Virtual Hydropower Prospecting – a Foundation 

For Water Energy Resource 

Planning and Development 

Virtual Hydropower Prospecting – a Foundation 

For Water Energy Resource 

Planning and Development 

Douglas G. Hall, Program Manager INL Hydropower Program 

Douglas G. Hall, Program Manager INL Hydropower Program 

February 2009 February 2009 

World Bank Water Week Conference

2 

Topics 

•  Water energy resource assessment of U.S. natural streams –  Basic natural stream resource assessment –  Feasibility assessment –  Virtual Hydropower Prospector – a GIS application 

•  Water Energy Resource Assessment of Brazil Project –  Background –  Technical Approach –  Project Status –  Project End State

3 

Water Energy Resource Assessment Of U.S. Natural 

Streams 

Water Energy Resource Assessment Of U.S. Natural 

Streams

4 

Water energy resource assessment of U.S. natural streams 

•  Funded by the U.S. Department of Energy Hydropower Program –  Idaho National Laboratory – lead – U.S. Geological Survey – Earth Resources Observation Systems Data Center 

– U.S. Geological Survey – Water Science Center 

•  Basic resource assessment – published April 2004* 

•  Feasibility assessment – published January 2006* 

•  Virtual Hydropower Prospector* GIS application – launched on the Internet July 2005 

* Accessible at: http://hydropower.inl.gov 

•  Funded by the U.S. Department of Energy Hydropower Program –  Idaho National Laboratory – lead – U.S. Geological Survey – Earth Resources Observation Systems Data Center 

– U.S. Geological Survey – Water Science Center 

•  Basic resource assessment – published April 2004* 

•  Feasibility assessment – published January 2006* 

•  Virtual Hydropower Prospector* GIS application – launched on the Internet July 2005

5 

Elements of a resource assessment •  Basic natural stream resource assessment 

– Resource spatial distribution – Resource gross power potential 

•  Feasibility assessment – Feasible potential projects – Project realistic power potential 

•  Virtual Hydropower Prospector – a GIS application – Water energy resource site & feasible project locator – Preliminary feasibility assessment tool

6 

Basic Natural Stream Resource Assessment Basic Natural Stream Resource Assessment

7 

Basic assessment methodology •  Stream reach power potential (USGS data processing) 

–  Derive synthetic hydrography using digital elevation models •  3D hydrography divided into stream reaches (avg. 2 mi) •  Stream reach catchments ð drainage areas 

–  Obtain reach hydraulic head from 3D hydrography –  Obtain reach flow rate from hydrologic region specific flow rate regression equation(s) 

–  Estimate reach gross annual mean power by combining hydraulic head and flow rate 

•  Zones where development unlikely identified using GIS –  Federal exclusion zones –  Environmental exclusion zones 

•  Developed reaches identified by matching plants and reaches using GIS

8 

Basic natural stream resource assessment results for the United States •  Reach population having power potential ≥ 10 kWa is: 

500,000 reaches Gross power: 300,000 MWa 

Total Resource Potential 297,436 MWa 

Available Potential 175,507 MWa 

59% 

Excluded Potential 97,845 MWa 

33% 

Developed Potential 24,084 MWa 

8% 

Total Resource Sites 500,157 

Available Sites 409,813 82% 

Excluded Sites 88,383 18% 

Developed Sites 1,961 0.4%

9 

Resource power potential by state and power category 

0 

5,000 

10,000 

15,000 

20,000 

25,000 

30,000 

35,000 

Delaw

are 

Rhode Island 

North Dakota 

New Jersey 

Connecticut 

Florida 

Massachusetts 

Maryland 

South Dakota 

Kansas 

New Hampshire 

Michigan Iow

a 

Nebraska 

Vermont 

Nevada 

South Carolina 

Indiana Ohio 

Oklahoma 

Minnesota 

Wisconsin 

New Mexico 

Georgia 

Hawaii 

Virginia 

Texas 

Illinois 

North Carolina 

Maine 

Mississippi 

Louisiana 

Alabama 

Arizona 

Missouri 

West Virginia 

Kentucky Utah 

Pennsylvania 

New York 

Tennessee 

Arkansas 

Wyoming 

Colorado 

Montana 

Oregon 

Idaho 

California 

Washington 

Ann

ual M

ean Pow

er  (MWa) 

Available 

Excluded 

Developed 

0 

10,000 

20,000 

30,000 

40,000 

50,000 

60,000 

70,000 

80,000 

90,000 

Alaska 

Ann

ual M

ean Po

wer  (MWa)

10 

Feasibility Assessment Feasibility Assessment

11 

Feasibility criteria 

•  Development not improbable – Not in federal exclusion zone – Not in environmental exclusion zone 

Within the 90th percentile of distances of hydro plants in the same power class to a city or populated area boundary in the hydrologic region 

OR 

•  Site accessibility – within 1 mile of a road 

•  Load proximity – Within 1 mile of either 

• Power line • Substation • Power plant

12 

•  Working stream flow – the lesser of: – Half the reach flow rate 

OR – Sufficient flow rate to produce 30 MW 

•  Penstock – Maximum length equal to the maximum length for a majority of low power or small hydro plants in the region, respectively 

– Actual length chosen to be minimum length providing 90% of hydraulic head provided by maximum penstock length 

– Positioned on reach to maximize hydraulic head for given length 

Project development criteria •  Working stream flow – the lesser of: 

– Half the reach flow rate OR 

– Sufficient flow rate to produce 30 MW

13 

U.S. potential projects by power & technology classes •  Feasible projects having hydropower potential ≥ 10 kW 

130,000 projects Hydropower potential: 30,000 MWa 

Feasible Projects 127,758 

Microhydro 93,821 73% 

Low Power Unconventional 

Systems 6,032 5% 

Low Power Conventional Turbines 22,485 18% 

Small Hydro 5,420 4% 

Feasible Project Hydropower Potential 29,438 MWa 

Low Power Conventional Turbines 6,297 MWa 

21% 

Microhydro 3,052 MWa 

10% 

Low Power Unconventional 

Systems 1,640 MWa 

6% 

Small Hydro 18,450 MWa 

63%

14 

Feasible hydropower potential by state and power category 

0 

500 

1,000 

1,500 

2,000 

2,500 

3,000 

3,500 

Delaware 

Rhode Island 

North Dakota 

New Jersey 

Florida 

Maryland 

Nevada 

Connecticut 

South Dakota 

Michigan 

Massachusetts 

Minnesota 

Arizona 

New Mexico 

New Hampshire 

South Carolina 

Vermont 

Georgia 

Wisconsin 

Hawaii 

Kansas 

Mississippi 

Indiana 

Louisiana Ohio 

Texas Iowa 

Oklahoma 

North Carolina 

Nebraska Utah 

Virginia 

Maine 

Alabama 

West Virginia 

Wyoming 

Kentucky 

Illinois 

Arkansas 

Tennessee 

New York 

Missouri 

Colorado 

Pennsylvania 

Montana 

Oregon 

Idaho 

Alaska 

Washington 

California 

Ann

ual M

ean Pow

er  (MWa) 

Small Hydro 

Low Power

15 

Concentrations of small hydro & low power potential projects in the conterminous U.S. 

Feasible Potential Projects Small Hydro Conventional Turbines Unconventional Turbines Microhydro

16 

Virtual Hydropower Prospector 

Virtual Hydropower Prospector

17 

•  Web­based GIS tool •  Served from the Idaho National Laboratory •  Constructed using ESRI ArcIMS 9.0  and Visual Studio’s InterDev 

•  No special software or licenses required to use •  Displays water energy resource sites and feasible project sites in the 20 U.S. hydrologic regions 

•  Displays context features needed to perform preliminary feasibility assessments 

•  Provides tools for locating and selecting features of interest 

•  Goes beyond geographic location and provides attribute information about selected features 

Virtual Hydropower Prospector •  Web­based GIS tool •  Served from the Idaho National Laboratory •  Constructed using ESRI ArcIMS 9.0  and Visual Studio’s InterDev 

•  No special software or licenses required to use •  Displays water energy resource sites and feasible project sites in the 20 U.S. hydrologic regions 

•  Displays context features needed to perform preliminary feasibility assessments 

•  Provides tools for locating and selecting features of interest 

•  Goes beyond geographic location and provides attribute information about selected features

18 

VHP Desktop 

Legend 

Thumbnail Map 

Information Window 

Toolbar 

Map View

19 

Features displayed •  Water energy features 

–  Water energy resource sites (500,000 sites) 

–  Feasible potential projects (130,000 sites) 

•  Areas and places – Cities –  Populated areas – County boundaries –  State boundaries – Hydrologic region boundaries •  Hydrography (5 feature sets) 

•  Power system –  Hydro plants –  Other plants –  Power lines –  Substations 

•  Transportation –  Roads –  Railroads 

•  Land Use –  Excluded areas 

• Federally designated • Environmentally sensitive 

– Bureau of Indian Affairs (BIA) – Bureau of Land Management (BLM) – Bureau of Reclamation (BOR) – Department of Defense (DOD) – U.S. Forest Service (FS) – U.S. Fish & Wildlife Service (FWS) – U.S. National Park Service (NP) 

•  Water energy features –  Water energy resource sites 

(500,000 sites) –  Feasible potential projects 

(130,000 sites) 

•  Power system –  Hydro plants –  Other plants –  Power lines –  Substations 

•  Transportation –  Roads –  Railroads 

•  Areas and places – Cities –  Populated areas – County boundaries –  State boundaries – Hydrologic region boundaries 

•  Land Use –  Excluded areas 

• Federally designated • Environmentally sensitive 

– Bureau of Indian Affairs (BIA) – Bureau of Land Management (BLM) – Bureau of Reclamation (BOR) – Department of Defense (DOD) – U.S. Forest Service (FS) – U.S. Fish & Wildlife Service (FWS) – U.S. National Park Service (NP) 

•  Water energy features –  Water energy resource sites 

(500,000 sites) –  Feasible potential projects 

(130,000 sites) 

•  Areas and places – Cities –  Populated areas – County boundaries –  State boundaries – Hydrologic region boundaries •  Hydrography (5 feature sets) 

•  Power system –  Hydro plants –  Other plants –  Power lines –  Substations 

•  Transportation –  Roads –  Railroads 

•  Land Use –  Excluded areas 

• Federally designated • Environmentally sensitive 

– Bureau of Indian Affairs (BIA) – Bureau of Land Management (BLM) – Bureau of Reclamation (BOR) – Department of Defense (DOD) – U.S. Forest Service (FS) – U.S. Fish & Wildlife Service (FWS) – U.S. National Park Service (NP)

20 

Water Energy Resource Assessment of Brazil 

Project 

Water Energy Resource Assessment of Brazil 

Project

21 

Background •  Funded under the International Power Partnerships Program –  U.S. Department of Energy –  Edison Electric Institute 

•  IPP Program objectives –  Fund projects that will reduce green house gas emissions –  Foster partnerships between U.S. and foreign industries 

•  Contributing organizations –  Idaho National Laboratory –  U.S. Geological Survey – Earth Resources Observation Systems Data Center 

–  U.S. Geological Survey – Water Science Center –  HydroPartners, LLC 

•  Ecology Brasil

22 

Background (Continued) 

•  Brazil performed “river inventories” during the 1960’s (based on topo maps and field reconnaissance) custodian: Electrobras 

•  Brazil performed stream flow modeling studies covering the country’s 76 sub­basins custodian: Brazilian National Water Agency (ANA)

23 

Basic resource assessment •  Hydrography 

– Digital elevation models (DEMs) • Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) 90m resolution – USGS available 

– Mapped hydrography – Brazil 

•  Stream flow rate prediction – Brazilian produced stream flow modeling – used for 30% of the country 

– Stream flow modeling for 70% of country produced by USGS Water Science Center • Data from approximately 1850 stream gages

24 

Basic resource assessment (Continued) •  Status 

–  Synthetic hydrography produced for all of Brazil 

–  Stream flow models available for 70% of land area of Brazil 

–  By end of February 2009 •  Hydropower parameters available for 70% of land area of Brazil –  Reach gross hydraulic head – Reach estimated average flow rate – Reach estimated gross power potential 

•  Stream reaches compared to mapped hydrography 

•  Stream reaches flagged relative to exclusion zones

25 

Virtual Hydropower Prospector do Brasil •  Water energy features 

–  Water energy resource sites (all stream reaches) 

–  Feasible potential projects 

•  Areas and places – State boundaries – Municipality boundaries – Capitals – Villages – Settlements •  Water features (12 feature 

sets) 

•  Power system –  Hydro plants –  Other plants –  Power lines –  Substations 

•  Transportation –  Roads –  Railroads 

•  Land Use – Excluded areas 

• Conservation areas • Aboriginal lands 

– PROBIO lands

26 

Virtual Hydropower Prospector do Brasil (Continued) 

•  Status –  Initial version available for stakeholder review 

• All context data layers active • All map navigation active • All information tools active

27 

Virtual Hydropower Prospector do Brasil (Continued)

28 

Project end state •  Assessment report (in English) 

– Will address the national hydropower potential – Appendix will provide state summaries 

•  Virtual Hydropower Prospector do Brasil (in English) – Will display results of resource assessment – Will provide relation to context features for customized preliminary site evaluation 

•  Assessment data may be incorporated into similar GIS application hosted in Brazil (in Portuguese) 

•  Project completion scheduled for Fall 2009

29 

Conclusions •  Tools and techniques enabling Virtual Hydropower 

Prospecting have been developed 

•  Virtual Hydropower Prospecting has successfully been applied for the United States 

•  The Virtual Hydropower Prospector provides a tool to ensure optimally beneficial new hydropower development 

•  Brazil’s natural stream water energy resources are being assessed to facilitate energy planning and development 

•  The techniques employed and tools developed for the U.S. and Brazil can be applicable anywhere in the world. 

•  Tools and techniques enabling Virtual Hydropower Prospecting have been developed 

•  Virtual Hydropower Prospecting has successfully been applied for the United States 

•  The Virtual Hydropower Prospector provides a tool to ensure optimally beneficial new hydropower development 

•  Brazil’s natural stream water energy resources are being assessed to facilitate energy planning and development 

•  The techniques employed and tools developed for the U.S. and Brazil can be applicable anywhere in the world.

30 

Contact Douglas G. Hall, Program Manager INL Water Energy Program 

Idaho National Laboratory 2525 Fremont Ave. Idaho Falls, ID  83415­3830 

Telephone: 208­526­9525 Email: douglas.hall@inl.gov