Advantages of Micro­Hydropower SystemsTyler Smallwood

HSA 10­7 The Economics of Oil and EnergyMarch 3, 2014

I. Introduction

Hydropower produces more energy than every other renewable combined , but it is important1

to consider the difference between renewable energy and environmentally friendly energy. Today

hydroelectric plants have a tarnished reputation due to the severe environmental damage caused by

large­scale dams. In this paper we will examine the cost, power output, and environmental effects of

implementing small­scale micro hydropower systems for residential use.

II. Basics of Hydropower

A. Types of Plants

There are many different types of hydropower plants, but the majority of plants utilize power

from running rivers. These plants can be divided into two distinct types: reservoir­based facilities, and

run­of­the­river plants.

Reservoir plants, also called impoundment facilities, strictly control water flow by using a dam to

hold water in a reservoir or lake above the turbines. Headwater is funneled through intake ports along

the dam, fed into a penstock, or pipeline, and finally through turbine blades, which spins a large

generator. The generator acts similarly to an electric motor with the exception that the turbine’s circular

motion is converted into electricity rather than vice versa. Water is then fed out of the hydroelectric

facility into the afterbay, where it continues flowing down the river.

Run­of­the­river plants divert a portion of the upstream river’s water flow through a separate

pipeline or creek. Water then flows directly into the generation building and spins hydraulic turbines,

which in turn spins the electric generator.2

1 http://www2.hmc.edu/~evans/AEOearly2014.pdf pg 172 http://energy.gov/eere/water/types-hydropower-plants

1

   Figure 1 |  Reservoir Hydroelectric Plant 3      Figure 2 |  Run­of­the­River Plant 3

Reservoir plants have the advantage of maintaining precise control of water flow, which means

that the plant can produce more or less electricity depending on demand. For example, in colder

climates residences use more power at night heating their homes, so a hydroelectric dam would provide

peak power output at night when demand is higher. Run­of­the­river plants depend almost entirely on

natural river flow, which can be very unpredictable and cannot be mapped to consumer demand.

Hydroelectric dams can also be built at a much larger scale than run­of­the­river plants, because the

creation of a large reservoir significantly increases the power capacity of the plant. 3

The major disadvantage to a reservoir plant is the adverse environmental effects created by

altering water flow. Most dams create an artificial reservoir that can flood nearby habitats and destroy

vegetation. In addition, dams decrease downstream water flow, which can cause rivers to dry up

entirely. Run­of­the­river systems have a negligible effect on river flow because they only divert water

through a penstock for a short distance before releasing the water back into the river.

Other radically different forms of hydropower include utilizing wave and tidal energy. Wave

generators are almost nonexistent on a large­scale, but many companies such as Pelamis are

conceptualizing increasingly efficient systems that use offshore wave farms to produce energy on the

order of 10­50 MW.   Most of these systems work by using the power of buoyancy to slide magnetic4

shafts through an electric coil, which produces electricity.   Tidal energy also does not make up a5

3 http://srren.ipcc-wg3.de/report/IPCC_SRREN_Ch05.pdf pg 4514 http://www.pelamiswave.com/our-projects5 http://www.alternative-energy-news.info/technology/hydro/wave-power/

2

significant fraction of world energy generation, although countries such as the United Kingdom have

plans to generate over 120MW in new tidal energy farms over the next decade.  Tidal energy functions6

similarly to river­based hydropower, where running water spins underwater turbines, which spins an

electric generator. Tidal energy systems can be very simple, where turbines are placed on offshore

markers, or complex systems can be built to increase water flow through the turbines.

      

    Figure 3 |  Simple vertical turbine system          Figure 4 |  Complex tidal barrage design 7 8

B. Global Production

Hydropower generation has seen consistent growth over the last century. Global production has

more than tripled over the last fifty years, with the majority of this growth attributed to new plants in

Eastern Asia and South America. Hydropower currently supplies about 1/5th of the world’s electricity,

or 850­900 GW.9

[1745]

6 http://www.renewableuk.com/en/renewable-energy/wave-and-tidal/7 http://www.renewableuk.com/en/renewable-energy/wave-and-tidal/how-it-works.cfm8 http://www.darvill.clara.net/altenerg/tidal.htm9 http://spectrum.ieee.org/energy/renewables/future-of-hydropower

3

Figure 5 |  Global hydropower generation from 1965­2009 (in TWh)10

In 2012, the US produced 3.11 quadrillion BTUs in the form of hydroelectricity, while all other

renewables combined only produced 1.70 quadrillion BTUs of energy.  Thus, hydroelectric power is a11

significant player in the energy industry, and it still has potential to be more prevalent on the global scale.

Although the United States utilizes approximately 70% of its hydropower capacity, underdeveloped

regions such as Africa have only tapped into 7% of its economic potential for hydropower.12

Hydroelectricity has come along way over the last few decades, but there is still a long way to go to

reduce the world’s reliance on fossil fuels and invest in clean energy.

Unfortunately, in order to invest in hydropower plants it is essential to minimize the

environmental effects resulting from controlling water flow. Hydroelectric dams can be extremely

detrimental to the surrounding landscape, because the reduction in water flow can flood huge areas of

land above the dam. For example, the Balbina hydroelectric plant in Brazil flooded 2,360 square

kilometers to generate 250 MW of electricity.  Although hydropower has zero CO2 emissions and13

does not rely on fossil fuels, they can easily cause adverse environmental impacts by altering natural

water flow. In order to make hydropower a more inviting prospect for future energy generation, it is

essential to mitigate serious effects to the environment. One option is to employ small­scale hydropower

systems for residences and small businesses.

10 http://srren.ipcc-wg3.de/report/IPCC_SRREN_Ch05.pdf11 http://www2.hmc.edu/~evans/AEOearly2014.pdf pg 1712 http://spectrum.ieee.org/energy/renewables/future-of-hydropower13 http://www.ucsusa.org/.../renewable-energy/environmental-impacts-hydroelectric-power.html

4

III. Micro­Hydropower Systems

Micro­hydropower systems are run­of­the­river plants that generate less than 100 kW.14

Because they are run­of­the­river, they have little to no effect on river flow rate, so the environmental

impact due to flooding and large­scale construction is almost non­existent. The systems we will be

looking into are small 1­10 kW projects that can be set up for a few thousand dollars.

Micro­hydropower relies on two properties: head and flow rate. The head refers to the height

that the water falls (which adds pressure to spin the turbines), while flow rate is the volume of water

flowing through the turbines per unit of time. To calculate the power generated by a hydropower system

we can use the following equation:

ρqghP = μ 15

 represents the efficiency of the system (most hydropower systems run at 75­95% efficiency.μ

 is the density of water, which we can define simply as  . q is the flow rate measure inρ 000 kg/m1 3

. g is the acceleration due to gravity, and h is the head in meters. As an example, if we have/sm3

constructed a micro hydropower system running at 90% efficiency with a 10m head, and a flow rate of

, we can generate 8.82 kW of power..1m /s0 3

.90 0m , 20W   8.82kWP = 0 * m3 1000kg

* s0.1m3

* s 2 9.8m * 1 = 8 8 =  

This power output can only be matched if the system if equipped with a generator that produces

peak output with these parameters. In addition to a generator, a micro­hydropower system needs many

physical and electrical components to convert water flow into electricity.

At the water source there must be a filtered intake box that diverts clean stream water into the

system. The intake connects water flow to the penstock, which is the primary pipeline that feeds water

into the generator. Penstocks are usually made of PVC in home­scale systems, or steel in larger

systems. The penstock transports the water directly into the turbine.  There are two major turbine16

shapes that are implemented in modern systems. In a Pelton turbine system water is fed through a nozzle

which shoots high­pressure water at rotating “buckets”. Pelton turbines are generally used with high

heads and low flow rates, and they can achieve approximately 90% efficiency on small micro

hydroelectric systems. Turgo turbines generate motion by directing water at the top of each bucket,

14 http://www.energyalternatives.ca/PDF/Micro-Hydropower%20Systems...Buyer%27s%20Guide.pdf15 http://www.engineeringtoolbox.com/hydropower-d_1359.html16 http://www.microhydropower.com/Articles/MicroHydroSystems.pdf

5

which forces the water to exit the bottom of each bucket. Turgo systems can be used with much higher

flow rates, but their efficiency is capped at 85%.  Turbines are connected directly to a either a17

permanent magnet DC alternator or an induction AC generator.

   Figure 6 | Turgo turbine           Figure 7 |  Pelton turbine18 19

In any small­scale energy system, there are two main options for power delivery. Power can be

stored in expensive battery banks before sending power to a house or business, or power can be fed

directly into the system. AC­direct systems have the advantage of being much simpler and less

expensive to set up, but they also must meet the peak power requirement of the residence. Battery

banks allow much smaller hydropower systems to be installed, and instead of powering a house

batteries can feed power to a smaller portion of appliances or lighting. In a battery­based system

electricity is fed through a charge controller into a set of deep­cycle batteries. From the batteries DC

power is converted into AC via an inverter, and then the electricity can be fed into the residence.

AC­direct systems feed power directly into the residence from the generator or alternator, and extra

electricity is distributed into a dump load to prevent damage to the system.20

A 3.5 kW hydropower system costs around $11,000, and the addition of a battery bank and

inverter will set you back an additional $6,000­$8,000 20 (let’s assume the higher figure the purpose of

this paper). Installation will probably cost another $2,000. If we add up these components we get an

upfront cost of   for a substantial 3.5 KW hydroelectric11, 00 8, 00 2, 00 21, 00$ 0 + $ 0 + $ 0 = $ 0

17 http://en.wikipedia.org/wiki/Turgo_turbine18 http://hydrover.co.uk/19 http://www.southerncross.pentair.com/Hydro_Turbines_and_Controls/pelton-hydro-turbines20 http://www.microhydropower.com/Articles/MicroHydroSystems.pdf

6

system. If we assume this system runs continuously overnight at 90% efficiency then it will produce

approximately  . For reference, an Energy Star Refrigerator uses.5kW .90 4 hr3 * 0 * 2 ≈ day  76 kWh

approximately

   mo132 kWh * 1 mo

30 days  = day

4.4 kWh

A lighting system including 30  60W incandescent bulbs left on for 12 hours per day will consume

 0 lights    light0.06 kW * 5 * day  

12 hr = day36 kWh 21

Therefore this 3.5 kW micro hydropower system will comfortably power kitchen appliances as well as

residential lighting.

Finally, a huge benefit of small­scale hydropower is the reduced effects to the surrounding

environment. Micro hydroelectric plants provide truly clean energy because they don’t emit greenhouse

gases and they have little impact on water flow and flooding. It is impractical to design massive

hydropower plants with run­of­the­river designs, but micro systems can easily be made efficient while

avoiding the creation of costly reservoirs and dams.

21 http://siliconvalleypower.com/index.aspx?page=1922

7