlaboratoriet (se egen sak). Rainpower finansierer også en 20 prosent professor II-stilling som veileder for blant annet denne stipendiaten.

V i er i laboratoriet på Institutt for geovitenskap og petroleum ved NTNU. PhD-stipendiat Henki Ødegaard viser oss den unike testriggen han har utviklet for å kunne påføre ulike bergtrykk i 75 kilos tunge kuber av bergmateriale.

I kubene er det boret hull, og i disse blir det injisert vann under høyt trykk ved hjelp av spesielle, datastyrte pumper. Ødegaard kan variere vanntrykket for å undersøke hva bergmassen kan tåle før det oppstår ødeleggende sprekker, det som blir kalt hydraulisk jekking eller splitting.

Labtester gir føringer

I laboratorietestene kan Ødegaard simulere sprekkdannelsen. Kuben påføres ulike spenninger ved å endre bergtrykket, samtidig som han altså kan kontrollere vanntrykket fra injeksjonspumpene. Så logges alle måledata ved hjelp av avanserte og svært nøyaktige sensorer. På denne måten oppnår han forhold i laboratoriet som er ganske like de som skal måles ute i felt.

På grunnlag av testene i laboratoriet har Ødegaard utarbeidet de nødvendige spesifikasjoner for enklere testprosedyrer og måleutstyr som kan brukes ute i felten. Prototyp av slikt utstyr er blitt laget av firmaet Injeksjonsteknikk og prøvd ut ved de to kraftverkene Leikanger i Sogn og Løkjelsvatn i Hordaland. Så langt er resultatene oppløftende.

Måle flere steder

– Målet med forskningen har vært å utvikle enkle, raske og billige metoder for å kunne måle bergspenningene under bygging av nye kraftverkstunneler, slik at det blir mulig å måle på langt flere steder enn det som typisk gjøres ved dagens metodikk.

Slike måleresultater vil gjøre det lettere å finne stedet i trykktunnelen som vil være den beste plasseringen av overgangen til stålforing. Dette vil kunne forhindre at tunnelen kollapser under første gangs fylling som følge av at bergtrykket er lavere enn trykket fra vannet.

Bygd uten målinger

Ødegaard viser til at tidligere ble de fleste norske vannkraftverk bygget uten at det ble utført spenningsmålinger som grunnlag for plassering av konus.

Ingeniørene har beregnet overdekningen av fjellet, og tatt ekstra godt i for å være på den sikre siden. Det har nok ført til at en lengre strekning av tunnelen er blitt foret med stålrør enn det som ville blitt gjort dersom byggherren hadde hatt bedre kunnskap om bergtrykket. Stålforing av tuneller innebærer en betydelig merkostnad per løpemeter.

Siden 1980-tallet har byggherrene som regel foretatt spenningsmålinger. Men dagens metoder er relativt kostbare og tidkrevende, og slike nokså nøyaktige målinger blir derfor som regel gjennomført på få steder i trykktunnelen. Ifølge Ødegaard blir derfor vurdering av hva bergspenningene er på andre steder nokså usikker.

Tunneler har kollapset

– Flere forhold enn overdekningen av fjell vil kunne påvirke bergtrykket og gjøre at dette vil variere i områder langs tunnelen. Dersom bergtrykket er lavere enn vanntrykket, kan det føre til at berget sprekker opp og vann trenger ukontrollert inn i bergmassen. I verste fall vil det oppstå ras og drukning av stasjonen. Det har vært flere slike hendelser opp gjennom vannkrafthistorien, senest i 2016 da trykktunnelen i Bjørnstokk kraftverk sprakk, noe som påførte Helgeland Kraft betydelige merkostnader.

Denne hendelsen har aktualisert PhDprosjektet til Ødegaard i HydroCen og behovet for enklere jekketester med utstyr som byggherre eller entreprenør kan bruke for å kunne måle bergrykket regelmessig i hele den trykksatte delen av vannvegen. Dette for å kunne kartlegge bergets minste hovedspenning i hele tunnelen, det som gir svaret på om det vil sprekke opp eller ikke, og finne den best mulige plasseringen av konus oppstrøms turbinen.

Ødegaard regner med å avslutte sitt doktorgradsarbeid i september, og han går da tilbake til jobben som rådgiver i Multiconsult i Trondheim.

P rofessor Leif Lia på Institutt for byggog miljøteknikk ved NTNU leder arbeidspakke 1 Vannkraftkonstruksjoner. Han fremhever forskningen innen miljødesign for å finne tiltak som bedrer de økologiske forholdene i regulerte vassdrag, samtidig som man tar hensyn til kraftproduksjonen.

Fiskevennlige tiltak er ett av prosjektene i arbeidspakke 1. – Dette er et brennaktuelt tema, både i forhold til å kunne utnytte fleksibiliteten til vannkraften, men også med tanke på de mange vilkårsrevisjonene kraftbransjen står foran i årene fremover.

Lia betegner samarbeidet med biologiene i miljødesign som spesielt vellykket. Vår oppgave med forskningen på dette området er å bruke vår vassdragstekniske kompetanse inn i prosjektene, slik at vi sammen kan finne frem til kreative og gode løsninger, sier Lia.

Mandalsvassdraget (jfr. reportasje s. 14/15) er et slikt prosjekt. – Hvis vi kan lede smolt forbi kraftverkene uten å skade fisken eller å hindre kraftverksdriften, vil det bety et kjempeløft for livet i vassdragene og et stort fremskritt for kraftbransjen, sier Lia.

Hva kan tunnelene tåle?

Arbeidspakke 1 består av i alt fire prosjekt. Ett av dem omfatter forskning på tunnelsystem, for å finne ut hva tunnelene vil kunne tåle når kraftverkene skal kjøres med større variasjoner i effekt, og hva som må til av ombygginger for fremtidig fleksibel drift. Prosjektet ledes av professor Krishna Panthi.

– Her begynner vi å få mange svar på problemstillinger som våre forfedre ikke trengte å forholde seg til, ettersom kraftverkene ble bygd for stabil energiproduksjon. Flere av PhD-prosjektene er innenfor området ingeniørgeologi, blant annet for å studere utmatting og for å finne best mulige løsninger å sikre kraftverkstunneler i drift.

Behovet for fleksibilitet

–Da vi arbeidet med å planlegge HydroCen, hadde vi stor tro at det vil bli et behov for å utnytte vannkraftens unike fleksibilitet i fremtiden og å bygge om vannkraftsystemet for mer effektkjøring.

Nå ser vi at dette er kommet langt nærmere, mye på grunn av utenlandsforbindelsene og utbygging av ny uregulerbar kraftproduksjon. Oppmerksomheten blir nå i større grad rettet mot hvordan vi skal kunne møte en fremtid med betydelige mengder uregulert kraft, kanskje fra havvindparker. En stor del av svaret på disse utfordringene er å utnytte fleksibiliteten i vannkraftsystemet, sier Lia.

Ombygging til pumpedrift

Arbeidspakke 1 inneholder også PhD-prosjekter som skal bidra til å gi det nødvendige kunnskapsgrunnlaget for ombygging av eksisterende vannkraftverk til pumpedrift (se egen reportasje på side 8).

– Utfordringene vil være knyttet til stabilitet og undertrykk i vannveiene når kraftverk kjører med pumpedrift. Vi har i dag mye av den teknologiske kunnskapen som trengs for å kunne gjennomføre ombygging av eksisterende kraftverk til pumpedrift. Det hadde vi ikke tilstrekkelig for to-tre år siden, sier Lia.

Dammer og damsikkerhet er det tredje prosjektet som utgjør arbeidspakke 1, og det ledes av førsteamanuensis Fjola Sigtryggsdottir. Målet for forskningen er å finne innovative og sikre løsninger for fyllingsdammer.

– Også her er vi kommet langt. Vi har funnet bruddmekanismer i plastring av dammer, hva dette har å si for selve plastringen og hvordan plastringen kan utføres for å motstå de laster som naturlig kan påføres en fyllingsdam, sier Lia.

Sedimenthåndtering

Sedimenthåndtering er det fjerde hovedområdet WP-lederen trekker frem. Sedimenter, sand og grus inn i vannveiene fører til betydelig slitasje og kan skade turbinene. Det er først og fremt et internasjonalt problem, men er likevel blitt en del av forskningen i HydroCen.

Som ledd i dette prosjektet, ledes av professor Nils Rüther, blir det nå utviklet et fullstendig konsept for sedimenthåndtering, altså en verktøykasse for kraftverkseiere.

Å overvåke magnetfeltet rundt synkronmaskiner for å detektere feil inne i maskinen, er egentlig en gammel ide. Da sivilingeniøren Hossein Ehya (43) jobbet i Irans elektrotekniske industri, ønsket han å lese seg opp på temaet, men fant ut at dette var det forsket svært lite på internasjonalt.

Så fant han ut en dag i 2018 at professor Arne Nysveen ved NTNU i Trondheim hadde tenkt det samme, og utlyst et postdocstipendiat for å grave litt i dette spennende temaet. Hossein så utlysningen, og vips – så befant perseren Hossein seg blant trøndere i hustrige Trondheim.

Et funn

– Hossein er et funn. Ikke bare er han faglig svært dyktig, jeg har heller ikke sett maken til arbeidskapasitet og disiplin, sier professor Arne Nysveen.

Hossein forklarer at «feilsignaturer» i magnetfeltet rundt generatoren er den eneste muligheten man har for å kunne detektere feil som ørsmå kast i rotorakslingen, slitasje i lagrene, små kortslutningsstrømmer i vinklingene eller andre mekaniske feil inne i synkronmaskineriet mens anlegget er i drift.

– Nå har vi demonstrert dette i en høyspole-synkronmaskin i Kalvedalen kraftverk. Dette er en komplisert maskin å jobbe med. Når vi har fått det til her, vil vi også få det til på enklere typer synkrongeneratorer, sier han.

Etablerer selskap

Nå er Hossein Ehya i ferd med å etablere et selskap for å kommersialisere patentet, som han eier i fellesskap med Nysveen og NTNU. De har vært i dialog med flere internasjonale industribedrifter, blant annet ABB og Rolls Royce, for å diskutere mulighetene for å industrialisere patentet.

– Vi har utviklet dette i samarbeid vannkraftprodusenter. Men det store markedet for dette ligger antakelig innen luftfart og elektrisk transport. Uansett, vårt mål er at dette skal gi norske industriarbeidsplasser i framtida, sier Hossein Ehya.

V anlige grinder foran kraftverksinntak er bygd for at kvister og trær ikke skal komme inn i kraftverkene, men de vil sjelden hindre at små fisk blir dratt inn av vannstrømmen.

Fiskesikre grinder må ha lysåpninger som er så små at fisken ikke slipper gjennom. For at vannhastighetene ikke skal bli så høye at fisken klemmes fast mot grinda, må det være et stort grindareal.

I større eksisterende kraftverskinntak kan det være både teknisk utfordrende og svært dyrt å bygge om til fiskesikre grinder. Derfor finnes det ikke slike løsninger i de store kraftverkene, verken i Norge eller andre steder i Europa.

Nå har forskerne og fagfolkene i Hydro- Cen utviklet et konsept der grindstavene vinkles, slik at de skal skape små virvler av turbulens i vannet. Dette skal lede fisken vekk fra inntaket og videre til en sikker nedvandringsvei.

Seniorforsker Torbjørn Forseth hos Norsk Institutt for Naturforskning (NINA) i Trondheim forteller at ideen om å utnytte turbulensvirvler til å lede vekk fisken, ble klekket ut på et arbeidsseminar med norske og utenlandske deltakere fra forskningen og vannkraftindustrien i HydroCen.

– Det begynte med at noen kastet fram en «sprø ide». Kunne man utnytte at fisk kan sanse turbulens? Tiltrekkes de av noen typer virvler og skremmes av andre? Det viste seg at våre samarbeidspartnere fra det sveitsiske forskningsinstituttet ETH Zürich allerede hadde arbeidet med grindløsninger som bygger på noen av de samme prinsippene, sier Forseth.

Testet på Laudal

Etter vellykkede modellforsøk på laboratoriet i Zürich, bestemte forskerne i HydroCen seg for å teste ut et fullskala pilotanlegg ved Laudal kraftverk i Mandalsvassdraget.

Mandalselva var for inntil hundre år siden en av Norges beste lakseelver. Men sur nedbør som følge av svovelutslipp til luft fra europeisk industri, tok knekken på laksebestanden. Nå har den imidlertid tatt seg opp igjen.

Grindanlegget består av en rekke av sammenkoplete flytebrygger, fortøyd til land og med ankre til bunnen. Ettersom anlegget er modulbasert, er det enkelt å ta det på land for vedlikehold, eller når det ikke er bruk for det. Konstruksjonen skal også være robust mot selv de kraftigste vårflommene.

Måler fiskens bevegelser

PhD-stipendiat Halvor Kjærås tar sin doktorgrad i prosjektet, og kartlegger vannets bevegelse og hvordan fisken oppfører seg når den kommer til ledegrindene.

– Vi vet fra før at smolten oftest vandrer nær vannoverflaten, og ledegrinda stikker derfor 1,5 m ned i vannet. Åpningen i grinda er større enn fisken, så den kan passere hvis den vil. Men forskning fra ETH Zürich i Sveits viser at når stavene i grinda vinkles riktig, vil det oppstå forhold i vannstrømningen rett oppstrøms rista som får fisken til å holde avstand, sier han.

Ved å simulere vannstrømningene med CFD-programvare (computational fluid dynamics), kan forskerne finne ut hvordan en slik ledegrind i elva vil endre vannstrømningene både lokalt og i en større del av elva, og vurdere hvordan dette vil påvirke fiskens bevegelser.

Lydmerker

Sweco Trondheim bidro med de første tegningene av ledegrinda, mens et lokalt mekanisk verksted utviklet ideene videre og konstruerte en 85 meter lang flytende ledegrind.

I mai skal 150 av de flere tusen smoltene som er klare til å begynne nedvandringen forbi kraftverket på sin vei til havet, merkes med små sendere som sender ut lydsignaler. Ved å montere lyttebøyer (hydrofoner) i vannet, kan forskerne følge bevegelsene til hver enkelt av de merkede fiskene.

Samfunnsoppdrag og krav

Hos Agder Energi forteller prosjektansvarlig Svein Haugland at de har brukt mye ressurser rundt Laudal de siste årene for å bedre forholdene for laksebestanden.

– Det er delvis et myndighetspålagt krav til oss, men vi er også motivert av et generelt syn på at vi har et samfunnsansvar, der vi blant annet føler oss forpliktet til å ta vare på laksen, sier han.

Haugland forteller også at det er gjort et veldig grovt estimat på kostnaden for ei finmasket grind foran inntaket. – Det hadde antakelig kostet oss rundt 30 millioner kroner. Så kan Tjøl Eiken hos Steis, som har bygget dette anlegget for oss, fortelle hva et anlegg med slike flytende ledegrinder kan koste om det kommer i ordinær produksjon, sier Haugland.

Ned mot en firedel

Det gjør eier og produksjonsleder Tjøl Eiken hos Steis Mekaniske Verksted AS gjerne. – Jeg tror vi kunne fått ned prisen under 10 millioner kroner, vurderer han. Det er nærmere en firedel av hva ei vanlig, fisketett grind ville kostet.

Eiken forteller at de allerede har fått henvendelser om et slikt anlegg fra både norske og svenske elveregulanter.

– Dersom dette prosjektet kan bekrefte at designen virker, vil vi kunne levere slike anlegg på vanlige kommersielle vilkår allerede til neste vinter, tror han.

Forskerne vil videre

Forskerteamene i Norge og Sveits skal samarbeide med vannkraftindustrien om et nytt stort prosjekt for å videreutvikle ideen om å bruke turbulensvirvler til å lage fiskestier som leder fisken forbi kraftverksinntak. Der er ambisjonen å lage helt nye konstruksjoner som leder fisken.

– For å svare på dette, må vi studere hva slags virvler som skapes av ulike objekter, hvordan fisken reager på disse og hvordan objektene kan koples sammen til fiskestier. Så har vi en ferdig testlokalitet i Laudal for å finne ut hvor gode slike nye løsninger kan bli, sier seniorforsker Torbjørn Forseth.

S INTEF og NTNU er i ferd med å installere utstyr og sette opp programvare og styringssystemer for å kople sammen turbiner i Vannkraftlaboratoriet og generatorer i Smartgridlaboratoriet.

Dermed vil en i Smartgridlaboratoriet kunne sette opp virkelighetstro nett på alle nivåer, inkludert for eksempel modeller av vindkraftverk og HVDC-kableoverføringer. Det vil respondere virkelighetstro på hendelser i Vannkraftlaboratoriet, som i sin tur vil respondere tilsvarende på det som skjer på nettsiden.

Ideen er så genial, at det er rart at ingen andre har gjort dette før. En fiberoptisk kabel mellom de to laboratoriene, programvare som kan styre og simulere hendelser og respondere på ting som skjer på henholdsvis den elektriske og den mekaniske siden, i tillegg til litt ordinært, men tilpasset utstyr på begge sider – så har NTNU laboratoriefasiliteter som ingen andre i hele verden.

Et unikt laboratorium

– Jeg kjenner ikke til noen andre laboratorier med disse mulighetene, heller ikke fysisk, sier professor Ole Gunnar Dahlhaug på Institutt for energi- og prosessteknikk på NTNU.

– Han forteller om stor interesse fra brukere for å benytte seg av denne muligheten. – De vil blant annet vite mer om hvordan nye kjøremønstre og produksjonen av systemtjenester virker inn på slitasjen på utstyret. Ikke bare kraftprodusenter, men også aktører som Equinor, som har noen svære gasskompressorer koplet til nettet. Disse er ømfintlige for slike fenomener vi skal kunne studere i detalj, sier Dahlhaug.

Professor Arne Nysveen ved Institutt for elkraftteknikk på NTNU bekrefter at det er stor interesse stor for dette tiltaket fra flere av de større kraftprodusentene i HydroCen.

– Vi har allerede satt i gang med interne, uallokerte midler for å se på påkjenninger i akslinger og lagre. Det er vanligvis svært komplisert, men blir mulig med et slikt laboppsett, sier han.

Hvem som kom på ideen om å kople sammen Vannkraftlaboratoriet og Smartgridlaboratoriet, er usikkert. Men det var forsker Olve Mo på SINTEF Energi som fikk ideen inn på kontorpulten med oppdraget om å designe sammenkoplingen.

Kopling elektro og mekanisk

– Vi så at vi kunne kople sammen simuleringen og styringen av det elektriske og det mekaniske i de to laboratoriene for å komme ett hakk nærmere virkeligheten, sier han.

Det gir nye muligheter for å gjennomføre laboratorieforsøk på forhold som ikke har vært så enkelt å få til tidligere. For eksempel interaksjon mellom turbin, vannveier, frekvensregulatorer på mekanisk side, og tilsvarende spenningsregulering på elektrisk side.

– Det elektriske nettet er veldig koplet: Et lastpåslag slår veldig fort inn og gjenspeiler seg i andre deler av nettet veldig kjapt. Dette virker igjen tilbake på det mekaniske utstyret på produksjonssiden, sier kraftelektronikk- eksperten Olve Mo.

Turbinen står i Vannkraftlaboratoriet, og generatoren i Smartgridlaboratoriet. Turbin og generator er mekanisk koplet til hver sin motor som drives av hver sin kraftelektronikk- omformer. Så kopler de styringen sammen, slik at akslingene går helt synkront, på samme vis som de ville gjort i et virkelig kraftverk.

– Hvis da turbinen øker litt, vil generatoren i Smartgridlaboratoriet merke det. Det fine med laboratoriet er at vi her kan sette opp et hvilket som helst kraftnett, påpeker Moe.

Han viser til at kraftverkene ønsker å kjøre mye hardere enn tradisjonelt. Da trenger de mer kunnskap om konsekvensene, og å vite hvordan man da kan beskytte utstyret og utvikle regulatorer som er optimalt responsive på det som skjer, både mekanisk og elektrisk. Kraftprodusentene ønsker å optimalisere driften for å minimalisere både effekttap og slitasje på utstyret.

– Tanken er at når man får et slikt laboratorieoppsett, vil det i seg selv generere ideer for nye forskningsprosjekter, sier Olve Mo.

I full gang med forsøk i 2022

Dahlhaug forteller at utstyret og systemene sannsynligvis er på plass i løpet av sommeren eller tidlig på høsten. Deretter går det noen måneder på å teste, kalibrere og finstille oppsettet, før de første ordentlige, bruker-involverte prosjektene starter opp i 2022.

– Vi har et prosjekt på trappene for å se på utmattingsfenomener på turbinen som følge av ustabile nett. Vi vil også studere hvordan trykkpulsasjoner i turbinen og massesvingninger i tunnelene vil påvirke nettet, sier han.

V i har oppnådd mer enn vi kunne drømme om, sier professor Arne Nysveen når vi ber ham oppsummere resultatene av forskningen så langt innenfor arbeidspakke Turbin og generatorer (WP2), som han leder.

WP2 er den største arbeidspakken i HydroCen, og har følgende delmål:

• Utvikle nye tekniske løsninger for effektkjøring
• Bedre metoder for å beregne påkjenninger på turbiner og generatorer
• Ny teknologi for ombygging av kraftverk til pumpedrift
• Sikker drift og levetid for turbiner og generatorer

– Det er ikke mye som står igjen før vi kan si vi har oppfylt disse målene, og vel så det. Vi ligger godt an etter halvgått løp.

Variabelt turtall

Nysveen peker spesielt på det som er oppnådd når det gjelder design av francisturbiner med variabelt turtall. I alt har seks stipendiater i vært sving på dette området. De har studert påkjenninger på og design av generatoren, design og styring av frekvensomformeren samt samspill med kraftnettet.

Slike aggregat gjør det mulig å øke ytelsen til kraftverkene. I tillegg til å gi økt effekt, bidrar kjøring med variabelt turtall også til bedre frekvensstabilitet i nettet. I forskningen i HydroCen er det mye oppmerksomhet rundt systemnytten av vannkraftmaskiner. Ved å tilby systemtjenester, for eksempel når et kjernekraftverk stanser eller en utenlandskabel faller ut, øker vi verdien av den norske vannkraften. Et mer fleksibelt vannkraftsystem vil kunne forebygge at nettet går i svart.

Tiltak mot økt slitasje

– Men mer fleksibilitet og økt effektkjøring gir også større slitasje på turbiner og generatorer. Gjennom flere PhD-prosjekter har vi fått utviklet metoder for tilstandskontroll og feildeteksjon for å sikre bedre drift og lengre levetid for kritiske komponenter. Dette er viktig å kunne minske vedlikeholdskostnadene til kraftverkene.

Nysveen trekker også frem resultatene fra forskningen for å kunne omgjøre eksisterende kraftverk til pumpekraftverk, uten store og kostbare investeringer (jfr. reportasjen på side 8), noe som for øvrig er en norsk ide.

Han ser det som lite realistisk, verken økonomisk eller miljømessig, med nye rene pumpekraftverk i Norge, men viser til at det finnes en rekke eksisterende vannkraftverk med øvre og nedre magasin som samlet vil kunne gi flere GW dersom de blir bygget om til pumpedrift. Det kan gjøres ved å sette inn en kontraroterende turbin som også pumper vannet opp i magasinene, installere frekvensomformer og en boosterpumpe for å unngå «dykking» og kostbar ombygging av stasjonen.

Nesten i mål

– Her er vi nesten i mål. Vi har designet, fått laget og testet en modell av en reversibel turbin og en boosterpumpe, det som gjenstår er å lage en smart motor. Det skal vi nok få til. Så er det bare å sette i gang å bygge om det første kraftverket, eksempelvis Roskrepp i Sira-Kvina, som for øvrig er brukt som case i forskningsarbeidet, sier Nysveen.

Han legger vekt på at pumpekraft vil kunne bli et viktig bidrag til nettstabilitet, ikke minst når det i fremtiden kommer store mengder uregulert kraft fra Nordsjøen, jfr. de norske planene om bygging av svære offshore vindparker.

Nysveen er professor på Institutt for elkraftteknikk, og hans faglige bakgrunn er knyttet opp mot problemstillinger rundt generatorer og motorer.

– I HydroCen er turbiner og generatorer, det som tidligere har vært nærmest to ulike verdener, samlet i én arbeidspakke. Det er en stor styrke å kunne jobbe på tvers av fagene. Forskere og studenter her på instituttet har fått mye nyttig kunnskap, ikke bare om turbiner, men også om vannveier og geologi. Dette er et stort pluss, tverrfagligheten øker kvaliteten til forskningen på vannkraft, sier professor Arne Nysveen.

H åkon Sundt (43) fra Stjørdal har gitt seg i kast med et sentralt tema innen miljøovervåking og analyse av vassdrag i doktorgraden han er i ferd med å avslutte i løpet av året: Hvordan man kan forbedre og forenkle miljødesign ved hjelp av fjernmåling av vassdragene.
I praksis betyr det at han kartlegger topografien i noen utvalgte elver ved hjelp av laserscanning fra fly og med satellittbilder. Da kan han modellere elvene ned på desimeternivå og vel så det. Ved hjelp av kunnskap om hydrauliske strømninger, kan han modellere hvordan vannet flyter i kulper, svinger, over terskler og alle andre topografiske forhold i elvene.

Beregner fiskens oppførsel

– Med kunnskap om hvordan fisken oppfører seg, kan vi dermed med en viss nøyaktighet forutsi hvor den gyter og ellers oppholder seg til enhver tid, sier Sundt.

Målinger med grønn laser fra fly kan være kostbart, mens satellittbildene er oftest gratis. Det er jord- og miljøobservasjonssatellitter fra den europeiske romorganisajsonen ESA og andre aktører med tilknytning til forskningen som leverer bildedata til Sundt og andre forskere.

Da kan Sundt kombinere data fra flere kilder, inkludert «gamlemåten» med å vasse uti elva og stikke manuelt, og få tidsserier for å se på hvordan topografien og dermed livsvilkårene til fisk og andre dyr endrer seg etter for eksempel flom eller tørkeperioder.

Mindre partisk jobbing

Håkon Sundt tok fatt på doktorgradsstudiene i 2017 etter å ha jobbet med vannkraftrelaterte miljøsaker som forsker og forskningsleder i SINTEF fra 2002. Men den naturglade og miljøengasjerte trønderen ser en hake ved å utvikle topografiske målemetoder med digitale hjelpemidler:

– Det er mye mindre praktisk jobbing i elva. Men laserscanning fra fly og satellittbilder dekker «heldigvis» ikke alt. I Norge har vi mye høye fjell og dype daler som gir skygge, dessuten dekker vegetasjon og skyer til mye, og norske elver er «villere», slik at vannspeilet blir mindre gjennomskinnelig. Da må vi tre på på oss vadebukene og komme oss ut i elva, sier PhD-stipendiat Håkon Sundt.

S å å si alle forskningsprosjektene i HydroCen baserer seg på digitale hjelpemidler på forskjellige plan. Men hittil har ikke selve digitaliseringen vært gjenstand for oppmerksomhet, selv om det løper en del prosjekter og initiativer ellers i kraftbransjen. Nå vil forskerne og bransjen samle sine krefter i HydroCen også på dette området.

– Vi bør sikre at ny kunnskap også på dette området får et bredest mulig nedslagsfelt, og unngå dobbelt arbeid, sier professor Ole Gunnar Dahlhaug på Institutt for energi- og prosessteknikk ved NTNU.

Studentprosjekt

Som en begynnelse, har HydroCen startet et prosjekt der studenter fra industriell økonomi og teknologiledelse, maskin, elektro og IKT skal finne noen enkle modeller for kostnader ved fleksibel drift, og samle inn reelle driftsdata fra turbiner.

– Dette skal vi kunne bruke for å finne de reelle kostnadene ved et slikt kjøremønster, sier Dahlhaug.

Studentene skal bidra til å utvikle moduler for vannkraftturbiner, generatorer og finans. Turbin- og generatormodulen skal kvantifisere tapt levetid ved ugunstig drift, finansmodulen skal prissette levetidsreduksjonen, og til slutt skal det hele bindes sammen i en enhetlig modell.

Gått i bresjen

Dahlhaug peker på at det er noen norske kraftprodusenter som lenge har gått i bresjen med systematisk å samle inn data fra driften og utvikle verktøy og metodikk for å nyttiggjøre seg dette.

– Eidsiva, nå Hafslund Eco, har vært en foregangsbedrift, som vi for øvrig er så heldige å ha med i HydroCen. Også BKK Produksjon er langt framme på dette området. Nå planlegger vi for hvordan vi skal kunne nyttiggjøre oss deres erfaringer, og bygge videre på den kunnskapen de har utviklet til beste for en samlet kraftbransje. Også Statkraft har kommet på banen, med blant annet standardisering og bransjeforumet Generic Life.

Ryddearbeid

Standarden ISO/IEC 81365, også kalt RDSPS, vil bli ISO/IEC alternativet til de tilbaketrukne norske standardene EBL-kodeplan og NEK321/322, samt VGB-standardene KKS og RDS-PP. Den nye standarden dreier seg om å gi objekter i et digitalt system enhetlige betegnelser på grunnivå. Hos Statkraft er det først og fremst Erik Wiborg som har bidratt i dette standardiseringsarbeidet.

– Jobben nå er å rydde, organisere og standardisere. Denne prosessen er behovsdrevet, men vi må utvikle dette i takt med hva vi har ressurser til, sier han.

Wiborg forteller at Statkraft har flere initiativer som går på å samle, strukturere, forfine og slutt nyttiggjøre informasjon til beslutningstøtte.

– Til dette følger vi standarden RDS-PS. Arbeidets resultater skal implementeres på tvers av teknologier (vind og vann) og landene der Statkraft har kraftproduksjon.

Samle og systematisere

Hos Hafslund Eco har Joakim Gundersen og hans team jobbet med å systematisere driftsdata og utviklet metodeverktøy for å analysere disse i mange år. Verdien i dette arbeidet har vært at man allerede i 2008 begynte å samle og ta vare på driftsdataene som nå brukes til blant annet å lage tilstandsanalyser.

– Etter at vi fusjonerte til et større selskap, evaluerte vi det som var gjort, og besluttet å satse videre på dette for hele organisasjonen. Nær sanntids operasjonell informasjon gjøres tilgjengelig på en enkel og sikkert måte for de ansatte, slik at dette kan brukes som beslutningsstøtte i hverdagen. Det danner fundamentet for den automatiserte, elektroniske tilstandsovervåkningen av kraftverkene, sier han.

Kopler fagmiljøene

Gundersen påpeker at selskapets kjernekompetanse er kraftverksdrift.

– I tillegg besitter vi også kompetanse innen analyse og programmering. Ved å kople disse tunge fagmiljøene sammen, er vi i stand til å utvikle løsninger og digitalisere vår kraftverkskompetanse. Dette åpner for nye måter å jobbe på, vi får bedre innsikt i kraftverkenes tilstand og virkemåte, og ikke minst en effektiv måte å dele erfaring på tvers i selskapet.

– For ytterligere å forbedre analysene og innsikten, er det spennende å se på hvordan resultater fra for eksempel forskningsprosjektene i HydroCen og initativ som Generic Life kan inkluderes i vår egen løsning, sier Gundersen.

M ye av vannkraftteknologien har nådd et godt modent stadium, der det begynner å bli marginalt hva man klarer å hente ut av økte virkningsgrader og andre teknologisprang. Der norske turbinprodusenter og vassdragsdesignere en gang var verdensledende, og utlendingene sto i kø for å lære av oss, har flere andre vannkraftnasjoner i dag nådd omtrent samme teknologiske nivå, og det bygges mye vannkraft i Asia og Sør-Amerika.

Miljødesign er blitt et av områdene som gjør at norsk vannkraftkompetanse ligger et hestehode foran internasjonale konkurrenter. Miljøaspektet blir ilagt stadig større vekt i flere andre land, og for eksempel Verdensbanken har lenge stilt strenge krav til nye vannkraftprosjekter for at de skal få støtte. Her ligger Norge i fremste front med sin kunnskap.

Håndboka i miljødesign for regulerte laksevassdrag, som SINTEF Energi og NINA utarbeidet og publiserte gjennom HydroCenforløperen CEDREN i 2013, har vært en ubetinget suksess både i Norge og internasjonalt. Nå er HydroCen i ferd med å følge opp suksessen med å utvikle tilsvarende metodikk også for andre arter og tjenester.

Gode miljøløsninger

Dette er et eget område i HydroCens arbeidspakke 4, som ledes av seniorforsker Torbjørn Forseth på Norsk Institutt for naturforskning (NINA). Han var også sentral i utviklingen av den nevnte håndboka for miljødesign i laksevassdrag.

– Gode miljøløsninger er avgjørende for at vassdragsregulantene fortsatt skal ha en høy aksept fra storsamfunnet, påpeker han.

– Metodene og analyseverktøyene som forskerne utvikler i arbeidspakke 4, utvider verktøykassen for miljødesign. Disse er ment å skulle ivareta storsamfunnets interesser og behov for å ta hensyn til så vel miljøaspektene som krav til landskapsopplevelse og rekreasjon.

Samtidig er klimaendringene kanskje er den alvorligste trusselen mot fiskebestander og annet liv i og rundt vassdragene.

– Derfor er det viktig at vårt hensyn til miljøet ikke går for mye på bekostning av kraftproduksjonen. Det er et vesentlig element for å få til en overgang til et samfunn med minimale utslipp av karbon fra fossile kilder. Vår forskning er innrettet mot denne kontinuerlige avveiningen, sier han.

Måle og dokumentere

Forseth legger til at også krav fra norske regulerende myndigheter og ikke minst EUs direktiver skaper et behov for vassdragsregulantene for å måle og dokumentere den faktiske effekten av reguleringen og å finne gode løsninger.

– Vi har skapt resultater som både bevarer og forbedrer det økologiske mangfoldet i de regulerte vassdragene, i tillegg til at vi ivaretar lokalbefolkningens behov for rekreasjon og naturopplevelser langs vassdragene. I bunnen av det hele, ligger premisset at vi også skal ta hensyn til behovet for å opprettholde en høy kraftproduksjon, understreker Forseth.

Resultater

Et par av resultatene av arbeidet, er de nye ledegrindene som testes ut i Mandalsvassdraget og nye metoder for fjernmåling av vassdrag fra fly og satellitt (se egne saker). Forskere fra NINA har gjennom HydroCen også utviklet en enda bedre metode for å finne hvor mye fisk det er i elva ved å bruke moderne genteknologi.

I et større prosjekt i ørretvassdraget Nea i Trøndelag har forskerne i HydroCen nettopp fått bekreftet at terskeldammer verken er gunstig for fisk eller bunndyr. I stedet «perforerer» de tersklene med ramper for å gjøre ørretens vandring opp og ned elva lettere, og øke biodiversiteten i elva.

A vdelingsleder for teknologi Jan Petter Haugli hos Statkraft forteller at selskapet bruker betydelige ressurser på forskning og utvikling (FoU), både internt i selskapet og i bilateralt samarbeid med kunder og leverandørbedrifter, men også i samarbeid med andre kraftselskaper gjennom forskningssenteret HydroCen.

– Det er viktig for oss at en del av våre midler går gjennom et slikt bransjesamarbeid. Vi har ikke tallfestet dette, men vi ser at vi får generert mer forskningsaktivitet og oppnår flere og bedre resultater fra de ressursene vi bruker på dette enn om vi skulle gjort alt på egen hånd.

Vannkraftprodusenter – vi og våre konkurrenter – har mange beslektede utfordringer som løses best gjennom å samarbeide, sier Haugli.

Han peker også på hvordan midler fra Forskningsrådet kanaliseres, og at et større samarbeid har lettere for å trigge både mer og bedre målrettede statlige investeringer i nødvendig forskning.

Tverrfaglig

Haugli understreker det tverrfaglige perspektivet. – HydroCen er spesielt godt egnet til felles bestrebelser for å utvikle markedene, i kombinasjon med tekniske løsninger, og til å se på hvordan vassdragsreguleringen påvirker biologien og folks opplevelse av natur, sier han.

Haugli legger til at Statkraft ikke alltid er like enige i prioriteringene av forskningsmidlene internt i HydroCen, men ser likevel at selskapet drar fordeler av det tverrfaglige samarbeidet.

– Vi blir engasjert i prosjekter som vi kanskje ikke ville prioritert om vi hadde gjort alt på egen hånd. Dette er med på å gi oss et bredere perspektiv på våre aktiviteter, som vi likevel profiterer på når det kommer til stykket.

Oversikt og perspektiver

Som eksempel nevner han pumpekraft. Andre partnere i HydroCen enn Statkraft har promotert dette tyngre. – Resultatene og læringsutbyttet fra disse prosjektene er absolutt av betydning for oss. Vi får en god oversikt over hvilke teknologier som er tilgjengelige, og hva som åpner seg i nær framtid, forteller han.

Han nevner også forskning som viser nytten av variable turtallsløsninger i vannkraftverk, som kan danne grunnlaget for å levere systemtjenester.

Partene i HydroCen har også kartlagt handlingsrommet for økt kraftproduksjon fra ett enkelt vassdrag – Mandalsvassdraget – gjennom prosjektet AlternaFuture.

– Dette er det mest tverrfaglige prosjektet vi har hatt i HydroCen hittil. Der fikk vi utviklet en metodikk som gjør det enklere å gjennomføre liknende mulighetsstudier i andre vassdrag, uavhengig av hvem som er regulant, sier Haugli.

Rekruttering

Behovet for å styrke rekrutteringen til vannkraftbransjen generelt, men også for egen rekruttering, er også en viktig motivasjon for Statkraft for å delta i HydroCen.

– Et slikt akademisk samarbeid har vært høyt på vår agenda helt siden forløperen til HydroCen – Norsk Vannkraftsenter – var aktuell, og sikkert også lenge før det igjen.

Han trekker fram muligheten for å bygge faglige nettverk, og betydningen for Statkrafts egen ressursbase.

– Det er sannsynlig at den kompetansen som blir opparbeidet gjennom HydroCen, blir en viktig ressursbase for Statkrafts framtidige rekrutteringsarbeid, sier han.

Faktagrunnlag

Han legger til at resultatene fra HydroCen også er en viktig del av grunnlaget når Statkraft skal gjøre strategiske beslutninger om selskapets videre utvikling og aktiviteter.

– I tillegg er disse resultatene viktig dokumentasjon for oss i søknader og diskusjoner med de regulerende myndighetene. Vi får også et faktabasert grunnlag for hvordan vi kan manøvrere i vassdragene, innenfor reguleringsreglementet, sier Haugli.

Ønske om framtida

Haugli trekker fram at selve vannkraftteknologien er veldig moden teknologi, der det er ressurskrevende å komme fram til betydelige resultater gjennom enda mer forskning.

– Men på det tverrfaglige er det mye å hente; i skjæringspunktene mellom teknologi, marked, biologi og allmenn aksept. Derfor ønsker vi at HydroCen i resten av senterets levetid skal konsentrere flere av sine aktiviteter på disse områdene, sier Jan Petter Haugli i Statkraft.

I Materiallaboratoriet på NTNU er Hydro- Cen i ferd med å installere utstyr som skal kjøre fullskala utmattingstester på eldre vannkraftaggregater. Laboratoriesjef Filippo Berto forteller at det er stor interesse i Europa for bedre metoder for å fastslå restlevetid på turbinaggregater, og at de nye testfasilitetene på NTNU kommer til å bli unike i sitt slag.

– EU investerer mye i dette nå, gjennom blant annet prosjektene HydroFlex, XFlex Hydro og AFC4Hydro. Men norske vannkraftverk skiller seg ut ved at mange har høytrykksanlegg. Det setter også andre krav til testfasilitetene, sier Berto.

Han forteller at det det ikke har vært forsket mye på dette tidligere, og at bransjen i prinsippet mangler en del data fra anleggene som kunne fortalt kraftprodusentene litt mer om tilstanden på anleggene.

– Vi kommer til å kjøre grundige utmattelsestester og kan variere flere grunnleggende parametere, som trykk, temperatur, lastpådrag og vannkvalitet.

Berto håper at de spesialkonstruerte testmaskineriet kan bli installert innen sommeren, og at prosjektet skal løpe ut resten av HydroCens levetid, det vil si drøye tre år.

Hos Rainpower forteller Henning Lysaker at de følger nøye med, og vurderer å benytte muligheten til å studere noen gamle havarerte løpehjul med det nye laboratorieutstyret for å finne årsakene til havariene.

– Dette er materiell som har stått og gått i opptil femti år, med et antall sykluser du må bruke mer enn tierpotens for å telle. Det vil være interessant å finne ut om havariene skyldtes en tilfeldig innebygd materialfeil, eller om det er andre strukturelle årsaker, og derved materialets generelle levetid, som ligger bak.

Han legger til at også utmattelsestestene vil være av stor interesse for turbinprodusenten, for bedre å kunne dokumentere soliditeten til deres produkter.

– Vi venter nå på at utstyret skal komme på plass, og at HydroCen utlyser frie midler i en «open call» som vi kan bruke til å finansiere et prosjekt, sier Lysaker.

S jefforsker Birger Mo ved SINTEF Energi leder arbeidspakke 3, Marked og tjenester, som i hovedsak dreier seg om å utvikle beslutningsverktøy for forbedret drift av vassdrag som produsentene kan benytte til både driftsplanlegging og til å gjøre investeringsanalyser.

– Bakgrunnen for arbeidet er at kraftsystemet endrer seg, samtidig som det skal være revisjoner av konsesjonsvilkårene i mange vassdrag. Når man skal oppgradere, kan man vurdere å øke fleksibiliteten i systemet som følge av blant annet forventninger til større prisvariasjon. Da er det viktig med et godt beslutningsgrunnlag, som tar hensyn til hvordan man tror den fremtidige driften blir, sier Mo.

Mangler data

Arbeidspakken i WP3 er delt inn i fem ulike prosjekter. I det første prosjektet har de laget et datasett som gir prisprognoser for hele Nord-Europa for 2030, med priser time for time for ulike tilsigsår og værår. Prognosene og datasettet brukes i de andre prosjektene i arbeidspakken og i andre forskningsprosjekter.

Prosjekt 2 handler om hvilken kostnad det er ved å endre drift, og hva for eksempel hurtigere regulering medfører i økte driftskostnader.

Forskerne har videreutviklet systematikken som fantes før, men inputstatistikken mangler.

– Det finnes veldig lite statistikk som gir grunnlag til å estimere sammenhenger mellom endret driftsmønster, økt feilhyppighet og endret behov for vedlikehold. Feil oppstår relativt sjelden, og det kreves derfor lange serier med observasjoner. De fleste generatorer/turbiner er dessuten forskjellige, påpeker Birger Mo.

Alternativ vei

Derfor har de gått motsatt vei, og forsøkt å finne ut hvilke kostnader som må til for at man bør endre strategien.

– Hvis det koster å kjøre under beste punkt og ned mot minimumsproduksjonen, har vi sett på hvor store disse kostnadene må være for at det skal bety noe for driften, sier han.

I prosjektet arbeides det med å gi informasjon om komponentene, og å få en samlet vurdering av kostnader for hele kraftstasjonen, spesielt for turbin/generator, som kan brukes i modellene for optimaliseringen av driften.

– Man må forbedre og systematisere registreringene for å gi bedre estimater, sier Mo.

I prosjekt nummer tre arbeider de med et investeringsverktøy som tar hensyn til kortidsvariasjonen og balanseringen av vannkraften. Da trengs et svært detaljert simuleringsverktøy, som ligger tett opptil det man gjør i den faktiske driften.

Et slikt verktøy skal kunne analysere for eksempel ulike virkningsgradkurver og andre forbedringer som krever detaljert modellering av fysiske sammenhenger.

– Slik skal man finne ut om det er lønnsomt eller ikke å investere for eksempel 10 millioner kroner for å få litt bedre reguleringsmulighet i en stasjon, sier Mo.

Myke restriksjoner

Prosjekt nummer 4 handler om vannverdiene.

– Noen miljørestriksjoner er veldig vanskelige å ta hensyn til på riktig måte når man beregner vannverdiene. Ett eksempel er tapperestriksjoner som er avhengig av magasinfylling. Dersom magasinet fra 1. juni til 1. august er lavere enn 80 prosent, får man ikke lov å tappe fra magasinet. Vi snakker her om såkalte myke restriksjoner, det er ikke slik at magasinet aldri skal være under 80 prosent. Dette er mye vanskeligere å modellere i optimaliseringsmodellene enn en absolutt restriksjon. Vi forsøker å forbedre den matematiske løsningsmetodikken, slik at vannverdiene blir bedre, sier Mo.

Forbedrer algoritmer

Han forteller at det innebærer å forbedre algoritmene som brukes.

– Vi prøver å forbedre representasjonen og gjøre forenklinger, som gir en bedre strategi, sier Mo.

En utfordring er at løsningsalgoritmene som brukes, ikke må gi for lang beregningstid.

Det siste prosjektet handler om å forbedre bruken av radar i tilsigsprognosene, spesielt for å forbedre presisjon i fordeling av nedbør. Det kan brukes til å utnytte vannet bedre i veldig små magasiner.

– Med gode tilsigsprognoser kan man ligge nærmest mulig grensen, og tjene mer penger, sier Birger Mo.