Mala hidroelektrana i ugrađena hidroelektrana

Prije pare, mlinovi su uz svaku rijeku pretvarali vodu u rad. Mnogi od njihovih brana i kanala su još uvijek tu. Hidroenergija je još uvijek najveći izvor obnovljive električne energije na Zemlji, oko 15% svjetske električne energije u 2023. godini, uglavnom iz velikih brana (Hidroelektrana). Ova stranica govori o drugom kraju ljestvice: turbine od nekoliko kilovata do nekoliko megavata u potocima, starim mlinskim branama, kanalima za navodnjavanje i cijevima koje nose pitku vodu u gradove.

Kao i na našoj stranici za istraživanje Fan Wall, počinjemo s fizikom, a zatim pogledajmo što prave sheme mjere i koliko koštaju u usporedbi s našim referentnim vrijednostima, krovnom solarnom pločom od oko $ 0.19 po kWh. Kraća verzija: mala hidroelektrana je dokazana, dugotrajna i radi noću, a dobra lokacija može udobno pobijediti solarnu na krovu. Ali energija je jednostavno vrijeme protoka pada, većina potoka i cijevi nude samo nekoliko kilovata, a fiksni troškovi dozvola, građevinskih radova i zaštite ribe potope mnoge male sheme. Hidroenergija u cijevima ima smisla samo tamo gdje se tlak ionako gubi.

Što je to?

“Mala hidroelektrana” pokriva niz strojeva, obično klasificiranih prema veličini: mala do oko 10 MW, mini ispod 1 MW ili 500 kW ovisno o zemlji, mikro ispod 100 kW i pico ispod 5 do 10 kW (Mala hidroelektrana; Mikro hidroelektrana). Almost all of it is run-of-river: instead of a reservoir, a low weir diverts part of a river through a turbine and returns it downstream.

Hidroinstalacije u cijevi ili kanalu postavlja turbine unutar postojeće vodne infrastrukture: vodovodni sustavi koji se spuštaju nizbrdo iz rezervoara, ventili koji smanjuju tlak prije nego voda dođe do kuća, kanali za navodnjavanje kapljicama i ispusti postrojenja za pročišćavanje. Nema novih brana i nema novih prijelaza rijeka, zbog čega su Sjedinjene Države 2013. godine izuzeti projekti vodovoda do 5 MW od saveznog licenciranja.

Kako to funkcionira

Jedna jednadžba. Hidroturbina pretvara potencijalnu energiju padajuće vode u električnu energiju. Snaga je P = ρ × g × Q × H × η, gdje je ρ gustoća vode (1000 kg po kubnom metru), g gravitacija (9.81 m/s²), Q protok u kubičnim metrima u sekundi, H visina pada vode u metrima i η učinkovitost turbine, generatora i cjevovoda zajedno. Jednostavno rečeno: svaki kubični metar u sekundi koji padne jedan metar nosi 9,81 kW. Velike turbine pretvaraju preko 90% energije, a male obično 50 do 85%.Mikro hidroelektrana).

Tržište je namijenjeno trgovini između vodotoka i potoka. Planinski potok s malim protokom i padom od 100 m može proizvesti istu snagu kao nizinska rijeka sa sto puta većim protokom preko brane od 1 m. Turbina slijedi lokaciju:

• Visoka visina, mali protok (desetine do stotine metara): Pelton i Turgo kotači, pogođeni mlaznicama vode.
• Srednja visina: Francis i križne turbine.
• Niska visina, visok protok (1 do 10 m): Kaplan propeleri i Arhimedovi vijci koji se polako okreću, prolaze kroz otpadne tvari i nježniji su prema ribama.
• U cijevima: posebne in-line turbine, ili standardne crpke koje rade unatrag kao turbine, široko korištena jeftina opcija.

Tlak je visina. U cijevi, visina se prikazuje kao tlak: jedna šipka jednaka je oko 10,2 m visine. To je ključ za hidroelektrane u cijevima. Gradovi održavaju vodovodne mreže na nekoliko bara; gdje glavni teče nizbrdo od rezervoara, tlak bi bio previsok za domove, pa ventil za smanjenje tlaka baca višak kao toplinu i buku. Umjesto toga, turbina umjesto tog ventila ga vraća. Primjer “ventila u vodovodnoj cijevi” objašnjavatelja, 0,3 kubičnih metara u sekundi preko 3 bara, je oko 60 kW koji se inače troši.

Nema besplatnog ručka u cijevi. Turbina može samo uzeti tlak koji nije potreban nizvodno. Stavljanje jedne u cijev koja treba sav svoj tlak jednostavno krade ga od kupaca ili čini pumpe da rade jače, što košta više struje nego turbina. Dobra mjesta za ugradnju su stoga specifična: gravitacijska mreža s viškom tlaka, dovoljno velik protok i stabilna uporaba. Kriteriji jednog građevinskog poduzeća za lokaciju su bili cijevi promjera od 0,6 do 2,4 m, brzine protoka od 0,9 do 3,7 m/s i najmanje 5 psi (0,34 bara) viška tlaka (Lucid Energy, arhivirano).


Kapacitet faktor dolazi od rijeke. Rijeke rastu i padaju s godišnjim dobima, a shema mora ostaviti dovoljno vode u rijeci za ribu i sve ostalo. Mala riječna elektrana obično je veličine da koristi protok koji je dostupan za dobar dio godine; Settleov vijčani generator od 50 kW radi na faktoru kapaciteta od 38%, i isključuje se u sušnim razdobljima kako bi voda tekla kroz prolaz za ribe.

Granice: teorijske i praktične

Fizika. Energija je samo toliko velika koliko je protok puta pad. Vrtni potok s 10 litara u sekundi koji pada 5 m daje oko 0,3 kW, dovoljno za rasvjetu i hladnjak, ali ne i za grijanje kuće. Tipična glavna cijev za vodu daje desetke kilovata. To je iskrena ljestvica većine malih stranica: kilovati, a ne megavati.

Fiksirani troškovi. Za 20 kW sustav potrebno je gotovo isto istraživanje, studije o okolišu, dozvole, zaštita ribe, priključak na mrežu i pravni rad kao za 500 kW sustav. Ovi troškovi se ne smanjuju s veličinom, tako da su najmanji sustavi često najskuplji po kWh.

Okoliš. Brana blokira migraciju riba, a turbine mogu ozlijediti ribe. Čak i s ljestvama za ribe, operateri zajednice u Settleu prijavili su manje lososa koji prolaze uzvodno i sumnjali na buku od vijka (Settle Hydro). Mnoge zemlje ne zahtijevaju potpunu procjenu utjecaja na okoliš za male sustave, što je dovelo do loše smještenih elektrana u nekim regijama (Mala hidroelektrana). Dobar projekt ostavlja dovoljno vode u rijeci, prolazi ribe u oba smjera i prati se.

Sigurnost vode. Turbine unutar vodovodne mreže dodiruju vodu koju ljudi piju. Moraju biti certificirani za kontakt s pitkom vodom, nikada ne smiju pustiti zrak ili onečišćivače i moraju sigurno propasti, tako da komunalna služba neće eksperimentirati sa svojim mrežama.

Stvarni projekti, izmjereni

Projekt	Gdje	Vrsta i veličina	Što je izmjereno ili prijavljeno
Poravnaj hidro	Rijeka Ribble, Sjeverni Yorkshire, Engleska	Arhimedov vijak na mlinskom braniku, 50 kW	Proizvodnja od studenog 2009.; oko 165 MWh godišnje (38% faktor kapaciteta); £410,000 prikupljeno putem dionica zajednice; operateri prijavljuju manje lososa uzvodno i sumnjaju na buku vijka (Settle Hydro)
Torrs Hydro	Rijeka Goyt, New Mills, Engleska	Arhimedov vijak, promjer 2,4 m, do 63 kW	Prva hidroelektrana u vlasništvu zajednice u Velikoj Britaniji, predana u rujnu 2008.; £100,000 prikupljeno od 200 članova zajednice (Torrs Hydro)
LucidPipe, Portlandski zavod za vodoopskrbu	Portland, Oregon, SAD	In-line turbine unutar velikog gravitacijskog vodovoda	Ugrađena u gradske vodovodne cijevi i počela proizvoditi do početka 2015. godine (Oregon Department of Energy; Lucid Energy news, arhivirano 2015.) Nema objavljenih podataka o izmjerenoj godišnjoj proizvodnji, a do 2022. godine web domena projekta ponudila se za prodaju (arhivirana stranica).
Sjeverni navodnjavački okrug	Madras, Oregon, SAD	Vodovod na kanalu za navodnjavanje (Natel Energy)	Jedan od operativnih projekata plinovoda naveden je od strane Oregonskog ministarstva energetike (Oregon Department of Energy)
Iznimke za američke kanale	Sjedinjene Američke Države	Cijevi i kanali	236 projekata vodovoda je odobreno od strane saveznog regulatora do 2013. godine (Vodovodna hidroelektrana)
Kineski mali hidroelektrane	Kineski	Oko 45.000 malih biljaka	Oko 160 TWh godišnje do 2010., od čega je većina napajala sela koja nisu imala električnu mrežu (Mala hidroelektrana)

Lekcija iz tih projekata je dosljedna. Tamo gdje već postoje vodostaj, protok i konstrukcija, mala hidroelektrana radi desetljećima: mlinski brana iz industrijske revolucije ponovno proizvode struju. Gdje je resurs rijedak, izlaz je mali bez obzira koliko pametna turbina. Hidroelektrane u cijevima posebno su imale entuzijastičan tisak i malo objavljenih mjerenja; fizika je dobra, ali dobra mjesta su specifična i tržište je ostalo malo.


Koliko košta

Izvor	Što je to?	Cijena
Mikro hidro, tipični instalirani trošak	$1,000 to $5,000 po kW (Mikro hidroelektrana)
Naš izračun iz tog raspona	40 do 60% faktor kapaciteta, 20 godina na 7% realno, održavanje 3% investicije godišnje (metoda ventilacijskog zida)	$0.02 to $0,18 po kWh
Settle Hydro, naš izračun	410.000 funti za 165 MWh godišnje, 20 do 40 godina uz 7% realne stope, 3% održavanja	oko 0,26 do 0,31 funti po kWh
Naša referentna vrijednost	Solarna energija na krovu zgrade, model ventilacijskog zida; Lazard 2026 komercijalna i zajednička solarna energija	0,19 USD po kWh; $0.09 to $0,20
Lazard (lipanj 2026.)	Novi komunalni solar / kopneni vjetar	$0.04 to $0,10 / $0.04 to $0,10 po kWh

Raspon je širok jer su stranice. Dobra lokacija s postojećim ulazom može proizvesti struju za nekoliko centi po kWh, daleko ispod solarnih krovova, i nastaviti to raditi pedeset godina. Mala niskoenergetska shema zajednice s punom zaštitom ribe, kao što je Settle, košta više po kWh nego krovna solarna energija prema našim standardnim pretpostavkama; takve su sheme obično opravdane dugim životnim vijekom, lokalnim vlasništvom, izlazom noću i zimi te potpornim tarifama. Za hidroelektrane u cijevima pitanje je jednostavnije: postoji li višak tlaka koji se danas uništava u ventilu? Ako je tako, oporavak se može isplatiti; ako nije, nema ništa za povrat.

Gdje može pobijediti, a gdje ne može

Može pobijediti:

• Postojeće brane i mlinovi, gdje su se građevinski radovi plaćali stoljećima ili dva.
• Vodoopskrba s gravitacijskim mrežama, izljevima spremnika i ventilima za smanjenje tlaka koji odbacuju tlak svaki sat dana.
• Kanali za navodnjavanje s kapljicama, te izljevi pročišćavanja otpadnih voda.
• Planinska sela izvan mreže, gdje mikro-hidro minimreža može opskrbljivati energijom danju i noću po nižoj cijeni od dizela.
• Noćna i zimska snaga na mjestima gdje solarne ploče čine malo.

Ne može pobijediti:

• U ravnoj zemlji s malim potocima: bez glave ili protoka nema snage.
• U cijevima koje trebaju svoj pritisak, gdje turbina samo pomiče račun za energiju s jednog mjerača na drugi.
• Gdje bi novi branik naštetio ribama u rijeci koja im je važna, osim ako se šteta može izbjeći i pokazati.
• Na piko ljestvici na mreži, gdje fiksni troškovi zatamnjuju energiju.

Što je dokazano, vjerodostojno i spekulativno

Dokazano: Jednadžba hidroenergije; učinkovitost turbina; da male hidroelektrane rade desetljećima uz niske troškove rada; da Arhimedovi vijci i konvencionalne turbine rade na starim branama; da vlasništvo zajednice može financirati male sustave; da projekti vodovoda djeluju u vodnim i navodnjavačkim sustavima.

Plausible: da mnoge vodene usluge imaju dovoljno viška tlaka na ventilima i izlazima spremnika za korisne kilovate na svakoj lokaciji; da standardne pumpe rade kao turbine mogu smanjiti troškove u cijevima; da novi dizajni koji su prilagođeni ribama mogu smanjiti štetu na mjestima s niskim glavama.

Spekulativne: turbine ugrađene u obične distribucijske cijevi bez viška tlaka (energija mora doći negdje); veliki nacionalni doprinosi iz mikro hidroelektrana u zemljama s malom glavom; vrlo jeftine “plug-in” riječne turbine bez uobičajenih građevinskih radova i dozvola.

Otvorena istraživačka pitanja

• Mapiranje viška tlaka. Koliko energije vodene mreže danas uništavaju u ventilima, mjesto po mjesto i koliko je to stabilno tijekom dana i godine?
• Control. Turbine koje drže nizvodni tlak jednako stabilno kao i ventil koji zamjenjuju, čak i kada se potreba mijenja.
• Ribe. Koji dizajn turbina i zasloni dopuštaju da ribe prolaze u oba smjera s niskom ozljedom, izmjerenom, a ne pretpostavljenom?
• Trošak. Standardizirani mali programi s manje prilagođenih građevinskih radova i jednostavnije dozvole za lokacije koje već imaju brana.
• Toplina i energija. Rijeke i vodovodne mreže također su stabilni izvori topline za toplinske pumpe; može li jedna shema raditi oboje?


Što bi radni prototip trebao

Mala hidro ideja je jedna od najlakših za iskreno testiranje, jer su voda, cijevi i brojila svakodnevne stvari. Troškovi u nastavku su naše grube procjene.

Faza	Rad	Što to dokazuje	Bruto trošak	Vrijeme
1.Klupa za bušenje	Pumpna petlja ili spremnik s izmjerenim protokom (mjerilo protoka) i tlakom (mjerila prije i nakon), turbina koja pokreće banku opterećenja kroz zabilježeni mjerač snage	Učinkovitost protiv protoka i visine	$5k to $30k	1 do 3 mjeseca
2.Pravo suđenje na mjestu	Jedinica od 1 do 20 kW na potoku, cijevi za poljoprivredu ili zaobilaznici ventila komunalne usluge, sa zaštitom kvalitete vode gdje je potrebno, s sezonskim sječenjem	Stvarni izlaz u promjenjivom protoku, otpadu, održavanju	$20k to $150k	6 do 12 mjeseci
3. Pilot-projekt za komunalnu službu ili zajednicu	Dopuštena instalacija s priključkom na mrežu, nadzorom riba ili certifikacijom pitke vode prema potrebi	Bankovna godišnja energija, dozvole, troškovi	$100k to $1 milijun	1 do 2 godine

Faza 1 je u dosegu škole ili prostora za stvaranje. To je i upravo dokaz koji je potreban za postavljanje: turbina, izmjereni protok, izmjereni pad i mjerač koji pokazuje koliko je električne energije proizvela.

Koga trebamo

• Hidraulički i hidroenergetski inženjeri za procjenu lokacije i odabir turbina.
• Inženjeri vodoopskrbe Oni znaju gdje se tlak smanjuje i kako se mreže ponašaju tijekom dana.
• Ribolovni biolozi za projektiranje i praćenje prolaza riba.
• Elektroinženjeri za male generatore, priključak na mrežu i otočne minigrids.
• Graditeljski inženjeri za ulaze, brana i zasloni.
• Zajedničke energetske grupe i vlasnici zemljišta s branama, mlinovima ili poljoprivrednim cjevovodom.
• Specijalisti za certificiranje pitke vode za bilo što unutar pitke vode.

Imaš bolju ideju?

Neki članovi Zaklade mogu imati kontakte koji bi mogli čuti pitch. Da bi se ideja predstavila, treba joj Radni, stvarni model koji zapravo proizvodi energiju, s izlazom izmjerenim na instrumentu, ne tvrdi: turbina na ispitnom uređaju s mjeračem protoka, manometrima i zabilježenim mjeračem snage vrijedi više od bilo kojeg crteža. Dobrodošle su i ideje na papiru: ako je fizika i brojevi čvrsti, možemo ih objaviti ovdje na web stranici. No, prikupljanje kapitala bez radnog modela vrlo je teško, a ovdje ništa nije obećanje financiranja, povrata ili uvođenja.

Pošaljite svoju ideju putem obrazca za doprinos, odabirom Zelene inicijative. Recite nam protok i visinu s kojom radi, učinkovitost koju ste izmjerili ili očekivali, grubi trošak po kWh i najjeftiniji test koji bi mogao dokazati da je u krivu. stranica o izvorima energije uspoređuje male hidroelektrane s jedanaest drugih ideja.

Izvori

1. Hidroelektrana, Wikipedia: udio svjetske električne energije i učinkovitost turbina.
2. Male hidroelektrane, Wikipedija, crpeći iz UNIDO-ovog Svjetskog izvješća o razvoju malih hidroelektrana 2022..
3. Mikro hidro, Wikipedia: razredi veličine, učinkovitost i instalirani troškovi.
4. Vodovodna hidroelektrana, Wikipedija.
5. Zakon o energetskoj učinkovitosti iz 2013., Wikipedia; tekst na Kongres.gov.
6. Poravnaj hidroelektranu i HidroelektranaWikipedija.
7. Oregonsko ministarstvo energetike. Hidroelektrane u Hrvatskoj, uključujući projekte kanala u Portlandu i na sjevernom području za navodnjavanje.
8. Lucid Energy. Target projects (archived 2021) and lucidenergy.com (archived 2022).
9. Riječna hidroelektrana, Wikipedija: sezonalnost i utjecaji na okoliš.
10. Ofgem (2023). Tipične vrijednosti potrošnje u kućanstvu: 2.700 kWh električne energije godišnje za prosječnog korisnika.
11. Lazard (June 2026). Ravni troškovi energije+, verzija 19.
12. Local Solar System Zakladu. The Fan Wall: otvoreni model i referentna vrijednost, krovna solarna elektrana po cijeni od $0.19 po kWh.
13. Vodne turbine, Wikipedia: tipičan raspon glava za svaku vrstu turbine, od vodenih kotača (0.2 do 4 m) do Peltonskih kotača (80 do 1600 m).