Kort fortalt

Udvikling af et offshore energilager integreret med havvindmøller - gemmer strømmen til når det ikke blæser og sikrer stabilitet i elnettet

Projektet

Når andelen af vindenergi vokser bliver det sværere at sikre stabiliteten i elnettet, hvor der konstant skal holdes balance mellem produktion og forbrug. Green Power Plant løser dette problem både på kortere og længere sigt ved at lagre strøm.
På kort sigt yder Green Power Plant systemydelser der gør at nettet holdes stabilt og ikke går i sort og på længere sigt kan strømmen fra vindmøller gemmes når der er meget vind og bruges igen når det er vindstille.

Strømmen lagres ved den kendte teknologi 'pumped hydro storage', men anvendt på en ny og innovativ måde. Green Power Plant bygges ude til havs og består af en væg der rækker fra havbunden og op over havoverfladen. Væggen adskiller dermed et indre reservoir fra det omkringliggende hav.
Når der er overskud af strøm pumpes vandet fra det indre reservoir ud til havet, og derved sænkes vandstanden inden i reservoiret. Når der er behov for strøm lukkes vand fra havet tilbage ind i reservoiret igennem store turbiner der producerer strøm.
Derved kan strømmen fra vindmøller lagres og værdien af vindmøllestrømmen forøges.

Yderligere har Green Power Plant den fordel at jo større anlægget bygges, desto billigere bliver enhedsprisen på lageret, idet prisen på væggen skalerer med diameteren, hvorimod lagerkapaciteten skalerer med kvadratet på diameteren - dvs. fordobles diameteren så bliver lagerkapaciteten fire gange så stor, så jo større reservoiret er jo bedre.

Derudover kan også solenergi og bølgeenergi integreres med anlægget. Solcellerne kan flyde inde i reservoiret hvor hele solcellefarmen på en gang kan roteres til at følge solens gang i løbet af dagen. Bølgeenergi kan opsamles fra kanten af reservoiret og bliver dermed billigere end enkeltstående bølgekraft anlæg.

Reservoiret konstrueres af præfabrikerede elementer, som produceres på land og sejles ud og installeres til havs. Dette sikrer en høj kvalitet til en lav pris og reducerer afhængigheden af godt vejr og reducerer den totale konstruktionstid.

Green Power Plant kan altså overtage rollen fra de traditionelle kraftværker og levere stabil vedvarende energi under alle forhold og dermed en sikker elforsyning baseret på vedvarende energi.

Spørgsmål / svar

Ole Lundberg | tir, 08/27/2013 - 20:05

Hvis inddæmningen gøres stor nok kan det anvendes til utrolige formål, turisme, hoteller, fiskedamme m.m.m.

Intet profilbillede
Janus Münster-Swendsen | ons, 08/28/2013 - 09:59

Vi tror ikke selv at turisme er så interessant, at komme væk fra naboer og lign er jo bl.a. en af formålene ved at flytte vindmøllerne til havs. Dambrug er dog inde i overvejelserne, men er problematisk pga. det store udsving i vandniveau inde i reservoiret.

Knud Henrik Strømming | tor, 08/29/2013 - 23:07

Det indre vandreservoir kunne evt. anvendes til produktion af biomasse til energiproduktion. I den sammenhæng er det kun overfladearealet, der har betydning. Det er stort set ligegyldigt, at vanddybden varierer.

Knud Henrik Strømming | tor, 08/29/2013 - 23:04

Denne idé er en variant af det hollandske KEMA-projekt, se fx her: http://ing.dk/artikel/kunstig-o-skal-vaere-gigantisk-batteri-vindmollest... (bemærk at artiklen er 5½ år gammel).

Ideen er særligt relevant, hvor vindmølleparker opstilles på lavt vand. Som demonstrationsprojekt ville det være oplagt at etablere et anlæg på Middelgrunden ud for København, evt. i forbindelse med udvidelse af vindmølleparken.

Tænkes ideen videre, kunne naturlige vandområder med snævre passager til verdenshavene inddæmmes. Derved kunne der ikke blot laves et energilager, men man kunne samtidigt en bloc sikre de kystbyer, der ligger ud til det pågældende vandområde, mod stigende vandstand i havene. Et oplagt eksempel er inddæmning af hele Østersøen, men også mindre områder som Odense Fjord, Ringkøbing Fjord, Roskilde Fjord + Issefjord, Korsør Nor med mange flere. Østersøen er specielt interessant, da projektet kan integreres med en række interessante infrastrukturprojekter.

Intet profilbillede
Klaus Illum | lør, 08/31/2013 - 18:30

Kære Janus Münster-Swendsen,

Jeg har læst den tekniske beskrivelse af GPP-projektet. Det giver mig anledning til at stille dig nogle tekniske spørgsmål.

1) GPP projektbeskrivelsen gør ikke rede for, hvordan vandindstrømning gennem bassinets bund og langs bassinvæggene undgås.

Med en trykforskel mellem bassinbund og havoverflade på 10 – 25 meter vandsøjle vil der stadigt strømme vand ind i bassinet med en hastighed, der er bestemt af permeabiliteten af jordlagene under havbunden, og den mindste revne i et lerlag, vil hurtigt udvikle sig til en kanal med en stadigt større gennemstrømning.

Uden særlige foranstaltninger vil der især under samlingerne mellem de cirkulære caissoner opstå store trykgradienter, som vil medføre hydraulisk ustabilitet og dermed voldsom vandindstrømning.

Også inde i bassinet kan/vil der opstå hydraulisk ustabilitet (kviksand eller frakturer i lerbund).

Hvordan sikrer man sig mod en kraftig vandindstrømning punktvist og/eller spredt over et areal på mere end 3 kvadratkilometer og langs en mere end 6 km lang væg? En vandindstrømning, der kan udvikle sig eksplosivt og i løbet af få timer lægge hele projektinvesteringen øde.

2) Projektbeskrivelsen angiver en effektivitet af pumper og turbiner på ca. 80% (et tab af potentiel energi på ca. 20%)..

Denne effektivitet kan opnås med pumper og turbiner (almindelige Francis-turbiner), der opererer med nogenlunde konstant flow og trykforskel (som i vandkraftværker).

Med hvilken type pumper og turbiner opnås en effektivitet på 80% i GPP?

3) Hvor lang tid vil det mindst tage at ændre vandstanden i bassinet fra 10 til 25 m under havoverfladen, og hvordan varierer max. pumpe/turbine-flow og dermed effekt med vandstanden i bassinet?

Med Seahorn, Rambøll, EA Energianalyse og Energinet.dk som partnere skulle der ikke kunne rejses tvivl om GPP projektets tekniske gennemførlighed og feasibility, og mine spørgsmål om elementære fysiske og tekniske forhold må uden videre kunne besvares.

Jeg ser frem til et hurtigt svar.

Med venlig hilsen
Klaus Illum

Dr. Klaus Illum
ECO Consult
Soenderhedevej 34
DK-7884 Fur
Denmark

Phone&Fax +45 97 59 34 64

Intet profilbillede
Janus Münster-Swendsen | søn, 09/01/2013 - 15:08

Tak for dine spørgsmål. Der er en del tekniske aspekter som ikke bliver belyst i materialet på denne side, for at ikke at gøre det alt for teknisk. Jeg håber nedenstående besvarer dine spørgsmål.

1) Stålrørene som reservoir væggen bygges af gennemtrænger ned i havbunden. Hvor lang ned de går afhænger af de specifikke forhold, men Rambøll geotekniske eksperter har set på en case der tager udgangspunkt i Kriegers Flak. Her sættes stålrørerne 10 m ned i havbunden (med en havdybde på 25 m) dette vil forhindre større indstrømning under væggen. Worst case scenario er med kun sand og her anvendtes en relativt konservativ vurdering for hydraulisk konduktivitet for sand og vurderingen blev at på 72 timer ville der med tømt reservvoir indstrømme ca. 2,1 % af det samlede volumen – da reservoiret typisk skal køre på daglig basis skal strømmen altså typisk gemmes ca. 12 timer, hvilket altså giver et worst case tab på ca. 0,3% til indsivning langs vægge. Dette var lavt nok til ikke at give problemer med piping hvor større kanaler langsomt dannes som følge af indstrømningen.
Der kan opstå indsivning fra grundvandlommer under karret (op igennem bunden). Dette skal man tage højde for i site bestemmelse for anlægget men risikoen blev vurderet som lav fra Rambølls geotekniske eksperter og sådanne kan aflukkes ved at injicere grout og/eller evt. bore en aflastningsbrønd.

2) Virkningsgraden på ca. 80% er bekræftet fra Alstom (stor fransk pumpeturbine leverandør) som er vores samarbejdspartnere på pumpeturbine siden. Det er Francis pumpe-turbiner der er tale om med generatorer med variabel hastighed (alternativt kan man benytte billigere bulb-turbiner, men det går ud over pumpe virkningsgraden) Vi søger netop om yderligere midler fra ForskEl til et projekt hvor bl.a. pumpeturbine designet skal nærmere fastlægges af Alstom. Det er pumpe-turbinerne der sætter begrænsingen på ca. 15 m aktivt head forskel (fra -25 til -10 m)

3) Helst så vi gerne at det tager ca. 6 timer at tømme/fylde karret, da det er mest optimale økonomisk set. Det afhænger naturligvis af pumpe-turbine konfigurationen og er noget af det der skal ses nærmere på i det kommende projekt. Med det første bud på en pumpe-turbine konfiguration fra Alstom tager det det længere tid fordi effekten fra pumpe-turbinerne falder når headet også falder – jeg tror vi i deres første forslag var oppe omkring 9 timer, men som nævnt kommer det fuldstændig an på hvilken endelig pump-turbine konfiguration man vælger, og det er noget af det vi gerne vi se lidt nærmere på hvad der det optimale.

Intet profilbillede
Klaus Illum | søn, 09/01/2013 - 22:53

Kære Janus,

Tak for dit hurtige svar på mine spørgsmål.

Angående 2) og 3) tager jeg indtil videre dine svar til efterretning, selvom jeg tvivler på, at en effektivitet (virkningsgrad) er på 80% er opnåelig i praksis. Men det er jo kun et økonomisk problem.

Mit første spørgsmål 1) er derimod et spørgsmål om, hvorvidt projektet overhovedet kan realiseres.

Antag at havbunden består af et helt homogent, permeabelt sediment (sand eller ukomprimeret moræneler) af stor mægtighed.

Der skal i det mindste være statisk ligevægt mellem en vandsøjle på 1 kvm med dybden D+S udenfor væggen og en vandfyldt sedimentsøjle på 1 kvm lige indenfor væggen (se skitsen herunder. Man kan forestille sig, at en vandret plastfolie i niveau med væggens underkant forhindrer opstrømning af vand på væggens inderside. Tyngdekraften på sedimentsøjlen skal så være mindst lige så stor som tyngdekraften på vandsøjlen udenfor bassinvæggen).

Hvis det vandfyldte sediments densitet er 1800 kg/m3 og trykforskellen mellem havoverflade og bassinbund er 25 mvs, følger deraf, at væggen skal rammes mindst 32 meter ned i havbunden for at undgå opskud af sediment ved tømning.

Med denne vægdybde vil det permeable sediment så at sige ’svæve’ i den opadgående vandstrøm, hvis hastighed er bestemt af Darcy’s lov (kviksand).

Ved en mindre vægdybde vil sedimentet vælde op i bassinet.

Hvis sedimentet ikke er homogent vil der være passager op igennem laget, hvor gennemstrømningsmodstanden er mindre end andre steder (især opad bassinvæggen kan der være passager). På sådanne steder vil en hurtigere vandstrøm hurtigt erodere sedimentlaget, så strømningen accelererer.

Da de til projektet knyttede hydraulik- og geoteknikeksperter er kommet til et andet resultat, må jeg gå ud fra, at dette regnestykke er forkert.

Jeg vover alligevel at sende dig det, idet jeg håber, at du eller en anden ekspert vil gøre mig den tjeneste at fortælle mig, hvori jeg tager fejl.

Med venlig hilsen

Klaus

Kære Janus,

Tak for dit hurtige svar på mine spørgsmål.

Angående 2) og 3) tager jeg indtil videre dine svar til efterretning, selvom jeg tvivler på, at en effektivitet (virkningsgrad) er på 80% er opnåelig i praksis. Men det er jo kun et økonomisk problem.

Mit første spørgsmål 1) er derimod et spørgsmål om, hvorvidt projektet overhovedet kan realiseres.

Antag at havbunden består af et helt homogent, permeabelt sediment (sand eller ukomprimeret moræneler) af stor mægtighed.

Der skal i det mindste være statisk ligevægt mellem en vandsøjle på 1 kvm med dybden D+S udenfor væggen og en vandfyldt sedimentsøjle på 1 kvm lige indenfor væggen (se skitsen herunder. Man kan forestille sig, at en vandret plastfolie i niveau med væggens underkant forhindrer opstrømning af vand på væggens inderside. Tyngdekraften på sedimentsøjlen skal så være mindst lige så stor som tyngdekraften på vandsøjlen udenfor bassinvæggen).

Hvis det vandfyldte sediments densitet er 1800 kg/m3 og trykforskellen mellem havoverflade og bassinbund er 25 mvs, følger deraf, at væggen skal rammes mindst 32 meter ned i havbunden for at undgå opskud af sediment ved tømning.

Med denne vægdybde vil det permeable sediment så at sige ’svæve’ i den opadgående vandstrøm, hvis hastighed er bestemt af Darcy’s lov (kviksand).

Ved en mindre vægdybde vil sedimentet vælde op i bassinet.

Hvis sedimentet ikke er homogent vil der være passager op igennem laget, hvor gennemstrømningsmodstanden er mindre end andre steder (især opad bassinvæggen kan der være passager). På sådanne steder vil en hurtigere vandstrøm hurtigt erodere sedimentlaget, så strømningen accelererer.

Da de til projektet knyttede hydraulik- og geoteknikeksperter er kommet til et andet resultat, må jeg gå ud fra, at dette regnestykke er forkert.

Jeg vover alligevel at sende dig det, idet jeg håber, at du eller en anden ekspert vil gøre mig den tjeneste at fortælle mig, hvori jeg tager fejl.

Med venlig hilsen

Klaus

Kære Janus,

Tak for dit hurtige svar på mine spørgsmål.

Angående 2) og 3) tager jeg indtil videre dine svar til efterretning, selvom jeg tvivler på, at en effektivitet (virkningsgrad) er på 80% er opnåelig i praksis. Men det er jo kun et økonomisk problem.

Mit første spørgsmål 1) er derimod et spørgsmål om, hvorvidt projektet overhovedet kan realiseres.

Antag at havbunden består af et helt homogent, permeabelt sediment (sand eller ukomprimeret moræneler) af stor mægtighed.
Der skal i det mindste være statisk ligevægt mellem en vandsøjle på 1 kvm med dybden D+S udenfor væggen og en vandfyldt sedimentsøjle på 1 kvm lige indenfor væggen (se skitsen herunder. Man kan forestille sig, at en vandret plastfolie i niveau med væggens underkant forhindrer opstrømning af vand på væggens inderside. Tyngdekraften på sedimentsøjlen skal så være mindst lige så stor som tyngdekraften på vandsøjlen udenfor bassinvæggen).

Hvis det vandfyldte sediments densitet er 1800 kg/m3 og trykforskellen mellem havoverflade og bassinbund er 25 mvs, følger deraf, at væggen skal rammes mindst 32 meter ned i havbunden for at undgå opskud af sediment ved tømning.

Med denne vægdybde vil det permeable sediment så at sige ’svæve’ i den opadgående vandstrøm, hvis hastighed er bestemt af Darcy’s lov (kviksand).

Ved en mindre vægdybde vil sedimentet vælde op i bassinet.

Hvis sedimentet ikke er homogent vil der være passager op igennem laget, hvor gennemstrømningsmodstanden er mindre end andre steder (især opad bassinvæggen kan der være passager). På sådanne steder vil en hurtigere vandstrøm hurtigt erodere sedimentlaget, så strømningen accelererer.

Da de til projektet knyttede hydraulik- og geoteknikeksperter er kommet til et andet resultat, må jeg gå ud fra, at dette regnestykke er forkert.

Jeg vover alligevel at sende dig det, idet jeg håber, at du eller en anden ekspert vil gøre mig den tjeneste at fortælle mig, hvori jeg tager fejl.

Med venlig hilsen

Klaus

(Det er ikke muligt at indsætte en figur i dette format)

Intet profilbillede
Janus Münster-Swendsen | man, 09/02/2013 - 10:07

Kære Klaus

Jeg er heller ikke selv geotekniker og dermed ikke en ekspert på området, vi har som nævnt benyttet Rambølls eksperter på området (som bl.a. har simuleret forholdene med MIKE SHE). Jeg vil dog alligevel forsøge mig med et svar da jeg tror din analyse nok er for simpel. Du glemmer at væggen er ca. 30 m bred og har en ganske betragtelig vægt når denne er ballasteret. Der vil således være et stort tryktab for vandet når det løber vandret under væggen igennem materiale med et stort overtryk på (vægt af væggen). Desuden vil der sandsynligvis (det afhænger igen lidt af forholdene) være en banket på reservoirsiden af væggen til yderligere at overlejre havbunden med et ekstra tryk – i den case vi har dimensioneret er denne banket 5 m høj. Vedhæftet er en hurtig skitse som jeg mener er mere retvisende.
Dertil kommer at aflastningsbrønde kan etableres på indersiden af reservoirvæggen for at mindske trykgradienten fra vandet som kan risikere at reducere bæreevnen at havbunden.

Jeg håber det besvarer dit spørgsmål.

Mvh.
Janus Münster-Swendsen

Intet profilbillede
Klaus Illum | tir, 09/03/2013 - 00:31

Kære Janus,

Som jeg påpegede i min første mail, optræder de største trykgradienter under samlingerne mellem de cirkulære caissoner, hvor vægtykkelsen er en meter eller to.

Dvs. at vandtrykket her er omtrent det samme som ved væggens yder- og inderside.

Du kan nu lave eller forestille dig et simpelt eksperiment med en 60 cm dyb spand vand og en tom 60 cm dyb plastcylinder klistret sammen af to store plast-colaflasker:

Fyld sand i plastcylinderen (og lidt vand, så sandet er vandfyldt), indtil den flyder i spanden med sandoverfladen 25 cm under vandoverfladen i spanden.

Mål så hvor mange cm sand, du har fyldt i cylinderen.

Tag nu cylinderen op og lav et hul i bunden, uden at sandet løber ud.

Fyld sand i spanden op til dybden 25 cm under vandoverfladen og grav med en finger for hullet cylinderen ned i sandet i spanden, så sandoverfladen i cylinderen flugter med sandoverfladen i spanden.

Se hvad der sker, når du tager fingeren væk, så vandet kan strømme op gennem hullet i flasken.

Det er en model 1:100 af de hydrostatiske og de hydrodynamiske forhold omkring samlingerne mellem de cirkulære caissoner.

Inde i bassinet er trykgradienterne uafhængige af randbetingelserne omkring væggen. Hvis der er ral- eller gruslag med stor permeabilitet, kan gradienterne blive meget store med gennembrud til følge.

I et bassin med radius 1000 m og en pumpeeffekt på 400 MW vil vandtilstrømningen til pumperne, når bassinet er ved at være tømt, være omkring 1500 m3/sek eller omkring 40 m3/sek til hver pumpestation, hvis der er 40 af dem med ca. 160 meter imellem dem.

Er der nogen, der har beregnet strømlinier og strømhastigheder over bassinbunden, Coriolis-kraften taget i betragtning?

Man kunne forestille sig en hvirveldannelse med opslemning af bundmateriale til følge.

Problemet er, at det skal være 100% sikkert, at der ikke ved de første tømninger af bassinet sker store vandgennembrud, som det vil være umuligt at standse.

Hvem vil påtage sig det økonomiske ansvar, man pådrager sig ved at udstede garantien?

Jeg ville som projektansvarlig i din situation bede mine rådgivere om at fortælle mig, hvorfor disse elementære regnestykker og betragtninger er forkerte eller uden betydning. Og det vil naturligvis interessere mig, at høre hvorfor.

Med venlig hilsen

Klaus

Intet profilbillede
Janus Münster-Swendsen | tir, 09/03/2013 - 08:36

Kære Klaus

Der er intet sted hvor væggen er nede i nærheden af 2 meter – heller ikke ved samlingerne mellem rørene. Rørene forbindes med cirkelbue elementer, så væggens tykkelse opretholdes. Der er derfor, som jeg tidligere har nævnt, en væsentligt større afstand under den i øvrigt meget tunge væg.

Der er indledningsvis set på strømningshastigheder i forbindelse med tømning og fyldning af kar, men igen kommer det utroligt meget an på konfiguration af anlæg (f.eks. hvor præcis røråbninger placeres mm.). man kan f.eks. godt forestille sig at det er nødvendigt at beskytte mod scour inden i reservoiret.

Vi har som tidligere nævnt en hel del mere materiale end der er tilgængeligt via voresomstilling.dk

Dine betragtninger er altså ikke retvisende for den konstruktion vi har tænkt os at lave. Men det er relevante problemstillinger som vi også har adresseret, og fundet at det ikke er ’deal breakers’ for teknologien. Man skal naturligvis være opmærksom på de lokale bundforhold hvor et anlæg opstilles - før man rent faktisk bygger et anlæg skal der naturligvis detail projektering til (for det givne anlæg og den givne site), men det ligger stadig lidt ude i fremtiden for os. Vi er i en fase hvor vi udvikler anlægget og lavere dybere undersøgelser af rentabiliteten.

Mvh.
Janus Münster-Swendsen

Sider