Project

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Adequate sediment handling at high-head hydropower plants to increase scheme efficiency

English title Adequate sediment handling at high-head hydropower plants to increase scheme efficiency
Applicant Boes Robert Michael
Number 153861
Funding scheme NRP 70 Energy Turnaround
Research institution Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Civil Engineering
Start/End 01.01.2015 - 31.03.2018
Approved amount 214'320.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Civil Engineering
Fluid Dynamics

Keywords (7)

desilting facility; trapping efficiency; sediment handling; flow-sediment interaction; 3D numerical simulation; settling basin; turbine abrasion

Lay Summary (German)

Lead
Um den von Bundesrat und Parlament beschlossenen Ausstieg aus der Kernenergie umzusetzen, muss die Effizienz bestehender Was-serkraftanlagen gesteigert werden. Insbesondere Abrasionsschäden an Turbinen infolge Schwebstoffen im Wasser haben einen negativen Einfluss auf die Energieproduktion. Dieses Problem steht im direkten Zusammenhang mit der Effizienz von Entsanderanlagen, die Sedimentpartikel und Schwebstoffe aus dem Wasser entfernen sollen (kleinere Effizienz, mehr Abrasion, weniger Energie). Felduntersuchungen haben gezeigt, dass die angestrebte Ausscheidung von Sedimentpartikeln in vielen bestehenden Entsandern nicht erreicht wird. Grund dafür sind unter anderem die komplexen turbulenten Strömungen im Entsander, die eine robuste Dimensionierung erschweren. Zudem ist bei vielen Anlagen die Korngrösse und -verteilung der tatsächlich auftretenden Sedimente nicht bekannt.
Lay summary

Ziel

Das Projekt hat zum Ziel, die Effizienz von Entsanderanlagen zu steigern und neue Richtlinien für den Bau und Betrieb von Entsandern zu erarbeiten. Dazu wird mittels Feldmessungen das Zusammenspiel zwischen der Strömung im Entsander und dem Absetzvorgang der Sedimentpartikel untersucht. In bestehenden Entsandern werden sowohl Geschwindigkeitsverteilungen als auch Korngrössenverteilungen und Schwebstoffkonzentrationen gemessen. In einem zweiten Schritt wird ein numerisches Modell anhand dieser Felddaten kalibriert und validiert. Anschliessend wird mittels dieses Modells die Strömung im Entsander für diverse konfigurationen simuliert, um so den Effekt einer angepassten Entsandergeometrie oder veränderten Strömungen auf den Absetzvorgang systematisch zu untersuchen. Daraus können wiederum verbesserte Dimensionierungsgrundlagen für Entsander erarbeitet werden.

 Bedeutung

Das Projekt trägt direkt zur zukünftigen Entwicklung von Entsandern bei bestehenden sowie bei neuen Wasserkraftanlagen bei. Insbesondere werden Entscheidungsgrundlagen erarbeitet, wie in Zukunft die Effizienz der Entsander und somit die Effizienz der gesamten Kraftwerksanlage gesteigert werden kann. Damit ist das Projekt ein wichtiger Bestandteil zur Realisierung der „Energiestrategie 2050“ des Bundes.

Direct link to Lay Summary Last update: 09.10.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Experimental setup for flow and sediment flux characterization at desanding facilities
Paschmann Christopher, Fernandes João Nuño, Vetsch David Florian, Boes Robert Michael (2017), Experimental setup for flow and sediment flux characterization at desanding facilities, in Flow Measurements and Instrumentation , 54, 197-204.
Assessment of flow field and sediment flux at alpine desanding facilities
Paschmann Christopher, Fernandes João Nuño, Vetsch David Florian, Boes Robert Michael (2017), Assessment of flow field and sediment flux at alpine desanding facilities, in Intl. Journal of River Basin Management, 15(3), 287-295.
Flow field and sediment flux measurements at an Alpine desanding facility
Paschmann Christopher, Fernandes João Nuño, Vetsch David Florian, Boes Robert Michael (2016), Flow field and sediment flux measurements at an Alpine desanding facility, in Weber Karolin, Noack Markus, Terheiden Kristina, Haun Stefan, Wieprecht Silke (ed.), Taylor & Francis Ltd, London, 1141-1145.
Messungen von Strömungsfeld und suspendierten Sedimenten an Entsandern von Wasserkraftanlagen
Paschmann Christopher, Fernandes João, Vetsch David, Boes Robert (2016), Messungen von Strömungsfeld und suspendierten Sedimenten an Entsandern von Wasserkraftanlagen, TU Müchen, Lehrstuhl und Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft, München.
Evaluation von Simulationssoftware im Hinblick auf Fliess- und Absetzvorgänge in Entsandern alpiner Wasserkraftanlagen
Paschmann Christopher, Vetsch David Florian, Albayrak Ismail, Boes Robert Michael (2015), Evaluation von Simulationssoftware im Hinblick auf Fliess- und Absetzvorgänge in Entsandern alpiner Wasserkraftanlagen.
Flow field and sediment flux measurements at alpine desanding facilities
Paschmann Christopher, Fernandes João Nuno, Vetsch David Florian, Boes Robert Michael, Flow field and sediment flux measurements at alpine desanding facilities, in International Symposium on River Sedimentation, University of Stuttgart, Stuttgart.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
SBB Energie Switzerland (Europe)
- Research Infrastructure
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Jungfraubahn AG Switzerland (Europe)
- Industry/business/other use-inspired collaboration
LNEC/Hydraulics and Environment Department Portugal (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Exchange of personnel
Department of Hydraulic and Environmental Engineering, Norwegian Univ. of Science and Technology Norway (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
EnAlpin Switzerland (Europe)
- Research Infrastructure
Gommerkraftwerke AG Switzerland (Europe)
- Research Infrastructure
CC Fluid Mechanics and Hydro Machines, HS Luzern Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
ewz Switzerland (Europe)
- Research Infrastructure
- Industry/business/other use-inspired collaboration

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
SCCER-SoE Annual Conference 2016 Poster Design optimization of alpine desanding facilities 12.09.2016 Sion, Switzerland Paschmann Christopher; Boes Robert Michael;
SCCER-SoE Annual Conference 2015 Poster Desanding facilities 10.09.2015 Neuchâtel, Switzerland Paschmann Christopher;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Print (books, brochures, leaflets) VAW Annual Report 2017 German-speaking Switzerland 2018
New media (web, blogs, podcasts, news feeds etc.) How can we deal with sediments to keep hydropower sustainable? SCCER-SoE Blog German-speaking Switzerland Italian-speaking Switzerland Western Switzerland International Rhaeto-Romanic Switzerland 2016
Print (books, brochures, leaflets) VAW Annual Report 2015 German-speaking Switzerland 2016
Print (books, brochures, leaflets) VAW Annula Report 2014 German-speaking Switzerland 2015

Abstract

With the federal “Energiestrategie 2050” hydropower production is supposed to increase substantially to partly compensate for the planned nuclear power pull-out. Besides upgrades of existing hydropower plants (HPP), there is still a considerable energy potential from new developments. However, due to the climate change, high sediment yield negatively impacts HPP infrastructures and hence power generation in Alpine regions. Particularly, suspended sediment particles in turbine waters cause significant hydro-abrasive wear at turbines and steel hydraulics parts, resulting in reduced efficiency and hence negative impact on power production and revenue as well as substantial maintenance cost at HPP. This abrasion problem is directly related to the efficiency of desilting facilities (less efficiency, more abrasion), which is a key factor for sustainable and improved HPP operation under severe sediment conditions such as in Alpine regions. Operational experience indicates that desilting facilities are often not working properly.With the proposed research project we aim at providing an improved hydraulic design guideline for desilting facilities at HPP with an emphasis on the effects of different headwork arrangements. Therefore, we intend to systematically investigate the effect of the approach flow conditions on the behaviour of particle settling and the trapping efficiency of settling basins by means of field experiments and numerical simulations. The outputs of this investigation will help to advance the understanding of flow-sediment interactions in desilting basins under field conditions, and to provide a numerical tool to simulate and optimize desilting facilities to increase the scheme efficiency.
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