Pienvesivoimala ja putkivetoinen vesivoimala

Ennen höyryä jokaisen joen varrella oli myllyjä, jotka muuttivat veden työksi. Monet heidän patosistaan ja kanavistaan ovat edelleen olemassa. Vesivoima on edelleen suurin uusiutuvan sähkön lähde maapallolla, noin 15% maailman sähköstä vuonna 2023, pääasiassa suurista padoista (Vesivoima). Tämä sivu kertoo mittakaavan toisesta päästä: muutaman kilowatin ja muutaman megawatin turbiineista puroissa, vanhoissa myllypajuissa, kastelukanavissa ja putkissa, jotka kuljettavat juomavettä kaupunkeihin.

Kuten Fan Wall -tutkimussivulla, aloitamme fysiikasta ja tarkastelemme sitten, mitä todelliset järjestelmät mittaavat ja mitä ne maksavat verrattuna vertailukohtaamme, kattoaurinkokelaitteisiin noin $ 0.19 / kWh. Lyhyesti sanottuna: pieni vesivoimala on todistettu, pitkäikäinen ja toimii yöllä, ja hyvä paikka voi voittaa kattoaurinkopaneelit mukavasti. Mutta virtausajat vain putoavat, useimmat purot ja putket tarjoavat vain muutaman kilowatin tehon, ja lupien, maa- ja vesirakentamisen sekä kalastuksen suojelun kiinteät kustannukset upottavat monia pieniä hankkeita. Putkiveto on järkevää vain silloin, kun paine joutuu muutenkin hukkaan.

Mitä se on

Pieni vesivoima kattaa laajan valikoiman koneita, jotka luokitellaan yleensä koon mukaan: pienet noin 10 MW asti, mini alle 1 MW tai 500 kW riippuen maasta, mikro alle 100 kW ja pico alle 5–10 kW (pienet vesivoimat; mikrovesivoimat). Lähes kaikki se on joen virtaus: säiliön sijaan matala patos ohjaa osan joesta turbiinin kautta ja palauttaa sen alaspäin.

Putki- tai putkihydraulinen Turbiinit sijoitetaan jo olemassa olevaan vesiinfrastruktuuriin: vesijohtoihin, jotka kulkevat alaspäin säiliöstä, venttiileihin, jotka katkaisevat paineen ennen kuin vesi saavuttaa kodit, kastelukanaviin, joissa on tippoja, ja puhdistamoiden ulostuloihin. Ei uusia patoja eikä uusia jokien ylityksiä, minkä vuoksi Yhdysvallat vapautti vuonna 2013 enintään 5 MW:n putkihankkeet liittovaltion lupamenettelystä.

Näin se toimii

Yhtälö. Vesivoimalaitos muuntaa putoavan veden potentiaalisen energian sähköksi. 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. Yksinkertaisesti sanottuna: joka sekunnissa putoava metri kuutiometriä kantaa 9,81 kW. Suuret turbiinit muuntavat yli 90 % siitä, pienet tyypillisesti 50–85 % (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. Turbiini seuraa työmaa-aluetta:

• Korkea virtauspiikki, matala virtaus (kymmenistä sadoihin metreihin): Pelton- ja Turgo-pyörät, joihin on iskenyt vesisuihku.
• Keskikokoiset turbiinit: Francis- ja ristivirtausturbiinit.
• Pieni syöttökorkeus, suuri virtaus (1-10 m): Kaplan-potkurit ja Arkhimedes-ruuvit, jotka pyörivät hitaasti, ohjaavat roskat läpi ja ovat hellävaraisempia kaloille.
• Putkissa: erityiset in-line-turbiinit tai tavalliset pumput toimivat taaksepäin turbiineina, laajasti käytetty edullinen vaihtoehto.

Paine on painekorkeus. Putkessa korkeus näkyy paineena: yksi baari vastaa noin 10,2 m painekorkeutta. Se on avain putkivetyyn. Kaupungit pitävät vesijohtoverkon paineen muutamassa baarissa; jos päävirta kulkee alaspäin säiliöstä, paine olisi liian korkea kodeille, joten painetta alentava venttiili heittää ylimäärän pois lämpöä ja melua. Turbiini ottaa sen talteen. Selittäjän “venttiili vesijohdossa” -esimerkki, 0,3 kuutiometriä sekunnissa yli 3 baarin paineella, on noin 60 kW, joka muuten menee hukkaan.

Putkelta ei saa ilmaista lounasta. Turbiini voi ottaa vain sellaista painetta, jota ei tarvita virran alapuolella. Jos turbiini laitetaan putkeen, joka tarvitsee kaiken paineensa, se yksinkertaisesti varastaa sen asiakkailta tai saa pumput työskentelemään kovemmin, mikä maksaa enemmän sähköä kuin turbiini tuottaa. Hyvät putkipaikat ovat siksi erityisiä: painovoiman verkko, jossa on ylimääräinen paine, riittävän suuri virtaus ja tasainen käyttö. Yhden rakennuttajan omat kriteerit olivat putkien halkaisija 0,6–2,4 m, virtausnopeudet 0,9–3,7 m/s ja vähintään 5 psi:n (0,34 bar) ylipaineen vaatimus (Lucid Energy, arkistoitu).


Kapasiteettikerroin tulee joesta. Joet nousevat ja laskevat vuodenaikojen mukaan, ja järjestelmän on jätettävä jokeen tarpeeksi vettä kaloille ja kaikelle muulle. Pieni jokiveden voimalaitos on yleensä mitoitettu käyttämään käytettävissä olevaa virtausta hyvän osan vuodesta. Settlen 50 kW:n ruuvikäyttöinen laitos toimii 38 prosentin kapasiteettikertoimella ja sammuu kuivuuskausina, jotta vesi pysyy virtaamassa sen kalaväylän läpi.

Rajat: teoreettinen ja käytännöllinen

Fysiikka. Energia on vain yhtä suuri kuin virtaus kertaa pisara. Puutarhapuro, jossa virtaa 10 litraa sekunnissa ja joka putoaa 5 metrin korkeudelta, tuottaa noin 0,3 kW, mikä riittää valoihin ja jääkaappiin mutta ei kodin lämmitykseen. Tyypillinen veden pääventtiili tuottaa kymmeniä kilowatteja. Se on useimpien pienten sivustojen rehellinen mittakaava: kilowatteja, ei megawatteja.

Kiinteät kustannukset. 20 kW:n järjestelmä vaatii lähes samat selvitykset, ympäristötutkimukset, luvat, kalastuksen suojelun, verkkoliitännän ja juridisen työn kuin 500 kW:n järjestelmä. Nämä kustannukset eivät pienene koon myötä, joten pienimmät järjestelmät ovat usein kallein per kWh.

Ympäristö. Padot estävät kalojen vaelluksen, ja turbiinit voivat vahingoittaa kaloja. Jopa kalatikkaiden kanssa Settlen yhteisötoimijat raportoivat, että ylävirtaan kulki vähemmän lohta ja epäilivät ruuvimelua (Settle Hydro). Monet maat eivät vaadi täydellistä ympäristöarviointia pienille hankkeille, mikä on johtanut siihen, että voimalat ovat joillakin alueilla huonosti sijoitettuja (pienet vesivoimalaitokset). Hyvä hanke jättää jokeen riittävästi vettä, kuluttaa kalaa molempiin suuntiin ja sitä seurataan.

Veden turvallisuus. Juomavesijohtojen sisäpuolella olevat turbiinit koskettavat vettä, jota ihmiset juovat. Niiden on oltava sertifioituja juomaveden kanssa kosketukseen, ne eivät saa koskaan päästää ilmaa tai epäpuhtauksia sisään ja niiden on toimittava turvallisesti, joten palveluntarjoaja ei kokeile verkkojaan kevyesti.


Todelliset projektit, mitattu

Hanke	Missä	Tyyppi ja koko	Mitä mitattiin tai raportoitiin
Settle Hydro -yhtiö	River Ribble, Pohjois-Yorkshire, Englanti	Arkhimedes-ruuvi myllyn pajuissa, 50 kW	Tuotanto marraskuusta 2009 lähtien; noin 165 MWh vuodessa (38% kapasiteettikerroin); £410,000 kerätty yhteisön osakkeiden kautta; operaattorit raportoivat vähemmän lohta ylävirtaan ja epäilevät ruuvimelua (Settle Hydro -yhtiö)
Torrs Hydro -yhtiö	Goyt-joki, New Mills, Englanti	Arkhimedes-ruuvi, halkaisija 2,4 m, enintään 63 kW	The UK’s first community-owned hydro scheme, handed over in September 2008; £100,000 raised from 200 community members (Torrs Hydro)
LucidPipe, Portlandin vesivirasto	Portland, Oregon, Yhdysvallat	Riviturbiinit suuressa painovoiman syöttämässä vesijohdossa	Se asennettiin kaupungin vesiputkistoon ja alkoi tuottaa energiaa vuoden 2015 alussa (Oregon Department of Energy; Lucid Energy news, arkistoitu 2015). Emme löytäneet julkaistua tietoa sen mitatusta vuotuisesta tuotannosta. Vuoteen 2022 mennessä kehittäjän verkkotunnus oli myynnissä (arkistoitu sivu).
Pohjois-Yksikön kastelualue	Madras, Oregon, Yhdysvallat	Kastelukanavan vesijohto (Natel Energy)	Yksi Oregonin energiaministeriön (Oregon Department of Energy) listaamista toimivista putkiprojekteista
Yhdysvaltain johtamat poikkeukset	Yhdysvallat	Putket ja kanavat	Liittovaltion sääntelyviranomainen oli hyväksynyt 236 putkihanketta vuoteen 2013 mennessä (Conduit hydroelectricity)
Kiinan pieni vesivoima	Kiinan maaseutu	About 45,000 small plants	Noin 160 TWh vuodessa vuoteen 2010 mennessä, josta suuri osa toimittaa sähköä kyliin, joissa ei ollut verkkoa (Pieni vesivoima)

Näiden hankkeiden opetus on johdonmukainen. Siellä, missä jokipää, virtaus ja rakenne ovat jo olemassa, toimii pieni vesivoima vuosikymmeniä: teollisen vallankumouksen myllypadot tuottavat jälleen sähköä. Jos resurssi on niukka, tuotos on pieni riippumatta siitä kuinka fiksu turbiini on. Erityisesti putkivetoinen vesivoima on saanut innokasta lehdistöä ja harvoja julkaistuja mittauksia; fysiikka on hyvä, mutta hyvät kohteet ovat spesifisiä ja markkinat ovat pysyneet pieninä.

Mitä se maksaa

Lähde	Mitä se on	Hinta
Mikrovesivoima, tyypilliset asennuskustannukset	$1,000 to $5,000/kW (Mikrovesivoimala)
Meidän laskelmamme tästä alueesta	40–60 % kapasiteettikerroin, 20 vuotta 7 %:n reaalikorolla, huolto 3 % investoinnista vuodessa (tuuletinseinämenetelmä)	$0.02 to $0,18 kWh:ta kohden
Settle Hydro, laskelmamme	£410,000 for 165 MWh a year, 20 to 40 years at 7% real, 3% maintenance	Noin 0,26–0,31 £/kWh
Vertailuarvomme	Rakennuksen kattoaurinkopaneeli, tuuletinseinämalli; Lazard 2026 kaupallinen ja yhteisöllinen aurinkoenergia	$0.19/kWh; $0.09 to $0.20
Lazard (kesäkuu 2026)	Uusi hyötyautomobili / maatuulivoima	$0.04 to $0,10 / $0.04 to $0,10 kWh:ta kohti

Valikoima on laaja, koska sivustot ovat. A good high-head site with an existing intake can make electricity for a few cents per kWh, far below rooftop solar, and keep doing it for fifty years. Pieni, matalalla sijaitseva yhteisöjärjestelmä, jossa on täysi kalasuojaus, kuten Settle, maksaa tavanomaisten oletustemme mukaan enemmän kWh:ta kohti kuin kattoaurinkovalot; tällaiset järjestelmät ovat yleensä perusteltuja pitkän käyttöiän, paikallisen omistajuuden, yö- ja talvituotannon sekä tukitariffien vuoksi. Putkivetoisen vedenpuhdistamon kohdalla kysymys on yksinkertaisempi: onko venttiilissä nykyään ylimääräistä painetta, joka tuhoutuu? Jos vastaus on kyllä, sen takaisinperintä voi maksaa; jos ei, ei ole mitään palautettavaa.

Missä se voi voittaa ja missä ei

Se voi voittaa:

• Nykyiset padot ja myllyt, joissa maa- ja vesirakennustyöt maksettiin vuosisata tai kaksi sitten.
• Vesihuolto Painovoiman vedenottokanavilla, säiliöiden ulostuloilla ja paineensäätöventtiileillä, jotka poistavat painetta jokaisen tunnin ajan päivässä.
• Kastelukanavat, joissa on pisaroita, ja jätevedenpuhdistamoiden ulostulot.
• Verkosta riippumattomat vuoristokylät, joissa mikrovesivoiman miniverkko voi tuottaa sähköä päivällä ja yöllä halvemmalla kuin diesel.
• Yö- ja talvivoima paikoissa, joissa aurinkopaneelit tuottavat vähän.

Se ei voi voittaa:

• Tasaisessa maassa, jossa on pieniä puroja: ilman päätä tai virtausta ei ole voimaa.
• Putkissa, jotka tarvitsevat painettaan, jossa turbiini vain siirtää energialaskua yhdeltä mittarilta toiselle.
• Jos uusi pato vahingoittaa kaloja niille tärkeässä joessa, ellei vahinkoa voida välttää ja osoittaa.
• Pikoskaalaan ruudukkoon, jossa kiinteät kustannukset ovat energiaa pienempiä.

Mikä on todistettu, uskottava ja spekulatiivinen

Todistetut: Vesivoimayhtälö; turbiinien tehokkuus; että pienet vesivoimalaitokset toimivat vuosikymmeniä alhaisin käyttökustannuksin; että Arkhimedeen ruuvit ja perinteiset turbiinit toimivat vanhoilla pajuilla; että yhteisöomistus voi rahoittaa pieniä hankkeita; että putkihankkeet toimivat vesi- ja kastelujärjestelmissä.

Uskomatonta: että monissa vesilaitoksissa on tarpeeksi ylipainetta venttiileissä ja säiliön ulostuloissa hyödyllisten kilowattien saamiseksi kussakin paikassa; että tavalliset pumput toimivat turbiineina voivat leikata putkistojärjestelmien kustannuksia; että uudet kalaystävälliset mallit voivat vähentää haittoja matalilla paikoilla.

Spekulatiivinen: Putkiturbiinit tavallisissa jakeluputkissa ilman ylipainetta (energian on tultava jostain); suuret kansalliset osallistumiset mikrovesivoimasta maissa, joilla on vähän vedenpintaa; erittäin halvat “plug-in” -jokiturbiinit ilman tavanomaisia maanrakennustyötä ja lupia.

Avoimet tutkimuskysymykset

• Ylipaineen kartoitus. Kuinka paljon energiaa vesiverkot tuhoavat nykyään venttiileissä, paikkakohtaisesti, ja kuinka vakaa se on päivästä ja vuodesta toiseen?
• - Ohjaus. Turbiinit, jotka pitävät alasvirtauksen paineen yhtä vakaana kuin venttiilin, jonka ne korvaavat, vaikka kysyntä muuttuisi.
• Fish. Mitkä turbiinien mallit ja näytöt antavat kalojen kulkea molempiin suuntiin vähäisellä vahingolla, mitattuna, ei oletettuna?
• Kustannukset. Standardoidut pienet järjestelmät, joissa on vähemmän räätälöityjä maa- ja vesirakennustöitä sekä yksinkertaisempia lupia alueille, joilla on jo patoja.
• Lämpöä ja voimaa. Joet ja vesijohdot ovat myös lämpöpumppujen vakaita lämmönlähteitä, mutta voiko yksi järjestelmä toimia molemmilla?

Mitä toimiva prototyyppi tarvitsee

Pieni vesivoima-idea on yksi helpoimmista testata rehellisesti, koska vesi, putket ja mittarit ovat jokapäiväisiä asioita. Alla olevat kustannukset ovat karkeita arvioitamme.

Vaihe	Työ	Mitä se todistaa	Karkea kustannus	Aika
1. penkki rig	Pumppusilmukka tai pääsäiliö, jossa on mitattu virtaus (virtausmittari) ja paine (mittarit ennen ja jälkeen), turbiini ajaa kuormituspankkia kirjatun tehomittarin kautta	Tehokkuus virtausta ja paineita vastaan	$5k to $30k	1–3 kuukautta
2. Todellinen sivustokokeilu	1–20 kW:n yksikkö virtaan, maatilaputkeen tai vesilaitoksen venttiilin ohitusväylään, jossa on tarvittaessa veden laadun suojaus, kauden mittainen hakkuu	Todellinen teho vaihtelevan virtauksen, jätteiden ja huollon suhteen	$20k to $150k	6–12 kuukautta
3. Hyödyke- tai yhteisöpilotti	Lupattava laite, jossa on tarvittaessa verkkoliitäntä, kalanseuranta tai juomavesisertifiointi	Pankittava vuosienergia, luvat, kustannukset	$100k to $1 miljoona	1–2 vuotta

Stage 1 on helposti koulujen tai maker space -tilojen ulottuvilla. Se on myös juuri se todiste, jota pitch tarvitsee: turbiini, mitattu virtaus, mitattu pudotus ja mittari, joka näyttää sen tuottaman sähkön.

Keitä tarvitsemme

• Hydrauliikka- ja vesivoimainsinöörit Turbiinien arviointi ja valinta.
• Vesihuoltoalan insinöörit Jotka tietävät, missä paine on vähentynyt ja miten verkostot käyttäytyvät päivän aikana.
• Kalastusbiologit Kalaväylien suunnitteluun ja seurantaan.
• Sähköinsinöörit Pienten generaattoreiden, verkkoliitännän ja eristyksissä olevien miniverkkojen käyttöön.
• Rakennusinsinöörit tuloihin, pajuihin ja näyttöihin.
• Yhteisöenergiaryhmät ja maanomistajat, joilla on pajuja, myllyjä tai maatilan putkistoja.
• Juomaveden sertifiointiasiantuntijat - Mitä tahansa juomaveden sisällä.

Onko sinulla parempi idea?

Joillakin säätiön jäsenillä saattaa olla kontakteja, jotka voisivat kuulla ehdotuksen. Jotta idea voidaan esittää, se tarvitsee Toimiva, tosielämän malli, joka todella tuottaa energiaa, jonka teho on mitattu instrumentilla, jota ei ole vapautettu: turbiini testilaitteella virtausmittarilla, painemittareilla ja kirjatulla tehomittarilla on enemmän kuin minkäänlainen piirustus. Paperi-ideat ovat myös tervetulleita: jos fysiikka ja numerot ovat kiinteitä, voimme julkaista ne täällä verkkosivuilla. Pääoman hankkiminen ilman toimivaa mallia on kuitenkin hyvin vaikeaa, eikä mikään tässä ole lupaus rahoituksesta, tuotoista tai esittelyistä.

Lähetä ideasi osallistumisen lomakkeen kautta valitsemalla Green Initiative. Kerro meille virtaus ja korkeus, jolla se toimii, mitattu tai odotettu hyötysuhde, karkea kustannus kWh:ta kohti ja halvin testi, joka voisi osoittaa sen vääräksi. energialähteiden sivu vertailee pientä vesivoimaa yhteentoista muuhun ideaan.

Lähteet

1. Vesivoima, Wikipedia: osuus maailman sähköstä ja turbiinien tehokkuus.
2. Pieni vesivoima, Wikipedia, perustuen UNIDOn World Small Hydropower Development Report 2022 -raporttiin.
3. Micro hydro, Wikipedia: kokoluokkia, hyötysuhteita ja asennettuja kustannuksia.
4. Vesivoima, Wikipedia.
5. Hydropower Regulatory Efficiency Act of 2013, Wikipedia; teksti osoitteessa congress.gov.
6. Settle Hydro ja Torrs Hydro, Wikipedia.
7. Oregonin osavaltion energiaministeriö. Luokka:Vesivoimalaitokset, mukaan lukien putkiprojektit Portlandissa ja North Unit Irrigation Districtissä.
8. • Selvää energiaa. Target projects (arkistoitu 2021) ja lucidenergy.com (arkistoitu 2022).
9. Jokiveden vesivoima, Wikipedia: kausiluonteisuus ja ympäristövaikutukset.
10. Ofgem (2023). Tyypilliset kotitalouksien kulutusarvot: 2700 kWh sähköä vuodessa keskimääräisen käyttäjän osalta.
11. Lazard (kesäkuu 2026). Levelized Cost of Energy+, versio 19.
12. Local Solar System Säätiö. The Fan Wall: avoin malli ja vertailukohta, kattoaurinkokustannukset 0,19 dollaria kWh:lta.
13. Vesiturbiini, Wikipedia: tyypillinen pään alue kullekin turbiinityypille, vesipyöristä (0,2 - 4 m) Pelton pyöriin (80 - 1600 m).