Mikrovandkraftværk til fåreavlere Miljø & Ressourcer 42826 Tuperna Larsen s072497 Maria Knudsen s073130 21 08 2009 1
Mikrovandkraftværk til fåreavlere Indhold Indledning...4 Problemformulering...5 Del 1....6 Turbinetyper...6 Beskrivelse af PowerPal MHG 500HH...6 Forhold ved installering af et mikrovandkraftværk...7 Hydrologiske årstidsvariationer...7 Vinterperiode...7 Opbrudsperiode...8 Sommerperiode...8 Vandstandshævning og vandressource...8 Beregningsmetode til hævning af vandstand...9 Beregning af vandhævning i Akia...10 Estimering af vandressourcen i Akia...10 Delkonklusion...10 Drift udfordringer i Arktis...11 Nedbørsvariationer og temperatur...11 Opbevaring af energi...11 Vedligeholdelse...11 Målinger...12 Delkonklusion...12 Resultater...13 Del 2....14 Energiforsyning hos fåreavlere i Grønland...14 Den traditionelle...14 Vandkraftværker...14 2
Energibehov...16 Vandstandshævning ved generering af 12 kw og vandressource...16 Del 3....17 Løsningsmodeller til etablering af et mikro vandkraftværk...17 Dæmning...17 Kontinuerlig vandføring...17 Konklusion...18 Litteraturliste...19 Bilagsliste...20 Bilag 1. Interview af Erik & Mona Knudsen...21 Bilag 2. Beregninger...24 Bilag 3. Målinger... 26 Bilag 4. Vandføringsestimering og gennemsnitlig beregning af tryk [mws] og effekt [W]...28 Bilag 5. Beregninger til vandstandshævning og vandressource i Akia...29 Bilag 6. Beregninger til Vandstandshævning til 12kW og vandressource...error! Bookmark not defined. Bilag 7. Nedbørs data Sisimiut 2002 2004...32 Bilag 8. Nedbørsdata Qaqortoq 2000 208...33 3
Indledning Projektet er lavet under kurset Miljø og ressourcer 42826 med Morten Holtegaard Nielsen som vejleder. Projektet Mikrovandkraftværk til fåreavlere er delt op i tre afsnit. Den første del omhandler afprøvningen af turbinen PowerPal MHG 500HH og de tilhørende beregningsmodeller. I den anden del vil man ud fra de observationer og de indsamlede data der er foretaget, perspektivere resultaterne til en mulig etablering af et mikrovandkraftværk hos fåreavlere. Den tredje og sidste afsnit vil komme med løsningsmodeller til etablering af et mikrovandkraftværk. Hovedresultaterne vil fremstå i projektet, og beregningerne samt de indsamlede data vil være i bilag. Go læselyst Maria Knudsen s073130 Tuperna Larsen s072497 21. August 2009 4
Problemformulering Projektet Mikrovandkraftværk til fåreavlere skal komme med løsningsmodeller til helårs energiforsyning der dækker energibehovet hos f.eks. fåreavlere. Der er lagt op til at energiforsyningen skal være optimal under de arktiske forhold; forholde der leder til forskellige udfordringer. Udfordringerne er bl.a. vandtilførselsvariationer til vandreservoiret på årsbasis og den lave temperatur om vinteren der forårsager frost i søer, rør og floder. Ved løsningsmodellerne skal udfordringerne være taget i betragtning, dermed kan man være i stand til at opstille løsningsmodeller der giver en tilstrækkelig helårs energiforsyning til forbrugs niveau. Som udgangspunkt tages fåreavlernes elektricitets forbrug og lave løsningsmodeller til driften der er tilpasset til energiforbruget. Selve afprøvningen af mikrovandkraftværket sker i elven lige før lufthavnen i Sisimiut. Her vil man se hvor meget energi mikrovandkraftværket giver og man vil kunne se og opstille mikrovandkraftværket i praksis. Alt efter hvad energibehovet er hos fåreavlere vil der tages udgangspunkt i et mikrovandkraftværk med effekt på 500 W. Opstillingen og afprøvningen af mikrovandkraftværket vil ske i terræn der svarer nogenlunde til omgivelserne som i et fåreavlersted. Følgende hovedemner vil blive behandlet: Energikapacitet i stationære strømninger og tilhørende beregningsmetoder Udfordringer for optimal drift i Arktiske forhold Løsningsmodeller for installering af mikrovandkraftværk til fåreavlere 5
Del 1. For at udnytte energikapaciteten i stationære strømninger er der nær sammenhæng mellem turbinen, vandreservoir og nedbørsforhold. Det følgende afsnit vil beskrive hovedelementerne og dermed prøve at give et indtryk af deres sammenhæng. Turbinetyper Turbinens formål er at omsætte vandets energi til elektricitet. Indenfor udnyttelse af vandets potentiel energi, er der forskellige turbinetyper der omsætter energien bedst efter hvordan vandføringen er. Hovedturbinerne er impulsturbine som fungerer ved at turbinepladserne afbøjer en fri vandstråle til perlevand og dermed udnytter energien i vandstrålen. Anden hovedturbine er et reaktionsturbine der dreves af vandets tryk og vandføring. Trykket i vandføringen frigives ved skub af turbinepladerne, og dermed startes der en rotation i akslen til generatoren. Hvis den potentielle energi skal udnyttes optimalt er placeringen af turbinen afgørende. Derfor foretrækkes at man placerer turbinen lavest sådan at man får en størst mulig faldhøjde. For store vandmængder med lav hastighed eller lille faldhøjde er Kaplan turbinen mest velegnet. Ved små vandmængder med store faldhøjder udnyttes energien bedst med en impuls turbine f.eks. en Pelton turbine. En Francis turbine er en mellem løsning den kan bruges ved middel faldhøjder med middel vandføring. Beskrivelse af PowerPal MHG 500HH Turbinen er en impulsturbine som er forholdsvis lille og dermed nem at transportere. For at den kunne være mere transportabel kan man bruge en brandslange som et vandføringsrør. Til turbinen er der et tilhørende Electric Load Controller og et såkaldt dommy load der justerer strømstyrken hvis den kommer til at generere mere end 220 volt. Se billede 1. Produkt: Power Pal High Head Micro hydroelectric Generator Turbine type: Turgo Trykhøjde[m] : 11 Vandføring Q [l/sek] : 9.1 Optimalt energioutput [W] : 520 Vægt [Kg] :36 Opererings temperatur [ C]: 5 50 6
Billede 1. Turbine under forsøg. Forhold ved installering af et mikrovandkraftværk Ved installering af et mikrovandkraftværk skal man være opmærksom på flere omkostninger ud over selve turbinen. Transportudgifter fra leverandøren, vandføringsledningen, stativ til rørledningerne, kabelledninger og samt omkostninger ved eventuel opsættelse af kabelledninger. Hvis man har valgt at opføre et dæmning er der også materiale udgifter til dette. Priserne for MGH 500LH turbinen fra 2008 er 555 USD, det svarer til 2851 Kr. priserne stiger i takt med at turbinens output størrelse. Hydrologiske årstidsvariationer De hydrologiske årstidsvariationer kan inddeles i 3 perioder. Vinterperioder smeltningsperiode og sommerperiode. Hovedfaktorerne i en hydrologisk proces er nedbørstype, energibalancen, temperatur og det aktive lag. Der vil kun behandles periodernes hovedtræk, derfor undlades de komplekse processer før smeltningen af snepakken, processer ved afstrømninger inde i snepakken, samt øvreafstrømningsmønstre i det frosne aktive lag og dens indflydelse på evaporation. Vinterperiode Opmagasineringen begynder når middeltemperaturen bliver negativ. Nedbøren falder i form af sne og der kommer isdække på søerne. I Arktis antages at det hydrologiske år begynder ved 1.oktober hvor man deraf sætter vinterperioden i Grønland til at vare i 8 måneder. Da nedbøren om vinteren er næsten udelukkende sne, sker der et sneopmagasinering, som først bliver til en energitilførsel ved 7
opbrudsperioden. Derved vil der være en negativ vandbalance ved søerne i den periode hvor energibalancen i klimaet er negativ. I vinterperioden sker der næsten ingen fordampning eller evaporation, som skyldes af den lave temperatur. Opbrudsperiode For at der sker et opbrud må snepakken blive mættet. For at sneen bliver mættet må middeltemperaturen havde været ved +5 til +10 C i en tilstrækkelig periode. Opbruddet er kortvarigt og er den største energitilførsel til søerne om året. I landskaber med kraftig typografi vil der være større skygge områder, ved sådanne områder vil middeltemperaturen være lavere og dermed kan der ske lokale opbrud senere hen på foråret. Derfor vil man i afstrømningskurver kunne se flere mindre toppe efter opbruddet. I starten af opbrudsperioden vil det aktive lag være stadig frossen, dermed sker der en direkte tilstrømning til søerne. Sommerperiode Sommerperioden er snefrit og nedbøren er i form af regn. Når den aktive lag er smeltet fungerer den som en opmagasinering. Det aktive lag forhindrer direkte afstrømning til den er mættet, derfor vil vandføringen kun stige i stærke nedbørshændelser. Afstrømningen fra det aktive lag til søer er kun et spørgsmål om tid, da vandet der er opmagasineret vil strømme ned før eller siden. (ARKVA II, 2001) Vandstandshævning og vandressource Ved oprettelse af vandreservoir kan man udnytte det naturlige vandreservoir. F.eks. søer med tilhørende udløb. Udløbet kan dæmmes og dermed hæve vandstanden, udover det vil det omkringliggende opland fungere som et reservoirvæg. Typografien er altafgørende til hvor meget vandreservoiret kan rumme og hvordan dæmningen skal konstrueres. Et typografi med lav gradient omkring søens udløb vil give en bred overløb, dermed kan det være nødvendigt at bygge en bred dæmning. Hvis man vil undlade at bygge et bred dæmning kan man sænke udløbet ved at grave eller ved at sprænge klippe. Et typografi med lav gradient vil give større volumen og dermed vil man ikke behøve at hæve vandstanden højt. Dette betyder dog ikke, at man kun kan hæve vandstanden med det mængde vand man har brug for i løbet af vinterperioden da søens øverste lag om vinteren fryser til is. Tykkelsen af isen fungerer derfor som en grænseværdi til dæmningshøjden. Når isen ikke er isoleret med sne kan den blive op til 2 meter tyk. En illustrering af hvor godt man kan forøge sit vandreservoir kan ses på nedenstående billeder. På billederne kan man se vandstandshævning ved dæmning af vandløbet med sten og mos. 8
Billede 2. Cirklen på billedet viser søens areal (tilnærmelsesvis) før dæmningen af vandløbet. Billede 3. For at forøge vandspejlet ved indtaget dæmmes vandløbet. Beregningsmetode til hævning af vandstand Til at bestemme den nødvendige vandstandshævning bruges Rumfangsberegningen ved hjælp af Integralregning. Dette sker ved bestemmelse af en matematisk funktionsforskrift og derefter bestemmes rumfanget af det pågældende omdrejningslegeme. Tilnærmelsesvis kan topografien omkring søen betragtes som halvcirkler og u dale. Typografien f(x) sættes til at være en funktion af gradient, konturlinjerne fra landkortet bruges til at bestemme gradienten. Hvis man omsætter rumfangsligningerne vil man hen ad x aksen kunne aflæse vandstandshævningen. Et eksempel på Volumen af en halvcirkel vil derfor se således ud: Billede 4. Grafen viser volumen af en cirkel hvor f(x) kan opfattes som typografien, x er vandstandsstigning, a er startvandspejlskote og skæringen med y aksen er søens radius. For at få et samlet volumen af vandreservoiret opstilles tilsvarende rumfangsligninger, selve beregningsfremgangsmåden er nærmere beskrevet i bilag 5. 9
Beregning af vandhævning i Akia Oplandet ved Akia kan betragtes som et u dal hvor den østlige del kan betragtes som en halvcirkel. Dalen er gennemskåret af en aflang sø. Billede 5. Viser søens opland og placering. Hvis man går ud fra at man vil bygge en dæmning og dermed kun tapper søen ud fra vandføringen til PowerPal MHG 500HH med gennemsnitlig generering af 500 watt, vil den nødvendige vandhævning være på 0,89 m. Dertil skal man lægge 2 m til, da søen vil fryse til om vinteren. Ud fra kvantitative konturaflæsninger må dæmningens højde være mindst 3 m. Estimering af vandressourcen i Akia Oplandet er sat til at være 3,5*10 6 m 2 og med gennemsnitlige nedbør fra 2002 2004 vil vandressourcen være på 1,31*10 6 m 3. Tabel 1. Viser gennemsnitlige nedbørsmængder om sommeren og vinter forhold til den samlede nedbørsmængde i Sisimiut. Middelværdier for nedbør Årlig nedbør [mm] Nedbør jun sep Nedbør okt maj [mm] Nedbør jun sep % Nedbør okt maj % 372 190 181 51 49 Delkonklusion Vandforbruget i løbet af vinterperioden for generering af 500 watt vil være på 2.02*10 5 m 3. Hvis man går ud fra at vandreservoiret vil være fyldt op i starten af oktober vil der være vandforsyning nok til vinterperioden. Hvis vandføringen forøges kan det blive nødvendigt at lave en afstrømningskurve, derved vil man kunne se hvordan vandbalancen i vandreservoiret vil være. 10
Drift udfordringer i Arktis Nedbørsvariationer og temperatur Ved opstilling af et mikrovandkraftværk er der række temperaturafhængige udfordringer som er forbundet med driften. Klimadata fra 2000 2008 fra Qaqortoq i Sydgrønland viser at middeltemperaturen er under frysepunktet i perioden fra oktober til april. Den lave temperatur kan have til dels indvirkning på vandtilførslen til søer, da der formodes at noget af nedbøren om vinteren fryser til is eller er af sne. Hvis der i længere tid er mindre tilførslen end der løber ud, kan vandføringen til turbinen blive mindre og dermed kan man have svært ved at forsyne tilstrækkelig med energi og til sidst kan generatoren svigte. Om sommeren kan der ligeledes ske lavere vandtilførsler pga. tørkeperioder. Anden udfordring er at der kan opstå frostdannelser i røret til turbinen. Hvis der dannes frost i røret bliver vandføringen mindre og dermed bliver energikapaciteten formindsket. Her skal man dog være opmærksom på at det selvfølgelig er rørets dimension og vandets hastighed der afgør om der dannes frost. Frost dannelser kan dog være aktuelle i uisolerede mindre rør med lav gradient. Forholdet mellem overfladearealet og volumen af vandføringen afgør hvor hurtig og hvor nemt der kan dannes frost. Her kan nævnes fåreholderstedet Issormiut (bilag 1) som eksempel hvor netop følgerne af drift udfordringerne har påvirket stedets mikro vandkraftværk. Opbevaring af energi Siden et vandkraftværk producerer et bestemt mængde energi og ikke den mængde der umiddelbart behøves, går resten af energien til spilde hvis det ikke bliver oplagret. Batterier er en god løsning til dette. Til oplagring af overskudsenergi er SUNTEK batterier, af typen VRLA, fra Norge en ideel løsning der er specielt egnet til det arktiske klima. Batterierne tåler frostgrader der når helt ned til 20 celsius. Fåreholdere med vandkraftværkanlæg ville have fuldt udnyttelse af at opbevare overskudsenergi på den måde; dels fordi forbruget af elektricitet varierer i nogle perioder og dels fordi anlægget er til hensigt at skulle køre hele året rundt. De norske batterier ville netop være ideelle til de kolde vintre. Der bliver nævnt at energiforbruget kan variere, det gør den pga. forskellige større eller mindre maskiner og værktøjer der bliver brugt året rundt, udover andre normale husholdningsapparater. Vedligeholdelse Et PowerPal MHG 500HH vandkraftværk kræver vedligeholdelse i form af udskiftning af lejerne og pakning på den ene lejer; disse udskiftes i en periode på 2 år ad gangen. Desuden skal mikrovandkraftværket opstilles i en lille hytte så det beskyttes mod regn og slud, på den måde bliver der længere levetid for anlægget. Hvis det er tilfældet at der standses for turbinen f.eks. i tilgangen til vinterperioden skal man sørge for, at tømme vandrøret fra vandreservoiret til turbinen for at undgå frostdannelser og eventuelt skade pga. udvidelse af is i røret. Det er nok som bekendt at fåreholdere kender mere eller mindre til vedligeholdelse af maskiner. Det er jo ikke lige sådan at man kan få fat i en mekaniker hvis der skal repareres noget. Nogle tager sig en 11
uddannelse som mekaniker eller lignende før de starter på fåreavlererhvervet. Det gavner dem da det er dem selv der sørger for vedligeholdelse af deres maskiner, som eksempelvis traktorer og diverse høstmaskiner. På den måde hjælper fåreholdere også andre fåreholdere hvis de bor forholdsvis tæt på hinanden. Med lidt hjælp og gode råd er det vidst ingen større udfordring for fåreholdere, og andre i det hele taget, at skulle vedligeholde en mikro vandkraftværk. Målinger De indsamlede data vi fik ude i felten kan ses i bilag 3. Nedenstående tabel giver et indtryk i, at jo lavere trykket (højdeforskellen) bliver, desto lavere bliver effekten også. I billede 3 kan man se trykmåleren på turbinen. H [mws] P [W] 13,5 228 12,5 188 7,5 127 Tabel 2. Viser gennemsnittet af effekt P for hver givet højdeforskel mellem turbine og vandreservoir. Billede 6. Trykmåler hvor trykket er på ca. 13,5 mws (1,3 bar) det højeste tryk vi målte. Næste tabel viser en oversigt over vandføringsestimeringen, hvor man kan se tid, mængde af vand og trykket under forsøgene. Nederst er angivet gennemsnittet af vandføring Q. Forsøgs nr: Tid [sek] mængde [l] Tryk Q [l/sek] 1 18,8 87 12,0 4,63 2 18,1 87 12,0 4,81 3 20,0 90 13,5 4,50 Tabel 3. Vandføringsestimering gnms. Q 4,64 Delkonklusion Når turbinen kørte stabilt var trykket på 12,5 eller 13,5 mws. Da var det mest omkring de 200 W turbinen producerede. Så er der vist 7,5 mws da vi under forsøgene nogle gange kom ned i tryk på slangen, og samtidig fik lavere effekt. Hvorfor trykket faldt og hvorfor der blev produceret lavere 12
elektricitet i nogle perioder tror vi på har forklaringerne: starttrykket ved indtaget på slangen var for lavt, og vandstrålen til turbinen omsatte lavere energi. Resultater Til at undersøge vandføringen, Q, med blev der anvendt en 90 liters balje og et stopur. Turbinen blev stillet oven på baljen og der blev tændt for vandet imens der blev taget tid med stopuret. Vaders blev brugt som skærm mod det sprøjtende vand fra turbinen. Ud fra 3 forsøg kom vi frem til et gennemsnit på en vandføring Q på 4,64 l/sek. Starten samt standsningen af vandet, som ikke kunne gøres øjeblikkeligt, gør at vandføringen kun er tilnærmelsesvis. Ud fra trykmåleren blev det højeste aflæst til at være omtrent 13,5 metervandsøjle altså en højdeforskel på 13,5 meter fra turbinen til vandtilførslen ved slangens ene ende. Da trykket under forsøgene varierede noget kom vi frem til et gennemsnit på højdeforskellen H 0 = 11,56 m. Effekten blev til 198 watt gennemsnit pga. variationer under målingerne. Til PowerPal MHG 500HH turbinen blev der brugt en slange på 45 meter med en diameter på 76 mm. Slangens ruhed, h ru, blev anslået til at være 0,5 mm. Vandets temperatur under dataindsamlingerne (hvor forsøgene blev taget lige efter hinanden) var omkring 10 C, hvilket har en kinematisk viskositet, v, på 1.308*10 6 m 2 /s. Ud fra de nævnte oplysninger kunne energitabet til vægfriktionen ΔH F beregnes ved først at finde middelhastighed U og Reynolds tal Re, så til sidst at bruge formlen energiliniens gradient S og dermed gange med længden af slangen: Da Reynolds tal er langt over grænsen Re c = 2000 til laminær strømning er strømningen derfor turbulent. Beregning af energitab i vægfriktion i slangen giver ΔH F 1,09 m. En anden energitab som har mindre betydning er bøjning i slangen. For at vise hvor lidt tabet betyder, er der beregnet på en bøjning på slangen på 65 hvilket er den største langs slangens strækning; krumningsradius blev sat til 0,60 meter. Det skal understreges at disse målinger er skønnet. Resultatet på energitab i bøjning i slangen blev ΔH Bøj 0,01 m; hvilket giver os en ny højdeforskel H = H 0 ΔH F ΔH Bøj = 10,46 m. Der blev ligeledes beregnet på hvor stor en nytteværdi PowerPal MHG 500HH turbinen havde i procent. Det havde rundt regnet en nytteværdi på 42 %. 13
Del 2. Energiforsyning hos fåreavlere i Grønland I Grønland er der 49 fåreholdersteder (oplysning fra kontoret på Savaatillit Peqatigiit Suleqatigiissut, anno August 2009) hvor erhvervet primært er fåreavl. Efterfølgende to emner viser et billede af hvordan energiforsyningen er omkring de mere eller mindre spredt liggende steder, og den sidste del fortæller om hvor stort et energibehov der er. Den traditionelle Det er en nødvendighed for fåreavlere der bor mere eller mindre langt væk (hinsides) fra byer og bygder at forsyne sig selv med el fra dieselmotorer. El bruges til belysning i boligen hele året rundt samt i fårestalden når, sneen er begyndt at falde til læmningen er ovre omkring oktober måned til maj måned. Udover belysning benytter fåreavlere sig også af forskellige typer maskiner, såsom rundsav til rundballen (høet), vinkelsliber, kompressor, svejseapparat, boremaskine, høvl til fåreuld osv., der bruger el. Derudover bruges oliefyr til opvarmning af boligen. Både dieselmotorer og oliefyr bruger brændstof og det tager tid og koster penge at få transporteret hjem. Større fåreholdersteder som Qassiarsuk og Igaliku har en lokal butik med brændstoftank samt elværk der forsyner hele bygden. Fåreholdere der bor nærtliggende dertil med mulighed for at køre med traktor til disse steder anvender tønder til at transportere deres brændstof med. Andre mere fjerntliggende fåreholdersteder får deres brændstof transporteret med fartøj i større mængder ad gangen. Vandkraftværker Det er med tiden blevet mere og mere spændende at skulle installere vandkraftværkanlæg hvor det kan lade sig gøre netop fordi det er vedvarende energi. Sisimiut får energiforsyning her i det nærmeste tid fra et vandkraftværk opført ved andenfjorden og, som bekendt er der allerede opført et i Tasiilaq, Østgrønland, et i Sydgrønland der forsyner Narsaq og Qaqortoq samt et i Nuuk. Det er også planen at der opføres et vandkraftværkanlæg i Ilulissat. Alt efter størrelse af energibehov findes der forskellige slags vandkraftværkanlæg. Et af de optimale steder at skulle installere et mikro vandkraftværkanlæg er fåreholdersteder da disse indlysende er placeret for det meste ved en større eller mindre elv. Denne løsning er lettere frem for dieselmotorer der som allerede nævnt tager tid og koster penge. Installeringen af anlægget inkl. fragt heraf osv. koster selvfølgelig mange penge, men i sidste ende kan det sagtens betale sig. Det har fåreholder familie Knudsen fra Issormiut, Sydgrønland, der har haft deres mikro vandkraftværkanlæg i snart 22 år erfaret. De fik installeret anlægget som et forsøg hvor hjemmestyret betalte omkostningerne heraf samt af fragten. Familien har kun gode ting at sige om mikro vandkraftværkanlægget og de mener også, at hvis der er muligheder for at opføre et så burde man gøre det. Det eneste der umiddelbart plager vandkraftværket er svigt grundet frost om vinteren. Interviewet af fåreholderfamilien Knudsen fra Issormiut kan ses i bilag 1. 14
15
Energibehov Energibehovet for enkelte fåreholdersteder er forskelligt fra sted til sted da det kommer an på hvor mange husstande der evt. er. Der kan f.eks. være 2 familier der er sammen om at drive deres fåreavlerhverv og dermed kræver større energi end enkeltfamiliers. Man skal være opmærksom på at der udover husstandenes energibehov er diverse maskiner der i større eller mindre grad kræver elektricitet. I betragtning heraf skal man installere et mikro vandkraftværk der producerer energi nok til at dække alle behov for et fåreholdersted. Erik fra Issormiut anbefaler et mikrovandkraftværk der har en effekt på 10 12 kw til fåreholdersteder; større alt efter hvor stort et behov der er. Vandstandshævning ved generering af 12 kw og vandressource Ved opstilling af permanente vandkraftværker kan nytteværdien komme oppe på 90 % ved gunstige forhold. For at forøge nytteværdien kan man opstille pvc rør og dermed formindske energitabet. Ud fra effekt ligningen er den nødvendige vandføring 45 liter/sek; hvis man har et lignende opland som Akia vil den nødvendige vandstandstigning være på 5,65 m. Oplandet er sat til at være 3,5*10 6 m 2 og med gennemsnitlige nedbør i Qaqortoq fra 2000 2008 vil vandressourcen være på 3,49*10 6 m 3. Vandforbruget i løbet af vinterperioden er 9,38*10 5 m 3, hvis vandreservoiret bliver fyldt op i før frostperioden vil vandføring i løbet af vinterperioden være muligt. Tabel 4. Viser nedbørsværdier i Qaqortoq i perioden 2000 2008. Middelværdier for nedbør i Qaqortoq Årlig nedbør [mm] Nedbør jun sep Nedbør okt maj [mm] Nedbør jun sep % Nedbør okt maj % 999 423 576 42 58 16
Del 3. Løsningsmodeller til etablering af et mikro vandkraftværk Dæmning For en optimal drift af vandkraftværk, er en dæmning en løsning hvis det er tilfældet at der sker nedsat vandtilførsel under vinterperioder (omkring oktober til april måned i Grønland). Eksempel på beregning af hvor stort en dæmning skal være i forhold til nødvendig vandføring kan ses i del 1. Ud fra analyse af nedbør i Sisimiut og Qaqortoq har det vist sig, at der i Qaqortoq er ca. 3dobbelt mere nedbør end der er i Sisimiut gennemsnitlig pr. år. I Sydgrønland behøver man derfor mindre oplandsareal end i Sisimiut, hvor vi har lavet forsøg med et mikro vandkraftværk. Grænsen på dæmningens højde, fra rørets indtag til vandets overflade, ville være fornuftigt at sætte til 2 meter. Hvis det laves under de 2 meter ville man risikere at isen når ned til rørets indtag og dermed sænke eller standse vandtilførsel til turbine. Så selvom man har rigeligt med oplandsareal burde man ikke lave en dæmning der er under grænsen. Kontinuerlig vandføring Der findes flere løsningsmuligheder for at undgå frost der kan påvirke mikro vandkraftværket på en eller anden måde. Nedgravning af slange til frostfrit dybde, eller isolering langs slangen hvis landskabet er af klippe, vil sikre at det strømmende vand ikke dannes til is. En anden løsningsmulighed er at installere varmekabel til slangen. Det kommer nok an på hvilken løsning der er lettest og/eller billigst til omstændighederne. En anden ting man kan nævne er friktionsvarme. Jo større diameter en slange har desto mere friktionsvarme vil vandet afgive til slangen pga. større vægareal. Forskydningsspændingerne gør at vandets mekaniske energi omdannes til varmeenergi, ergo vil der være mindre risiko for dannelse af is. 17
Konklusion For at opnå et vedvarende energiforsyning i arktiske områder, er det muligt at installere et mikrovandkraftværk der forsyner elektricitet året rundt. De nyere klimadata viser at der i midt og Sydgrønland er tilstrækkelig nedbør og opland for dækning af et mikrovandkraftværks vandføringsforbrug; derfor er der rige muligheder for fåreholdere at opstille et. Hvis et mikrovandkraftværk skal køre året rundt skal man bl.a. have et vandreservoir der kan rumme vand til vinterperioden og vandføringsledninger der ikke fryser til. Et vandreservoir der kan forsyne til vinterperioden skal have minimum 2 meters højde. Vandføringsledningerne skal graves ca. 2 meter ned til den frostfridybde. Hvis nedgravning ikke er et mulighed kan vandføringsledningerne isoleres udvendigt eller installere varmekabler. 18
Litteraturliste Interview: Erik og Mona Knudsen, Issormiut, Sydgrønland. Bøger: ARKVA II, arktiske vandressourcer fysik baseret modelværktøj, Asiaq 2001. Howald Petersen B, Hydraulik stationære strømninger, 2006. Internet: http://www.getekenergy.com/batteries.html http://www.powerpal.com http://www.dmi.dk 19
Bilagsliste Side 20: Side 22: Side 24: Side 26: Side 27: Side 29: Bilag 1. Interview af Erik & Mona Knudsen Bilag 2. Beregninger Bilag 3. Målinger Bilag 4. Vandføringsestimering og gennemsnitlig beregning af mws og effekt Bilag 5. Beregninger til vandstandshævning og vandressource i Akia Bilag 6. Beregninger til Vandstandshævning til 12kW og vandressource Side 32: Bilag 7. Nedbørsdata Sisimiut 2002 2004 Side 33: Bilag 8. Nedbørsdata Qaqortoq 2000 2008 20
Bilag 1. Interview af Erik & Mona Knudsen I Sydgrønland bor familien Knudsen i deres hjem Issormiut, 12 13 km fra Qassiarsuk 1. Eriks forældre var fåreholdere og havde bosat sig i Issormiut omkring starten af 1950. I dag fører Erik stedet videre sammen med sin kone Mona og bror Ujuaat. Der er opført en nyere fårestald og et nyere hus hvor familien bor i sammen med deres datter Duudu. Derudover er der et ældre hus hvor broderen Ujuaat i dag bor i, en gammel fårestald, en lille bygning hvor dieselmotoren står i samt en lille bygning ved elven hvor mikro vandkraftværkanlægget står i. Eriks far Ado var meget interesseret i vandkraft, og han tog faktisk initiativ til at lave en grøft med henblik på at opføre et vandkraftværk. Det er i dag denne grøft der fører hen til en dæmning hvor vandet herfra føres ned i hhv. 28 og 22 cm i diameters plastikrør til mikro vandkraftværkanlægget der har en kapacitet op til 14kW. Anlægget blev installeret i 1987 og blev taget i brug i september måned og kører stadig den dag i dag altså snart godt 22 år. Det var et forsøg fra Hjemmestyrets side og al omkostninger blev betalt heraf. Desværre nåede Eriks far Ado ikke at opleve mikro vandkraftværkanlægget da han døde kort før det blev taget i brug, hvilket var meget ærgerligt. Selvom generatoren har en kapacitet på en effekt op til 14 kw når det ikke så højt op. Det samlede plastikrør, med hhv. 28 cm i diameter i det øverste og 22 cm i diameter i det nederste, har en længde på omkring 165 meter som strækker fra dæmningen til anlægget hvilket har en højdeforskel på ca. 30 meter. Trykket på vandet i røret må derfor være ca. 3 bar. Hvis hældningen på røret var større eller der var længere mellem dæmningen og anlægget ville der være større tryk på vandet og dermed større kapacitet, mener Erik. Generatoren havde en water heater dump som dummy loader, men den var blevet ødelagt. Derfor går resten af den energi der ikke bruges til noget til husets radiator og vandvarmer. Ifølge Erik bruger hvert hus, deres og broderens, hvert en effekt på 2 kw. Derudover dækker anlægget staldens energibehov samt el baserede maskiner såsom kompressor, vinkelsliber, høvl til fårets uld og andre nyttige ting som fåreholdere normalt ejer. Der er kun positive ting familien nævner om deres uundværlige mikro vandkraftværkanlæg. Grundet deres forbrug fra den vedvarende energi de får fra anlægget har familien sparet omkostninger til brændstof der ellers skulle bruges hvis de havde fået energi fra en dieselmotor. I stedet for et oliefyr til at varme huset op med har de en el radiator der bruger betydeligt meget elektricitet og en vandvarmer der bruger el til at varme vand op med. Med hensyn til vedligeholdelsen af anlægget er det mere eller mindre en uge ad gangen der bliver fedtet til og ellers sker udskiftning af kuglelejer omkring hvert 3. 4. år. Skal man se på de omkostninger der havde været ved opsendelse af rør m.v., installering samt selve generatoren anser Erik at det alt i alt havde kostet mellem 3 400 000 kr. En størrelse der for længst har kunnet betale sig, hvis de selv havde betalt for det hele; men som sagt var det Hjemmestyret der 1 Qassiarsuk; grønlandsk bygd der ligger i bunden af Tunulliarfik. Bygdens økonomiske grundlag er fåreavl. 21
betalte da det var et forsøg. Et forsøg der tydeligvis har gavnet familien og har vist sig at kunne bruges året rundt; med nogle undtagelser. Det er dog stadig nødvendigt at bruge dieselmotoren når det er, at anlægget svigter om vinteren. Nogle gange kører vandkraftværket hele året rundt, men andre gange kan det stoppe pga. frost i røret og det resulterer i at familien må benytte sig af deres elværk; hvilket kan strække sig fra december til marts april måned. Det mærker de meget på flere måder; for det første er der omkostningerne da både radiator, vandvarmer og varmekabel også bruger el og så er der lyden af elværket som de til dagligt ikke plejer at høre når vandkraftværkanlægget kører. Det har især været mærkbart for familien da de i de sidste 3 år har været nødt til at bruge dieselmotoren hver vinter. De har erfaret at når der om vinteren ofte december måned pludselig kommer unormalt meget regn og efterfølgende frostvejr, og der bl.a. ingen sne er til at holde på varmen i røret, at det går ud over vandføringen og dermed forårsager svigt på anlægget. Når skaden er sket, hvor der er dannet is i røret ned til anlægget, kan man ikke gøre andet end at vente til om foråret til isen smelter, forklarer Erik og Mona. De havde ellers på et tidspunkt prøvet at isolere røret, der leder ud fra dæmningen, med noget fåreuld, men det havde ikke hjulpet eller der var ikke tilstrækkelig til at det hjalp. En anden ting der også bliver nævnt er at der ved sommermånederne, når der forekommer tørkeperioder, kan være nedsat tilførsel af vand igennem røret og ind til turbinen. Dette medfører forringet energitilførsel. Ifølge Erik og Mona synes de, som mange andre, at kunne mærke følgerne af den globale opvarmning ud fra de flere foranderlige vejrforhold der har været, især her på de seneste år. Fordi vejret opfører sig anderledes påvirker det, som nævnt, deres anlæg. Da vi gik ned for at kigge hvor elmåleren stod, aflæste vi på apparaturet at der siden september 1987 til dags dato (28. juli 2009) var blevet produceret 722 840 kwh. Det svarer til ca. 124 kwh pr. måned. Det skal så lige understreges, at der ikke er taget højde for de vinterperioder da der ikke er opgivet hvor lang tid det tilsammen har været hvor turbinen ikke har været i drift. Figur 1. Billede 7. Fåreholderstedet Issormiut, 12 13 km fra Qassiarsuk, hvor Erik Knudsen bor sammen med sin familie. 22
23
Bilag 2. Beregninger Diameter [m] og tværsnitsareal [m^2] på rør Vandføring Q [m^3/s] Hastighed U [m/s] Ferskvands viskositet ved 10 grader celsius Reynolds tal h_ruer ruheden på rørets inderside, g tyngdeacceleration Energiliniens gradient Længde på slange Energitab i vægfriktion H_0er gennemsnitlig højdeforskel [m] mellem turbine og vandreservoir. P_gnms er gennemsnitlig effekt [W]. ζ_65 bruges til at beregne energitab, ΔH_bøj fra bøjning i slange på 65 grader Den samlede energitab i meter 24
H viser højdeforskellen [m] mellem turbine og vandreservoir hvor energitab fra vægfriktion og bøjning er trækket fra Ved at gange vandføringen Q(her i meter) med højdeforskel H og tyngeacceleration g fås den effekt [W] der vil kunne ydes med de nævnte betingelser Der kan dermed regnes på hvor meget nytteværdien er i procent på mikrovandkraftværket 25
Bilag 3. Målinger Nedenstående kan ses 5 forsøg, hvor alle varierer i antal målinger. Grundet til dette er, at vi nogle gange lod turbinen køre et lille stykke tid og andre gange i en længere tid. Når trykket pludselig faldt, var vi nødt til at standse turbinen. Forsøg 2 har vi sat til at være ikke repræsentativ og undlod at bruge tallene i dataene da vi mente, at målingerne for Ampere ikke passede. Efter dette forsøg skiftede vi til et andet apparat til at måle Ampere og tallene blev mere troværdige. Forsøgs nr: Start Tryk [mws] Stabil Tryk [mws] Volt Ampere Wat bemærkning F0 13,5 260 1,2 312 12 212 2,1 445 190 1,4 266 191 1,0 191 F1 13,5 13,5 230 1,0 230 225 0,9 203 207 0,7 145 200 0,6 120 200 0,8 160 201 0,7 141 196 0,9 176 191 0,7 134 183 0,8 146 191 0,8 153 12,5 190 0,7 133 202 0,6 121 200 0,6 120 200 0,8 160 193 0,6 116 240 1,1 264 224 0,9 202 210 0,8 168 203 0,8 162 223 0,9 201 230 0,7 161 F2 13,5 13,5 280 0,6 168 F2 er ikke repræsentativ 210 0,6 126 200 0,4 80 213 0,4 85 211 0,4 84 217 0,3 65 207 0,6 124 222 0,6 133 26
206 0,4 82 215 0,5 108 222 0,4 89 221 0,6 133 219 0,5 110 209 0,3 63 220 0,5 110 214 0,5 107 208 0,4 83 220 0,4 88 211 0,5 106 216 0,6 130 223 0,8 178 204 0,5 102 222 0,4 89 214 0,4 86 204 0,2 41 10 113 0,5 57 Max belastning 146 0,4 58 270 0,4 108 F3 13,5 13,5 290 1,1 319 Skift i amp. Måler 275 1,1 303 250 1,1 275 240 1,1 264 230 1,1 253 7,5 173 1,0 173 180 1,1 198 200 1,1 220 F4 13,5 12,5 208 1,0 208 200 1,0 200 200 1,0 200 198 1,0 198 226 1,1 249 13,5 193 1,0 193 184 1,0 184 225 1,1 248 223 1,1 245 220 1,1 242 220 1,1 242 222 1,1 244 13,5 215 1,2 258 Max belastning 206 1,1 227 190 1,1 209 220 1,2 264 206 1,1 227 27
192 1,2 230 197 1,2 236 209 1,2 251 228 1,2 274 10 208 1,1 229 173 1,4 242 7,5 113 0,5 57 Bilag 4. Vandføringsestimering og gennemsnitlig beregning af tryk [mws] og effekt [W] Gennemsnit Forsøgs nr: H [mws] P [W] Stand.afv.* F1 13,50 161 33 F3 13,50 283 27 F4 13,50 228 27 F1 12,50 164 45 F4 12,50 211 10 F3 7,50 197 24 F4 Størst bel. 13,50 242 21 F4 Størst bel.** 10,00 236 9 F4 Størst bel. 7,50 57 0 *standardafvigelser; viser at målingerne svinger meget **ikke repræsentativ; da det kun er én måling, som også er størst belastning gnms. 11,56 198 Tabel 5. Viser vandføringsestimering og gennemsnitlig beregning af mws og effekt. Gennemsnittet af højdeforskellen i mws og effekten i watt står nederst i tabellet; disse er anvendt gennem beregningerne. 28
Bilag 5. Beregninger til vandstandshævning og vandressource i Akia > Reservoiret kan deles op, alt efter udformningen af landskabet. I dette tildfælde er søen (billede 5.) aflang med en halvcirkel ende i den østlige del af søen. Derfor deles Volumeligningen op til en halvcirkel og til trapezformet volumen. Landskabet omkring søen, som vil fungere som væg til reservoiret sættes til at være Linjes ligning. y=a*x+b Hvor hældningen af landskabet er a. Hældningen findes ved at se på konturlinjerne fra kortet. b er skæringen med y-aksen, dvs. søens radius. Nedenstående funktion viser opstillingen af topografien. Når funktionsforskriften er opstilles bruges de almindelige volumen beregningsmetoder indenfor integralregning. Volumen af to trekanter: V=længde*2*Areal Volumen af halvcirkel: V=π/2*radius^2 Løsning til stamfunktionen Volumen af vandhævningen kan udtrykkes således: 29
I dette tilfælde er dæmning et variable og ved isoleringen af den kan man finde vandstandstigningen. Konstanter og værdier for Akia opland Volumen af vandføringen i løbet af 8 måneder: Gennemsnitlig vandføring for levering af 200 wat Antal sekunder i 8 måneder Radius i den østlige del af dalen [dm] Søens bredde i v-formede dal Længden af v-formede dal Gennemsnitlig gradient ved v-formede dal Gennemsnitlig gradient ved den østlige del Ud fra Volumeligningen isoleres dæmningens højde Vandstandsstigning [m] 30
Graf for typografien i den østlige del Skæring i y-aksen viser søens radius, deraf starter typografien. 31
Bilag 7. Nedbørs data Sisimiut 2002 2004 Nedbørsvariationer Sisimiut År Nedbør okt maj [mm] Nedbør jun sep [mm] Årlig Nedbør 2002 141 174 315 8 20 22 96 34 28 27 30 10 15 13 12 2003 224 202 426 41 8 31 37 66 23 14 134 8 3 33 28 2004 182 193 375 31 110 37 22 14 44 61 17 23 9 7 32
Bilag 8. Nedbørsdata Qaqortoq 2000 2008 Nedbørsvariationer Qaqortoq År Nedbør okt maj [mm] Nedbør jun sep [mm] Årlig Nedbør 2000 650 326 976 65 17 62 87 20 94 163 128 50 113 142 35 2001 667 409 1076 102 83 291 42 40 150 43 134 90 6 59 36 2002 422 518 940 14 102 3 139 68 102 76 175 76 94 45 46 2003 554 496 1050 199 103 73 65 73 171 72 157 23 64 36 14 2004 595 432 1027 15 48 98 200 91 94 11 90 169 59 81 71 2005 808 540 1348 41 141 87 161 134 87 206 151 135 44 66 95 2006 352 383 735 8 118 71 37 29 141 35 87 29 6 125 49 2007 400 504 904 26 28 152 104 7 256 67 116 51 34 45 18 2008 736 197 933 70 6 270 73 100 28 31 90 87 37 90 51 33