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BENIGNI , Helmut JABERG Jrgen Schiffer und Stefan Hl days ave min 20 days ave min 10 days ave max 20...

Date post:06-Feb-2018
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  • Standortstudie

    Benigni 2013

    1

    KLEINWASSERKRAFT-PUMPSPEICHERSTANDORTSTUDIE KONZEPT, WIRTSCHAFTLICHE ANALYSE UND

    DRUCKSTOBERECHNUNG

    1 Technische Universitt Graz, Institut fr Hydraulische Strmungsmaschinen, Kopernikusgasse 24, A-8010 Graz, AUSTRIA

    Helmut BENIGNI1, Helmut JABERG, Jrgen Schiffer und Stefan Hller

    Kleinwasserkraftwerke fr Betreiber, Planer und Hersteller 19./20. September 2013, Luzern

  • Standortstudie

    Benigni 2013

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    pppp Oberbecken

    Unterwasser

    Pumpengebude

    Krafthaus

    Standort des Kraftwerkes

    Kreta

    600.000 EW

    Isoliertes Netz

    Hoher Anteil von nicht zuverlssig zur Verfgung stehender Stromerzeugung

    Schwierige Integration von weiterer Windkraft

    Hohe Lastunter-schiede Tag / Nacht

    Hohe Lastunterschiede bers Jahr

    Bedarf an Energiespeicher

    Lizenz: Windturbinenpark Pumpspeicherkraftwerk wird vorgeschrieben ybrid -

  • Standortstudie

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    Randbedingungen

    Garantiertes Einspeisen und Netzbezug Profitabelster Betrieb Standortanalyse mit Fallhhe von 550m Installation der Windturbinen ist mglich 5 MW fr 8 Betriebsstunden

    Vergtungen

    - Strom aus Wasserkraft, Preisbasis = 100% - bentigter Pumpstrom = 79% (teuer!) - Windkraft = 54%

    Leitungszuverfgungstellung wird zustzlich bezahlt.

    Maschinenkonzept ?

    (a) Grundriss

    (b) Hhenverlauf

    Unterwasser

    Oberwasser

  • Standortstudie

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    4

    GFK-Rohr L=940,5m

    Stahlrohr L=869m

    4 - 10 Pumpen 2-3 Turbinen

    Kraftwerksschema

    Oberwasser

    Unterwasser

  • Standortstudie

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    Basierend auf der Lizenz sind folgende Betriebsmodi mglich: 1. Windenergie (REP) fr 100% Pumpen; 2. Windenergie und Turbinenleistung, beide gemeinsam ins Netz; 3. Nur Windenergie ins Netz; 4. Kombination aus oben genannten Modi 1 3; Hydraulischer Kurzschluss zur freien Leistungseinstellung im Pumpbetrieb:

    Das ist nicht Teil der Lizenz aber ein zustzlicher Benefit

    Mgliche Betriebsmodi

  • Standortstudie

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    M M M M

    G G G

    Oberwasser

    Betriebsmodus 01, 100% Pumpen, 0% Turbine, 100% Windturbine Volllast Pumpen mit der Energie aus den Windturbinen (keine Leistungsabgabe ins Netz)

    100 % (5.1 MW)

    100 % (5.1 MW) 0 % (0 MW)

    750 l/s

    750 l/s

    0 l/s

    0 % (0 MW)

    M M

    Betriebsmodus: Pumpen mit Windkraft (REP)

    Unterwasser

    Turbinen

    Pumpen

  • Standortstudie

    Benigni 2013

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    Betriebsmodus: Volllast ohne Windkraft (REP)

    M M M M

    G G G

    Unterwasser M M

    0 % (0 MW)

    0 % (0 MW) 100 % (5 MW)

    1100 l/s

    100 % (5 MW)

    1100 l/s

    Betriebsmodus 02, 0% Pumpen, 100% Turbine, 0% Windturbine Volllast Wasserturbinen, keine Energie aus den Windturbinen, volle Leistungsabgabe ins Netz

    Oberwasser

    Turbinen

    Pumpen

  • Standortstudie

    Benigni 2013

    8

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    3000

    3500

    0 6 12 18 24

    Pow

    er [k

    W]

    hour

    Jan Average Feb Average

    March Average April Average

    May Average June Average

    July Average Aug Average

    Sept Average Oct Average

    Nov Average Dec Average

    Year Average

    Averaged power windpark

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    3000

    3500

    0 6 12 18 24

    Pow

    er [k

    W]

    hour

    Jan Average Feb Average

    March Average April Average

    May Average June Average

    July Average Aug Average

    Sept Average Oct Average

    Nov Average Dec Average

    Year Average

    Rovas wind park, averaged power

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    800

    01.01.2010 01.01.2011

    Time

    Pow

    er [k

    W]

    Averaged power windpark

    Windsituation

    Winddaten eines Windparks neben der geplanten Windkraftanlage

    Sehr gute Datenbasis des Windparks, 10 Minuten Intervalle

    11 Anlagen, Typ Vestas V52

    Seit 5 Jahren in Betrieb

    500

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    0 6 12 18 24

    Pow

    er [k

    W]

    hour

    Jan Average Feb Average

    March Average April Average

    May Average June Average

    July Average Aug Average

    Sept Average Oct Average

    Nov Average Dec Average

    Year Average

    Averaged power windpark

  • Standortstudie

    Benigni 2013

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    Weitere Aufsplittung der Daten

    August, Wind Power

    0

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    1000

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    2500

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    4000

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    5000

    5500

    0 6 12 18 24

    Hours

    Pow

    er [k

    W]

    AverageMinMax10 days ave min20 days ave min10 days ave max20 days ave max

    Tagesverlauf [h]

    Leis

    tung

    [kW

    ]

    Mittelwert Basis 20 Tage Minimum

    Mittelwert Basis 10 Tage Minimum

    Mittelwert Basis 20 Tage

    Maximum

    Mittelwert Basis 10 Tage

    Maximum Ein Monat, Leistung sortiert von der grten zur kleinsten

    August, Wind Power

    0

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    5500

    0 6 12 18 24

    Hours

    Pow

    er [k

    W]

    AverageMinMax10 days ave min20 days ave min10 days ave max20 days ave max

    Beispiel August: Niedrigste Energieproduktion: 0 kW !! Hchste Energieproduktion: Nennleistung (5.1 MW) Mittelwert: 2480 kW 10 schwchsten Tage: 310 kW (6 %)

  • Standortstudie

    Benigni 2013

    10

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    200

    300

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    700

    800

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

    Pow

    er [M

    W]

    Hour

    average Jan average Feb average March

    average April average May average June

    average July average Aug average Sept

    average Oct average Nov average Dec

    average Year

    Netzsituation Analyse fr 2007 und 2008 (15 min. Intervalle) Hchstwerte fr Juli und August gefolgt von Juni und September Tglich: Schwankungen mit dem Faktor 2

  • Standortstudie

    Benigni 2013

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    Turbinendurchfluss fr Nennleistung 1.1 m/s

    Stunden im Turbinenmodus (2 Tage, je 8h) 16 h

    Notwendiges Volumen fr Normalbetrieb 63360 m

    Reserve (muss stndig zur Verfgung sein) 2 h

    Volume fr Reserve 7920 m

    Gesamtvolumen 71280 m

    Gesamtvolumen (aufgerundet, Verdunstung u..) 75000 m

    Pumpendruchflu fr Nennleistung 0.75 m/s

    Faktor Pumpen/Turbine 1.467 []

    5 MW: Hchste mgliche Leistung die ans Netz geliefert werden kann. Garantierte Leistung: 5 MW whrend 8h 40 MWh. Der Wasserstand am Ende des Tages hat den gleichen Stand als am Beginn des Tages. Zukauf von Pumpenergie in der Nacht

    Randbedingungen fr die Szenarien

  • Standortstudie

    Benigni 2013

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    0

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    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    0 6 12 18 24

    Load

    Cre

    te [M

    W]

    Pow

    er [M

    W]

    DAY

    Scenario August

    Power from REP Total power for pumping Guar. power from turbine Total guar. power

    Power from grid for pumping 10 days ave min 20 days ave min 10 days ave max

    20 days ave max Creta Load [MW]

    Beispiel Fahrszenario mittlere Windlast Fr jeden Monat wurden 24h Szenarios entwickelt

    NETZ

    PUMPEN TURBINE

    WIND

    GAR. LEISTUNG

    Leistung vom Netz

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    0

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    0 6 12 18 24

    Load

    Cre

    te [M

    W]

    Pow

    er [M

    W]

    DAY

    Scenario August, 10 days min

    Power from REP Total power for pumping Guar. power from turbine Total guar. power

    Power from grid for pumping 10 days ave min 20 days ave min 31 days ave

    10 days ave max 20 days ave max Creta Load [MW]

    Beispiel Fahrszenario 10 Tage Minimum

    NETZ PUMPEN

    TURBINE

    WIND

    GAR. LEISTUNG

    Leistung vom Netz

    Hohe Anteile von Bentigter Pumpenergie (Nacht), teure Energie aus dem Netz Vergrerung der Windkraft?

  • Standortstudie

    Benigni 2013

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    Vergleich von verschiedenen Maschinenkonzepten

    1.6MW 5 MW

    10 min 10 ave 10 max Total 10 min 10 ave 10 max TotalJn. Jn. 137323.536Feb. Feb. 128182.417Mr. Mr. 136180.994Apr. Apr. 131718.808Mai. Mai. 94144.1923Jun. Jun. 104632.855Jul. Jul. 125061.044

    Aug. Aug. 142120.976Sep. Sep. 98539.3865Okt. Okt. 129771.289Nov. Nov. 90969.3124Dez. Dez. 114949.808

    800 kW REP direkt ins NetzLeistungsbereitstellung 127 Leistungsbereitstellung 127

    Total fr 1.6 MW 203200 Total fr 5 MW 635000

    Total Total

    Das Maschinenkonzept ist profitabel! ABER, jedes Monat ist trotzdem ein hoher Anteil an Pumpenergie notwendig! Die Verwendung von Peltonturbinen und Standardpumpen ist wirtschaftlich sinnvoll, wie ist dies aber technisch?

    Tiefere technische (und wirtschaftliche) Untersuchung notwendig

    auch mit Redimensionierung der Leistung

  • Standortstudie

    Benigni 2013

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    Configuration 1a 1b 1c 1d 2a 2bNo of pumps 4 4 6 6 8 6

    Stages 3 4 4 5 6 6eff 80.02% 83.97% 81.05% 82.90% 79.20% 82.91%

    Impeller diameter m 0.383 0.339 0.359 0.313 0.

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