Efficiency of hydroelectric turbines and HPP-Design

Many hydroelectric plants are evaluated according to the turbine’s performance, and many tenders are won (or lost…) for a 0,1% of efficiency. But how important is the efficiency in a hydroelectric power plant?

Talking about large size hydroelectric plants, performance is a crucial aspect, or possibly the only one. An efficiency increase of just 0,1% in a 100MW turbine causes an increase in the annual production at about 500 MWh / year, with a revenue increase of approximately $ 25,000 / year and $ 500,000 over 20 years of operation. For this reason, in large-scale hydropower plants advanced design solutions of the turbine are preferred, in order to achieve the maximum efficiency.

On the other side, for small hydropower plants, the achievement of the maximum efficiency is no longer aimed, since an efficiency increase does not always justify the increased costs of design and production of the turbine. With an efficiency increase of 0.1% in a 100 kW turbine, the power plant production increases at about 5000 kWh / year, with a revenue increase of about $ 25 / year and $ 500 over 20 years of operation. It is hence obvious that the economic sustainability of the most complex design and construction solutions for turbines is not justified by the achieved revenues.

Moreover, another extremely important aspect must be taken into account. Even disregarding the economic aspect (which is not at all negligible) and adopting advanced design and construction solutions, efficiency values ​​comparable with those of large-scale hydropower plants cannot be achieved anyway. The reason is related to internal machine losses and to the so-called “scaling factor". Without going into details about fluid mechanics and turbo-machinery design, it is possible to explain this concept in a simplified way.

The hydraulic losses linked to the friction strains between fluid and wet surfaces (impeller and volute), depend on the fluid velocity and on the friction factor f (see the figure below - Moody diagram) which in its turn depends on the characteristics of the flow field (laminar, turbulent or fully developed turbulent expressed by the Reynolds number - Re in the figure below), and on the relative roughness (ε / d in the figure below), defined as the ratio between the absolute roughness of the wet surface ε and the turbine diameter d. The roughness of the surface depends on the manufacturing process, which does not significantly vary along with the machine size. As a consequence, small machines are characterized by greater values of the relative roughness ε / d and therefore by greater values of the friction factor and of the linked hydraulic losses.

For this reason, in small size plants, advanced design and construction solutions not only are unprofitable, but wouldn’t even allow to achieve efficiency values ​​comparable with those of large-scale plants. In literature some correlations have been proposed for evaluating the variation in maximum achievable efficiency between machines having different sizes, but these correlations should be applied with due caution, taking into account the turbine geometry and expected characteristics of the flow field inside the turbine. 
HPP-Design considers all these aspects related to fluid mechanics and turbomachinery design. The obtained efficiency value can be used to calculate the plant production or to establish a baseline for the technical specifications of a tender, but does not replace the efficiency value provided and guaranteed by turbine manufacturers in the power plant construction phase. HPP-Design will give you a reasonable and accurate reference value to build your own project.

For information, contact us or send an email, you can also read our FAQ. HPP-Design develops day by day and I advise you to register for our newsletter to be up to date on new releases.

Thanks to prof. Giovanna Cavazzini of the University of Padua for her contribution.

Efficienza delle turbine idroelettriche e HPP-Design

Moltissimi impianti idroelettrici vengono valutati sulla base del rendimento della turbina e molte gare tra produttori vengono vinte (..o perse) per qualche decimo di punto di rendimento. Ma quanto conta effettivamente il rendimento in un impianto idroelettrico?

Se parliamo di impianti idroelettrici di grande taglia, il rendimento è assolutamente uno degli aspetti fondamentali, se non l’unico. Un solo decimo di punto di rendimento in più in una turbina da 100MW determina un aumento della produzione annua di circa 500 MWh/anno con un aumento dei ricavi pari a circa 25,000 $/anno e a 500,000$ su 20 anni di funzionamento dell’impianto. Per questo motivo negli impianti di larga scala si adottano soluzioni progettuali e costruttive complesse ed avanzate che consentano di raggiungere i rendimenti massimi ammissibili variabili a seconda della tipologia di turbina e delle condizioni di progetto.
Per gli impianti di piccola taglia invece, non si cerca più in modo così spasmodico il raggiungimento del massimo rendimento ammissibile. Infatti aumenti di efficienza non sempre giustificano l'incremento dei costi di progettazione e produzione. Basti infatti pensare che con un decimo di punto di rendimento in più in una turbina da 100 kW, la produzione dell'impianto aumenta di 5000 kWh/anno con un aumento dei ricavi pari a 25$/anno e a 500$ su 20 anni di funzionamento. E’ evidente quindi che in questo secondo viene meno la sostenibilità economica di soluzioni progettuali e costruttive più complesse mirate al raggiungimento dei massimi rendimenti possibili.
C’è però da sottolineare anche un altro aspetto estremamente importante. Anche trascurando l’aspetto economico (che trascurabile non è) e adottando soluzioni progettuali e costruttive avanzate, non si potrebbe comunque sperare di raggiungere valori di rendimento comparabili con quelli degli impianti di grande taglia. Il perché è legato alle perdite interne della macchina e al "fattore scala". Senza entrare in dettagli relativi alla meccanica dei fluidi e alla progettazione delle macchine, è possibile comunque spiegare questo concetto in modo semplificato.
Le perdite idrauliche, legate agli sforzi di attrito tra fluido e superfici da esso bagnate (girante e voluta), dipendono dalla velocità del fluido e dal coefficiente di attrito f (Friction Factor nella figura successiva – Diagramma di Moody) che a sua volta dipende dalle caratteristiche del moto del fluido (laminare, turbolento e turbolente pienamente sviluppato espresso tramite il numero di Reynolds – Re nella figura successiva) e dalla scabrezza relativa (ε/d nella figura successiva), definita come il rapporto tra la rugosità della superficie bagnata dal fluido ε e dal diametro della macchina d. La rugosità della superficie dipende dal processo di lavorazione che non varia significativamente al variare delle dimensioni della macchine. Ne consegue che in macchine di piccole dimensioni, la scabrezza relativa ε/d è più grande e quindi più grande saranno il coefficiente di attrito e le perdite idrauliche ad esso associate.

"Moody diagram" di Donebythesecondlaw at the English language Wikipedia. Con licenza CC BY-SA 3.0 tramite Wikimedia Commons.

Per questo motivo, negli impianti di piccola taglia, non solo non è economicamente conveniente adottare soluzioni progettuali e costruttive avanzate, ma queste soluzioni non consentirebbero comunque di raggiungere valori di rendimento comparabili con quelli degli impianti di grande taglia. 

In letteratura sono state proposte varie correlazioni per valutare la variazione di rendimento massimo ammissibile tra macchine di dimensioni diverse, ma devono essere applicate con cautela tenendo conto della geometria della macchina in esame e delle caratteristiche attese del moto all’interno della turbina. HPP-Design è stato sviluppato tenendo conto proprio di tutti questi aspetti legati alla meccanica dei fluidi e alla progettazione delle macchine. Il valore può essere usato per calcolare la produzione dell'impianto o per stabilire un valore di riferimento per delle specifiche tecniche di gara, ma non sostituisce quello che ogni produttore di macchina andrà a garantire in fase di costruzione dell'impianto. HPP-Design vi darà una base su cui poter sviluppare il vostro progetto.
Per informazioni contattateci qui oppure mandateci una mail qui, potete inoltre leggere le nostre FAQ.  HPP-Design è in continua evoluzione e vi consiglio di registrarvi alla nostra newsletter qui per essere sempre aggiornati sulle nuove release.

Un ringraziamento alla prof. Giovanna Cavazzini dell'Università di Padova.