Hidro kecil dan hidro dalam pipa

Sebelum uap, pabrik-pabrik di sepanjang setiap sungai mengubah air menjadi pekerjaan. Banyak dari tanggul dan saluran mereka masih ada. Tenaga air masih menjadi sumber listrik terbarukan terbesar di Bumi, sekitar 15% dari listrik dunia pada tahun 2023, sebagian besar dari bendungan besar (Hidroelektrisitas). Halaman ini membahas tentang sisi lain dari skala: turbin dengan daya beberapa kilowatt hingga beberapa megawatt di sungai, tanggul pabrik lama, saluran irigasi, dan pipa yang membawa air minum ke kota-kota.

Seperti pada kita Situs web resmi Fan WallKita mulai dengan fisika, lalu lihat apa yang benar-benar skema mengukur dan apa biaya mereka melawan standar kita, panel surya atap pada sekitar $ 0.19 per kWh. Versi singkatnya: **hidro kecil terbukti, tahan lama dan berjalan di malam hari, dan situs yang baik dapat mengalahkan surya atap dengan nyaman. Namun listrik hanyalah aliran waktu yang menurun, sebagian besar sungai dan pipa hanya menawarkan beberapa kilowatt, dan biaya tetap untuk izin, pekerjaan sipil dan perlindungan ikan menenggelamkan banyak skema kecil. Hidrolik dalam pipa hanya masuk akal di mana tekanannya sudah terbuang. **

Apa itu

“Small hydro” mencakup sejumlah mesin, biasanya diklasifikasikan berdasarkan ukuran: small hingga sekitar 10 MW, mini di bawah 1 MW atau 500 kW tergantung pada negara, micro di bawah 100 kW dan pico di bawah 5 sampai 10 kW (Small hydro; Micro hydro). Hampir semua adalah jalan-dari-sungai: alih-alih reservoir, sebuah tanggul rendah mengalihkan bagian dari sungai melalui turbin dan mengembalikannya ke aliran bawah.

Hidrolik dalam pipa atau saluran memasang turbin di dalam infrastruktur air yang sudah ada: saluran air utama yang mengalir dari reservoir, katup yang memotong tekanan sebelum air mencapai rumah, kanal irigasi dengan tetes, dan keluaran dari pekerjaan pemurnian. Tidak ada bendungan baru dan tidak ada perlintasan sungai baru, itulah mengapa Amerika Serikat membebaskan proyek saluran hingga 5 MW dari lisensi federal pada tahun 2013.

Bagaimana cara kerjanya

Satu persamaan. Turbin air mengubah energi potensial dari jatuhnya air menjadi listrik. Daya adalah P = ρ × g × Q × H × η, di mana ρ adalah kepadatan air (1.000 kg per meter kubik), g adalah gravitasi (9,81 m/s²), Q aliran dalam meter kubik per detik, H kepala, atau ketinggian air jatuh, dalam meter, dan η efisiensi turbin, generator dan pipa bersama-sama. Katakan dengan jelas: tiap meter kubik per detik jatuh satu meter membawa 9.81 kW. Turbin besar mengubah lebih dari 90% dari itu; yang kecil biasanya 50 hingga 85% (Micro hydro).

Pedagang kepala dan aliran. Sebuah sungai gunung dengan sedikit aliran dan jatuh 100 m dapat memberikan kekuatan yang sama seperti sungai dataran rendah dengan seratus kali lebih banyak aliran di atas tanggul 1 m. Turbin mengikuti situs:

• Kepala tinggi, aliran rendah (sepuluh hingga ratusan meter): Roda Pelton dan Turgo, dihantam oleh jet air.
• Menengah kepala: Francis dan turbin aliran silang.
• Kepala rendah, aliran tinggi (1 sampai 10 m): Kaplan propellers dan Sekrup Archimedes, yang berputar perlahan, melewati puing-puing dan lebih lembut pada ikan.
• Di pipa: turbin in-line khusus, atau pompa standar berjalan mundur sebagai turbin, pilihan murah yang banyak digunakan.

Tekanan adalah kepala. Dalam pipa, tinggi muncul sebagai tekanan: satu bar sama dengan sekitar 10,2 m dari kepala. Itu kuncinya untuk memasang pipa air. Kota-kota menjaga saluran air di beberapa bar; dimana aliran utama mengalir turun dari reservoir, tekanan akan terlalu tinggi untuk rumah, jadi katup pengurangan tekanan melemparkan sisa-sisanya sebagai panas dan suara. Turbin di tempat katup itu mengembalikannya. Contoh “katup di saluran air utama” dari penjelas, 0.3 meter kubik per detik pada tekanan 3 bar, adalah sekitar 60 kW yang jika tidak terbuang.

Tidak ada makan siang gratis di pipa. Turbin hanya dapat mengambil tekanan yang tidak diperlukan di bawah aliran. Meletakkannya di pipa yang membutuhkan semua tekanannya hanya mencuri dari pelanggan atau membuat pompa bekerja lebih keras, yang menghabiskan lebih banyak listrik daripada turbin. Situs-situs in-pipe yang baik oleh karena itu spesifik: jaringan gravitasi dengan tekanan surplus, aliran yang cukup besar, dan penggunaan yang stabil. Kriteria situs sendiri seorang pengembang adalah pipa dengan diameter 0,6 hingga 2,4 m, kecepatan aliran 0,9 sampai 3,7 m/s dan setidaknya 5 psi (0,34 bar) tekanan surplus (Lucid Energy, diarsipkan).

Faktor kapasitas berasal dari sungai. Sungai naik dan turun dengan musim, dan skema harus meninggalkan cukup air di sungai untuk ikan dan segalanya. Sebuah pabrik kecil yang mengalir dari sungai biasanya berukuran untuk menggunakan aliran yang tersedia untuk sebagian besar tahun; sekrup 50 kW Settle berjalan pada faktor kapasitas 38%, dan menutup diri sendiri dalam periode kering untuk menjaga air mengalir melalui jalur ikannya.

Batas-batas: teori dan praktik

Fisika. Energinya hanya sebesar aliran kali drop. Sebuah aliran taman dengan 10 liter per detik jatuh 5 m memberikan sekitar 0,3 kW, cukup untuk lampu dan kulkas tetapi tidak pemanasan rumah. Katup utama air yang biasa menghasilkan puluhan kilowatt. Itu adalah skala yang jujur dari sebagian besar situs kecil: kilowatt, bukan megawatt.

Kost tetap. Skema 20 kW membutuhkan hampir survei yang sama, studi lingkungan, izin, perlindungan ikan, koneksi jaringan dan pekerjaan hukum seperti skema 500 kW. Biaya ini tidak berkurang seiring dengan ukuran, sehingga skema terkecil seringkali yang paling mahal per kWh.

Lingkungan. Tanggul menghambat migrasi ikan, dan turbin dapat merusak ikan. Bahkan dengan tangga ikan, operator komunitas di Settle melaporkan lebih sedikit salmon yang melewati aliran atas dan curiga kebisingan dari sekrup (Settle Hydro). Banyak negara tidak memerlukan penilaian lingkungan penuh untuk skema kecil, yang telah mengakibatkan pabrik yang kurang tepat ditempatkan di beberapa wilayah (Small hydro). Proyek yang baik meninggalkan cukup air di sungai, mengalirkan ikan ke kedua arah, dan diawasi.

Keamanan air. Turbin di dalam saluran air minum menyentuh air yang diminum orang. Alat ini harus disertifikasi untuk berkontak dengan air minum, tidak boleh membiarkan udara atau kontaminan masuk, dan harus aman dari kegagalan, sehingga perusahaan utilitas tidak akan bereksperimen dengan jaringan listriknya secara ringan.

Proyek nyata, diukur

Proyek	Dimana	Jenis dan ukuran	Apa yang diukur atau dilaporkan
Settle Hydro	Sungai Ribble, Yorkshire Utara, Inggris	Archimedes sekrup pada sebuah pabrik weir, 50 kW	Menciptakan sejak November 2009; sekitar 165 MWh per tahun (38% faktor kapasitas); £410.000 dikumpulkan melalui saham komunitas; operator melaporkan lebih sedikit salmon di hulu dan curiga kebisingan sekrup (Settle Hydro)
Torrs Hydro	Sungai Goyt, New Mills, Inggris	Archimedes sekrup, 2.4 m diameter, hingga 63 kW	Skema hidro pertama di Inggris yang dimiliki oleh komunitas, diserahkan pada September 2008; £100.000 dikumpulkan dari 200 anggota komunitas (Torrs Hydro)
LucidPipe, Portland Water Bureau	Portland, Oregon, Amerika Serikat	Turbin berbaris di dalam air utama yang besar.	Diinstal di pipa air kota dan menghasilkan pada awal 2015 (Departemen Energi Oregon; Lucid Energy news, arsip 2015). Kami tidak menemukan catatan yang diterbitkan dari output tahunan yang diukur, dan pada tahun 2022 domain web pengembangnya telah ditawarkan untuk dijual (arsip halaman).
North Unit Irrigation District	Dekat Madras, Oregon, Amerika Serikat	Saluran air di kanal irigasi (Natel Energy)	Salah satu proyek saluran operasi yang terdaftar oleh Departemen Energi Oregon (Departemen Energi Oregon)
US conduit exemptions	Amerika Serikat	Pipa dan saluran	236 proyek saluran telah disetujui oleh regulator federal pada tahun 2013 (Conduit hydroelectricity)
Hidro kecil Cina	Pedesaan Cina	Sekitar 45.000 tanaman kecil	Sekitar 160 TWh per tahun pada tahun 2010, sebagian besar untuk memberi daya kepada desa yang tidak memiliki jaringan listrik (Small hydro)

Pelajaran dari proyek-proyek ini konsisten. Di tempat-tempat yang sudah memiliki sumber air, aliran dan struktur, pembangkit listrik tenaga air kecil telah beroperasi selama puluhan tahun: tanggul pabrik dari masa revolusi industri menghasilkan listrik lagi. Di mana sumber dayanya sedikit, outputnya kecil tak peduli seberapa pintar turbinnya. Hidrolik dalam pipa khususnya telah mendapat antusiasme dari pers dan sedikit pengukuran yang dipublikasikan; fisikanya bagus, namun situs-situs yang baik spesifik dan pasarnya masih kecil.

Berapa harganya

Sumber	Apa itu	Harga
Micro hydro, biaya instalasi yang biasa	$1,000 to $5,000 per kW (Micro hydro)
Perhitungan kita dari rentang itu	40 sampai 60% faktor kapasitas, 20 tahun pada 7% nyata, pemeliharaan 3% dari investasi per tahun (metode Fan Wall)	$0.02 to $0.18 per kWh
Settle Hydro, perhitungan kami	£410,000 untuk 165 MWh per tahun, 20 sampai 40 tahun pada 7% nyata, 3% pemeliharaan	sekitar £0.26 sampai £0.31 per kWh
Penilaian kita	Solar rooftop di sebuah bangunan, model Fan Wall; Lazard 2026 komersial dan komunitas solar	$0.19 per kWh; $0.09 to $0.20
Lazard (Juni 2026)	Utility baru surya / angin di darat	$0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 per kWh

Jaraknya luas karena situs-situsnya. Sebuah lokasi yang baik dengan sumber daya yang ada dapat menghasilkan listrik dengan harga beberapa sen per kWh, jauh di bawah harga tenaga surya di atap rumah, dan terus melakukannya selama lima puluh tahun. Skema komunitas kecil dengan perlindungan ikan penuh, seperti Settle, membutuhkan biaya lebih tinggi per kWh dibandingkan panel surya atap berdasarkan asumsi standar kami; skema tersebut biasanya dibenarkan oleh umur panjang, kepemilikan lokal, output pada malam hari dan musim dingin, dan tarif dukungan. Untuk hidro di dalam pipa pertanyaannya lebih sederhana: apakah ada tekanan berlebih yang dihancurkan di dalam katup hari ini? Jika ya, maka pemulihannya akan menguntungkan; jika tidak, maka tidak ada yang bisa dipulihkan.

Di mana ia bisa menang, dan di mana ia tidak dapat

Ia bisa menang:

• Situs pembangkit listrik dan pabrik yang ada, di mana pekerjaan sipil dibayar selama satu atau dua abad lalu.
• Utility air dengan gravitasi utama, outlet reservoir dan katup tekanan-reducing yang melemparkan tekanan setiap jam sehari.
• Kanal irigasi dengan tetesan, dan keluaran dari pekerjaan pemurnian air limbah.
• Desa-desa pegunungan yang tidak terhubung ke jaringan listrik, di mana mikro-hidro minigrid dapat menyediakan listrik siang dan malam dengan biaya yang lebih rendah daripada diesel.
• Kekuatan malam dan musim dingin di tempat-tempat dimana panel surya membuat sedikit.

Ia tidak bisa menang:

• Di negara datar dengan aliran kecil: tanpa kepala atau aliran tidak ada daya.
• Di pipa yang membutuhkan tekanan mereka, di mana turbin hanya memindahkan tagihan energi dari satu meter ke yang lain.
• Di mana tanggul baru akan merusak ikan di sungai yang penting bagi mereka, kecuali kerusakan dapat dicegah dan ditunjukkan.
• Pada skala pico pada grid, di mana biaya tetap mengurangi energi.

Apa yang terbukti, masuk akal dan spekulatif

Diuji: persamaan tenaga air; efisiensi turbin; bahwa skema hidro kecil berjalan selama beberapa dekade dengan biaya operasional yang rendah; bahwa sekrup Archimedes dan turbin konvensional bekerja pada tanggul tua; bahwa kepemilikan komunitas dapat mendanai skema kecil; bahwa proyek saluran operasi dalam sistem air dan irigasi.

Plausible: bahwa banyak utilitas air memiliki tekanan surplus yang cukup di katup dan outlet reservoir untuk kilowatt yang berguna di setiap lokasi; bahwa pompa standar berjalan sebagai turbin dapat memotong biaya skema dalam pipa; bahwa desain baru yang ramah ikan dapat mengurangi kerusakan pada situs dengan ketinggian rendah.

Spekulasi: turbin dalam pipa di pipa distribusi biasa tanpa tekanan surplus (energi harus datang dari suatu tempat); kontribusi nasional besar dari mikro hidro di negara-negara dengan sedikit kepala; sangat murah “plug-in” turbin sungai tanpa pekerjaan sipil dan izin yang biasa.

Pertanyaan penelitian terbuka

• Pemetaan tekanan surplus. Berapa banyak energi yang dibuang oleh jaringan air pada katup hari ini, dari satu lokasi ke lokasi lainnya, dan seberapa stabilnya itu sepanjang hari dan tahun?
• Control. Turbin yang menahan tekanan aliran turun sestabilnya katup yang mereka ganti, bahkan ketika permintaan berubah.
• Ikan. Turbin dan layar yang mana yang membiarkan ikan melewati kedua arah dengan cedera rendah, diukur, tidak diasumsikan?
• Kost. Skema kecil standar dengan kurang pekerjaan sipil yang disesuaikan, dan izin yang lebih sederhana untuk situs yang sudah memiliki tanggul.
• Panas serta daya. Sungai dan saluran air juga merupakan sumber panas yang stabil untuk pompa kalor; dapatkah satu skema melakukan keduanya?

Apa yang diperlukan untuk membuat prototipe

Ide hidro kecil adalah salah satu yang paling mudah untuk diuji secara jujur, karena air, pipa dan meter adalah hal-hal sehari-hari. Biaya di bawah ini adalah perkiraan kasar kami.

Tahap	Bekerja	Apa yang dibuktikan	Biaya kasar	Waktu
1. Bench rig	Sebuah pompa loop atau tangki header dengan aliran diukur (meter aliran) dan tekanan (gauge sebelum dan setelah), turbin mengemudi bank beban melalui meter daya terdaftar	Efisiensi melawan aliran dan kepala	$5k to $30k	1 sampai 3 bulan
2. percobaan situs nyata	Sebuah unit 1 sampai 20 kW pada aliran, pipa pertanian atau bypass katup utilitas, dengan perlindungan kualitas air di mana diperlukan, memotong untuk satu musim	Keluaran nyata di atas aliran yang berubah, puing-puing, pemeliharaan	$20k to $150k	6 sampai 12 bulan
3. Utility atau pilot komunitas	Sebuah instalasi yang diizinkan dengan koneksi jaringan, pemantauan ikan atau sertifikasi air minum sesuai kebutuhan	Bankable tahunan energi, izin, biaya	$100k to $1 juta	1 sampai 2 tahun

Tahap 1 berada dalam jangkauan sebuah sekolah atau ruang pembuat. Hal ini juga merupakan bukti yang tepat yang dibutuhkan oleh sebuah pitch: turbin, aliran yang diukur, penurunan yang diukur dan meter yang menunjukkan listrik yang dihasilkan.

Siapa yang kita butuhkan

• Hydraulic and hydropower engineers untuk penilaian situs dan seleksi turbin.
• Insinyur utilitas air yang tahu di mana tekanannya berkurang dan bagaimana jaringan berperilaku sepanjang hari.
• Biolog perikanan untuk desain dan pemantauan lalu lintas ikan.
• Insinyur listrik untuk generator kecil, koneksi jaringan dan minigrids pulau.
• Insinyur sipil untuk intake, dam dan layar.
• Kelompok energi komunitas dan pemilik tanah dengan tanggul, pabrik atau pipa pertanian.
• Spesialis Sertifikasi Air Minum untuk apa pun di dalam air minum utama.

Kau punya ide yang lebih baik?

Beberapa anggota Yayasan mungkin memiliki kontak yang bisa mendengarkan pitch. Untuk diluncurkan, sebuah ide membutuhkan bekerja, model kehidupan nyata yang sebenarnya menghasilkan daya, dengan outputnya diukur pada instrumen, tidak diklaim: turbin di rig tes dengan meter aliran, tekanan meter dan meter daya tercatat adalah lebih berharga daripada gambar apapun. Ide-ide kertas juga disambut: jika fisika dan angkanya kuat, kami bisa menerbitkannya di sini di situs web. Namun, mengumpulkan modal tanpa model yang bekerja sangat sulit, dan tidak ada jaminan pendanaan, keuntungan atau pengenalan.

Kirim ide Anda melalui formula kontribusi, memilih Green Initiative. Beritahu kami aliran dan kepala yang bekerja dengan, efisiensi Anda mengukur atau diharapkan, biaya kasar per kWh, dan tes termurah yang dapat membuktikan bahwa itu salah. Halaman sumber energi membandingkan hidro kecil dengan sebelas ide lainnya.

Sumber

1. Hydroelectricity, Wikipedia: share of world electricity and turbine efficiency (dalam bahasa Inggris).
2. Small hydro, Wikipedia, menggambarkan UNIDO’s World Small Hydropower Development Report 2022.
3. Micro hydro, Wikipedia: kelas ukuran, efisiensi dan biaya yang diinstal.
4. Conduit hydroelectricity, Wikipedia.
5. Undang-Undang Efisiensi Regulasi Tenaga Air 2013, Wikipedia; teks di Congress.gov.
6. Settle Hydro dan Torrs Hydro, Wikipedia.
7. Departemen Energi Oregon. Hydropower in Oregon, termasuk proyek saluran di Portland dan di North Unit Irrigation District.
8. Lucid Energy. Target projects (archived 2021) and lucidenergy.com (archived 2022).
9. Run-of-the-river hydroelectricity, Wikipedia: seasonality and environmental effects (dalam bahasa Inggris).
10. Ofgem (2023). Nilai konsumsi rumah tangga yang umum: 2.700 kWh listrik per tahun untuk pengguna rata-rata.
11. Lazard (Juni 2026). Levelized Cost of Energy+, versi 19.
12. Local Solar System Yayasan. The Fan Wall: open model and benchmark, rooftop solar at $0.19 per kWh.