Koncepce energetických úspor, využívání energie a udržitelného rozvoje

Datum: 6.9.2012
Vzrůstající spotřeba energie společně s její vzrůstající cenou vede nutně k optimalizaci využívání dostupné energie a k hledání alternativních zdrojů energie. Tento trend můžeme pozorovat ve všech odvětvích průmyslu a výjimkou není ani vodní hospodářství.

Ve světě už došlo ke změně paradigmatu a na odpadní vodu se začíná pohlížet ne jako na odpad, ale jako na surovinu. Odpadní voda obsahuje organické látky, tepelnou a kinetickou energii, což představuje potenciální zdroje využitelné zdroje energie. Čistírny odpadních vod často nejsou provozovány v optimálním energetickém režimu. Tento režim lze vyladit např. optimalizovanou spotřebou jednotlivých elektrických spotřebičů, změnami v technologii, využíváním tepelné energie pomocí tepelných čerpadel na vytápění objektů či technologických procesů nebo zvýšení produkce bioplynu [1].

VZÁJEMNÝ VZTAH VODY A ENERGIE
Voda a energie jsou dvě nejzákladnější složky moderní civilizace. Všichni si umíme představit, že bez vody lidstvo nemůže existovat a bez energie není možné produkovat potraviny a zabezpečit ani základní lidské potřeby. Voda je nezbytným médiem pro získávání energie a naopak energie je nezbytná pro zajištění dosažitelnosti a kvality vody. Vzhledem k velmi úzkému vztahu mezi vodou a energií, je zřejmé, že s obojím musí být zacházeno integrovaným způsobem a nelze se zaměřovat pouze na jednu část. Integrovaným přístupem je myšleno, že celý je třeba nahlížet na celý systém včetně zdrojů pitné vody, spotřebu a produkce energií, čištění odpadních vod a jejich opětovné využívání. Integrované systémy vyžadují spolupráci specialistů jednotlivých oborů, tudíž je potřeba více využívat interdisciplinární komunikace nejen vědců a inženýrů technických oborů, ale také ekonomů, politiků i sociálně zaměřených pracovníků [2].

ENERGETICKÝ POTENCIÁL ČIŠTĚNÍ ODPADNÍCH VOD
Snížení nákladů za energii se v současné době stává hlavní prioritou pro provozovatele vodohospodářských a čistírenských infrastruktur. Pokles růstu ekonomiky, vzrůstající cena a spotřeba energie a stále přísnější nároky na kvalitu vyčištěné odpadní vody jsou jedny z hlavních faktorů vedoucích k tlaku na energetickou optimalizaci v našem oboru. Zatímco v zemích s nedostatkem vody je normální vyčištěnou odpadní vodu recyklovat a zároveň optimalizovat spotřebu energie s využitím alternativních zdrojů energie, u nás panuje poměrně konzervativní přístup. Tento koncept je detailně rozpracován v tzv. „městech budoucnosti“ (z anglického Cities of Future) [3] a zahrnuje vedle optimalizace nakládání s energií např. i recyklaci vyčištěné odpadní vody nebo recyklaci nutrientů.
Odpadní voda obsahuje organické látky, anorganické látky, tepelnou a kinetickou energii, jejíž množství je zhruba 9x vyšší než je potřeba na její čištění [4, 5]. Paradoxně ačkoliv odpadní voda obsahuje takové množství energie, tak na valné většině čistírně je nutno energii na vyčištění odpadní vody ještě dodat. Proto je potřeba provést na čistírně bilanci energetických vstupů a výstupů, což může v praxi znamenat schéma znázorněné na Obr.1.


Schéma energetických vstupů a výstupů na ČOV

Obr. 1: Schéma energetických vstupů a výstupů na ČOV

Na čistírnách dochází k mnoha procesům vzájemné konverze mezi jednotlivými typy energií a to jak při jejich tvorbě, tak při jejich spotřebě a spolu s využitím údajů na Obr.2 a identifikací možných externích zdrojů lze potenciál energetických úspor na čistírnách definovat následujícími způsoby:
- optimalizace přístrojového vybavení na čistírně
- recyklace energie
- získávání energie z biomasy
- využití obnovitelné energie

Spotřeba energie patří mezi významné provozní náklady na čistírnách odpadních vod a tvoří ca. 15 – 30 % nákladů na větších čistírnách a 30 – 40 % na menších čistírnách [6]. Většina čistíren odpadních vod byla navržena především za účelem maximální účinnosti čištění a provozní náklady nebyly při návrzích čistíren příliš zohledňovány. V současné době se na čistírnách používají stále pokročilejší technologie, a to jak za účelem odstraňování „nových“ polutantů jako jsou např. endokrinní disruptory, tak i za účelem recyklace vyčištěné odpadní vody. Tyto technologie (např. pokročilé oxidační procesy nebo membrány) mívají zpravidla vyšší energetické nároky, a proto je zde mnohem vyšší snaha optimalizovat energetický management na čistírnách.

Průměrné provozní náklady na 98 čistírnách odpadních vod v Rakousku

Obr.2: Průměrné provozní náklady na 98 čistírnách v Rakousku [7].

Efektivní a ekonomický systém čištění odpadních vod by měl být proto v kontextu energetických úspor a udržitelného rozvoje založen na těchto hlavních cílech:
- minimalizace množství energie potřebné na čištění odpadních vod
o volba vhodného typu technologie
o výměna přístrojového vybavení
o volba předčištění

- zajištění energeticky soběstačného čištění odpadních vod
o produkce energie z kalů
o recyklace energie
o energie z obnovitelných zdrojů
o využití energeticky méně náročných technologií

- ochrana recipientu a životního prostředí
o snižování odtokových koncentrací polutantů
o zvyšování kvality kalů aplikovaných na půdu
o minimalizace množství vznikajících odpadů a ukládání na skládky
o odstraňování mikroplutantů

- snižování celkové stopy zařízení (carbon footprint, zápach, zastavěná plocha apod.)
o čištění vzduchu, zachytávání aerosolů
o Využívání vznikajícího CO2
o výběr technologie s menšími požadavky na zastavěnou plochu

- umožňovat recyklaci energie, nutrientů, vody
o recyklace makronutrientů (hlavně fosforu)
o znovuvyužívání vody
o využívání dostupné energie nesené vodou

Optimalizace přístrojového vybavení zpravidla vyžaduje provedení energetického auditu na čistírně. V mnoha provozech je měřena spotřeba elektrické energie, nicméně s daty se nepracuje a shromažďují se data pouze proto, aby byla. Data a jejich vyhodnocení, jsou nesmírně důležité pro kontrolu systému (spotřeba elektrické energie) a v předcházení mnoha havárií (např.: pokud vidíme zvýšenou spotřebu, je něco v nepořádku a můžeme hledat příčinu). Po provedení energetického auditu následují zpravidla následující kroky:
- analýza výměny spotřebičů za spotřebiče se stejným výkonem, ale nižší spotřebou energie, kdy se soustřeďujeme především na čerpací stanici a dodávku vzduchu, jak je vidět i na Obr.3. Řešením je pak nahrazení stávajících přístrojů nízkoenergetickými spotřebiči
- optimalizace řízení procesu – opět se soustřeďujeme především na čerpací stanici a dodávku vzduchu. S výhodou lze použít jednoduché modelovací systémy [8,9] a na základě těchto dat upravit chod jednotlivých spotřebičů dle skutečné potřeby výkonu, například pomocí frekvenčních měničů, popřípadě výměnou zastaralých spotřebičů za spotřebiče s vyšší účinností.

 Průměrné procentuální rozdělení spotřeby energie na čistírně odpadních vod o velikosti 100 000 EO

Obr.3: Průměrné procentuální rozdělení spotřeby energie na čistírně o velikosti 100 000 EO [6]

Jak je i z grafu patrné největší důraz by měl být kladen na optimalizaci aerace. Významných energetických úspor může být dosaženo výměnou aeračního systému, instalací senzorů a sond (např. kyslíkových sond) za účelem automatického řízení dodávky vzduchu nebo instalací dmychadel s frekvenčními měniči nebo optimalizovaným automatizovaným systémem řízení dodávky vzduchu, případně i jiné úsporné strategie jako vypínání dodávky vzduchu při nízkém průtoku nebo zatížení na čistírně, nicméně tyto provozní zákroky by měly být ošetřeny nejprve nejlépe dynamickou počítačovou simulací ve specializovaném software (např. [8,9]), aby nedošlo neuváženým zákrokem ke skokovému zhoršení v kvalitě odtékající vyčištěné odpadní vody.
Druhým místem, kde leží největší potenciál úspor, jsou čerpací stanice, ačkoliv zde je potenciál úspor ve značné míře závislý na reliéfu krajiny a typu přítoku na čistírnu.
Ačkoliv míchání není na prvních dvou místech energetické náročnosti procesů, i jej lze optimalizovat za účelem úspor. Nižší spotřebu než klasická míchadla mají hyperbolická nebo pulzní hrubobublinná míchadla [10, 11].
Mimo výše zmíněné inovativní technologie úspor u největších spotřebičů energie je nutné zanalyzovat i biologické procesy. Potřeba odstraňování nutrientů vedla totiž k dalším energetickým nárokům zejména na aeraci. Tudíž se jeví slibné některé novátorské technologie, např. deamonifikace prostřednictvím anaerobní oxidace amoniaku, tzv. proces Anammox [12]. Proces potřebuje zhruba 25 % kyslíku v porovnání s klasickým biologickým odstraňováním dusíku prostřednictvím nitrifikace a denitrifikace a zároveň jeho účinnost není závislá na přítomnosti organického uhlíku. Nicméně procesy typu Anammox vyžadují pro svoji správnou funkci specifickou biomasu a specifické provozní podmínky.
Pravidelné provádění energetického auditu, benchmarkingu čistíren a navržení „energetických BATů“ jsou základní kroky, které by měly vést k energetickým úsporám vyplývajícím z optimalizace přístrojového vybavení na čistírnách odpadních vod. Byla provedena důkladná studie na evropských čistírnách, která prokázala, že bez výrazných investičních nákladů lze uspořit 10 – 15% celkových nákladů na energii tímto způsobem [6]. Celkově lze říci, že v průměru lze dosáhnout úspor okolo 20 % oproti stávajícímu stavu, přirozeně s vyššími úsporami u větších čistíren.

RECYKLACE ENERGIE
V současné době existují v některých zemích (např. Švýcarsko, Německo, Norsko) již aplikace na recyklace energie. Podle německé směrnice DWA M 114 [13] může být v Německu, ca. 10 % budov vytápěno pomocí energie z odpadní vody [10].
Zařízení na recyklaci tepelné energie sestávají ze dvou částí: tepelný výměník a tepelné čerpadlo. Výměník se umisťuje přímo do kanalizace a získává energii (teplo) z ní. Obecně lze identifikovat tři místa na kanalizaci, kde lze recyklaci tepla provádět:
- recyklace tepla v přívodní kanalizaci před čistírnou. Výhodou je, že spotřebitelé tepelné energie budou blízko odběrovým místům. Nicméně snížení teploty odpadní vody může mít negativní vliv na účinnost čištění odpadních vod na čistírnách. Nevýhodou je rovněž výrazné kolísání v objemech přiváděné odpadní vody, čímž může být ovlivněna efektivita přenosu tepla. Umístění tepelných výměníků může rovněž komplikovat rutinní údržbu v kanalizacích (vysokotlaké čištění, inspekce, apod.), což vede k alternativnímu přístupu umisťování tepelných výměníků na obtocích a ne v hlavním přívodním potrubí.
- recyklace tepla na odtoku z čistíren odpadních vod. Výhodou bezesporu je, že snížením teploty odpadní vody není dotčena účinnost čištění odpadních vod. Další výhodou rovněž je, že přítok vyčištěné odpadní vody je téměř konstantní. Nevýhodou je, že potenciální spotřebitelé tepla nejsou zpravidla v okolí odběrových míst.
- recyklace tepla uvnitř budov. Teplota odpadní vody je poměrně vysoká a výhodou je, že spotřebitelé tepla jsou zpravidla poblíž. Nevýhodou je malý a kolísavý přítok odpadní vody. Nicméně lze s úspěchem využít kombinaci tohoto přístupu s prvně jmenovaným a teplo odebírat na přívodní kanalizaci v městské zástavbě. V zahraničí jsou oblíbené systémy HVAC (z anglického Heat, Ventilation and Air-Conditioning system, tj. systém vytápění, ventilace a klimatizace), které využívají odpadní teplo z kanálů pro zahřívání budov v zimě a jejich chlazení v létě. Systém může být aplikován nejen v obytných nebo kancelářských budovách, ale i ve školách, nemocnicích nebo krytých bazénech.
Nicméně je třeba podotknout, že smysluplná a účinná recyklace tepla nelze být provedena ve všech případech. Podle Lorenze [14] musí být splněny následující předpoklady:
- minimální bezdeštný přítok 15 L/s (tj. aplikovatelné ca. od 5 000 – 10 000 EO)
- tepelný potenciál v přitékající odpadní vodě (průměrná teplota v zimě by neměla poklesnout pod 10 °C)
- přítomnost spotřebitelů tepla poblíž odběrových míst
- konkurenční zdroje energie, např. vytápění
- neovlivnění funkce přívodní kanalizace a čistírny odpadních vod

Tento poslední bod je velice důležitý, protože účelem kanalizačních systémů má být především ochrana životního prostředí. Výrazným snížením teploty vyčištěné odtékající vody z čistírny můžeme negativně ovlivnit ekosystémy v recipientu. Stejně baktérie odpovědné za biologické odstraňování nutrientů (zejména dusíku) jsou extrémně citlivé na nižší teploty, kdy se jejich aktivita zpomaluje a bezprostředně tím ohrožuje potřebnou účinnost odstranění dusíkatého znečištění. Z tohoto pohledu je nutné, aby aplikace tepelných výměníků vedla vedle energetických úspor i ke stejné efektivitě čištění odpadních vod.

Potenciální energie vznikající gravitační silou padající nebo proudící odpadní vody může vyrábět energii pomocí turbín. Množství vyrobené energie závisí jak na objemu vody, tak na příp. rozdílu nadmořských výšek. Ačkoliv tento způsob výroby energie je velice spolehlivý a ekologický (neprodukuje žádné skleníkové plyny), tak jeho aplikace je velice omezená, protože potřebný průtok je na čistírnách pouze řádově ve stovkách tisíc ekvivalentních obyvatel a větších a zároveň v České republice je minimum čistíren, kde by šlo využít energie padající odpadní vody, ať už znečištěné nebo vyčištěné. Aplikace na využití potenciální energie se soustřeďují výhradně na místech odtoku vyčištěné odpadní vody z čistírny. Podle DWA M 114 [13] jsou doporučené metody výroby potenciální energie turbíny, hydrodynamická zařízení (např. Archimédův šroub) a vodní lopatková kola.

ZÍSKÁVÁNÍ ENERGIE Z BIOMASY
V současné době je přebytečný kal z čistíren odpadních vod považován za odpad, ačkoliv je velice slibným zdrojem energie – viz Obr.4. Kal obsahuje organické látky, dusík a fosfor a tudíž je zajímavý např. pro aplikaci v zemědělství. Chemická energie vázaná v přitékající organické hmotě je současnými technologickými uspořádáními čistíren postupně s větším či menším užitkem spotřebována. Na usazovacích nádržích zachytíme ca. třetinu přitékající CHSK do primárního kalu, která lze následně využít na tvorbu bioplynu. Proto by mělo být z energetického hlediska v našem zájmu zachytit na usazovácích co možná nejvíce. Zatímco ca. 10 % CHSK opouští čistírnu v odtoku, tak její hlavní část je pomocí heterotrofní respirace přeměněna na CO2 a zbytek se využije na tvorbu biomasy přebytečného aktivovaného kalu.

 Schéma využití biomasy na čistírnách odpadních vod

Obr.4: Schéma využití biomasy na čistírnách odpadních vod

Další obrázek (Obr. 5) ukazuje možné scénáře využívání energie obsažené v organickém znečištění odpadních vod a biomasy.

 Možné scénáře využívání energie z odpadních vod

Obr. 5: Možné scénáře využívání energie z odpadních vod (přejato z [15])

VYUŽITÍ OBNOVITELNÉ ENERGIE
Spotřeba energie v celosvětovém měřítku stoupá, zejména v rozvíjejících se ekonomikách typu Indie nebo Čína nebo zemích třetího světa. Proto se dostává do popředí zájmu efektivní a ekonomické využití energie. Všech 27 zemí Evropské Unie se zavázalo do r. 2020 vyrábět 20 % energie z obnovitelných zdrojů a zvýšit účinnost využívání energie o 20 %. Mezi obnovitelnými zdroji energie se jeví nejzajímavější využití větrné a solární energie a energie biomasy.

ZÁVĚR
Úspora energie a vody není jen technická výzva. Možná, že nejdůležitějším faktorem je postoj a chování spotřebitelů. To zahrnuje také to, jakým způsobem zacházíme s teplou a studenou vodou.
Z hlediska provozovatelů čistíren odpadních vod je nutné změnit celkový pohled na jejich čištění. Na odpadní vodu by se nemělo pohlížet jako na odpad, ale jako na surovinu – vedle toho, že obsahuje organické látky, je zdrojem dusíku a fosforu (kterého je mimochodem nedostatek a je nutné jej začít v co nejvyšší míře recyklovat), produkuje vyčištěnou odpadní vodu, která může být posléze ekonomicky zhodnocena a recyklována, tak může být také zdrojem energie. Na čistírnu odpadních vod bychom se měli začít dívat jako na stavbu, která je schopna být i energeticky soběstačná a je schopna využívat různé nové a alternativní zdroje energie, které byly doposud přehlíženy.
Lze předpokládat, že energetické nároky budou při současné ekonomické krizi zmiňovány více a více nejen při návrzích nových čistíren odpadních vod, ale i při jejich optimalizacích.
V současnosti jsou rekonstrukce a výstavby nových čistíren odpadních vod finančně podporovány z národních a evropských dotačních titulů. Až skončí dotační tituly, bude potřeba, aby se každá nová čistírna, rekonstrukce, rozšíření či změna technologie a úprava čistírenského procesu zaplatila. Zároveň je potřeba se neustále zabývat zdokonalováním čistírenského procesu ve smyslu dodržování stále se zpřísňujících limitů vypouštění a ochrany životního prostředí, zlepšováním ekonomiky, využití dostupných surovin a energií, které v sobě odpadní voda nese a zároveň dosahování stále udržitelného rozvoje vodního hospodářství, potažmo celé společnosti, protože voda je pro náš další rozvoj naprosto klíčovou záležitostí.

Ondřej Škorvan1,3, Marek Holba1,2, Adam Bartoník1,3, Karel Plotěný1
1 - ASIO, spol. s r.o. Tuřanka 1, 627 00 Brno-Slatina, skorvan@asio.cz
2 – Oddělení experimentální fykologie a ekotoxikologie, Botanický ústav Akademie věd České republiky, v.v.i., Lidická 25/27, 657 20 Brno
3 - Vysoká škola chemicko-technologická, Ústav technologie vody a prostředí, Technická 5, 166 28 Praha 6 – Dejvice

Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku ke konferenci „Nové metody a postupy při provozování ČOV“ v Moravské Třebové (duben 2012).

PODĚKOVÁNÍ
Příspěvek vznikl za finanční podpory projektu „Využití šedé a dešťové vody v budovách“ registrovaným pod číslem TA01020311 a financovaným Technologickou agenturou České republiky (TAČR).

POUŽITÁ LITERATURA
1 Holba M., Bartoník A., Škorvan O., Horák P., Počinková M., Plotěný K.: Energetický potenciál odpadních vod, Vodní Hospodářství, 2/2012, str. 42-48
2 Olsson G., Water and Energy Nexus, http://ac4ca.eie.ucr.ac.cr/data/uploads/Gustaf%20Olsson%20Water%20and%20Energy%20nexus.pdf, navštíveno 15.3.2012
3 Novotný V., Brown P.: Cities of Future: Towards sustainable water and landscape management, 2006.
4 Tchobanoglous, Leverenz: Impact of New Concepts and Technology on the Energy Sustainability of Wastewater Management, Conference on Climate, Sustainable Development and Renewable Resources, Řecko, 2009.
5 Shizas I., Bagley D.M.: Experimental Determination of Energy Content of Unknown Organics in Wastewater Streams, J. Energ. Eng, 2004.
6 Water Environment Federation Manual of Practice No. 32, Energy conservation in water and wastewater treatment facilities, WEF Press, 2009.
7 Lindtner S.: Leitfaden für die Erstellung eines Energiekonzeptes kommunaler Kläranlagen, Lebensministerium, Vídeň, 2008.
8 GPS-X, http://www.hydromantis.com/GPS-X.html, navštíveno 31.1. 2012
9 BioWin, http://www.envirosim.com/products/bw32/bw32intro.php, navštíveno 31.1. 2012.
10 Ertl T., Kretschmer F., Plihal H., Weissenbacher N.: Critical review and feasibility study: Energy recovery in the area of wastewater collection and treatment, Vídeň, 2011.
11 EnviroMix, BioMix, http://www.enviro-mix.com/biomx.php, navštíveno 31.1. 2012.
12 Kuenen J.G., Kartal B., Jetten M.C.M.: The discovery of the Anammox proces and beyond, http://www.agi.org/pdf/nmtg-abstracts/Session5.pdf
13 DWA Merkblatt M 114: Energie aus Abwasser – Wärme- und Lageenergie. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. Hennef, 2009
14 Lorenz, U. (2010): Projektentwicklung – Vorgehen und Erfahrungen eines Stadtwerkes. DWA‐Seminar: Heizenergie aus Abwasser, Pforzheim, 2010
15 Energy and sewage, 2007,http://www.parliament.uk/documents/post/postpn282.pdf, navštíveno 15.3.2012

 

 

Kontakty

ASIO, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: 9nwzka6

ASIO NEW, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: z9g8vaw

tel.: 548 428 111
e-mail: asio@asio.cz
 


Chcete dostávat informace z oboru, pozvánky na akce, novinky a důležité informace? Přihlašte se!

required

required