Modelling of pumped storage hydropower with high-density fluid.

Abstract

Este estudio analiza el potencial de los fluidos de alta densidad en centrales hidroeléctricas de bombeo (HPPs) como alternativa al agua, con el fin de aumentar la producción de energía sin requerir grandes modificaciones en la infraestructura civil existente. Aunque la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) puede capturar comportamientos detallados, resulta demasiado costosa en términos computacionales para simulaciones a escala de sistema. Para superar esta limitación, el proyecto emplea modelado unidimensional. Mediante analogías eléctricas y modelos en espacio de estados se logra representar el comportamiento hidráulico con un costo computacional mucho menor. El modelo incluye tuberías, turbinas, válvulas y tanques de oscilación. La densidad del fluido se considera el parámetro más relevante, pues afecta a otros factores como la velocidad de propagación de ondas, la carga hidráulica y el número de Reynolds. Tras comparar varios fluidos candidatos, el R-19 y las salmueras saturadas se identificaron como opciones prometedoras. Los resultados de las simulaciones son notables en términos de potencia. Con una altura bruta de 320 metros y un caudal de 50 metros cúbicos por segundo, las turbinas generan aproximadamente 139 MW usando agua. Al sustituirla por R-19, la producción asciende a 348 MW, lo que supone un incremento cercano al 150%, en línea con la relación de densidad. Las pérdidas por fricción son mínimas en ambos casos, representando solo un 0,2% de la carga. De manera significativa, la presión ejercida por una columna de agua de 320 metros puede reproducirse con apenas 128 metros de R-19, lo que abre la posibilidad de almacenamiento energético en regiones de baja elevación. En conclusión, los fluidos de alta densidad pueden repotenciar las centrales hidroeléctricas existentes, aumentando su capacidad y eficiencia sin necesidad de grandes modificaciones estructurales.

This study explores the potential of high-density fluids for pumped storage hydropower plants (HPPs) as an alternative to water to enhance energy production without requiring substantial civil infrastructure upgrade. While Computational Fluid Dynamics (CFD) can capture fine detail behavior, it is too computationally intensive for system-wide simulation. To bridge this, the project employs one-dimensional modeling. Using electrical analogies and state-space models can simulate hydraulic behavior at considerably lower computational cost. The model incorporates penstocks, turbines, valves, and surge tanks. The fluid density is the most important parameter and it influences various other parameters such as wave speed, hydraulic head, and Reynolds number. Candidate fluids are compared, and R-19 and saturated brines emerged as good candidates. The simulations show great results power-wise. For a gross head of 320 meters and 50 cubic meters per second flow rate, turbines produce approximately 139 MW of power from water. Replacement with R-19 takes the output to 348 MW, an increase of approximately 150%, which is quite close to the density ratio. Friction losses are minimal in both cases, at only 0.2% of head. Significantly, the pressure exerted by a 320-meter water column can be achieved with just 128 meters of R-19, allowing for the possibility of energy storage in low-elevation regions. In conclusion, high-density fluids can re power existing hydropower plants with increased capacity and efficiency and with minimal structural changes.