Feasibility study of self-fabricated micro-hydropower in Vehkajoki-river
Kettunen, Niklas (2022)
Kandidaatintyö
2022
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022061546675
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022061546675
Tiivistelmä
The adoption of distributed utilities initiates an age of energy independence and abundance. Procuring a renewable source of electricity from commercially available options presents pricing inefficiencies for the consumer. This thesis explores the viability of self-fabricating an archimedean screw turbine for generating electricity for a residential household at a micro-scale. A parametrized numerical simulation was constructed from the flow duration curve (FDC), mathematical discharge modeling through a sluice gate, and a rough approximation for the stage-discharge relationship from known data points. Dimensions of the turbine were obtained from a reference study where the river had similar hydrological properties.
Results show that for a maximum flow rate of 0.7 m³/s and a gross head of two meters, the turbine's annual energy production is 29,577 kWh. Total costs of self-fabrication are 27,463€, of which 44% is budgeted for permits. LCOE of the plant was determined to be 0.04€/kWh or roughly four times less than the average cost of electricity. A fixed electricity sales rate of 0.1€/kWh yields an ROI of 9.3 years. A maximum economic benefit of 0.128€/kWh is achieved in a scenario where the screw turbine offsets the household’s electricity consumption, and the surplus energy is sold to the grid.
The value of the endeavor is realized during events such as power shortages and events where local energy politics or global geopolitical instabilities increase the total cost of electricity from the grid. This paper indicates the importance of do-it-yourself skills in achieving sustainable energy independence in the residential housing sector. Hajautetun energiatuotannon adoptointi aloittaa energiariippumattomuuden aikakauden. Uusiutuvien energialähteiden kaupallistetut ratkaisut eivät välttämättä ole kustannustehokkain vaihtoehto kuluttajalle. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan itse-rakennetun ruuviturbiin sähköntuotannon toteuttamiskelpoisuutta omakotitalossa. Tutkimuksen parametrinen simulaatio perustuu joen virtaaman pysyvyyskäyrään, sulkuluukun matemaattiseen mallintamiseen, sekä itse-arvioituun purkautumiskäyrään. Mallinnettavan turbiinin mitat perustuvat lähdetutkimukseen, jossa joen hydrologia on verrattavissa Vehkajokeen.
Tutkimuksen tuloksien mukaan 0.7 m³/s virtaama sekä kahden metrin pudotus johtaa 29,577 kWh vuosituotantoon. Turbiinin kokonaiskustannus on noin 27,463€, josta 44% on budjetoitu lupa-asioihin. Vesilaitoksen tasoitetut sähköntuotantokustannukset ovat 0.04€/kWh, joka on noin neljä kertaa vähemmän kuin keskimääräinen sähkön hinta. Sähkön myynti julkiseen verkkoon 0.1€/kWh kiinteään hintaan johtaa 9.3 vuoden sijoitetun pääoman tuottoasteeseen. Voimalaitoksen maksimaalinen taloudellinen hyöty on noin 0.128€/kWh, jonka voi saavuttaa, kun kotitalous kuluttaa kaiken tuotetun energian ja ylijäämä myydään verkkoon.
Hankkeen todellinen arvo realisoituu sähkökatkoksissa tai sähkökustannuksien noustessa aluepoliittisten päätöksien tai geopoliittisten epävakauksien vuoksi. Tämä tutkimus korostaa tee-se-itse -mentaliteetin tärkeyden asuinrakennuksien kestävän energiakehityksen saavuttamisessa.
Results show that for a maximum flow rate of 0.7 m³/s and a gross head of two meters, the turbine's annual energy production is 29,577 kWh. Total costs of self-fabrication are 27,463€, of which 44% is budgeted for permits. LCOE of the plant was determined to be 0.04€/kWh or roughly four times less than the average cost of electricity. A fixed electricity sales rate of 0.1€/kWh yields an ROI of 9.3 years. A maximum economic benefit of 0.128€/kWh is achieved in a scenario where the screw turbine offsets the household’s electricity consumption, and the surplus energy is sold to the grid.
The value of the endeavor is realized during events such as power shortages and events where local energy politics or global geopolitical instabilities increase the total cost of electricity from the grid. This paper indicates the importance of do-it-yourself skills in achieving sustainable energy independence in the residential housing sector.
Tutkimuksen tuloksien mukaan 0.7 m³/s virtaama sekä kahden metrin pudotus johtaa 29,577 kWh vuosituotantoon. Turbiinin kokonaiskustannus on noin 27,463€, josta 44% on budjetoitu lupa-asioihin. Vesilaitoksen tasoitetut sähköntuotantokustannukset ovat 0.04€/kWh, joka on noin neljä kertaa vähemmän kuin keskimääräinen sähkön hinta. Sähkön myynti julkiseen verkkoon 0.1€/kWh kiinteään hintaan johtaa 9.3 vuoden sijoitetun pääoman tuottoasteeseen. Voimalaitoksen maksimaalinen taloudellinen hyöty on noin 0.128€/kWh, jonka voi saavuttaa, kun kotitalous kuluttaa kaiken tuotetun energian ja ylijäämä myydään verkkoon.
Hankkeen todellinen arvo realisoituu sähkökatkoksissa tai sähkökustannuksien noustessa aluepoliittisten päätöksien tai geopoliittisten epävakauksien vuoksi. Tämä tutkimus korostaa tee-se-itse -mentaliteetin tärkeyden asuinrakennuksien kestävän energiakehityksen saavuttamisessa.