الطاقة الكهرمائية الصغيرة والمتصلة بالأنابيب

قبل البخار، كانت الطواحين على طول كل نهر تحول المياه إلى عمل. وما زال العديد من سدودهم وقنواتهم هناك. لا تزال الطاقة الكهرمائية أكبر مصدر للكهرباء المتجددة على الأرض، حوالي 15٪ من الكهرباء في العالم في عام 2023، معظمها من السدود الكبيرة (الطاقة الشمسية).الطاقة الكهرمائية). وتتناول هذه الصفحة الطرف الآخر من المقياس: التوربينات التي تتراوح قدرتها بين بضعة كيلوواط وبضعة ميغاوات في الأنهار، وسدود المطاحن القديمة، وقنوات الري، والأنابيب التي تنقل مياه الشرب إلى المدن.

كما هو الحال بالنسبة لنا صفحة البحث في Fan Wallنبدأ بالفيزياء، ثم ننظر إلى ما تقيسه المخططات الحقيقية وما تكلفه مقارنة بمعاييرنا المرجعية، لوحة شمسية على السطح بسعر حوالي 0.19 دولار لكل كيلووات ساعة. النسخة المختصرة: ** الطاقة الكهرمائية الصغيرة أثبتت جدواها، وعمرها طويل وتعمل ليلا، ويمكن لموقعها الجيد أن يتغلب على الطاقة الشمسية على الأسطح بصورة مريحة. ولكن الطاقة هي ببساطة انخفاض في زمن التدفق، ومعظم الأنهار والأنابيب لا تقدم سوى بضع كيلوواط، والتكاليف الثابتة للتصاريح والأشغال المدنية وحماية الأسماك تغرق العديد من المشاريع الصغيرة. ولا يكون للطاقة المائية في الأنابيب معنى إلا حيثما يجري التخلص من الضغط على أي حال**.

ما هو

تغطي “المياه الصغيرة” مجموعة من الآلات، عادة ما تصنف حسب الحجم: صغيرة حتى حوالي 10 ميغاواط، ميني أقل من 1 ميغاواط أو 500 كيلووات اعتمادا على البلد، ميكرو أقل من 100 كيلووات وبيكو أقل من 5 إلى 10 كيلووات (Small hydro؛ Micro hydro). كلها تقريباً معدلات الصرف: بدلا من أن يكون خزانا، فإن السد المنخفض يحول جزءا من النهر عن طريق توربينة ويعيده إلى أسفل المجرى.

مياه داخل الأنابيب أو القنوات يضع العنفات داخل البنية التحتية للمياه الموجودة بالفعل: خطوط المياه الرئيسية التي تجري في اتجاه الهبوط من خزان، والصمامات التي تقلل الضغط قبل أن تصل المياه إلى المنازل، وقنوات الري بالتقطير، ومخارج أشغال المعالجة. ولا توجد سدود جديدة أو معابر نهرية جديدة، ولهذا السبب أعفت الولايات المتحدة مشاريع الأنابيب التي تصل قدرتها إلى 5 ميغاواط من الترخيص الاتحادي في عام 2013.

كيف يعمل

المعادلة الوحيدة وتحوّل العنفة المائية الطاقة المحتملة للمياه المتساقطة إلى كهرباء. The power is P = ρ × g × Q × H × η, where ρ is the density of water (1,000 kg per cubic metre), g is gravity (9.81 m/s²), Q the flow in cubic metres a second, H the head, or height the water falls, in metres, and η the efficiency of turbine, generator and pipework together. وبعبارة أخرى: كل متر مكعب يسقط في الثانية بمقدار متر واحد يحمل 9.81 كيلووات. تقوم التوربينات الكبيرة بتحويل أكثر من 90% منها؛ أما الصغيرة فهي تحوّل عادةً ما بين 50 إلى 85% (Micro hydro).

Head and flow trade places. A mountain stream with a trickle of flow and a 100 m drop can deliver the same power as a lowland river with a hundred times the flow over a 1 m weir. وتتبع التوربينة الموقع:

• ارتفاع الارتفاع، تدفق منخفض (عشرات إلى مئات الأمتار): عجلات بيلتون وتورغو، التي أصابتها نفاثات المياه.
• الرأس المتوسط: توربينات فرنسيس والتدفقات المتقاطعة.
• Low head, high flow (1 to 10 m): Kaplan propellers and Archimedes screws, which turn slowly, pass debris and are gentler on fish.
• في الأنابيب: توربينات خاصة متصلة ببعضها البعض، أو مضخات عادية تعمل إلى الوراء كتوربينات، وهو خيار منخفض التكلفة يستخدم على نطاق واسع.

الضغط هو الرأس. وفي الأنبوب، يظهر الارتفاع كضغط: فبار واحد يساوي حوالي 10.2 متر من الرأس. هذا هو المفتاح إلى الطاقة الكهرمائية في الأنبوب. وتحافظ المدن على ضغط المياه في شبكات المياه الرئيسية عند بضعة بار؛ وحيثما يجري الضغط من خزان إلى آخر، يكون الضغط مرتفعاً جداً بالنسبة للمنازل، وبالتالي فإن الحاجة إلى مياه الشرب تصبح أكثر إلحاحاً. صمام تخفيض الضغط يرمي الفائض بعيداً كحرارة وضوضاء. وهناك توربينة في مكان ذلك الصمام تسترده. مثال “الصمام في الماء الرئيسي” للمشرح، 0.3 متر مكعب في الثانية عبر 3 بار، هو حوالي 60 كيلووات التي يتم تبديدها خلاف ذلك.

لا يوجد غداء مجاني في أنبوب. ولا يمكن للعنفة أن تتحمل إلا الضغط الذي لا يلزم في أسفل المجرى. إن وضع توربينة في أنبوب يحتاج إلى كل ضغطها يسرقها ببساطة من العملاء أو يجعل المضخات تعمل بجهد أكبر، مما يكلف كهرباء أكثر مما تنتجه العنفة. ولذلك فإن المواقع الجيدة داخل الأنابيب هي مواقع محددة: خطوط جاذبية رئيسية ذات ضغط فائض، وتدفق كبير بما فيه الكفاية، واستخدام ثابت. كانت معايير موقع أحد المطورين هي أنابيب قطرها من 0.6 إلى 2.4 متر، وسرعة التدفق من 0.9 إلى 3.7 متر/ثانية وما لا يقل عن 5 psi (0.34 bar) من الضغط الزائد (Lucid Energy, archived).

عامل القدرة يأتي من النهر. فالأنهار ترتفع وتهبط مع الفصول، ويجب أن يترك أي مخطط ما يكفي من المياه في النهر للأسماك وكل شيء آخر. وعادة ما يتم قياس محطة صغيرة للنهر بحيث تستخدم التدفق المتاح لجزء جيد من السنة؛ ويعمل الملغم الذي يبلغ حجمه 50 كيلووات في سيتل بعامل قدرة نسبته 38٪، ويغلق نفسه في الفترات الجافة لإبقاء المياه تتدفق عبر ممر الأسماك.

الحدود: النظرية والعملية

الفيزياء الطاقة هي فقط بقدر حجم التدفق مضروباً في قطرة. مجرى حديقة مع 10 لترات في الثانية تسقط من 5 أمتار يعطي حوالي 0.3 كيلووات، ما يكفي للأضواء والثلاجات ولكن ليس لتدفئة المنزل. وينتج الصمام الرئيسي النموذجي للمياه عشرات الكيلووات. وهذا هو النطاق الصادق لمعظم المواقع الصغيرة: الكيلووات، وليس الميغاواط.

التكاليف الثابتة. ويحتاج مخطط 20 كيلووات إلى ما يقرب من نفس المسوح والدراسات البيئية والتصاريح وحماية الأسماك وربط الشبكة والأعمال القانونية التي يحتاج إليها مخطط 500 كيلووات. وﻻ تنخفض هذه التكاليف مع الحجم، وبالتالي فإن أصغر المخططات هي في كثير من اﻷحيان أغلى المخططات تكلفة للكيلوواط/ساعة.

Environment. Weirs block fish migration, and turbines can injure fish. وحتى مع وجود سلالم للأسماك، أبلغ المشغلون المجتمعيون في سيتل عن عدد أقل من السلمون الذي يمر في أعلى المجرى، واشتبهوا في الضوضاء الناجمة عن الرافعة (Settle Hydro). Many countries do not require full environmental assessment for small schemes, which has led to poorly placed plants in some regions (Small hydro). ويترك المشروع الجيد ما يكفي من المياه في النهر، ويمرر الأسماك في كلا الاتجاهين، ويخضع للرصد.

سلامة المياه. وتلمس التوربينات الموجودة داخل خطوط مياه الشرب المياه التي يشربها الناس. ويجب أن تكون مصدقة للاتصال بمياه الشرب، ولا يجب أبداً السماح بدخول الهواء أو الملوثات إليها، ويجب أن تكون آمنة من الفشل، وبالتالي لن تقوم المرافق بتجربة شبكاتها الرئيسية بصورة خفيفة.

المشاريع الفعلية، المقيسة

المشروع	حيث	النوع والحجم	ما تم قياسه أو الإبلاغ عنه
شركة Settle Hydro	نهر ريبل، نورث يوركشير، انكلترا	مسمار أرخميدس على سد طاحونة، 50 كيلووات	Generating since November 2009; about 165 MWh a year (38% capacity factor); £410,000 raised through community shares; operators report fewer salmon upstream and suspect screw noise (Settle Hydro)
شركة تورس هيدرو	ريفر غويت، نيو ميلز، انكلترا	مسمار أرخميدس، قطره 2.4 مترا، حتى 63 كيلو واط	أول مشروع للمياه المملوكة للمجتمع في المملكة المتحدة، تم تسليمه في سبتمبر 2008؛ جمعت 100,000 جنيه إسترليني من 200 عضو في المجتمع (Torrs Hydro)
LucidPipe، مكتب بورتلاند للمياه	بورتلاند، أوريغون، الولايات المتحدة الأمريكية	توربينات داخلية داخل خط كبير لتغذية المياه بالجاذبية	تم تركيب هذه المحطة في أنابيب المياه بالمدينة وبدأت في توليد الطاقة بحلول أوائل عام 2015 (وزارة الطاقة بأوريغون؛ أخبار الطاقة الواضحة، محفوظة 2015). ولم نجد أي سجل منشور لنواتجها السنوية المقيسة، وبحلول عام 2022 كان موقع الشركة المطورة على شبكة الإنترنت معروضاً للبيع (صفحة محفوظة).
منطقة الري في الوحدة الشمالية	قرب مدراس، أوريغون، الولايات المتحدة الأمريكية	أنابيب مائية على قناة ري (Natel Energy)	أحد مشاريع القنوات التشغيلية المدرجة في قائمة وزارة الطاقة في أوريغون (Oregon Department of Energy)
إعفاءات القيادة في الولايات المتحدة	الولايات المتحدة الأمريكية	الأنابيب والقنوات	:: أذنت الهيئة التنظيمية الاتحادية بتنفيذ 236 مشروعاً من مشاريع الأنابيب بحلول عام 2013 (القدرة الكهرمائية للأنابيب)
الصين والطاقة الكهرمائية الصغيرة	ريف الصين	About 45,000 small plants	حوالي 160 تيراواط/ساعة سنويا بحلول عام 2010، يزود الكثير منها القرى التي لا توجد بها شبكة (الطاقة الكهرمائية الصغيرة)

والدرس المستفاد من هذه المشاريع متسق. وحيثما يوجد بالفعل المصدر والتدفق والبناء، تعمل المحطات الكهرمائية الصغيرة لعقود: فحواجز الطواحين من الثورة الصناعية تنتج الكهرباء مرة أخرى. وحيثما يكون المورد شحيحا، فإن الناتج سيكون صغيرا مهما كانت ذكاء العنفة. وقد حظيت الطاقة الكهرمائية المولدة من اﻷنابيب على وجه الخصوص بحماس الصحافة ونشرت قياسات قليلة؛ والفيزياء سليمة، ولكن المواقع الجيدة محددة وظلت السوق صغيرة.

ما هي تكلفتها

المصدر	ما هو	السعر
الطاقة الكهرمائية الصغيرة، التكلفة النموذجية للتركيب	$1,000 to $5,000 per kW (Micro hydro)
حسابنا من ذلك النطاق	40 إلى 60 في المائة عامل القدرة، 20 سنة بنسبة 7 في المائة حقيقية، الصيانة 3 في المائة من الاستثمار سنوياً (طريقة الحائط المروحي)	$0.02 to $0.18 لكل كيلووات ساعة
تسوية هيدرو، حساباتنا	£410,000 for 165 MWh a year, 20 to 40 years at 7% real, 3% maintenance	حوالي 0.26 إلى 0.31 جنيه استرليني لكل كيلووات ساعة
معيارنا المرجعي	الطاقة الشمسية على سطح مبنى، نموذج الحائط المروحي؛ لازارد 2026 للطاقة الشمسية التجارية والمجتمعية	0.19 دولار لكل كيلووات/ساعة; $0.09 to $0.20
لازارد (حزيران/يونيه 2026)	المرافق الجديدة للطاقة الشمسية/الرياح البرية	$0.04 to $ 0.10/$0.04 to $ 0.10 لكل كيلووات ساعة

والنطاق واسع لأن المواقع كذلك. ويمكن لموقع جيد مرتفع مع مدخل قائم أن ينتج الكهرباء ببضعة سنتات لكل كيلووات ساعة، وهو ما يقل كثيرا عن الطاقة الشمسية على الأسطح، وأن يستمر في القيام بذلك لخمسين عاما. إن خطة مجتمعية صغيرة منخفضة الرأس مع حماية كاملة للأسماك، مثل مشروع سيتل، تكلف أكثر لكل كيلوواط/ساعة من الطاقة الشمسية على الأسطح وفقاً لافتراضاتنا القياسية؛ وعادة ما يكون لهذه الخطط ما يبررها بطول عمرها، والملكية المحلية، والناتج في الليل وفي الشتاء، وتعريفة الدعم. أما بالنسبة للطاقة الكهرمائية المضغوطة في الأنابيب، فإن السؤال أبسط: هل هناك ضغط زائد يجري تدميره في الصمام اليوم؟ وإذا كان الجواب نعم، فإن استردادها قد يكون مجديا؛ وإن لم يكن الأمر كذلك، فليس هناك ما يسترد.

حيث يمكنها الفوز، وحيث لا تستطيع

ويمكن أن يفوز:

• Existing weirs and mill sites, where the civil works were paid for a century or two ago.
• مرافق المياه مع خطوط رئيسية للجاذبية، ومنافذ خزانات وصمام تخفيض الضغط التي تلقي الضغط كل ساعة من اليوم.
• Irrigation canals with drops, and the outfalls of wastewater treatment works.
• Off-grid mountain villages, where a micro-hydro minigrid can supply power day and night at lower cost than diesel.
• الطاقة الليلية والشتوية في أماكن لا تنتج فيها الألواح الشمسية سوى القليل

لا يمكن أن يفوز:

• في البلدان المنبسطة ذات الأنهار الصغيرة: بدون الرأس أو التدفق لا توجد قوة
• In pipes that need their pressure, where a turbine only moves the energy bill from one meter to another.
• حيث سدّ جديد سيؤذي الأسماك في نهر مهم لهم، ما لم يتم تجنب الضرر وإظهار ذلك.
• At pico scale on the grid, where fixed costs dwarf the energy.

ما هو مؤكد وممكن ومقبول

أثبتت: )ب( أن المشاريع الكهرمائية الصغيرة تعمل لعقود من الزمن بتكاليف تشغيلية منخفضة؛ وأن مسارات أرخميدس والعنفات التقليدية تعمل على سدود قديمة؛ وأن الملكية المجتمعية يمكن أن تمول المشاريع الصغيرة؛ وأن مشاريع اﻷنابيب تعمل في شبكات المياه والري.

معقول: )ب( أن العديد من مرافق المياه لديها ضغط فائض كاف في الصمامات ومنافذ الخزانات للكيلوواط المفيدة في كل موقع؛ وأن المضخات العادية التي تعمل كتوربينات يمكن أن تخفض تكلفة مخططات اﻷنابيب؛ وأن التصميمات الجديدة المواتية لﻷسماك يمكن أن تقلل الضرر في مواقع ارتفاع المياه المنخفض.

المضاربة: التوربينات في أنابيب التوزيع العادية بدون فائض الضغط (الطاقة يجب أن تأتي من مكان ما)؛ مساهمات وطنية كبيرة من المشاريع الكهرمائية الصغيرة في البلدان ذات الرأس الكبير؛ توربينات نهرية رخيصة جدا “ملحقة” دون الأعمال المدنية والتصاريح المعتادة.

أسئلة البحث المفتوحة

• رسم خرائط للضغط الزائد. ما مقدار الطاقة التي تدمرها شبكات المياه في الصمامات اليوم، موقعاً بموقع، وما هو مدى استقرارها على مدار اليوم والسنة؟
• التحكم. التوربينات التي تحافظ على ضغط الصرف بنفس ثبات الصمام الذي تحل محله، حتى مع تغير الطلب.
• سمكة ما هي تصاميم التوربينات والشاشات التي تسمح للأسماك بالمرور في كلا الاتجاهين مع حدوث أضرار قليلة، مقيسة لا مفترضة؟
• التكلفة. :: وضع مخططات صغيرة موحدة مع تنفيذ عدد أقل من الأشغال المدنية المصممة حسب الطلب، ومنح تراخيص أبسط للمواقع التي توجد بها بالفعل سدود.
• الحرارة وكذلك الطاقة وتعد الأنهار وخطوط المياه الرئيسية أيضاً مصادر حرارية مستقرة للمضخات الحرارية؛ فهل يمكن لمخطط واحد أن يحقق الاثنين؟

ما يحتاجه النموذج الأولي العامل

إن فكرة الطاقة الكهرمائية الصغيرة هي من أسهل الأفكار التي يمكن اختبارها بكل أمانة، لأن المياه والأنابيب والعدادات هي أشياء يومية. والتكاليف الواردة أدناه هي تقديراتنا التقريبية.

المرحلة الدراسية	العمل	ماذا يثبت	التكلفة الإجمالية	الوقت
1 - منصة الحفر	دائرة مضخة أو خزان مدخل مع قياس التدفق (مقياس تدفق) والضغط (مقاييس قبل وبعد)، توربينة تقود مصرف حمولة عبر مقياس للطاقة مسجل	الكفاءة ضد التدفق والارتفاع	$5k to $30 ألف	1 to 3 months
2- الاختبار في موقع حقيقي	وحدة من 1 إلى 20 كيلووات على مجرى أو أنبوب مزرعة أو صمام مرفق، مع ضمانات لنوعية المياه عند الحاجة، تقطع الأشجار لمدة موسم	الناتج الحقيقي مقابل التدفق المتغير، والحطام، والصيانة	$20k to $150 ألف	من 6 إلى 12 شهرا
3- المرافق أو المشروع التجريبي المجتمعي	منشأة مرخص بها موصولة بالشبكة، أو رصد الأسماك أو إصدار شهادات مياه الشرب حسب الحاجة	الطاقة السنوية القابلة للاستخدام، والتصاريح، والتكاليف	$100k to $1 million	1 to 2 years

Stage 1 is within reach of a school or a maker space. وهي أيضاً بالضبط الدليل الذي يحتاجه أي موقف: توربينة، وقياس التدفق، وقياس الانخفاض، ومقياس يظهر الكهرباء التي أنتجتها.

من نحتاجه

• مهندسو الطاقة الهيدروليكية والمائية لتقييم الموقع واختيار العنفة.
• مهندسو مرافق المياه الذين يعرفون أين ينخفض الضغط وكيف تتصرف الشبكات خلال اليوم.
• أخصائيو بيولوجيا مصائد الأسماك تصميم ورصد ممرات الأسماك.
• مهندسو كهرباء (ب) المولدات الصغيرة، والربط بالشبكة والشبكات الصغيرة الجزرية.
• مهندسون مدنيون للمداخل والسدود والشاشات.
• مجموعات الطاقة المجتمعية )ب( أصحاب اﻷراضي الذين لديهم سدود أو مطاحن أو خطوط أنابيب زراعية.
• أخصائيو إصدار شهادات مياه الشرب لأي شيء داخل ماء الشرب الرئيسي

هل لديك فكرة أفضل؟

وقد يكون لبعض أعضاء المؤسسة اتصالات يمكنهم سماع الدعوى. To be pitched, an idea needs a working, real-life model that actually produces power, with its output measured on an instrument, not claimed: a turbine on a test rig with a flow meter, pressure gauges and a logged power meter is worth more than any drawing. والأفكار الورقية موضع ترحيب أيضاً: فإذا كانت الفيزياء والأرقام متينة، يمكننا نشرها هنا على الموقع الشبكي. ولكن جمع رأس المال بدون نموذج عامل أمر صعب للغاية، ولا يوجد هنا وعد بالتمويل أو العائدات أو العرض.

أرسل فكرتك من خلال نموذج المساهمة، واختار المبادرة الخضراء. أخبرنا عن التدفق و الرأس الذي يعمل به، الكفاءة التي قمت بقياسها أو توقعتها، التكلفة التقريبية لكل كيلووات ساعة، وأرخص اختبار يمكن أن يثبت خطأك. صفحة مصادر الطاقة تقارن الماء الصغير مع إحدى عشرة فكرة أخرى.

المصادر

1. Hydroelectricity, Wikipedia: share of world electricity and turbine efficiency.
2. Small hydro, Wikipedia, drawing on UNIDO’s World Small Hydropower Development Report 2022.
3. Micro hydro، ويكيبيديا: فئات الحجم والكفاءات والتكاليف المركبة.
4. Conduit hydroelectricity، ويكيبيديا.
5. قانون الكفاءة التنظيمية للطاقة المائية لعام 2013, Wikipedia; text at ويكيبيديا congress.gov.
6. Settle Hydro and Torrs Hydro, ويكيبيديا.
7. وزارة الطاقة في أوريغون. Hydropower in Oregon, including conduit projects in Portland and at North Unit Irrigation District.
8. الطاقة الواضحة Target projects (أرشيف 2021) و lucidenergy.com (أرشيف 2022).
9. Run-of-the-river hydroelectricity، ويكيبيديا: الموسمية والآثار البيئية.
10. Ofgem (2023). Typical domestic consumption values: 2,700 kWh of electricity a year for a medium user.
11. لازارد (يونيو 2026). تكاليف الطاقة المتوازنة +، الصيغة 19.
12. Local Solar System المؤسسة. The Fan Wall: open model and benchmark، الطاقة الشمسية على الأسطح بسعر 0.19 دولار لكل كيلووات ساعة.