2013

22. ročník - č. 4/2013

NANT DE DRANCE PROBLÉMY PŘI VÝSTAVBĚ PŘEČERPÁVACÍ VODNÍ ELEKTRÁRNY 900 MW V ALPÁCH NANT DE DRANCE CHALLENGES IN THE CONSTRUCTION OF A 900 MWPUMPED-STORAGE HYDROPOWER SCHEME IN THE ALPS SEBASTIAN JUNG

ABSTRAKT Potřeby elektřiny, obzvláště v dobách špičkových odběrů, se ve Švýcarsku a v Evropě stále zvyšují, navzdory pokusům snížit celkovou spotřebu energie. Podle studií trhu by do roku 2035 mohl ve Švýcarsku nastat nedostatek elektrické energie. Stavba Nant de Drance, jedné z největších švýcarských vodních elektráren ve fázi výstavby, začala v roce 2008. Její celkový instalovaný výkon 900 MW by měl být zcela funkční v roce 2018 – celkové investiční náklady dosáhnou 1,8 miliardy švýcarských franků. Pro vybudování klíčových součástí projektu bylo nutné vyrazit podzemní kaverny strojovny elektrárny, sousední kaverny pro transformátory, přivaděče/odpady vody, komory uzávěrů a 15 km dlouhý systém přístupových tunelů. Celá organizace logistiky je ovlivněna alpským prostředím a je často spojena se zvláštními problémy. Projektanti, stavební dodavatelé, pracovníci stavebního dozoru atd. se musí vyrovnávat se stejnými otázkami jako v minulosti v případech staveb velkých přehrad, ale ve složitějším restriktivním prostředí environmentálním, bezpečnosti práce a zákonů. ABSTRACT Electricity needs, particularly during peak hours, continues to increase in Switzerland and in Europe in spite of attempts to decrease the overall energy consumption. According to market studies, the electrical energy supply could become insufficient in Switzerland by 2035. The Nant de Drance project as one of Switzerland’s biggest hydro power plants in construction phase started in 2008, its entire installed output of 900MW should be entirely functional in 2018 – total investments amount to 1,8 billion CHF. In order to build the center-pieces of the project, main underground powerhouse cavern, the adjacent transformer cavern, the power waterways and the valve chambers, a 15km long system of access tunnels had to be excavated. All the logistical organization is influenced by the alpine environment and often linked to special challenges. Designers, Contractors, Site Supervisors etc. do have to face the same issues as it was previously the case in the construction of large dams, but in a more complex restrictive environmental, safety and legal environment.

70

ÚVOD

INTRODUCTION

S příchodem obnovitelných zdrojů na trh s elektrickou energií, jako jsou vítr a sluneční záření, jejichž výkon závisí do velké míry na podmínkách počasí, se potřeba zařízení na spolehlivou výrobu elektřiny schopných vyrovnávat rychlé výkyvy v distribuční síti stala kritičtější. Potřeby elektřiny, obzvláště v dobách špičkových odběrů, se ve Švýcarsku a v Evropě stále zvyšují, navzdory pokusům snížit celkovou spotřebu energie. Podle studií trhu by do roku 2035 mohl ve Švýcarsku nastat nedostatek elektrické energie. Dále je nutné nakládat s rostoucím požadavkem na energii, obzvláště energii ve špičkách, účinně a spolehlivě, aby se reagovalo na požadavky např. rychlejších vlaků nebo hustších železničních sítí a jízdních řádů. Dopady na globální oteplování vytvářejí nové příležitosti pro alpské projekty přečerpávacích elektráren, které se mohou používat k řízení optimálních nádrží na ledovcové vody, jejichž roční přítoky se v současnosti zvyšují v důsledku zrychleného tání ledovců, ale za několik desítek let se začnou zmenšovat z důvodu zmenšujících se zásob v ledovcích. Přečerpávací vodní elektrárny se ve Švýcarsku budovaly od roku 1920 a jejich výstavba se zpomalila mezi sedmdesátými lety minulého století a koncem 20. století. Od začátku 21. století se úsilí budovat další přečerpávací vodní elektrárny zesiluje a bylo zpracováno několik studií ohledně možných nových

With the arrival of more renewable energy sources on the electricity market, such as wind and solar, the output of which depends to a large extent on the weather conditions. The need for reliable electricity production facilities, capable of levelling out rapid fluctuations in the distribution grid, becomes more critical. Electricity needs, particularly during peak hours, continues to increase in Switzerland and in Europe in spite of attempts to decrease the overall energy consumption. According to market studies, the electrical energy supply in Switzerland could become insufficient by 2035. Furthermore, the increasing request for energy, in particular peak energy, has to be treated efficiently and reliably, to respond to demands, for example, by faster trains, or by denser railway networks and timetables. Impacts due to global warming create new opportunities for alpine pumped-storage projects, which can be used to optimally manage glacial reservoirs. The annual inflow is increasing due to the accelerated melting of glaciers, but will start to decrease in some decades due to decreasing glacial reserves. Pumped-storage hydropower schemes that have been developed in Switzerland since the 1920s slowed down between the 1970s and the end of the 20th century. Since the beginning of the 21st century, efforts to further develop pumped-storage

22. ročník - č. 4/2013 zařízení na různých místech. Přes četná environmentální omezení je v současnosti ve výstavbě řada velkých projektů, které umožní značný nárůst instalovaného výkonu přečerpávacích elektráren do roku 2020. Většina těchto staveb se plánuje do podzemí, a to tak, že těží z možnosti využití místních nádrží, aby se tak omezil vliv na životní prostředí a dosáhlo se lepšího přijetí u místní, regionální a národní populace. Po téměř 4,5 letech ražeb přístupových a přívodních tunelů a svislých šachet je v plném běhu betonáž vtokových a výtokových konstrukcí a společnost Nant de Drance SA jako vlastník a budoucí společnost dodávající elektrickou energii, vybudovaná společnými silami švýcarských investičních organizací Alpiq, SBB, FMV a IWB, dnes čelí dalším výzvám, co se týká betonářských prací v přívodních tunelech a hlavních konstrukcích pro výrobu vodní elektrické energie. VŠEOBECNÝ POPIS

Projekt Nant de Drance, který je v současné době jedním největších stavebních projektů ve Švýcarsku, se skládá z přečerpávací vodní elektrárny 900 MW, spojující dvě stávající nádrže Emosson (1930 m n. m.) a Vieux-Emosson (2225 m n. m.) v samém srdci Alp, na jihozápadě Švýcarska. Stavba byla původně navržena na celkový výkon 600 MW, zajišťovaný čtyřmi reverzními turbínami s proměnnou rychlostí, každou s výkonem 150 MW. Aby se zvýšila ziskovost stavby, instalovaný výkon se ve fázi realizační dokumentace zvýšil na 900 MW přidáním dvou reverzních turbín 150 MW a zvětšením výšky 45 m vysoké přehrady horní nádrže Vieux

plants have been intensified and several studies have been undertaken regarding the potential of new facilities for different sites. Despite numerous environmental constraints, a number of large projects are currently under construction and will allow a significant increase in installed pumped-storage capacity by 2020. To limit the environmental impact and to attain better acceptance among the local, regional and national population, most of these projects are planned underground and in such a way that they benefit from existing reservoirs. After almost 4.5 years of excavation works, of acces & headrace tunnels, vertical shafts, pouring concrete of inlet&outlet structures in full swing, Nant de Drance SA, as the owner and future utility company, built up by joined forces of the Swiss investing companies Alpiq, SBB, FMV and IWB, is facing nowadays further challenges with regard to major concrete works in headrace tunnels and the main structures for hydro-electric generation. GENERAL DESCRIPTION

The Nant de Drance project is one of Switzerland's biggest construction sites nowadays, consisting of a 900-MW pumpedstorage power plant connecting the two existing reservoirs of Emosson (1930 m a.s.l.) and Vieux-Emosson (2225 m a.s.l.) in the heart of the Alps in the southwest of Switzerland. The project was initially designed for a total capacity of 600 MW, provided by four variable speed pump-turbines of 150 MW each. During the detailed design phase, in order to improve the profitability of the project, the installed capacity

Nádrž Vieux-Emosson Vieux-Emosson Reservoir Maximální provozní hladina vody 2225,00 m n. m. / Max. Operation Water Level 2225,00m a.s.l.

Nádrž Emosson / Emosson Reservoir Maximální provozní hladina vody 1930,00 m n. m. Max. Operation Water Level 1930,00m a.s.l.

Minimální provozní hladina vody 1830,00 m n. m. Min. Operation Water Level 1830,00m a.s.l. Svislé šachty Vertical Shafts

1695 m n. m. 1695m a.s.l.

el lační tun ý a venti n Gallery v o p tu s Pří tio el nd Ventila Pressure Tunn Access a tunel / Lower Dolní tlakový

Kaverna 900 MW elektrárny Caverns for 900MW Plant

Minimální provozní hladina vody 1830,00 m n. m. Min. Operation Water Level 1830,00m a.s.l.

Hlavní přístu pový tunel Main Access Gallery

Obr. 1 Podélný řez přečerpávací vodní elektrárnou Nant de Drance Fig. 1 Longitudinal section of the Nant de Drance pumped-storage plant

71

22. ročník - č. 4/2013

Obr. 2 Práce na zvyšování přehrady Vieux Emosson Fig. 2 Dam heightening works on Vieux Emosson site

Emosson o 21,5 m, tedy zvětšením jejího zásobního objemu na dvojnásobek. Celkové investiční náklady projektu jsou přibližně 1,8 miliardy švýcarských franků (1,5 miliardy eur). V roce 2018 by celá elektrárna se šesti Francisovými reverzními turbínami a s instalovaným výkonem 900 MW měla být zcela funkční a očekává se, že vyrobí 2500 GWh za rok. TECHNICKÉ CHARAKTERISTIKY

Pro vybudování klíčových součástí projektu bylo nutné vyrazit podzemní kaverny strojovny elektrárny, sousední kaverny pro transformátory, přivaděče vody, komory uzávěrů a 15 km dlouhý systém přístupových tunelů. Horní nádrž Stávající nádrž Vieux Emosson, jejíž zásobní objem bude zvýšen zvětšením výšky přehrady Vieux Emosson o 20 m: • Klenbová hráz: h = 65 m (po zvýšení) • Maximální provozní hladina nádrže 2225 m n. m. • Minimální provozní hladina nádrže 2180 m n. m. • Zásobní prostor: 24,6 milionu m3 Systém přívodních tunelů z horní nádrže Projekt předpokládá průtočné množství Q = 2x180 m3/s: • 2 horní vtokové/výtokové konstrukce, každá z nich s průřezem 15x14 m • 2 horní tlakové tunely, l = 280 m, spád = –9,5 %, Ø = 7,70 m • Horní komora uzávěrů se dvěma škrticími klapkami • 2 svislé šachty, hloubka 444 m, Ø = 7,00 m • 2 úseky s ocelovým vnitřním ostěním: l = 100 m, Ø = 5,50 m, spád = –12 % • Rozvětvení s 2x3 rozdělovacími kanály: l = 69 m, Ø každého = 3,20 m Kaverna strojovny elektrárny l = 193 m, b = 32 m, h = 52 m, Vybavení:

72

was increased to 900MW by adding two pump-turbines of 150MW and by raising the height of the upper, 45m high Vieux Emosson dam by 21.5m, thereby doubling its storage volume. The total investment cost of the project is approximately 1.8 billion CHF (1.5 billion EUR). In 2018 the entire power plant with six Francis machine groups and an installed output of 900MW should be entirely functional and is expected to produce 2500GWh per year. TECHNICAL FEATURES

In order to build the center-pieces of the project, main underground powerhouse cavern, the adjacent transformer cavern, the power waterways and the valve chambers, a 15km long system of access tunnels had to be excavated. Upper storage Existing reservoir of Vieux Emosson whose storage volume will be increased by heightening the Vieux Emosson dam by 20m: • Arch Dam: h = 65m (after heightening) • Maximum reservoir operation level 2225m a.s.l. • Minimum reservoir operation level 2180m a.s.l. • Storage volume: 24.6 Mio m3 Upstream headrace system Design has foreseen a discharge of Q = 2x180m3/s: • 2 upper/intakes/outlets, each of them having a cross-section of 15x14m • 2 upper pressure tunnels, l= 280m, i=-9.5%, Ø = 7.70m • Upper valve chamber with 2 butterfly valves • 2 vertical shafts, 444m deep, Ø = 7.00m • 2 steel-lined sections: l = 100m, Ø = 5.50m; i=-12%; • Manifold with 2x3 distribution conduits: l= 69m, Ø of each =3.20m

22. ročník - č. 4/2013 Powerhouse cavern – l = 193m, b = 32m, h = 52m Equipment: • 6 x Francis pump-turbines, capacity of each 150MW, assembly level 1695m a. s. l. • 2 x 6 spherical valves upstream and downstream of the pump turbines Downstream tailrace system • Manifold with 2 x 3 distribution conduits: l = 65m, Ø each =3.70m • 2 steel lined sections: l = 30 m, Ø each = 5.50m, I = 2% • 2 tailrace pressure conduits: l = 1230m, Ø = 7.70m, I = 9.5% to 12.5%; • Lower valve chamber with 2 roller gates • 2 lower water intakes/outlets, cross-section of each 25x11m LOGISTIC CHALLANGES Obr. 3 Pohled na betonovou klenbu budoucí kaverny strojovny elektrárny Fig. 3 View on concrete arch in the future powerhouse cavern

– 6 x Francisova reverzní turbína, výkon každé 150 MW, úroveň osazení 1695 m n. m. – 2x6 kulových ventilů nad a pod čerpacími turbínami Spodní odpadní systém • Rozvětvení s 2x3 rozdělovacími kanály: l = 65 m, Ø každého = 3,70 m • 2 úseky s ocelovým vnitřním ostěním: l = 30 m, Ø každého = 5,50 m, spád = 2 % • 2 tlakové odpadní kanály: l = 1230m, Ø = 7,70 m, spád = 9,5 % až 12,5 % • Dolní komora uzávěrů se 2 válcovými uzávěry • 2 dolní vtokové/výtokové konstrukce, každá s průřezem 25x11 m LOGISTICKÉ PROBLÉMY

All the logistical organization is influenced by the alpine environment and often linked to special challenges. There is also little space in the narrow V-shaped Trient valley to install all the equipment required in the working site. There are four more working sites to manage and two of them are closed in the winter time due to the heavy snow fall and risk of avalanches in subsequence. The minimum elevation is 1100m a.s.l. and the upper working site is located at 2200m a.s.l. Most of the existing roads have a 10% incline and are partly narrow. The road between the main working site of Châtelard and the Emosson’s Lake is usually closed between November and May, due to weather conditions. A special team of experienced mountain guides work for the project during winter. After each snow fall, the snow is blasted away by helicopter intervention to minimize the risk of avalanches. A huge snow blower is used to open the road which is usually covered by several meters of snow. In March

Celá organizace logistiky je ovlivněna alpským prostředím a je často spojena se zvláštními problémy. V úzkých údolích Trenta ve tvaru V je na jednom staveništi málo místa pro instalaci všech potřebných zařízení. Navíc, existují čtyři samostatná staveniště, která se mají řídit, a dvě z nich jsou v zimě zavřená kvůli padajícímu sněhu a riziku následných lavin. Minimální nadmořská výška je 1100 m n. m. a horní staveniště se nachází ve výšce 2200 m n. m. Většina existujících silnic je ve sklonu 10 % a jsou částečně úzké. Silnice mezi hlavním staveništěm Châtelard a jezerem Emosson je obvykle mezi listopadem a květnem uzavřena z důvodu špatného počasí. Pro projekt pracuje v zimě zvláštní tým zkušených horských vůdců. Po každém nasněžení je sníh odstřelován z vrtulníku, aby se minimalizovalo lavinové riziko. Na otevřené silnici, která je obvykle pokryta několika metry sněhu, se používá ohromná sněhová fréza. V březnu 2012 Obr. 4 Odstřelení laviny z vrtulníku poblíž jezera Emosson byl vstup do tunelu v Emossonu zakryt 9 metry Fig. 4 Avalanche blasting close to lake Emosson sněhu.

73

22. ročník - č. 4/2013 Z důvodu velkých výškových rozdílů se přístupové tunely budují ve sklonu 12 %. Tento sklon umožňuje efektivní ražbu s využitím nákladních vozů pohybujících se po dobré betonové vozovce. Zvláštní zařízení pro zastavení nákladního vozidla v nouzi neexistuje, ale brzdy všech vozidel se musí pravidelně kontrolovat. Aby se snížily potřeby větrání a riziko nehody v hlavní přístupové štole ražené pomocí plnoprofilového stroje TBM, rubanina se dopravuje 5,6 km dlouhým pásovým dopravníkem. Po skončení ražby TBM se vytváří zvláštní kaverna pro instalaci zařízení pro první stupeň drcení. Všechen materiál vyrubaný od tohoto bodu dále se bude drtit a dopravovat dolů na pásovém dopravníku. Zařízení pro betonáž kaverny strojovny a přívodních/odpadních tunelů bude instalováno v jiné kaverně. Všechno kamenivo do betonu bude také dopravováno nahoru na tomto pásovém dopravníku. Z důvodu nedostatku místa pro instalaci skládek a drtičky se v počáteční etapě stavby plánovalo zpětné použití rubaniny. Během pěti let se má vyrubat 4,25 milionu tun rubaniny. Všechno drcené kamenivo do betonu (730 000 tun) se vyrábí z žuly, ruly a ortoruly. Při ražbě se ukládá odděleně podle geologických předpovědí. Drtička je umístěna 4 km od portálu hlavní přístupové štoly. Materiál se ukládá odděleně pro dvě třídy, K1 (používaný pro výrobu betonu) a K2/K3 (zpětné zásypy). Materiál K1 se dopravuje k drtičce na nákladních vozech. Drtička a skládky jsou upravovány a izolovány tak, aby byly schopné pracovat do –20 °C. Pro materiály K2/K3 existují 4 konečné skládky. Největší skládka má kapacitu 1 600 000 m3. V blízkosti tunelových portálů se vytvořily dvě dočasné skládky K1. Očekává se, že v době špičkových výkonů výroby bude zapotřebí kolem 1000 m3 betonu za den. Jelikož místní zásobníky cementu mají omezenou kapacitu, budou dodávky cementu muset být zajišťovány od dodavatele sídlícího dole v údolí. Aby se zajistila denní potřeba při průměrném dávkování 300 kg cementu na krychlový metr, bylo by potřeba 20 nákladních vozů s kapacitou 15 tun, za předpokladu odpovídajícího dokonalého plánování a podmínek počasí. Do podzemí jsou pracovníci v průběhu ražeb kaveren dopravováni kyvadlovým autobusem, aby se předešlo dopravním zácpám v tunelu. Z důvodů bezpečnosti jsou všichni zaměstnanci pracující v podzemí vybaveni zařízeními pro svou lokalizaci v případě mimořádné události. Dále jsou poblíž podzemní betonárny v plném běhu stavební práce na bezpečnostní místnosti s kapacitou pro 200 pracovníků. ZÁVĚR

Všechny problémy spojené s přečerpávací vodní elektrárnou Nant de Drance otvírají nové perspektivy a znamenají začátek nového období ve výstavbě zařízení, která opakovaně používají vody ze stávajících nádrží, aby významně reagovaly na změny na trhu s energiemi a zvýšení bezpečnosti dodávek elektřiny. Projektanti, stavební dodavatelé, pracovníci stavebního dozoru atd. se musí vyrovnávat se stejnými otázkami jako v minulosti v případech staveb velkých přehrad, ale ve složitějším restriktivním prostředí environmentálním, bezpečnosti práce a zákonů. SEBASTIAN JUNG, [email protected], Nant de Drance SA, Švýcarsko Recenzovali: doc. Ing. Matouš Hilar, Ph.D., Ing. Pavel Růžička, Ph.D.

74

2012, the entrance of the tunnel in Emosson was covered with 9m of snow. Due to the high elevation difference, the access galleries are built with an incline of 12%. There is no special equipment to stop a truck in distress but the brakes of all vehicles have to be regularly controlled. To reduce the ventilation needs and the risk of accident on the main access gallery, that was drove with a TBM, the muck is removed by a 5.6km conveyor belt. At the end of TBM excavation, a special cavern has been created to install a first stage crushing plant. All the material excavated from this point will be crushed and transported down with the conveyor. For concreting the machine cavern and the waterways a concreting plant will be installed in another cavern. All the concrete’s granulates will also be transported upwards by the same conveyor belt. Due to the lack of place to install the deposits and the crushing plant, the concept of reusing the excavated material was planned during the early project stage. 4.25 Mio. T are thought to be excavated in 5 years. All the crushed concrete granulates (730.000T) are produced by the separation of the the granite, gneiss and orthogneiss rocks during the excavation, according to the geological forecast. The cracking plant is located 4 km from the main access gallery portal. The material is separated into two classes. K1 (used for concrete production) and K2/K3 (refill material). The K1 is transported by trucks to the crushing plant. During peak production time, the amount of concrete production is expected to be about 1000m3 per day. While the local storage silos have limited capacity, the cement supply will have to be ensured from a provider which is located down in the valley. Thus, for an average of 300kg of cement per cubic meter, it would require having 20 trucks with a 15 ton capacity each in order to ensure the daily demand is met. This, of course, will require precise planning, conforming and being aware of weather conditions at all times. Underground, during the cavern construction, a regular bus shuttle will transport the workers to the machine cavern to avoid traffic jams in tunnels. For safety issues, all staff working underground is equipped with special devices in order to be localized in case of any emergency. Furthermore, the construction of the safety room located near the underground concrete mixing plant, with a capacity for 200 workers, has already begun. CONCLUSION

All challenges linked to the Nant de Drance pumped-storage plant open new perspectives and do mark the start of a new period in time with the construction of facilities, which reuse water from existing reservoirs to considerably respond to the changes of the energy market as well as increase the safety of electricity supply. Designers, Contractors, Site Supervisors etc. do have to face the same issues as was previously the case in the construction of large dams, but in a more complex restrictive environmental, safety and legal environment. SEBASTIAN JUNG, [email protected], Nant de Drance SA, Switzerland