Malé vodné a potrubné vodné elektrárne

Pred parou, mlyny pozdĺž každej rieky premenili vodu na prácu. Mnohé z ich jazier a kanálov sú tu dodnes. Vodný zdroj je stále najväčším obnoviteľným zdrojom elektrickej energie na Zemi, približne 15% svetovej elektriny v roku 2023, väčšinou z veľkých priehrad (Hydroelektrická energia). Táto stránka je o druhom konci stupnice: turbíny s výkonom od niekoľkých kilowattov do niekoľkých megawattov v potokoch, starých mlynských jazerách, zavlažovacích kanáloch a potrubiach, ktoré prepravujú pitnú vodu do miest.

Ako na našej Fan Wall výskumnej stránke, začíname s fyzikou, potom sa pozrieme na to, čo skutočné schémy merajú a koľko stoja v porovnaní s našimi štandardmi, strešný solárny panel pri približne $ 0.19 za kWh. Stručne povedané: **malá vodná elektráreň je osvedčená, má dlhú životnosť a beží v noci, a dobré miesto môže pohodlne poraziť strešnú solárnu energiu. Ale energia je jednoducho časy toku klesajú, väčšina potokov a potrubia ponúka len niekoľko kilowattov, a fixné náklady na povolenia, stavebné práce a ochranu rýb potopiť mnoho malých systémov. In-pipe hydro má zmysel len tam, kde je tlak vyhodený tak ako tak. **

Čo to je

“Malá vodná energia” pokrýva celý rad strojov, zvyčajne klasifikovaných podľa veľkosti: malá do 10 MW, mini pod 1 MW alebo 500 kW v závislosti od krajiny, mikro pod 100 kW a pico pod 5 až 10 kW (malá vodná energia; mikro vodná energia). Takmer všetko je run-of-river: namiesto nádrže, nízky jez odvádza časť rieky cez turbínu a vracia ju späť do toku.

Vnútorné potrubie alebo vodná elektráreň umiestňuje turbíny do vodnej infraštruktúry, ktorá už existuje: vodovodné potrubia vedúce z nádrže, ventily, ktoré znižujú tlak predtým, ako sa voda dostane do domov, zavlažovacie kanály s kvapkami a výtoky čistiarní odpadových vôd. Žiadna nová priehrada a žiadny nový riečny priechod, čo je dôvod, prečo Spojené štáty v roku 2013 oslobodili projekty potrubia do 5 MW od federálneho licencovania.

Ako to funguje

Jednoduchá rovnica. Vodný mlyn premieňa potenciálnu energiu padajúcej vody na elektrickú energiu. 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. Jednoducho povedané: každý meter kubický za sekundu klesne o jeden meter a nesie so sebou 9,81 kW. Veľké turbíny premieňajú viac ako 90% z nej; malé typicky 50 až 85% (Micro hydro).


Obchodné miesta hlavy a toku. Horský potok s prúdením prúdu a 100 m pádom môže poskytnúť rovnakú silu ako nížinná rieka so stokrát väčším prietokom cez 1 m jezu. Turbína sleduje lokalitu:

• Vysoká výška, nízky prietok (desiatky až stovky metrov): Peltonové a Turgo kolesá, zasiahnuté prúdmi vody.
• Stredne vysoká hladina: Francis a krížové turbíny.
• Nízka zdvihová výška, vysoký prietok (1 až 10 m): Kaplan vrtule a Archimédove skrutky, ktoré sa pomaly otáčajú, prechádzajú nečistotami a sú šetrnejšie k rybám.
• V rúrach: špeciálne in-line turbíny alebo štandardné čerpadlá bežiace dozadu ako turbíny, široko používaná nízkonákladová možnosť.

Tlak je výška. V potrubí sa výška zobrazuje ako tlak: jeden bar sa rovná približne 10,2 m výšky. To je kľúčom k in-pipe hydro. Mestá udržiavajú vodovodné potrubia na niekoľkých baroch; tam, kde hlavná tečie z kopca zo zásobníka, by bol tlak príliš vysoký pre domy, takže ventil na zníženie tlaku odvádza prebytok ako teplo a hluk. Turbína na mieste tohto ventilu ju regeneruje. Príklad „ventil vo vodovodnej rúre“ vysvetľujúceho, 0,3 kubických metrov za sekundu pri tlaku 3 bar, je asi 60 kW, ktoré sa inak premrhá.

V potrubí nie je žiadny obed zadarmo. Turbína môže naberať len tlak, ktorý nie je potrebný po prúde. Ak ju vložíte do potrubia, ktoré potrebuje všetok jej tlak, jednoducho ju ukradnete zákazníkom alebo spôsobíte, že čerpadlá budú pracovať tvrdšie, čo stojí viac elektriny ako turbína. Dobré miesta v potrubí sú preto špecifické: gravitačné siete s prebytkovým tlakom, dostatočne veľkým prietokom a stabilným používaním. Jeden developer si stanovil kritériá pre potrubia s priemerom 0,6 až 2,4 m, rýchlosťmi prietoku 0,9 až 3,7 m/s a minimálnym prebytkovým tlakom 5 psi (0,34 bar) (Lucid Energy, archivované).


Kapacitný faktor pochádza z rieky. Rieky stúpajú a klesajú s ročnými obdobiami a schéma musí ponechať dostatok vody v rieke pre ryby a všetko ostatné. Malá vodná elektráreň je zvyčajne dimenzovaná tak, aby využívala prietok dostupný po väčšinu roka; Settle 50 kW skrutka beží na 38% kapacitnom faktore a v suchých obdobiach sa sama vypína, aby udržala tok vody cez rybí priechod.

Limity: teoretické a praktické

Fyzika. Energia je len taká veľká ako prietok krát kvapka. Záhradný potok s prietokom 10 litrov za sekundu, ktorý padá z výšky 5 metrov, poskytuje asi 0,3 kW, čo je dosť na osvetlenie a chladničku, ale nie na vykurovanie domu. Typický hlavný ventil vody poskytuje desiatky kilowattov. To je úprimná mierka väčšiny malých stránok: kilowatt, nie megawatt.

Pevné náklady. 20 kW schéma potrebuje takmer rovnaké prieskumy, environmentálne štúdie, povolenia, ochranu rýb, pripojenie k sieti a právne práce ako 500 kW schéma. Tieto náklady sa s veľkosťou nezmenšujú, takže najmenšie schémy sú často najdrahšie za kWh.

Životné prostredie. Jazy blokujú migráciu rýb a turbíny môžu ryby zraniť. Aj s rybárskym rebríkom, komunitní operátori v Settle hlásili menej lososov prechádzajúcich proti prúdu a mali podozrenie na hluk zo skrutky (Settle Hydro). Mnohé krajiny nevyžadujú úplné environmentálne posúdenie pre malé systémy, čo viedlo k zlému umiestneniu elektrární v niektorých regiónoch (Small hydro). Dobrý projekt ponecháva v rieke dostatok vody, prechádza ryby oboma smermi a je monitorovaný.

Bezpečnosť vody. Turbíny v rozvodoch pitnej vody sa dotýkajú vody, ktorú ľudia pijú. Musia byť certifikované na kontakt s pitnou vodou, nikdy nesmú prepúšťať vzduch alebo kontaminanty a musia zlyhať bezpečne, takže spoločnosť nebude experimentovať so svojimi sieťami ľahko.


Reálne projekty, namerané

Projekt	kde	Typ a veľkosť	Čo bolo merané alebo hlásené
Settle Hydro	River Ribble, Severný Yorkshire, Anglicko Zobraziť mapu	Archimédova skrutka na mlynskom jeze, 50 kW	Vyrába sa od novembra 2009; približne 165 MWh ročne (38% kapacitný faktor); £410,000 získaných prostredníctvom komunitných podielov; prevádzkovatelia hlásia menej lososov proti prúdu a podozrievajú hluk skrutiek (Settle Hydro)
Torrs Hydro	River Goyt, New Mills, Anglicko Zobraziť mapu	Archimédova skrutka, priemer 2,4 m, do 63 kW	Prvá komunitná vodná elektráreň vo Veľkej Británii, odovzdaná v septembri 2008; £100,000 získaných od 200 členov komunity (Torrs Hydro)
LucidPipe, Portland Water Bureau	Portland, Oregon, Spojené štáty	In-line turbíny vo vnútri veľkého gravitačne napájaného vodovodu	Inštalovaný v mestských vodovodných potrubiach a generujúci do začiatku roku 2015 (Oregon Department of Energy; Lucid Energy news, archived 2015).Nenašli sme žiadny publikovaný záznam o jeho nameranom ročnom výkone a do roku 2022 bola webová doména developera ponúkaná na predaj (archivovaná stránka).
Severná časť okresu	Madras, Oregon, Spojené štáty	Vodovodné potrubie na zavlažovacom kanáli (Natel Energy)	Jeden z prevádzkových projektov potrubia uvedených Oregonským ministerstvom energetiky (Oregon Department of Energy)
Výnimky z amerických pravidiel prevádzky	Spojené štáty americké	Potrubia a kanály	Do roku 2013 bolo federálnym regulátorom schválených 236 projektov vodných elektrární (Vodné elektrárne)
Čínska malá vodná elektráreň	Vidiecka Čína	About 45,000 small plants	Približne 160 TWh ročne do roku 2010, z toho väčšina napája dediny, ktoré nemali rozvodnú sieť (Malá vodná energia)

Ponaučenie z týchto projektov je konzistentné. Tam, kde už je vodná hladina, prietok a konštrukcia, fungujú malé vodné elektrárne desaťročia: mlynské hrádze z priemyselnej revolúcie opäť vyrábajú elektrinu. Tam, kde je zdroj vzácny, výstup je malý bez ohľadu na to, ako šikovná je turbína. Predovšetkým in-pipe hydro má nadšenú tlač a málo publikovaných meraní; fyzika je zdravá, ale dobré lokality sú špecifické a trh zostal malý.


Koľko to stojí

Zdroj	Čo to je	Cena
Mikro hydro, typické inštalačné náklady	$1,000 to $5,000 za kW (Micro hydro)
Náš výpočet z tohto rozsahu	40 až 60 % kapacitný faktor, 20 rokov pri 7 % reálnej hodnoty, údržba 3 % investície ročne (metóda ventilátorovej steny)	$0.02 to $0,18 za kWh
Settle Hydro, naša kalkulácia	£410,000 for 165 MWh a year, 20 to 40 years at 7% real, 3% maintenance	približne 0,26 až 0,31 GBP za kWh
Naše referenčné kritériá	Strešné solárne panely na budove, model Fan Wall; Lazard 2026 komerčné a komunitné solárne	0,19 USD za kWh; $0.09 to $0,20
Lazard (jún 2026)	Nové solárne / pobrežné veterné elektrárne	$0.04 to $0,10 / $0.04 to $0,10 na kWh

Rozsah je široký, pretože stránky sú. Dobré miesto s vysokým vodomerom a existujúcim prívodom môže vyrábať elektrinu za niekoľko centov za kWh, čo je oveľa menej ako solárne strechy, a robiť to päťdesiat rokov. Malý komunitný systém s nízkou hladinou a plnou ochranou rýb, ako je Settle, stojí viac za kWh ako strešné solárne panely na základe našich štandardných predpokladov; takéto systémy sú zvyčajne odôvodnené dlhou životnosťou, miestnym vlastníctvom, výkonom v noci a v zime a podpornými tarifami. Pre potrubnú hydrotechniku je otázka jednoduchšia: dochádza dnes k ničeniu prebytkového tlaku vo ventile? Ak áno, vymáhanie sa môže oplatí; ak nie, nie je čo získať späť.


Kde môže vyhrať a kde nemôže

Môže vyhrať:

• Existujúce jezy a mlynské miesta, kde boli zaplatené stavebné práce pred storočím alebo dvoma.
• Vodovodné inžinierske siete s gravitačnými sieťami, výstupmi nádrže a redukčnými ventilmi, ktoré odvádzajú tlak každú hodinu dňa.
• Zavlažovacie kanály s kvapkami a výtoky čističiek odpadových vôd.
• Horské dediny mimo rozvodnej siete, kde mikro-hydro minigrid môže dodávať energiu vo dne v noci za nižšie náklady ako nafta.
• Nočná a zimná energia v miestach, kde solárne panely robia málo.

Nemôže vyhrať:

• V rovinatej krajine s malými potokmi: bez hlavy alebo toku nie je žiadna energia.
• V potrubiach, ktoré potrebujú svoj tlak, kde turbína len posúva účet za energiu z jedného meradla na druhé.
• Kde by nový jez poškodil ryby v rieke, ktorá je pre ne dôležitá, pokiaľ sa škode nedá vyhnúť a ukázať.
• V pico stupnici na mriežke, kde fixné náklady zatienili energiu.

Čo je dokázané, vierohodné a špekulatívne

Preukázané: rovnica vodnej energie; účinnosť turbín; že malé vodné elektrárne fungujú desaťročia s nízkymi prevádzkovými nákladmi; že Archimédove skrutky a konvenčné turbíny pracujú na starých jezovách; že vlastníctvo komunity môže financovať malé systémy; že projekty potrubia fungujú vo vodných a zavlažovacích systémoch.

Plausible: že mnohé vodohospodárske podniky majú dostatok prebytočného tlaku na ventiloch a výstupoch nádrže pre užitočné kilowatts v každom mieste; že štandardné čerpadlá bežia ako turbíny môžu znížiť náklady na in-pipe schémy; že nové návrhy priateľské k rybám môže znížiť škody na miestach s nízkou výškou.

Špekulatívne: vnútrorúrkové turbíny v bežných rozvodných potrubiach bez prebytku tlaku (energia musí odniekedy pochádzať); veľké národné príspevky z mikrovodní v krajinách s malým prietokom; veľmi lacné “plug-in” riečne turbíny bez obvyklých stavebných prác a povolení.

Otvorené výskumné otázky

• Mapovanie prebytkového tlaku. Koľko energie dnes vo vodných sieťach zničia ventily, podľa lokality a ako stabilné je to počas dňa a roka?
• Kontrola. Turbíny, ktoré udržiavajú tlak po prúde tak stabilne ako ventil, ktorý nahrádzajú, a to aj pri zmenách dopytu.
• Ryby. Ktoré návrhy turbín a obrazoviek umožňujú rybám prechádzať oboma smermi s nízkym zranením, meraným, nie predpokladaným?
• Náklady. Štandardizované malé schémy s menším počtom na mieru šitých stavebných prác a jednoduchšie povolenia pre lokality, ktoré už majú jezy.
• Teplo aj elektrina. Rieky a vodovodné potrubia sú tiež stabilnými zdrojmi tepla pre tepelné čerpadlá; môže jedna schéma robiť oboje?

Čo by potreboval pracovný prototyp

Malý hydro nápad je jedným z najjednoduchších na úprimné testovanie, pretože voda, potrubia a merače sú každodenné veci. Nižšie uvedené náklady sú naše hrubé odhady.

Fáza	Práca	Čo to dokazuje	Približné náklady	Čas
1. Bench súprava	Čerpacia slučka alebo nádrž s nameraným prietokom (prietokomer) a tlakom (manometer pred a po), turbína poháňajúca záťažovú banku cez zaznamenaný merač výkonu	Účinnosť proti prúdu a výške	$5k to $30k	1 až 3 mesiace
2. skúška na skutočnom mieste	Jednotka s výkonom 1 až 20 kW na potoku, poľnohospodárskom potrubí alebo obtoku ventilu verejnej služby, v prípade potreby so zabezpečením kvality vody, s sezónnym vyťažovaním	Skutočný výkon pri meniacich sa prietokoch, nečistotách, údržbe	$20k to $150k	6 až 12 mesiacov
3. Pilotný projekt pre verejné služby alebo komunitu	Povolená inštalácia s pripojením do siete, monitorovaním rýb alebo certifikáciou pitnej vody podľa potreby	Bankovateľné ročné energie, povolenia, náklady	$100k to $1 milión	1 až 2 roky

Stage 1 je v dosahu školy alebo maker space. Je to tiež presne ten dôkaz, ktorý pitch potrebuje: turbína, nameraný prietok, nameraný pokles a merač ukazujúci elektrinu, ktorú vyrobila.

Koho potrebujeme

• Hydraulickí a hydroenergetickí inžinieri pre posúdenie lokality a výber turbíny.
• Inžinieri vodárenskej techniky ktorí vedia, kde sa tlak znižuje a ako sa siete správajú počas dňa.
• Rybárske biológovia pre návrh a monitorovanie priechodu rýb.
• Elektroinžinieri pre malé generátory, pripojenie do siete a ostrovné minigridy.
• Stavební inžinieri pre prívody, jezy a obrazovky.
• Komunitné energetické skupiny a vlastníci pôdy s jezmi, mlynskými alebo poľnohospodárskymi potrubiami.
• Certifikácia pitnej vody pre čokoľvek vnútri pitného hlavného.


Máte lepší nápad?

Niektorí členovia nadácie môžu mať kontakty, ktoré by mohli počuť pitch. Aby sa nápad mohol prezentovať, potrebuje pracujúci, reálny model, ktorý skutočne vyrába energiu, s jeho výkonom meraným na prístroji, nie vyžadovaným: turbína na testovacom zariadení s prietokomerom, tlakomery a zaznamenaný merač energie má viac hodnoty ako akýkoľvek výkres. Vítame aj nápady na papieri: ak sú fyzika a čísla pevné, môžeme ich zverejniť tu na webovej stránke. Ale získať kapitál bez pracovného modelu je veľmi ťažké a nič tu nie je prísľubom financovania, návratnosti alebo zavedenia.

Pošlite nám svoj nápad prostredníctvom formulára na podanie príspevku, pričom vyberte Zelenú iniciatívu. Povedzte nám prietok a výšku, s ktorou pracuje, účinnosť, ktorú ste namerali alebo očakávali, približnú cenu za kWh a najlacnejší test, ktorý by mohol dokázať, že je to nesprávne. Stránka energetické zdroje porovnáva malé vodné elektrárne s jedenástimi ďalšími nápadmi.

Zdroje

1. Hydroelectricity, Wikipedia: podiel svetovej elektrickej energie a účinnosť turbín.
2. Malá vodná energia, Wikipédia, čerpajúca z UNIDO Svetová správa o rozvoji malých vodných elektrární 2022.
3. Micro hydro, Wikipedia: veľkostné triedy, účinnosti a inštalované náklady.
4. Vodovodná elektráreň, Wikipedia.
5. Zákon o regulačnej účinnosti vodnej energie z roku 2013, Wikipédia; text na congress.gov.
6. Settle Hydro a Torrs Hydro, Wikipédia.
7. Oregonské ministerstvo energetiky. Vodný elektrár v Oregone, vrátane projektov potrubia v Portlande a v North Unit Irrigation District.
8. Jasná energia. Target projects (archivované 2021) a lucidenergy.com (archivované 2022).
9. Vodárenská energia z toku rieky, Wikipédia: sezónnosť a environmentálne účinky.
10. Ofgem (2023). Typickej domácej spotreby: 2700 kWh elektrickej energie za rok pre priemerného používateľa.
11. Lazard (jún 2026). Levelized Cost of Energy+, verzia 19.
12. Local Solar System Nadácia . The Fan Wall: otvorený model a benchmark, strešná solárna elektráreň za 0,19 USD za kWh.
13. Vodné turbíny, Wikipédia: typický rozsah výšok pre každý typ turbín, od vodných kolies (0,2 až 4 m) po Peltonove kolesá (80 až 1600 m).