Micro-hydropower technology for sustainable energy generation in wastewater treatment plants: A case study from Istanbul

Year 2023, Volume: 8 Issue: 2, 162 - 168, 30.06.2023

Zafer Kayıkçı , Ceyhun Akarsu , V. Zülal Sönmez , Nuket Sivri

https://doi.org/10.35229/jaes.1241476

Cited By: 1

Abstract

Increasing population and technological developments reveal the necessity of finding sustainable solutions for the intense need for energy resources. Rapid access to science-based, nature-friendly, clean energy sources is the most effective solution for sustainability. Also addressed in this scenario is the evaluation of the most efficient use potential of existing natural resources for electricity generation. Micro-hydropower plants are considered a promising option due to their high efficiency and sustainable characteristics. This study proposes and investigates a method to quantify the hydropower potential based on the surplus energy in three different wastewater treatment plants in İstanbul. Accordingly, the potential turbine outputs for each WWTP were found to be 93.34 kW/hr, 90.21 kW/hr and 36.85 kW/hr, respectively. It was found that the payback periods of the turbine systems that can be installed at the application points are 0.5 years, 0.5 years, and 0.9 years, respectively. Under today's conditions of accelerating global energy demand and climate change, these data show that micro-hydro power plants offer an alternative solution.

Keywords

Energy efficiency, micro hydroelectric technology, renewable energy, turbine, wastewater treatment plant., Atıksu arıtma tesisi, enerji verimliliği, mikro hidroelektrik santrali, türbin, yenilenebilir enerji.

Atıksu Arıtma Tesislerinde Sürdürülebilir Enerji Üretimi için Mikro Hidroelektrik Teknolojisi Kullanımı: İstanbul Örneği

Abstract

Artan nüfus ve teknolojik gelişmeler, her geçen gün enerji kaynaklarına duyulan yoğun ihtiyaca sürdürülebilir çözümlerle yanıt bulma gerekliliğini ortaya koymaktadır. Sürdürülebilirliğin sağlanması adına bilim temelli, doğa dostu, temiz enerji kaynaklarına hızlı ulaşım, en etkili çözümdür. Bu senaryoda da ele alınan, elektrik üretimi için mevcut doğal kaynakların en verimli kullanım potansiyelinin değerlendirilmesidir. Mikro hidroelektrik santraller hem yüksek verim hem de sürdürülebilir özelliklerinden dolayı oldukça umut verici bir seçenek olarak görülmektedir. Bu çalışmada, İstanbul’da bulunan 3 farklı atıksu arıtma tesisinde birbirini takip eden ünitelerin, çıkış ve giriş noktaları arasındaki düşü yüksekliğine bağlı olarak mikro hidroelektrik santral ile enerji kazanım potansiyelleri araştırılmıştır. Sonuçlar potansiyel türbin güçlerinin sırasıyla 93,34 kw/saat, 90,21 kw/saat ve 36,85 kw/saat olduğunu göstermektedir. Uygun uygulama noktalarına kurulabilecek türbin sistemlerinin ilk yatırım maliyeti ile sağlayacağı işletme tasarrufu üzerinden hesaplanan amortisman süreleri sırasıyla 0,5 yıl, 0,5 yıl ve 0,9 yıl olduğu tespit edilmiştir. Küresel enerji talebi ve iklim değişikliğinin hız kazandığı günümüz şartlarında elde edilen bu veriler, mikro hidroelektrik santrallerin alternatif bir çözüm sunduğunu göstermektedir.

Keywords

Atıksu arıtma tesisi, enerji verimliliği, mikro hidroelektrik santrali, türbin, yenilenebilir enerji.

References

• Ak, M., Kentel, E. & Kucukali, S. (2017). A fuzzy logic tool to evaluate low-head hydropower technologies at the outlet of wastewater treatment plants. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 68, 727-737.
• Akarsu, C., Ayol, A. & Taner, F. (2017). Treatment of Domestic Wastewater by Using Electrochemical Process Using Different Metal Electrodes. JSM Environmental Science and Ecology, 5, 1-6.
• AlZohbi, G. (2018). The cost of electromechanical equipment in a small hydro power storage plant. Journal of Energy Systems, 2(4), 238-259.
• Anaza, S.O., Abdulazeez, M.S., Yisah, Y.A., Yusuf, Y.O., Salawu, B.U. & Momoh, S.U. (2017). Micro Hydro-Electric Energy Generation- An Overview. American Journal of Engineering Research, 6(2), 5-12.
• Baran, B. (2021). Usage of Waste Water Treatment Plants Hydroelectric Energy for Urban Lighting Energy: The Case of Turkey. Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi, 13(2), 750-762.
• Beltran, H., Vidal, R., Besiero, L., Santos, J.M., Basiero, J.A. & Belenguer, E. (2014). Micro hydro installation analysis in a wastewater treatment plant. Renewable energy and power quality journal, 1(12), 15-20.
• Birpınar, M.E. (2022). İklim Krizi ve Türkiye. Yeni İnsan Yayınevi-392, Ekoloji Serisi-71, 280 s. ISBN: 978-625-7537-79-7.
• Chae, K.J., Kim, I.S., Ren, X. & Cheon, K.H. (2015). Reliable energy recovery in an existing municipal wastewater treatment plant with a flow-variable micro-hydropower system. Energy Conversion and Management, 101, 681-688.
• Ciric, R.M. (2019). Review of techno-economic and environmental aspects of building small hydro electric plants - A case study in Serbia. Renewable energy, 140, 715-721.
• Comino, E., Dominici, L., Ambrogio, F. & Rosso, M. (2020). Mini-hydro power plant for the improvement of urban water-energy nexus toward sustainability - A case study. Journal of Cleaner Production, 249, 119416.
• Çelikdemir, S., Yıldırım, B. & Özdemir, M.T. (2017). Cost analysis of mini hydro power plant using bacterial swarm optimization. International Journal of Energy and Smart Grid, 2(2), 2017. DAKA. (2012). Sektörel Analiz Raporu. Doğu Anadolu Kalkınma Ajansı, 32.
• Dalcalı, A., Çelik, E. & Arslan, S. (2012). Mikro ve mini hidroelektrik santralleri için mikrodenetleyici tabanlı governor sisteminin tasarımı. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 28(2), 130-135.
• Doğan, N. (2014). The role of renewable energy resources in fighting against global climate change: an assessment for Turkey. IIB International Refereed Academic Social Sciences Journal, 5(15), 265- 276.
• Erkan, D., Yılmaz, T., Yücel, A., Yılmaz, A., Tel, A. & Uçar, D. (2018). Atıksu Arıtma Tesislerinde Enerji Kazanımı için Mikro Ölçekte Hidroelektrik Santrallerin Uygulanabilirliği. Harran Üniversitesi Mühendislik Dergisi, 1, 1-6.
• Gallagher, J., Harris, I.M., Packwood, A.J., McNabola, A. & Williams, A.P. (2015). A strategic assessment of micro-hydropower in the UK and Irish water industry: Identifying technical and economic constraints. Renewable Energy, 81, 808-815.
• Gernaat, D.E.H.J., de Boer, H.S., Daioglou, V., Yalew, S.G., Müller, C. & van Vuuren, D.P. (2021). Climate change impacts on renewable energy supply. Nature climate change, 11, 119-125.
• Güner, E.D. & Turan E.S. (2017). Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Küresel İklim Değişikliği Üzerine Etkisi. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 3(1), 48- 55.
• Kayıkçı, Z. (2022). Atıksu arıtma sistemlerinde mikro hidroelektrik sistemleri kullanarak enerji geri kazanımı potansiyelinin belirlenmesi. Yüksek Lisans, İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa Fen Bilimleri Enstitüsü. Avcılar-İstanbul, Türkiye, 79.
• Kudoro, T.A. (2022). Application of Microturbines in Improving the Energy Efficiency of Municipal Wastewater Treatment Plants in Missouri. Doktora Tezi, Missouri-Columbia Üniversitesi.
• Kuriakose, J., Jones, C., Anderson, K., Mclachlan, C. & Broderick, J. (2022). What does the Paris climate change agreement mean for local policy? Downscaling the remaining global carbon budget to sub-national areas. Renewable and Sustainable Energy Transition, 2, 100030.
• Llácer-Iglesias, R.M., López-Jiménez, P.A. & PérezSánchez, M. (2021). hydropower technology for sustainable energy generation in wastewater systems: learning from the experience. Water, 13(22), 3259.
• McNabola, A., Coughlan, P. & Williams, A.P. (2014). Energy recovery in the water industry: an assessment of the potential of micro‐hydropower. Water and Environment Journal, 28(2), 294-304.
• Michael, P.A. & Jawahar, C.P. (2017). Design of 15 kW Micro Hydro Power Plant for Rural Electrification at Valara. Energy Procedia, 117, 163-171.
• Mishra, S., Singal, S. & Khatod, D. (2011). Approach for Cost Determination of Electro-Mechanical Equipment in Ror Shp Projects. Smart Grid and Renewable Energy, 2(2), 63-67.
• Nasir, B.A. (2014). Design Considerations of Microhydro-electric Power Plant. Energy procedia, 50, 19-29.
• Olabi, A.G. & Abdelkareem, M.A. (2022). Renewable energy and climate change. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 158, 112111.
• Özçiloğlu, M.M. & Durmuş, B. (2021). İleri biyolojik atıksu arıtma tesisleri için mikro hidroelektrik santrali ve LED aydınlatma uygulanabilirliği ile enerji verimliliği: Gaziantep örneği. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 21, 555-560.
• Power, C., Coughian, P. & McNabola, A. (2017). Microhydropower Energy Recovery at Wastewater-Treatment Plants: Turbine Selection and Optimization. Journal of Energy Engineering, 143(1), 04016036.
• Preisner, M. & Smol, M. (2022). Investigating phosphorus loads removed by chemical and biological methods in municipal wastewater treatment plants in Poland. Journal of Environmental Management, 322, 116058.
• Raju, P.E.S.N. & Jain, T. (2019). Distributed energy resources and control: Distributed Energy Resources in Microgrids, 33-56. Academic Press. DOI: 10.1016/B978-0-12-817774-7.00002-8
• Sarip, S., Kamarudin, K., Razak, K., Hasan, R., Hassan, M., Suhot, M., Yakub F. & Daud, M. (2016). The potential of micro-hydropower plant for Orang Asli Community in Royal Belum State Park, Perak, Malaysia. In Proceedings of symposium on the 4th Royal Belum Scientific Expedition, 1-5.
• Türkmenler, H. (2017). Atık Su Arıtma Tesislerinde Enerji Verimliliği. Politeknik Dergisi, 20(2), 495- 502.
• Ürün, E. & Soyu, E. (2016). Türkiye’nin enerji üretiminde yenilenebilir enerji kaynakları üzerine bir değerlendirme. Dumlupınar Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, ICEBSS, Özel Sayı, 31-45.
• Yıldız, A., Özgener, Ö. & Özgener, L. (2020). Türkiye’de yenilenebilir enerji uygulamaları, mevcut durum ve gelecek öngörüleri. EMO Bilimsel Dergi, 10(1), 8-19.