Redigerer Vannkraftverk (avsnitt)

== Vassdragsregulering ==
=== Hydrologi og energiproduksjon ===
[[File:Skoltefoss - Grensefoss Nivelleringsarbeider.jpg|thumb|Nivelleringsarbeid gjøres i forbindelse med målinger av vannføringen i en elv. Bildet viser [[Norges vassdrags- og energidirektorat|Vassdragsvesenets]] folk i arbeid i 1939. {{Byline|J. Aastad, Norges vassdrags- og energidirektorat}}]]

Et vannkraftverk utnytter deler av vannets kretsløp, dermed blir vitenskapen som kalles hydrologi og handler om vannkretsløpet og vannressurser på jorden viktig. I Norge har [[Meteorologisk institutt]] målt [[nedbør]]en over landet i mer enn 100 år. Tilsammen er det ca. 750 faste målestasjoner spredt ut over landet. Nedbørsnormalen som forteller om midlere nedbør i millimeter over 30 år forteller om forventet nedbør og kan brukes til å estimere vannføring i elvene. For årsnormalen 1901–1930 hadde Kvitingen i Samnanger en årsnedbør på 3&nbsp;142&nbsp;mm, mens det året med mest nedbør i denne serien ga 5&nbsp;087&nbsp;mm. Det vi si at om nedbøren ikke renner av bakken ville Samnanger i løpet av dette året bli dekket med over 5 m vann. Det tørreste året i denne måleserien for Samnanger var nedbøren på 1982&nbsp;mm. Selv dette er mer nedbør enn de fleste steder i Norge. I Skjåk ble årsnormalen målt til 279&nbsp;mm i (1901–1930), og i det tørreste året var nedbøren bare 172&nbsp;mm.<ref>[[#DK|John Eie: ''Dammer og kraftverk'' side 14.]]</ref>

Den enkleste måten å finne ut hvor mye energi som kan hentes ut av en elv ville være å ta årsnedbøren og multiplisere med nedbørfeltets areal. Så enkelt er det imidlertid ikke å få et godt estimat. Det er ingen klar sammenheng mellom nedbøren som faller på et hvilket som helst sted på jorden og vannet som går i elvene. Noen av nedbøren fordamper, noe går i grunnvannet, noe blir magasinert i [[innsjø]]er og noe blir magasinert som [[is]] og [[snø]] om vinteren. Derfor er det også av stor interesse å måle selve avløpet i elvene direkte. Dette måles med målestasjoner satt ut i aktuelle elver og forteller om vannføring [m³/s] per år, per måned eller per dag. Er dette kjent kan en også finne spesifikt avløp [m<sup>3</sup>/km s], altså vannføringen dividert på nedbørfeltet for nedslagsfeltet. Dette er et nyttig måltall fordi en kan finne vannføringen i en elv i nærheten der det ikke er satt opp noen målestasjon. En trenger bare å måle opp arealet til ønsket nedbørsfelt på et kart og multiplisere med spesifikt avløp for område. [[Norges vassdrags- og energidirektorat]] (NVE) står bak slike målinger og har måleserier lang tid tilbake. Målinger gjøres også for å finne maksimale (flom) og minimale verdier (tørke).

På grunnlag av denne typen statistikk om nedbør og vannføring, samt kjennskap til hydrologi kan en finne både hvor mye energi et kraftverk kan forventes å produsere i løpet av et år og hvor stor [[elektrisk effekt]] det kan yte. Slike data brukes også til å finne ut hvor store dammer en trenger for å utnytte vassdragets vann optimalt. Et annet viktig formål er å finne ut hvor stor flom som kan forventes i elven og hvordan overløpet i demningen skal dimensjoneres.

Vassdragsregulering er et inngrep i vannets naturlige syklus på landjorden der store deler av vannet ledes bort fra en eller flere elver for å produsere elektrisk energi i et kraftverk. Det er også i mange tilfeller snakk om å magasinere vann i reservoarer. Grunnen til dette er at et samfunns behov for energi kan være høyst forskjellig gjennom året, og at vannføringen i et vassdrag varierer gjennom året.

=== Hovedtyper av kraftverk ===
[[Fil:RoxburghHydroStnNZ.JPG|thumb|[[Roxburgh-demningen]] er et eksempel på et elvekraftverk med lav fallhøyde. Selve kraftstasjonen er den avlange bygningen i senter av bildet.]]

* [[Magasinkraftverk]] lagrer vann i reservoarer for senere å bruke vannet til kraftproduksjon. Magasinet eller reservoaret demmes opp kunstig med en demning, som kan ligge hundrevis av meter høyere enn selve kraftstasjonen. Vannet ledes fra magasinet til turbinen i en trykksjakt eller et rør. Ofte samles vann i flomperioder for senere å bruke dette til kraftproduksjon i tørre perioder.
* [[Elvekraftverk]] anlegges midt i selve elveløpene, helst med store vannmengder, men har ofte liten fallhøyde. Disse kraftverkene er avhengige av vannføringen i elven til enhver tid. Denne kan vanskelig reguleres, og vannet brukes derfor når det kommer. Dette innebærer at kraftproduksjonen øker betraktelig i flomperioder med mye snøsmelting eller nedbør. Elvekraftverk kombineres derfor ofte med pumpekraftverk.
* [[Pumpekraftverk]] kan pumpe vann opp fra ett nivå til et annet. En kan se på et pumpekraftverk som et energilager. I perioder med lite elektrisk energiuttak, men overskudd av vann og lave energipriser, kan ledig kapasitet benyttes til å pumpe opp vann fra et lavt magasin til et høyere. I et pumpekraftverk kan dette skje ved å kjøre generatorene som motorer slik at turbinene reverseres og pumper vannet tilbake, det må da være spesielle turbiner for at dette skal være mulig. Et pumpekraftverk kan også være utstyrt med egne pumper og turbiner. I tilfeller som i [[Aurland III kraftverk]], flyttes vann fra magasiner med stort tilsig til andre magasiner. På denne måten utnyttes tilsig og lagringsvolum maksimalt. I utlandet benyttes ofte pumpekraftverk til å utjevne døgn- og øyeblikksvariasjonene i energiforbruket, dette kan nemlig være en stor utfordring i et kraftsystem med overveiende varmekraftverk. Hurtig endring av pådraget er teknisk vanskelig i slike kraftverk, og det er der derfor ønskelig at disse kraftverkene skal gå med jevnest mulig produksjon.

=== Metoder for å dimensjonere et vannkraftverk ===
==== Varighetskurve og kraftverk uten regulering ====
[[File:Flow duration curve.jpg|thumb|Konstruksjon av varighetskurve basert på årlig hydrogram (øverst) for vannføringen et gitt sted i en [[elv]]. Varighetskuve (rød), slukeevnekurve (blå) og sum laverekurve (gul) (nederst) brukes for valg av et kraftverks ytelse.]]

Vannføringen gjennom året kan variere sterkt og endringene fra et år til et annet kan også være store. Kurven til høyre viser et eksempel på hvordan vannføringen i et bestemt sted i en elv varierer gjennom et år. Slike kurver kalles for årlig hydrogram og langs x-aksen følger årets dager og på y-aksen settes vannføringen i m<sup>3</sup>/s eller l/s. Ved å foreta målinger over mange år fås gjennomsnittlige verdier (normalår), som brukes ved planlegging av et vannkraftverk. Varighetskurven konstrueres slik som illustrert i figuren til venstre ved at vannføringen sorteres etter størrelse. Skaleringen på x-aksen er vist som dager i året, men prosentdel av dagene i året er det vanligste, mens y-aksen vanligvis er skalert som prosent av middelvannføringen.

Hvis det i elven skal bygges en kraftstasjon på stedet der diagrammets data er samlet kan en bruke kurven til å dimensjonere kraftstasjonen. Den røde kurven i figuren er varighetskurven og leser en av denne kurven kan en for eksempel finne at middelvannføringen på 100 % har forekommet rundt 60 % av året, mens maksimal vannføring på 440 % av middelvannføringen har forekommet i knapt 1 % av året. Velges kraftverkets slukeevne til 250 % av middelvannføringen vil kraftverket gå for fullt omtrent 15 % av tiden (55 dager), se avlesning med røde piler. Videre velges laveste vannføring til rundt 40 % middelavløpet, og med dette vil kraftverket være i drift i rundt 80 % av året (292 dager).

Den blå kurven er konstruert på basis av varighetskurven og viser hvor stor del av normalavløpet (i %) kraftverket kan utnytte avhengig av den maksimale kapasiteten (i % av middelavløpet, altså midlere årlig vannvolum). Bestemmer en seg for å utnytte 250 % av middelvannføringen vil kraftverket få en slukeevne på 75 % av middelavløpet, se avlesningen med stiplet blå piler på kurven. Samtidig vil kraftverket komme til å være i drift i 75 % av året (274 dager). Den grønne kurven viser det som kalles «sum lavere» i NVE sin språkbruk, eller også «forventet lavvannstap». Denne kurven viser hvor stor del av normalavløpet som vil gå tapt når vannføringen underskrider minste vannføring til kraftverket (minste slukeevne). I eksemplet er den laveste vannføring til kraftstasjonen valgt til 40 % av middelvannføringen, og da vil omtrent 10 % av middelavløpet gå tapt, se avlesninger med gule piler.

Ulempe med å velge en så stor utnyttelse av middelvannføringen er at kraftverket vil gå med redusert ytelse det aller meste av året. Det fører til dårlig utnyttelse av den investerte kapital og dessuten tap ved at virkningsgraden for en turbin er lavere ved redusert ytelse. Et annet problem er at kraftverket vil produsere mye energi ved flom om våren og høsten, når behovet er lavest. Dermed blir også prisen for den solgte energien lav. Som en enkel tommelfingerregel kan en velge det dobbelte av midlere vannføring i elven som maksimal slukeevne for et kraftverk, altså 200 % i diagrammet.<ref name="BF">{{Citation|page= 64 | title=Veileder i planlegging, bygging
og drift av små kraftverk – Ny utgave | author= Bjørn Fladen, m.fl.|isbn= | accessdate=10. november 2014 |year=2010|publisher=Norges vassdrags- og energidirektorat|postscript=}}</ref>

Den lave utnyttelsen av vannet i en elv med store variasjoner kan forbedres på flere måter. En mulighet er å lage kraftverket med to eller flere turbiner. Virkningsgraden forbedres på denne måten fordi en turbin ikke vil være i drift deler av året, og den som er i drift oftere vil gå med full ytelse. Den beste løsningen imidlertid er å regulere elven eller hele vassdraget med en eller flere reguleringsdammer.

==== Dimensjonering av reguleringsdam ====
[[File:Flow and degree of reservoir accumulation.jpg|thumb|350px|Konstruksjon av magasineringskurve for en dam til et kraftverk. Øverste kurve viser årlig hydrogram for vannføringen et gitt sted i [[elven]] der en dam planlegges. Den nederste blå horisontale streken merket r<sub>1</sub> viser høyeste konstante vannføring til kraftverket uten reguleringsdam. Blå strek merket r<sub>2</sub> viser en vannføring med magasinering. Akkumulering av vann skjer hver gang vannføringen er over r, og tapping av dammen når vannføringen er under r. På grunnlag av dette lages diagrammet under som viser nødvendig magasinvolum som funksjon av konstant vannføring til kraftverket.]]

Det vil være svært fordelaktig for kraftutbyggingen om vassdraget kan reguleres, og bestemmelse av passende størrelse for reguleringsdammen er en omfattende optimalisering. Den uthevede grafen i figuren til venstre er det vist et hydrogram for to år for et gitt sted i en elv. Vannføringen varierer en hel del og har flomtopper én eller to ganger i året. For enkelhets skyld antas det at kraftverket skal bygges og dimensjoneres for å gi jevn produksjon gjennom hele året. Med denne forutsetningen blir laveste mulige vannforbruk den rette streken merket r<sub>0</sub>.

Om det planlegges å bygge en reguleringsdam, og en ønsker å finne hvor stort volumet av dammen må være for å kunne gi et vist vannforbruk til kraftverket, kan kurvene og arealet til venstre analyseres visuelt. Flyttes kurven noe opp øker vannforbruket til kraftstasjonen, noe som også betinger at vann må samles opp i perioder der vannføringskurven er over den horisontale streken som viser forbruket. En strek høyere enn r<sub>0</sub> betyr altså at det er et magasin for å akkumulere vann. Arealet som er mellom vannføringskurven og kurven for forbruk viser perioder for oppsamling av vann i et tenkt magasin, vannet i magasinet øker i disse periodene. Omvendt vil vannbeholdningen minke i periodene der vannføringskurven er under kurven for vannforbruk. Der arealet over kurven er nøyaktig likt arealet under vil 100 % av vannvolumet i vassdraget bli utnyttet.

Reguleringskurven er til nytte ved bestemmelse av hvor stor reguleringsdammen skal være, se illustrasjonen. Tilhørende verdier for ''vannmagasin'' (''M'') og vannforbruk (r) settes opp henholdsvis langs y- og x-aksen. Videre skaleres aksene i prosent slik at 100 % vannmagasin vil si at alt vannet kan utnyttes i kraftverket. Av kurven kan en se at bare en økning fra 0 til 10 % magasin gir en fordobling av regulert vannføring til kraftstasjonen. Går en lengre opp på kurven vil tilsvarende 10 % økning av magasingraden gi stadig mindre økning av vannføring til kraftstasjonen. Dette har å gjøre med at flomtoppene er kortvarige og ligger høyt over gjennomsnittlig vannføring.

Et problem her er at vannføringen og dermed reguleringskurven er forskjellig fra år til år. Ved å legge en 30-års måleserie til grunn finnes det noen karakteristiske kurver, som gjør valget enklere:

* ''Den ugunstigste reguleringskurven'', der en legger til grunn reguleringskurven for det verste av de 30 årene. Dette vil være året der en stor reguleringsgrad er nødvendig for å dekke vannføringen til kraftstasjonen.<ref name="JE39">[[#DK|John Eie: ''Dammer og kraftverk'' side 39.]]</ref>
* ''Den bestemmende reguleringskurven'' er definert slik at kraftstasjonen får dekket sitt behov for vannføring i 90 % av året, men får for lite vann i 10 %. Denne situasjonen vil oppstå i 3 av de 30 årene. Tidligere var denne reguleringskurven i bruk for dimensjonering av dammer i Norge.<ref name="JE39" />
* ''Den mediane reguleringskurven'' er den kurven som representerer gjennomsnittsåret, men halvparten av årene i en 30-årsperiode vil ønsket vannføring til kraftverket ikke kunne holdes. Denne kurven har blitt brukt de siste årene, og tilnærmingen kan aksepteres fordi en har samkjøring med andre kraftverk og bedre kraftutveksling i Norge og i Norden.<ref name="JE39" />

I virkeligheten er behovet for vannføring til kraftstasjonen ikke konstant, men varierer mye gjennom året, både gjennom en uke og innenfor døgnet. Utbygging av et vassdrag må bygge på prognoser for fremtidig energibehov og utvikling av energipriser, samt optimalisering av investert kapital. Et annet forhold er at naturverdier skal ivaretas, dermed blir store prosjekter underlagt politisk avgjørelse.