Mažos hidro ir vamzdynų hidro

Prieš garus, malūnai palei kiekvieną upę pavertė vandenį darbu. Daugelis jų šliuzų ir kanalų yra vis dar ten. Hidroenergija vis dar yra didžiausias atsinaujinančios elektros energijos šaltinis Žemėje, apie 15% pasaulio elektros energijos 2023 m., daugiausia iš didelių užtvankų (Hidroelektrinė). Šiame puslapyje aptariamas kitas skalės galas: nuo kelių kilovatų iki kelių megavatų galios turbinos upėse, senų malūnų užtvankos, drėkinimo kanalai ir vamzdžiai, kuriais į miestus tiekiamas geriamasis vanduo.

Kaip ir mūsų Ventiliatoriaus sienos tyrimų puslapyje, mes pradedame nuo fizikos, tada pažvelkime į tai, ką realios schemos matuoja ir kiek jos kainuoja palyginti su mūsų etaloniniu rodikliu, stogo saulės baterija už maždaug 0,19 USD už kWh. Trumpai tariant: maža hidroelektrinė yra patikrinta, ilgaamžė ir veikia naktį, o gera svetainė gali patogiai įveikti stogo saulės energiją. Tačiau galia yra tiesiog srauto laikas, dauguma upelių ir vamzdžių siūlo tik keletą kilovatų, o fiksuotos leidimų išlaidos, civiliniai darbai ir žuvų apsauga nuskandina daugybę mažų schemų. Vamzdžio hidrotechnika yra prasminga tik ten, kur slėgis bet kokiu atveju išmetamas.

Kas tai yra

Mažoji hidroelektrinė apima įvairias mašinas, paprastai klasifikuojamas pagal dydį: maža iki maždaug 10 MW, mini žemiau 1 MW arba 500 kW priklausomai nuo šalies, mikro žemiau 100 kW ir pico žemiau 5–10 kW (Mažoji hidroelektrinė; Mikro hidroelektrinė). Beveik visa tai yra upės srovė: vietoj rezervuaro, žemas užtvanka nukreipia dalį upės per turbiną ir grąžina ją žemyn.

Vamzdžio arba vamzdžių hidro „Eco-Turbine“ įrengia turbinas jau esančios vandens infrastruktūros viduje: vandens vamzdynuose, einančiuose nuo rezervuaro žemyn, vožtuvuose, kurie sumažina slėgį prieš vandeniui pasiekiant namus, drėkinimo kanaluose su lašeliais ir valymo įrenginių išleidimo angose. Jokių naujų užtvankų ir jokių naujų upių pervažų, todėl Jungtinės Valstijos 2013 m. atleido iki 5 MW galios vamzdynų projektus nuo federalinio licencijavimo.

Kaip tai veikia

Viena lygtis. Hidroturbina paverčia krentančio vandens potencialinę energiją į elektros energiją. Galia yra P = ρ × g × Q × H × η, kur ρ yra vandens tankis (1000 kg viename kubiniame metre), g yra gravitacija (9.81 m/s²), Q srautas kubiniais metrais per sekundę, H aukštis, arba vandens kritimas, metrais ir η turbinos, generatoriaus ir vamzdynų efektyvumas kartu. Paprastai tariant: kiekvienas kubinis metras, kuris per sekundę nukrenta vienu metru, neša 9,81 kW. Didelės turbinos paverčia daugiau nei 90% jos; mažesnės paprastai nuo 50 iki 85% (Micro hydro).

Galvos ir srauto prekybos vietos. Kalnų upė su srautais ir 100 m kritimu gali suteikti tokią pačią galią kaip žemumoje esanti upė, kurios srautas yra šimtą kartų didesnis nei 1 m užtvanka. Turbina seka vietą:

• Aukštas slėgis, mažas srautas (nuo dešimčių iki šimtų metrų): Pelton ir Turgo ratai, paveikti vandens srovių.
• Vidutinės galios: Francis ir kryžminio srauto turbinos.
• Žemas aukštis, didelis srautas (1-10 m): Kaplan sraigtai ir Archimedo sraigtai, kurie sukasi lėtai, praleidžia šiukšles ir yra švelnesni žuvims.
• Vamzdžiuose: specialios linijinės turbinos arba standartiniai siurbliai, veikiantys atgal kaip turbinos, yra plačiai naudojamas nebrangus variantas.

Slėgis yra aukštis. Vamzdžio aukštis rodomas kaip slėgis: vienas baras lygus maždaug 10,2 m aukščio. Tai yra raktas į vamzdynų hidroenergiją. Miestuose vandens tiekimo vamzdynai yra priversti veikti esant keliems barų slėgiui; jei vandentiekis eina nuo kalno, slėgis namuose būtų per didelis, todėl slėgio mažinimo vožtuvas išmeta perteklių kaip šilumą ir triukšmą. Šis vožtuvas vietoj turbinos jį atkuria. Paaiškinimo pavyzdys „vožtuvas vandens vamzdyje“, 0,3 kubinių metrų per sekundę esant 3 bar slėgiui, yra apie 60 kW, kurie kitaip iššvaistomi.

Nėra nemokamų pietų vamzdyje. Turbina gali priimti tik tą slėgį, kuris nėra reikalingas žemiau. Įdėjus vieną į vamzdį, kuriam reikia viso jo slėgio, jis tiesiog pavagiamas iš klientų arba siurbliai dirba sunkiau, o tai kainuoja daugiau elektros nei turbina. Todėl tinkamos vamzdynų vietos yra specifinės: gravitaciniai tinklai su pertekliniu slėgiu, pakankamai didelis srautas ir nuolatinis naudojimas. Vieno statytojo kriterijai buvo 0,6–2,4 m skersmens vamzdžiai, srauto greitis nuo 0,9 iki 3,7 m/s ir bent 5 psi (0,34 bar) perteklinis slėgis (Lucid Energy, archyvuota).

Talpos koeficientas ateina iš upės. Upės kyla ir krinta su sezonais, o schema turi palikti pakankamai vandens upėje žuvims ir visam kitam. Mažos upės srovės jėgainės paprastai yra tokio dydžio, kad galėtų naudoti didelę metų dalį turimą srautą; „Settle“ 50 kW sraigtinė jėgainė veikia esant 38 % pajėgumo koeficientui ir sausomis dienomis pati išsijungia, kad vanduo tekėtų per žuvų praėjimą.

Ribos: teorinės ir praktinės

Fizika. Energija yra tik tokia didelė, kaip srautas kartojamas lašas. Sodo upelis, kurio 10 litrų per sekundę srautas krenta iš 5 m aukščio, suteikia apie 0,3 kW energijos, kurios užtenka apšvietimui ir šaldytuvui, bet ne namų šildymui. Tipiškas vandens pagrindinis vožtuvas suteikia dešimtis kilovatų. Tai yra sąžiningas daugumos mažų svetainių mastas: kilovatai, o ne megavatai.

Fiksuotosios išlaidos. 20 kW schemai reikia beveik tokių pačių tyrimų, aplinkos tyrimų, leidimų, žuvų apsaugos, tinklo prijungimo ir teisinių darbų kaip ir 500 kW schemai. Šios išlaidos nesumažėja su dydžiu, todėl mažiausia schema dažnai yra brangiausia už kWh.

Aplinka. Užtvankos blokuoja žuvų migraciją, o turbinos gali sužeisti žuvis. Net ir su žuvų kopėčiomis, Settle bendruomenės operatoriai pranešė mažiau lašišų, einančių prieš srovę, ir įtarė sraigto triukšmą (Settle Hydro). Daugelis šalių nereikalauja, kad mažos schemos būtų visiškai įvertintos aplinkosaugos požiūriu, todėl kai kuriuose regionuose elektrinės buvo statomos netinkamoje vietoje (mažos hidroelektrinės). Gerame projekte paliekama pakankamai vandens upėje, žuvys eina abiem kryptimis ir yra stebimos.

Vandens saugumas. Turbinos geriamojo vandens vamzdynuose liečia vandenį, kurį žmonės geria. Jie turi būti sertifikuoti, kad galėtų liestis su geriamuoju vandeniu, niekada neturi leisti oro ar teršalų ir turi būti saugūs, todėl komunalinės paslaugos nebus lengvai eksperimentuoti su savo tinklais.

Realūs projektai, išmatuoti

Projektas	Kur	Tipas ir dydis	Kas buvo išmatuota arba apie ką pranešta
Settle Hydro	Ribble upė, Šiaurės Jorkšyras, Anglija	Archimedo sraigtas ant malūno užtvankos, 50 kW	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)
Torrs Hydro	Goyt upė, New Mills, Anglija	Archimedo sraigtas, 2,4 m skersmens, iki 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, Portlando vandens tarnyba	Portlandas, Oregonas, JAV	Eilutinės turbinos dideliame gravitacinio vandens tiekimo vamzdyne	Įrengtas miesto vandens vamzdžiuose ir pradėjęs generuoti iki 2015 m. pradžios (Oregono energetikos departamentas; Lucid Energy news, archyvuota 2015).Neradome jokio paskelbto įrašo apie išmatuotą metinę gamybą, o iki 2022 m. kūrėjo interneto domenas buvo siūlomas parduoti (archyvuotas puslapis).
Šiaurės rytų Lietuvos rajonas	Near Madras, Oregonas, Jungtinės Amerikos Valstijos	Drėkinimo kanalo hidro vamzdynas (Natel Energy)	Vienas iš Oregono energetikos departamento (Oregon Department of Energy) sąraše esančių eksploatuojamų vamzdynų projektų
JAV vairuotojų išimtys	Jungtinės Amerikos Valstijos	Vamzdžiai ir kanalai	Iki 2013 m. federalinis reguliuotojas buvo patvirtinęs 236 vamzdynų projektus (Vamzdžių hidroelektrinė)
Kinijos mažoji hidroelektrinė	Kinijos kaimo vietovės	About 45,000 small plants	Apie 160 TWh per metus iki 2010 m., didžioji dalis jų tiekia energiją kaimams, kurie neturėjo tinklo (Mažoji hidroenergija)

Šių projektų pamoka yra nuosekli. Ten, kur jau yra vandens lygis, srautas ir konstrukcija, dešimtmečius veikia nedidelės hidroelektrinės: pramoninės revoliucijos laikų malūnų užtvankos vėl gamina elektrą. Kur ištekliai riboti, produkcija maža, kad ir kokia sumani būtų turbina. Vamzdžių hidroenergija sulaukė ypač entuziastingos spaudos ir nedaug paskelbtų matavimų; fizika yra patikima, bet geros vietos yra specifinės ir rinka išliko maža.

Kiek tai kainuoja

Šaltinis	Kas tai yra	Kaina
Mikrohidro, tipinės įrengimo išlaidos	$1,000 to $5,000 už kW (Mikro hidro)
Mūsų skaičiavimas iš šio diapazono	40–60 % pajėgumo koeficientas, 20 metų esant 7 % realiai kainai, priežiūra – 3 % investicijų per metus (vėdinimo sienos metodas)	$0.02 to $0,18 už kWh
Settle Hydro, mūsų skaičiavimas	£410,000 for 165 MWh a year, 20 to 40 years at 7% real, 3% maintenance	apie 0,26–0,31 GBP už kWh
Mūsų etalonas	Saulės energija ant pastato stogo, ventiliatoriaus sienos modelis; Lazard 2026 komercinė ir bendruomeninė saulės energija	0,19 USD už kWh; $0.09 to $0,20
Lazardas (2026 m. birželis)	Naujos komunalinės saulės / vėjo jėgainės	$0.04 to $0,10 / $0.04 to $0,10 už kWh

Diapazonas yra platus, nes svetainės yra. Gerai įrengta saulės elektrinė su esamu įėjimu gali gaminti elektros energiją už kelis centus už kWh, kur kas mažiau nei stogo saulės energija, ir tęsti tai penkiasdešimt metų. Maža mažų gabaritų bendruomenės schema su visa žuvų apsauga, pavyzdžiui, Settle, kainuoja daugiau už kWh nei saulės stogo sistemos pagal mūsų standartines prielaidas; tokios schemos paprastai yra pateisinamos ilgu tarnavimo laiku, vietine nuosavybe, išvestimi naktį ir žiemą bei paramos tarifais. Vamzdžių hidrotechnikos atveju klausimas yra paprastesnis: ar šiandien vožtuve sunaikinamas perteklinis slėgis? Jei taip, tai gali atsipirkti; jei ne, nieko negalima susigrąžinti.

Kur ji gali laimėti, o kur negali

Ji gali laimėti:

• Esamose šliuzų ir malūnų vietose, kur civiliniai darbai buvo apmokami prieš šimtą ar du.
• Vandens tiekimo įmonės su gravitaciniais tinklais, rezervuaro išėjimais ir slėgio mažinimo vožtuvais, kurie kiekvieną paros valandą pašalina slėgį.
• Drėkinimo kanalai su lašais ir nuotekų valymo įrenginių išleidimo angos.
• Netinklio kalnų kaimai, kur mikro-hidro minigrid gali tiekti energiją dieną ir naktį už mažesnę kainą nei dyzelinas.
• Nakties ir žiemos galia tose vietose, kur saulės baterijos mažai.

Jis negali laimėti:

• Lygioje šalyje su mažais upeliais: be galvos ar srauto nėra galios.
• Vamzdžiuose, kuriems reikia slėgio, kur turbina tik perkelia energijos sąskaitą iš vieno metro į kitą.
• Kur naujas užtvanka pakenktų žuvims upėje, kuri jiems svarbi, nebent žalos galima išvengti ir parodyti.
• Piko mastu tinkle, kur fiksuotos išlaidos yra mažesnės už energiją.

Kas yra įrodyta, tikėtina ir spekuliacinė

Patikrinta: hidroelektrinių lygtis; turbinų efektyvumas; kad mažos hidroelektrinės veikia dešimtmečius su mažomis eksploatavimo išlaidomis; kad Archimedo sraigtai ir įprastos turbinos dirba ant senų užtvankų; kad bendruomenės nuosavybė gali finansuoti mažas schemas; kad vamzdynų projektai veikia vandens ir drėkinimo sistemose.

Tikėtina: kad daugelis vandens paslaugų turi pakankamai perteklinio slėgio vožtuvuose ir rezervuaro išleidimo angose naudingiems kilovatams kiekvienoje vietoje; kad standartiniai siurbliai veikia kaip turbinos gali sumažinti vamzdžių schemų sąnaudas; kad nauji žuvims draugiški dizainai gali sumažinti žalą mažų galvų vietose.

Spekuliatyvūs: įprastuose vamzdynuose be perteklinio slėgio įrengiamos turbinos (energija turi ateiti iš kažkur); dideli nacionaliniai indėliai iš mikrohidroelektrinių šalyse su mažu vandens lygiu; labai pigios „plug-in“ upės turbinos be įprastų civilinių darbų ir leidimų.

Atviri tyrimo klausimai

• Perteklinio slėgio žemėlapis. Kiek energijos vandens tinklai sunaikina vožtuvuose šiandien, kiekvienoje vietoje ir kaip stabiliai ji yra per dieną ir metus?
• Valdymas. Turbinos, kurios palaiko slėgį tiek pat stabiliai kaip ir vožtuvai, kuriuos jos pakeičia, net kai pasikeičia paklausa.
• Žuvis. Kurie turbinų dizainai ir ekranai leidžia žuvims praeiti abiem kryptimis su maža žala, išmatuota, o ne laikoma?
• Kaina. Standartizuotos mažos schemos, kurioms reikia mažiau specialiai pritaikytų civilinės inžinerijos darbų, ir paprastesni leidimai vietovėms, kuriose jau yra užtvankų.
• Šilumos, taip pat galia. Upės ir vandens tiekimo tinklai taip pat yra stabilūs šilumos šaltiniai šilumos siurbliams; ar viena schema gali patenkinti abu poreikius?

Ko reikėtų darbiniam prototipui

Maža hidro idėja yra viena iš lengviausių sąžiningai išbandyti, nes vanduo, vamzdžiai ir skaitikliai yra kasdieniai dalykai. Žemiau pateiktos išlaidos yra mūsų apytiksliai skaičiavimai.

Etapas	Darbas	Ką tai įrodo	Apytikslė kaina	Laikas
1. Stalo įrenginys	Siurblio kontūras arba rezervuaras su išmatuotu srautu (srovės matuokliu) ir slėgiu (manometrais prieš ir po), turbina, kuri per registruotą galios skaitiklį varo apkrovos banką	Efektyvumas prieš srautą ir aukštį	$5k to $30k	1-3 mėnesiai
2. Realus vietos bandymas	1–20 kW įrenginys, prijungtas prie upelio, ūkio vamzdžio arba komunalinių paslaugų vožtuvo aplinkkelio, su vandens kokybės apsaugos priemonėmis, kai reikia, sezono metu	Tikrasis našumas esant kintamam srautui, šiukšlėms, priežiūrai	$20k to $150k	6–12 mėnesių
3. Bendroji arba bendruomenės bandomoji programa	Prireikus leidžiamas įrenginys su elektros tinklo jungtimi, žuvų stebėsena arba geriamojo vandens sertifikavimu	Bankuojama metinė energija, leidimai, išlaidos	$100k to $1 milijonas	1–2 metai

Stage 1 is within reach of a school or a maker space. Tai taip pat yra būtent tie įrodymai, kurių reikia: turbina, išmatuotas srautas, išmatuotas kritimas ir skaitiklis, rodantis jo pagamintą elektros energiją.

Ko mums reikia

• Hidraulinės ir hidroelektrinės inžinieriai vietos įvertinimui ir turbinos pasirinkimui.
• Vandens komunalinių paslaugų inžinieriai kurie žino, kur slėgis yra sumažintas ir kaip tinklai elgiasi per dieną.
• Žuvininkystės biologai žuvų perėjimo projektavimui ir stebėsenai.
• Elektros inžinieriai mažiems generatoriams, tinklo prijungimui ir salų minitinklams.
• Civiliniai inžinieriai įleidimo angoms, užtvankoms ir ekranams.
• Bendruomenės energetikos grupės ir žemės savininkai, turintys užtvankas, malūnus ar ūkių vamzdynus.
• Geriamojo vandens sertifikavimo specialistai viskam, kas yra geriamojo vandens sistemoje.

Turite geresnę idėją?

Kai kurie fondo nariai gali turėti kontaktų, kurie galėtų išgirsti žodžius. Kad būtų įgyvendinta, idėjai reikia veikiantis, realaus gyvenimo modelis, kuris iš tikrųjų gamina energiją, kurio galia matuojama prietaisu, nereikalaujama: turbina ant bandymo stendo su srauto matuokliu, slėgio matuokliais ir užregistruotu galios matuokliu yra vertingesnė nei bet koks brėžinys. Taip pat laukiame ir popierinių idėjų: jei fizikos ir skaičių pagrindai yra tvirti, galime jas paskelbti čia, svetainėje. Tačiau pritraukti kapitalą be veikiančio modelio yra labai sunku, ir niekas čia nėra finansavimo, grąžos ar įvedimo pažadas.

Siųskite savo idėją per įnašo formą, pasirinkdami Žaliąją iniciatyvą. Papasakokite mums apie srautą ir aukštį, kuriuo jis veikia, jūsų išmatuotą arba numatomą efektyvumą, apytikslę kainą už kWh ir pigiausią testą, kuris galėtų įrodyti, kad jis yra neteisingas. energijos šaltinių puslapis lygina mažą hidroelektrinę su vienuolika kitų idėjų.

Šaltiniai

1. Hidroelektrinė, Vikipedija: pasaulio elektros energijos dalis ir turbinų efektyvumas.
2. Mažoji hidroenergija, Vikipedija, remiantis UNIDO Pasaulio mažosios hidroelektrinės plėtros ataskaita 2022 m..
3. Mikro hidro, Vikipedija: dydžio klasės, efektyvumas ir įdiegtos išlaidos.
4. Vamzdžių hidroelektrinė, Vikipedija.
5. 2013 m. Hidroenergijos reguliavimo efektyvumo aktas, Vikipedija; tekstas congress.gov.
6. Settle Hydro ir Torrs Hydro, Vikipedija.
7. Oregono valstijos sostinė. Hidroelektrinės Lietuvoje, įskaitant vamzdynų projektus Portlande ir Šiaurės drėkinimo rajone.
8. Energijos šaltinis. Target projects (archived 2021) and lucidenergy.com (archived 2022).
9. Upės vandens hidroelektrinė, Vikipedija: sezoniškumas ir poveikis aplinkai.
10. Ofgem (2023). Tipiškos buitinio vartojimo vertės: 2700 kWh elektros energijos per metus vidutiniam vartotojui.
11. Lazard (June 2026). Levelized Cost of Energy+, 19 versija.
12. Local Solar System Fondas. Ventiliatoriaus siena: atviras modelis ir lyginamasis standartas, stogo saulės energijos kaina $ 0.19 už kWh.
13. Vandens turbina, Vikipedija: tipiniai kiekvieno tipo turbinų galvučių diapazonai, nuo vandens ratų (nuo 0,2 iki 4 m) iki Peltono ratų (nuo 80 iki 1600 m).