Hidroelèctrica petita i en canonada
L' aigua que baixa per la muntanya és l' energia més antiga que hi ha. Una petita turbina en el riu dret, un embassament o una presa d' aigua produeix electricitat dia i nit durant dècades. El problema és que a la majoria de llocs n' hi ha molt menys del que la gent espera, i una equació us diu quant.
Ian S, via geograph.org.uk and Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0)
Abans del vapor, els molins al llarg de tots els rius convertien l’aigua en treball. Molts dels seus barrancs i canals encara hi són. L’energia hidroelèctrica encara és la font més gran d’electricitat renovable a la Terra, aproximadament el 15% de l’electricitat mundial en 2023, principalment des de grans preses (Hidroelectricitat). Aquesta pàgina tracta de l’altre extrem de l’escala: turbines d’uns quants quilowatts a uns quants megawatts en rierols, vells molins, canals d’irrigació i les canonades que porten aigua potable a les ciutats.
Com a la nostra pàgina de recerca Fan Wall, comencem amb la física i després mirem què mesuren els esquemes reals i quant costen en comparació amb el nostre punt de referència, un panell solar al terrat que costa uns 0,19 dòlars per kWh. La versió curta: **la petita hidroelèctrica està provada, té una llarga vida útil i funciona de nit, i un bon lloc pot superar còmodament la solar del terrat. Però l’energia és simplement un flux que cau, la majoria de rierols i canonades només ofereixen uns quants quilowatts, i els costos fixos dels permisos, les obres civils i la protecció del peix enfonsen molts petits projectes. L’hidrogen en canonada només té sentit on la pressió es desfà de totes maneres. **
Què és
“Petita hidroelèctrica” cobreix una gamma de màquines, normalment classificades per mida: pequenya fins a uns 10 MW, mini per sota d’1 MW o 500 kW depenent del país, micro per sota de 100 kW i pico per sota de 5 a 10 kW (Petit hidroelèctric; Micro hidroelèctric). Gairebé tot és run-of-river: en lloc d’un embassament, un aqüeducte baix desvia part d’un riu a través d’una turbina i el retorna corrent avall.
Hidrogen en canonada o conducte posa turbines dins d’una infraestructura hídrica que ja existeix: les canonades d’aigua que baixen des d’un dipòsit, les vàlvules que tallen la pressió abans que l’aigua arribi a les cases, els canals d’irrigació amb gotes i els desguàs de les obres de tractament. No hi ha cap nova presa ni cap nou creuament de riu, raó per la qual els Estats Units van exemptar projectes de conductes de fins a 5 MW de llicències federals el 2013.
Com funciona
L’única equació. Una turbina hidroelèctrica converteix l’energia potencial de la caiguda d’aigua en electricitat. La potència és P = ρ × g × Q × H × η, on ρ és la densitat de l’aigua (1.000 kg per metre cúbic), g és la gravetat (9,81 m/s²), Q el flux en metres cúbics per segon, H la altura o alçada que cau l’aigua, en metres, i η l’eficiència de la turbina, generador i canonada junts. En termes senzills: cada metre cúbic que cau un segon porta 9,81 kW. Les turbines grans converteixen més del 90% d’ella; les petites típicament entre el 50 i el 85% (Micro hidro).
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. La turbina segueix el lloc:
- Alta pressió, baix flux (de desenes a centenars de metres): rodes Pelton i Turgo, colpejades per jets d’aigua.
- Cap mitjà: Turbines Francis i de flux encreuat.
- Baix cap, alt flux (1 a 10 m): Hélices Kaplan i Cargols d’Arquimedes, que giren lentament, passen la brossa i són més suaus amb els peixos.
- En canonades: turbines especials en línia, o bombes estàndard que funcionen al revés com a turbines, una opció de baix cost àmpliament utilitzada.
La pressió és el cap. En un tub, l’altura es mostra com a pressió: una barra és igual a uns 10,2 m de cap. Aquesta és la clau per a l’hidrogen en canonada. Les ciutats mantenen les xarxes d’aigua a uns quants bars; on una xarxa baixa des d’un dipòsit, la pressió seria massa alta per a les cases, així que un vàlvula reductora de pressió L’excés es desfà en calor i soroll. Una turbina en lloc d’aquesta vàlvula la recupera. L’exemple de “vàlvula en una línia d’aigua” de l’explicador, 0,3 metres cúbics per segon a través de 3 bar, és d’uns 60 kW que es malgasten.
No hi ha dinar gratuït en una pipa. Una turbina només pot prendre pressió que no es necessita corrent avall. Posar-ne una en un tub que necessita tota la seva pressió simplement roba als clients o fa que les bombes treballin més dur, el que costa més electricitat del que produeix la turbina. Els bons llocs en canonada són, per tant, específics: línies de gravetat amb pressió excedente, flux suficientment gran i ús constant. Els criteris del lloc d’un desenvolupador eren canonades de 0,6 a 2,4 m de diàmetre, velocitats de flux de 0,9 a 3,7 m / s i almenys 5 psi (0,34 bar) de pressió excedente (Lucid Energy, arxivat).
El factor de capacitat ve del riu. Els rius pugen i baixen amb les estacions, i un esquema ha de deixar prou aigua al riu per als peixos i tot el que calgui. Una petita planta de corrent de riu normalment té la mida per utilitzar el flux disponible durant una bona part de l’any; El cargol de 50 kW de Settle funciona amb un factor de capacitat del 38%, i s’apaga en períodes secs per mantenir l’aigua fluint a través del seu pas de peix.
Els límits: teòrics i pràctics
Física. L’energia és només tan gran com el flux vegades la caiguda. Un rierol de jardí amb 10 litres per segon que cau a 5 m dóna uns 0,3 kW, suficient per a llums i una nevera però no per escalfar una casa. Una vàlvula principal d’aigua típica dóna desenes de quilowatts. Aquesta és l’escala honesta de la majoria dels llocs petits: quilowatts, no megawatts.
Costos fixos. Un esquema de 20 kW necessita gairebé els mateixos estudis, estudis ambientals, permisos, protecció dels peixos, connexió a la xarxa i treball legal que un esquema de 500 kW. Aquests costos no es redueixen amb la mida, de manera que els esquemes més petits són sovint els més cars per kWh.
Medi ambient. Els embassaments bloquegen la migració dels peixos, i les turbines poden ferir els peixos. Fins i tot amb una escala de peix, els operadors comunitaris a Settle van informar que menys salmó passava riu amunt i sospitaven soroll del cargol (Settle Hydro). Molts països no requereixen una avaluació ambiental completa per a petits esquemes, el que ha portat a plantes mal situades en algunes regions (Small hydro). Un bon projecte deixa prou aigua al riu, passa els peixos en ambdós sentits i és controlat.
Seguretat de l’aigua. Les turbines dins les xarxes d’aigua potable toquen l’aigua que la gent beu. Han de ser certificats per al contacte amb aigua potable, mai han de deixar entrar aire o contaminants i han de fallar sense risc, de manera que una empresa no experimentarà amb les seves xarxes lleugerament.
Projectes reals, mesurats
| Projecte | On | Tipus i mida | El que es va mesurar o informar |
|---|---|---|---|
| Assegura’t que hi ha aigua | Riu Ribble, Yorkshire del Nord, Anglaterra | Cargol d’Arquimedes en un moll de molí, 50 kW | Generant des de novembre del 2009; uns 165 MWh a l’any (38% factor de capacitat); 410.000 £ recaptats a través d’accions de la comunitat; els operadors informen menys salmó amunt i sospiten soroll de cargol (Settle Hydro) |
| Torrs Hydro | Riu Goyt, New Mills, Anglaterra | Archimedes screw, 2.4 m diameter, up to 63 kW | El primer projecte hidroelèctric de propietat comunitària del Regne Unit, entregat el setembre del 2008; 100.000 lliures recaptats de 200 membres de la comunitat (Torrs Hydro) |
| LucidPipe, Portland Water Bureau | Portland, Oregon, EUA | Turbines en línia dins d’una gran canonada d’aigua alimentada per gravetat | S’instal·larà a les canonades d’aigua de la ciutat i començarà a generar a principis del 2015 (Departament d’Energia d’Oregon; Notícies de Lucid Energy, arxivat el 2015). No hem trobat cap registre publicat de la seva producció anual mesurada, i el 2022 el domini web del desenvolupador s’oferia a la venda (Pàgina arxivada). |
| Districte d’ irrigació de la unitat nord | Prop de Madras, Oregon, EUA | Conducte hidràulic en un canal d’irrigació (Natel Energy) | Un dels projectes de conductes operatius llistats pel Departament d’Energia d’Oregon (Departament d’Energia d’Oregon) |
| US conduct exemptions | Estats Units d’ Amèrica | Tubs i canals | 236 projectes de conductes havien estat autoritzats pel regulador federal el 2013 (Conducte hidroelèctric) |
| La petita hidroelèctrica de la Xina | Xina ruralchina. kgm | Al voltant de 45.000 plantes petites | Al voltant de 160 TWh a l’any el 2010, gran part d’ells donant energia als pobles que no tenien xarxa (Petita hidroelèctrica) |
La lliçó d’aquests projectes és coherent. Allà on ja hi ha el cap, el flux i una estructura, les petites centrals hidroelèctriques funcionen des de fa dècades: els molins de la revolució industrial tornen a produir electricitat. On el recurs és escàs, la producció és petita sense importar com d’intel·ligent sigui la turbina. L’hidroelectricitat en tub, en particular, ha tingut una premsa entusiasta i poques mesures publicades; la física és sòlida, però els bons llocs són específics i el mercat s’ha mantingut petit.
Quant costa
| Font | Què és | Preu |
|---|---|---|
| Micro hidroelèctrica, cost instal·lat típic | $1,000 to $5.000 per kW (Micro hidro) | |
| El nostre càlcul d’aquest rang | 40 a 60% factor de capacitat, 20 anys al 7% real, manteniment 3% de la inversió per any (el mètode del mur de ventiladors) | $0.02 to $0.18 per kWh |
| Assegureu-vos que Hydro, el nostre càlcul | 410.000 lliures per 165 MWh a l’any, de 20 a 40 anys al 7% real, 3% manteniment | about £0.26 to £0.31 per kWh |
| El nostre punt de referència | Solar en un edifici, model de paret amb ventilador; Lazard 2026 solar comercial i comunitari | $0.19 per kWh; $0.09 to $0.20 |
| Lazard (juny 2026) | Nova utilitat solar / vent terrestre | $0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 per kWh |
La gamma és àmplia perquè els llocs ho són. Un bon lloc a gran altura amb una presa existent pot produir electricitat per uns quants cèntims per kWh, molt per sota del solar de terrat, i seguir fent-ho durant cinquanta anys. Un petit esquema comunitari de baixa potència amb protecció completa dels peixos, com Settle, costa més per kWh que el solar en teulats segons les nostres suposicions estàndard; aquests esquemes solen justificar-se per la llarga vida, propietat local, producció a la nit i a l’hivern, i tarifes de suport. Per a l’hidrogen en canonada la pregunta és més simple: hi ha excés de pressió que es destrueix en una vàlvula avui? Si és així, recuperar-lo pot pagar; si no, no hi ha res a recuperar.
On pot guanyar, i on no pot
Pot guanyar:
- Aixecaments existents i llocs de molí, on les obres civils es van pagar fa un segle o dos.
- Utilitats d’aigua amb una xarxa de gravetat, sortides de dipòsit i vàlvules reductores de pressió que eliminen la pressió cada hora del dia.
- Canals d’irrigació amb gotes, i les aigües residuals de les plantes de tractament d’aigües.
- Pobles de muntanya fora de la xarxa, on una minixarxa micro-hidroelèctrica pot subministrar energia dia i nit a un cost inferior al del dièsel.
- Poder de la nit i l’ hivern en llocs on els panells solars fan poc.
No pot guanyar:
- En un país pla amb petits rierolsweather forecastSense cap o flux no hi ha energia.
- En canonades que necessiten la seva pressió, on una turbina només mou la factura d’energia d’un metre a un altre.
- On un nou embassament faria mal als peixos en un riu que els importa, a menys que el mal es pugui evitar i mostrar.
- A escala de pico a la graella, on els costos fixos fan que l’energia sigui petita.
El que és provat, plausible i especulatiu
Provat: l’equació hidroelèctrica; eficiències de turbines; que petits projectes hidràulics funcionen durant dècades amb baixos costos d’execució; que els cargols d’Arquimedes i les turbines convencionals funcionen en vells aljubs; que la propietat comunitària pot finançar petits projectes; que projectes de conductes operen en sistemes d’aigua i irrigació.
Plausible: que moltes empreses d’aigua tenen prou pressió excedente a les vàlvules i sortides de la presa per a quilovatis útils en cada lloc; que les bombes estàndard funcionen com turbines poden reduir el cost dels esquemes en-canal; que nous dissenys amigables amb els peixos poden reduir els danys en llocs de baixa pressió.
Especulatiu: turbines en tubs de distribució ordinaris sense excés de pressió (l’energia ha de venir d’algun lloc); grans contribucions nacionals de micro hidroelèctriques en països amb poc cabal; turbines fluvials “plug-in” molt barates sense les habituals obres civils i permisos.
Preguntes obertes de recerca
- Mapejant la pressió excedente. Quanta energia destrueixen les xarxes d’aigua en les vàlvules avui, lloc per lloc, i com és constant durant el dia i l’any?
- Control. Turbines que mantenen la pressió corrent avall tan establement com la vàlvula que substitueixen, fins i tot quan canvia la demanda.
- Peix. Quins dissenys de turbines i pantalles permeten que els peixos passin en ambdós sentits amb baix risc, mesurat, no assumit?
- Cost. Esquemes petits estandarditzats amb menys obres civils a mida, i permisos més senzills per a llocs que ja tenen barrancs.
- Calor i energia. Els rius i les xarxes d’aigua també són fonts de calor estables per a les bombes de calor; un esquema pot fer-ho tot?
El que necessitaria un prototip de treball
Una petita idea hidroelèctrica és una de les més fàcils de provar honestament, perquè l’aigua, els tubs i els comptadors són coses quotidianes. Els costos a sota són les nostres estimacions aproximades.
| Etapa | Treball | El que prova | Cost aproximat | Hora |
|---|---|---|---|---|
| 1. Banc | Un bucle de bomba o un dipòsit de capçalera amb un flux mesurat (fluxometre) i pressió (indicadors abans i després), turbina que condueix un banc de càrrega a través d’ un mesurador de potència registrat | Eficiència contra el flux i la pressió | $5k to $30k | 1 a 3 mesos |
| 2. Prova real del lloc | Una unitat d’1 a 20 kW en un rierol, canonada de granja o bypass de vàlvula d’una utilitat, amb salvaguardes de qualitat de l’aigua on sigui necessari, tallant per una temporada | Sortida real sobre flux canviant, escombraries, manteniment | $20k to $150k | 6 a 12 mesos |
| 3. Utilitat o pilot de comunitat | Una instal· lació permesa amb connexió a la xarxa, control de peixos o certificació d’ aigua potable segons sigui necessari | Energia anual, permisos i costos bancaris | $100k to $1 milió | 1 a 2 anys |
L’etapa 1 és a l’abast d’una escola o un espai de creadors. És també exactament la prova que un pitch necessita: una turbina, un flux mesurat, una caiguda mesurada i un comptador que mostra l’electricitat que va produir.
Qui necessitem
- Enginyers hidràulics i hidroelèctrics per a l’avaluació del lloc i la selecció de turbines.
- Enginyers de serveis d’aigua que saben on es redueix la pressió i com es comporten les xarxes durant el dia.
- Biòlegs de la pesca per al disseny i el control del pas dels peixos.
- Enginyers elèctrics per a petits generadors, connexió a la xarxa i minixarxes insulars.
- Enginyers civils per a preses, barrancs i pantalles.
- Grups d’energia de la comunitat i propietaris de terres amb embassaments, molins o canalitzacions agrícoles.
- Especialistes en certificació d’aigua potable per qualsevol cosa dins d’una font principal potable.
Tens una idea millor?
Alguns membres de la Fundació poden tenir contactes que podrien sentir un to. Per ser llançada, una idea necessita un model de treball, real que produeix energia, amb la seva producció mesurada en un instrument, no reclamat: una turbina en un banc de proves amb un fluxòmetre, manòmetres i un comptador de potència registrat val més que qualsevol dibuix. Les idees en paper també són benvingudes: si la física i els números són sòlids, les podem publicar aquí al lloc web. Però recaptar capital sense un model de treball és molt difícil, i res aquí no és una promesa de finançament, rendibilitat o introduccions.
Envieu la vostra idea a través del formulari de contribució, escollint la Iniciativa Verda. Digueu-nos el flux i la pressió amb què funciona, l’eficiència que heu mesurat o espereu, un cost aproximat per kWh, i la prova més barata que podria demostrar que està equivocat. La pàgina fuentes d’energia compara la petita energia hidroelèctrica amb onze altres idees.
Fonts
- Hidroelectricitat, Wikipedia: part de l’electricitat mundial i eficiència de turbines.
- Small hydro, Wikipedia, basant-se en l’informe de desenvolupament de la UNIDO World Small Hydropower Development Report 2022.
- Micro hydro, Wikipedia: classes de mida, eficiències i costos instal·lats.
- Conduit hydroelectricity, Wikipedia (anglès).
- «Hydropower Regulatory Efficiency Act of 2013», Viquipèdia; text a congress.gov.
- Settle Hydro i Torrs Hydro, Viquipèdia.
- Departament d’Energia de l’Oregon. Hidroelectricitat a Oregon, incloent projectes de conductes a Portland i al Districte d’Irrigació de la Unitat del Nord.
- Energia lúcida. Target projects (arxivat 2021) i lucidenergy.com (arxivat 2022).
- Run-of-the-river hydroelectricity, Wikipedia: seasonality and environmental effects (en anglès).
- «Offgem (2023)» (en anglès). Valors típics de consum domèstic: 2.700 kWh d’electricitat a l’any per a un usuari mitjà.
- Lazard (juny de 2026). Levelized Cost of Energy+, versió 19.
- Fundació Local Solar System. The Fan Wall: open model and benchmark, solar en el terrat a 0,19 dòlars per kWh.
- Turbina d’aigua, Wikipedia: rang típic de caps per a cada tipus de turbina, des de rodes d’aigua (0.2 a 4 m) fins a rodes Pelton (80 a 1.600 m).