Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες

Transcript

1 Υδροηλεκτρικά Έργα 8ο εξάμηνο Σχολής Πολιτικών Μηχανικών Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες Ανδρέας Ευστρατιάδης, Νίκος Μαμάσης, & Δημήτρης Κουτσογιάννης Τομέας Υδατικών Πόρων & Περιβάλλοντος, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ακαδημαϊκό έτος

2 Υ/Η ταμιευτήρες: Οφέλη και επιπτώσεις Οφέλη ως έργα πολλαπλού σκοπού: Αποθήκευση και παραγωγή Υ/Η ενέργειας Απολήψεις νερού για υδρευτικές και αρδευτικές χρήσεις (δυνατότητα επιπρόσθετης αξιοποίησης νερού που διέρχεται από τους στροβίλους) Αντιπλημμυρική προστασία Έμμεσα οφέλη από τουριστική αξιοποίηση Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Σημαντική διαφοροποίηση της φυσικής υδρολογικής δίαιτας του ποταμού (εξομάλυνση ροής, σημαντικά μειωμένη συχνότητα και μέγεθος πλημμυρικών αιχμών, διακοπή ροής στο τμήμα μεταξύ του φράγματος και του ΥΗΣ) Συγκράτηση φερτών (μη αναστρέψιμη επίπτωση) Παρεμπόδιση κυκλοφορίας ψαριών Αλλαγή οικοσυστήματος από ποτάμιο σε λιμναίο Αισθητική όχληση σε περίπτωση έντονων διακυμάνσεων της στάθμης Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 2

3 Χαρακτηριστικά μεγέθη ταμιευτήρα Κατώτατη στάθμη λειτουργίας (ΚΣΛ): Ελάχιστη τιμή στάθμης νερού στον ταμιευτήρα, πάνω από την οποία μπορεί να παραληφθεί νερό από την υδροληψία Ανώτατη στάθμη λειτουργίας (ΑΣΛ): Μέγιστη στάθμη απολήψεων υψόμετρο στέψης υπερχειλιστή (ελεύθερος υπερχειλιστής, χωρίς θυροφράγματα) υψόμετρο άνω παρειάς θυροφραγμάτων (Υ/Η ταμιευτήρας, με εκχειλιστή) Ανώτατη στάθμη πλημμύρας (ΑΣΠ): Μέγιστη στάθμη που εκτιμάται ότι μπορεί να ανέλθει το νερό στη διάρκεια της πλημμύρας σχεδιασμού του υπερχειλιστή Ελεύθερο ύψος: υψομετρική διαφορά μεταξύ ΑΣΠ και στέψης φράγματος (περιθώριο ασφάλειας για κυματισμούς, κτλ.) Νεκρός όγκος: Όγκος ταμιευτήρα μέχρι την ΚΣΛ, που στο πέρας της ζωής του έργου προβλέπεται να καταληφθεί από φερτά (μη απολήψιμο απόθεμα) Ωφέλιμο απόθεμα: Όγκος νερού που μπορεί να αξιοποιηθεί για διάφορες χρήσεις, που υπολογίζεται αφαιρώντας το νεκρό όγκο από το συνολικό απόθεμα Ωφέλιμη χωρητικότητα: Μέγιστος απολήψιμος όγκος νερού (μέγιστο ωφέλιμο απόθεμα), που ορίζεται ως η διαφορά αποθέματος μεταξύ της ΑΣΛ και της ΚΣΛ Μικτή χωρητικότητα: Συνολική χωρητικότητα ταμιευτήρα στην ΑΣΛ (= άθροισμα ωφέλιμης χωρητικότητας και νεκρού όγκου) Πλημμυρικός όγκος: Μέγιστος όγκος πλημμύρας που μπορεί να ανασχεθεί στον ταμιευτήρα, θεωρώντας την ΑΣΛ κατά την έναρξη της πλημμύρας σχεδιασμού Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 3

4 Χαρακτηριστικά υψομετρικά μεγέθη Στέψη φράγματος Ανώτατη στάθμη πλημμύρας Ελεύθερο ύψος Ανώτατη στάθμη λειτουργίας Στέψη υπερχειλιστή Θυρόφραγμα Ύψος φράγματος Κατώτατη στάθμη λειτουργίας Υδροληψία Υψόμετρο πυθυμένα Υψόμετρο θεμελίωσης Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 4

5 Χαρακτηριστικά μεταβλητά μεγέθη (μεταβλητές υδατικού ισοζυγίου) Εισροές λόγω βροχόπτωσης στην επιφάνεια του ταμιευτήρα Απώλειες λόγω εξάτμισης από την επιφάνεια του ταμιευτήρα Στάθμη νερού στον ταμιευτήρα Εισροές λόγω απορροής από την ανάντη λεκάνη Εισροές λόγω μεταφοράς νερού απο άλλες λεκάνες Πλημμυρικός όγκος Ωφέλιμος όγκος Νεκρός όγκος Εκροές λόγω υπερχείλισης Εκροές από τους αγωγούς υδροληψίας Διαφυγές νερού από τον ταμιευτήρα Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 5

6 Καμπύλες στάθμης-αποθέματος-επιφάνειας Εκφράζουν τη μεταβολή του (μικτού) αποθέματος, s, και της επιφάνειας της λεκάνης κατάκλυσης, α, συναρτήσει της στάθμης νερού στον ταμιευτήρα, z. Οι συναρτήσεις s = f 1 (z), και a = f 2 (z) κατασκευάζονται με βάση μια γνωστή σημειοσειρά στάθμης-επιφάνειας, δηλαδή ζεύγη τιμών (z i, a i ), που προκύπτουν με εμβαδομέτρηση των επιφανειών πάνω σε τοπογραφικό χάρτη. Στη γενική περίπτωση θεωρείται μια σχέση δύναμης μεταξύ επιφάνειας και στάθμης: λ a(z) = a 1 z z 0 z 1 z 0 όπου α 1 η επιφάνεια του ταμιευτήρα σε μια δεδομένη στάθμη z 1, z 0 η κατώτερη στάθμη του ταμιευτήρα, για την οποία μηδενίζεται η επιφάνεια, και λ συντελεστής. Για κάθε διαδοχικό ζεύγος (z 1, α 1 ) και (z 2, α 2 ) η τιμή του λ εκτιμάται από τη σχέση: λ = ln(a 2 /a 1 ) ln[(z 2 z 0 )/(z 1 z 0 )] Ο όγκος Δs που περικλείεται ανάμεσα στις στάθμες z 1 και z 2 είναι: z 2a(z) (z 2 z 0 ) a 2 (z 1 z 0 ) a 1 Δs = dz = λ + 1 z 1 Η καμπύλη στάθμης-αποθέματος κατασκευάζεται με βάση τον γνωστό όγκο που περικλείεται μεταξύ κάθε ζεύγους διαδοχικών σταθμών. Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 6

7 Στάθμη ταμιευτήρα (m) Παράδειγμα: Καμπύλες ταμιευτήρα Πλαστήρα Επιφάνεια ταμιευτήρα (km 2 ) AΣΛ = +792 m ΚΣΛ = +776 m 760 Απόθεμα Επιφάνεια Απόθεμα ταμιευτήρα (hm 3 ) Στάθμη (m) Επιφάνεια (km 2 ) λ ΔV (hm 3 ) Μικτό απόθεμα (hm 3 ) Ψηφιακό μοντέλο υψομέτρων ταμιευτήρα Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 7

8 Εξίσωση υδατικού ισοζυγίου Γενική εξίσωση υδατικού ισοζυγίου, στο διακριτό χρονικό διάστημα (t, t + Δt): όπου: s t + Δt = s t + q t + i t + g t + p t e t l t r t w t s t αποθηκευμένος όγκος νερού στην αρχή του χρονικού διαστήματος q t εισροές από την ανάντη λεκάνη (φυσική απορροή που παράγεται στη λεκάνη ή/και ρυθμιζόμενες εκροές ανάντη ταμιευτήρα, εφόσον υπάρχει) i t μεταφορά (εκτροπή) νερού από άλλες λεκάνες g t υπόγεια τροφοδοσία από κοινά υδρογεωλογικά συστήματα p t όγκος βροχής που προσπίπτει στην επιφάνεια του ταμιευτήρα e t απώλειες λόγω εξάτμισης από την επιφάνεια του ταμιευτήρα l t απώλειες λόγω υπόγειων διαφυγών νερού r t ρυθμιζόμενες εκροές από τον ταμιευτήρα w t απώλειες λόγω υπερχείλισης (εκροές νερού μέσω του υπερχειλιστή) Κατά κανόνα, η απορροή αποτελεί την ζητούμενη άγνωστη μεταβλητή του ισοζυγίου. Μοναδικά μετρήσιμα μεγέθη είναι η στάθμη (με βάση την οποία εκτιμώνται το απόθεμα και οι απώλειες λόγω υπερχείλισης) και οι ρυθμιζόμενες εκροές. Η εξίσωση υδατικού ισοζυγίου είναι πιο ακριβής όσο αυξάνουν η χρονική κλίμακα και το μέγεθος του ταμιευτήρα. Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 8

9 Κατάρτιση υδατικού ισοζυγίου ως προς τις εισροές Μεταβλητές εισόδου: z t στάθμη ταμιευτήρα στην αρχή του χρονικού βήματος (π.χ. 1 η μέρα του μήνα) p * t ισοδύναμο ύψος βροχής που προσπίπτει στην επιφάνεια του ταμιευτήρα e * t ισοδύναμο ύψος εξάτμισης από την επιφάνεια του ταμιευτήρα r t μετρημένες εκροές από τον ταμιευτήρα w t απώλειες λόγω υπερχείλισης (υδατικό ισοζύγιο σε κλίμακα πλημμύρας) Χαρακτηριστικές σχέσεις: Σχέση στάθμης-αποθέματος: s = f 1 (z) Σχέση στάθμης-επιφάνειας: a = f 2 (z) Σχέση στάθμης-διαφυγών: l = f 3 (z) Υπολογισμοί: Μεταβολή αποθέματος: Δs t = s t s t 1 = f 1 (z t ) f 1 (z t 1 ) Μέση στάθμη: z m,t = (z t + z t 1 )/2 Μέση επιφάνεια: a m,t = (a t + a t 1 )/2 = [f 2 (z t ) + f 2 (z t 1 )]/2 Εισροές ανάντη λεκάνης: i t = Δs t p t * a m,t + e t * a m,t + f 3 (z m,t ) + r t + w t όγκος βροχής όγκος εξάτμισης υπόγειες διαφυγές Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 9

10 Παράδειγμα: Υδατικό ισοζύγιο ταμιευτήρα Πλαστήρα Plastiras runoff mm Ιαν 1962 Ιαν 1963 Ιαν 1964 Ιαν 1965 Ιαν 1966 Ιαν 1967 Ιαν 1968 Ιαν 1969 Ιαν 1970 Ιαν 1971 Ιαν 1972 Ιαν 1973 Ιαν 1974 Ιαν 1975 Ιαν 1976 Ιαν 1977 Ιαν 1978 Ιαν 1979 Ιαν 1980 Ιαν 1981 Ιαν 1982 Ιαν 1983 Ιαν 1984 Ιαν 1985 Ιαν 1986 Ιαν 1987 Ιαν 1988 Plastiras runoff Ιαν 1989 Ιαν 1990 Ιαν 1991 Ιαν 1992 Ιαν 1993 Ιαν 1994 Ιαν 1995 Ιαν 1996 Ιαν 1997 Ιαν 1998 Ιαν 1999 Ιαν 2000 Ιαν 2001 Ιαν 2002 Ιαν 2003 Ιαν 2004 Ιαν 2005 Ιαν 2006 Ιαν 2007 Ιαν 2008 Ιαν 2009 Ιαν 2010 mm Series1 790 Ιαν 1962 Ιαν 1963 Ιαν 1964 Ιαν 1965 Ιαν 1966 Ιαν 1967 Ιαν 1968 Ιαν 1969 Ιαν 1970 Ιαν 1971 Ιαν 1972 Ιαν 1973 Ιαν 1974 Ιαν 1975 Ιαν 1976 Ιαν 1977 Ιαν Ιαν 1962 Ιαν 1963 Ιαν 1964 Ιαν 1965 Ιαν 1966 Ιαν 1967 Ιαν 1968 Ιαν 1969 Ιαν 1970 Ιαν 1971 Ιαν 1972 Ιαν 1973 Ιαν 1974 Ιαν 1975 Ιαν 1976 Ιαν 1977 Ιαν 1978 Ιαν 1979 Ιαν 1980 Ιαν 1981 Ιαν 1982 Ιαν 1983 Ιαν 1984 Ιαν 1985 Ιαν 1986 Ιαν 1987 Ιαν 1988 Ιαν 1989 Ιαν 1990 Ιαν 1991 Ιαν 1992 Ιαν 1993 Ιαν 1994 Ιαν 1995 Ιαν 1996 Ιαν 1997 Ιαν 1998 Ιαν 1999 Ιαν 2000 Ιαν 2001 Ιαν 2002 Ιαν 2003 Ιαν 2004 Ιαν 2005 Ιαν 2006 Ιαν 2007 Ιαν 2008 Ιαν 2009 Ιαν 2010 Στάθμη (m) Εκροές (hm 3 ) Εισροές (hm 3 ) Ιαν 1979 Ιαν 1980 Ιαν 1981 Ιαν 1982 Ιαν 1983 Ιαν Ιαν 1985 Ιαν 1986 Ιαν 1987 Ιαν 1988 Ιαν 1989 Ιαν 1990 Ιαν 1991 Ιαν 1992 Ιαν 1993 Ιαν 1994 Ιαν 1995 Ιαν 1996 Ιαν 1997 Ιαν 1998 Ιαν 1999 Ιαν 2000 Ιαν 2001 Ιαν 2002 Ιαν 2003 Ιαν 2004 Ιαν 2005 Ιαν 2006 Ιαν 2007 Ιαν 2008 Ιαν 2009 Ιαν 2010 Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 10

11 Χαρακτηριστικά μεγέθη και δεδομένα εισόδου μοντέλου λειτουργίας υδροηλεκτρικού ταμιευτήρα Χαρακτηριστικά υψομετρικά μεγέθη ελάχιστη στάθμη λειτουργίας, z min μέγιστη στάθμη λειτουργίας, z max υψόμετρο που αντιστοιχεί σε μηδενική (ή σχεδόν μηδενική) αποθήκευση, z 0 υψόμετρο εξόδου αγωγού προσαγωγής, z κ Χαρακτηριστικές σχέσεις (κ, λ, α, β, ψ: παράμετροι): Σχέση στάθμης-αποθέματος: s = κ (z z 0 ) λ Σχέση στάθμης-παροχετευτικότητας αγωγού προσαγωγής: u = a (z z κ ) β Σχέση στάθμης-εκροής-παραγωγής ενέργειας (ψ GWh/hm 4 ): e = ψ r (z z κ ) Χρονοσειρά υδρολογικών εισροών, i t (για χρονικό ορίζοντα μήκους n) Χαρακτηριστικά διαχειριστικά μεγέθη: στόχος ενεργειακής ζήτησης, e* (σταθερός ή χρονικά μεταβαλλόμενος) αρχικό απόθεμα, s 0 Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 11

12 Μοντέλο λειτουργίας υδροηλεκτρικού ταμιευτήρα Έστω ταμιευτήρας ωφέλιμης χωρητικότητας k, για τον οποίο τίθεται στόχος σταθερής ενεργειακής ζήτησης e* (στόχος παραγωγής πρωτεύουσας ενέργειας). Σε κάθε χρονικό βήμα t = 1,, n ορίζεται ένας μεταβλητός στόχος εκροής νερού από τους στροβίλους, που εξαρτάται από την τρέχουσα στάθμη του ταμιευτήρα, z t, δηλαδή: d t = e * /[ψ (z t z κ )] Το μοντέλο προσομοίωσης της λειτουργίας του ταμιευτήρα γράφεται: s t = s t 1 + i t r t r t w t (εξίσωση υδατικού ισοζυγίου) r t = min(s t, d t, u t ) (εκροές από στροβίλους, με βάση τον στόχο e * ) r t = min(u t r t, s t k) (επιπλέον εκροές από στροβίλους, αν s t > k) w t = max(0, s t k) (απώλειες λόγω υπερχειλίσεων) Εφόσον ο ταμιευτήρας εξυπηρετεί και άλλες χρήσεις νερού (π.χ. ύδρευση, άρδευση, οικολογική παροχή), η εκροή από τους στροβίλους εξαρτάται και από τις τιμές-στόχους και την ιεραρχία των λοιπών χρήσεων. Αν υπάρχει πλεονάζον απόθεμα στον ταμιευτήρα, διοχετεύεται κατά προτεραιότητα από τους στροβίλους αντί για τον υπερχειλιστή, παράγοντας ενέργεια πέραν του στόχου e *, η οποία καλείται δευτερεύουσα ενέργεια (στην πράξη, όποτε πραγματοποιείται υπερχείλιση, επιδιώκεται πάντοτε η λειτουργία των στροβίλων στην πλήρη παροχετευτικότητά τους). Το ποσοστό των χρονικών βημάτων κατά τα οποία επιτυγχάνεται ο στόχος παραγωγής ενέργειας αποτελεί μέτρο της αξιοπιστίας της υδροηλεκτρικής παραγωγής. Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 12

13 Μηνιαία παραγωγή ενέργειας (GWh) Αποτίμηση ενεργειακής επίδοσης Η αποτίμηση γίνεται με βάση την προσομοιωμένη χρονοσειρά παραγωγής ενέργειας, e t, με βάση την οποία εκτιμώνται: η αξιοπιστία κάλυψης της ενεργειακής ζήτησης (εκτιμάται εμπειρικά ως ποσοστό των χρονικών βημάτων για τα οποία ισχύει e t e * ) η παραγωγή ενέργειας πάνω από τον στόχο e * (δευτερεύουσα ενέργεια) η παραγωγή ενέργειας κάτω από τον στόχο e * (έλλειμμα ενέργειας) Κατατάσσοντας τη χρονοσειρά σε φθίνουσα σειρά, και αντιστοιχώντας μια πιθανότητα υπέρβασης σε κάθε τιμή, προκύπτει η καμπύλη διάρκειας-παραγωγής ενέργειας. Αν n είναι το μέγεθος της προσομοιωμένης χρονοσειράς, η εμπειρική πιθανότητα υπέρβασης της ταξινομημένης τιμής που βρίσκεται στη θέση i εκτιμάται από τη σχέση: p i = i / (n + 1) Με βάση την καμπύλης διάρκειας μπορεί να εκτιμηθεί η ενέργεια που εξασφαλίζεται για υψηλό (της τάξης του 95 έως 99%) επίπεδο αξιοπιστίας (πρωτεύουσα ενέργεια) Πρωτεύουσα ενέργεια, για αξιοπιστία 95% Στόχος παραγωγής ενέργειας Εμπειρική πιθανότητα υπέρβασης Α. Ευστρατιάδης, Ν. Μαμάσης, και Δ. Κουτσογιάννης, Υδροηλεκτρικοί ταμιευτήρες 13