Využití energetického potenciálu odpadních vod

Datum: 5.5.2012
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 odvětví 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 jsou všechno další potenciální využitelné zdroje energie. Příspěvek představí několik moderních inovativních způsobů jak tuto energii získat a využít.

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 jinde je normální v zemích s nedostatkem vody 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) [1] a zahrnuje vyjma optimalizace nakládání s energií i s tím spojené nádoby, např. recyklaci vyčištěné odpadní vody nebo recyklaci nutrientů.

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.

Efektivní a ekonomický systém čištění odpadních vod by měl být proto v kontextu energetických úspor založen na třech hlavních cílech:
- minimalizace množství energie potřebné na čištění odpadních vod,
- zajištění energeticky soběstačného čištění odpadních vod,
- snížení negativního dopadu čištění odpadních vod na okolní životní prostředí.

Odpadní voda obsahuje organické látky, tepelnou a kinetickou energii, a na základě těchto předpokladů lze energetický management na čistírnách optimalizovat následujícími způsoby:
a) optimalizace přístrojového vybavení na čistírně,
b) recyklace energie,
c) získávání energie z biomasy,
d) využití obnovitelné energie.


a) optimalizace přístrojového vybavení na čistírně

Optimalizace přístrojového vybavení vyžaduje zpravidla 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 byly. 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.1. 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 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.

Spotřeba energie na ČOV

 

Obr.1: Průměrné procentuální rozdělení spotřeby energie na čistírně o velikosti 100 000 EO


Jak je i z grafu patrné největší důraz by měl být kladen na optimalizaci aerace. Ve světě se vyhodnocuje řada ekonomických postupů, které aeraci optimalizují např. dodávkou velice jemných mikrobublin (intenzita dodávky vzduchu nezajistí postačující promíchávání v aeraci) v kombinaci s dodávkou bublin umožňujících udržet aktivovaný kal ve vznosu nebo s umístěním míchacího zařízení přímo v oxické zóně aktivace. Dalších významných energetických úspor může být dosaženo 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. Mezi další energetické úspory spojené s dodávkou vzduchu patří např. vypínání dodávky vzduchu při nízkém průtoku nebo zatížení na čistírně, nicméně tyto provozní zákroky by měly být ošetřeny nejlépe dynamickou počítačovou simulací, 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. Zde je nutné poznamenat, že účinnost využití čerpadel závisí především na potenciálu jejich využití. Je proto bezpodmínečně nutné, aby čerpadla pracovala na plánovaný maximální výkon a byla podrobena pravidelné kontrole a údržbě. Systém úspor by měl zahrnovat monitoring spínání a chodu čerpadel v reálném čase, který by měl být buď pravidelně vyhodnocován anebo opatřen signálním systémem hlásícím přetížení nebo nevytížení jednotlivých čerpadel.
V celkovém kontextu a dlouhodobém měřítku se doporučuje využívat zařízení s motory s vysokou účinností a frekvenčními měniči namísto zařízení s konstantními otáčkami, což je pochopitelné i z ekonomického hlediska, protože pořizovací cena zařízení je naprosto zanedbatelná ve srovnání s provozními náklady a životností zařízení.
Dále se jako ekonomické jeví optimalizovat náklady na spotřebu elektrické energie snížením její spotřeby. Pokud jsou čistírny vybaveny vyrovnávacími nádržemi, bude ekonomicky výhodné zachycovat píkové přítoky v nich a poté odpadní vody čistit později, kdy není energetická špička.
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 [2]. Celkově lze říci, že v průměru lze dosáhnout úspor okolo 20% oproti stávajícímu stavu, přirozeně s vyššími úsporami u větších čistíren.

b) recyklace energie

Odpadní voda obsahuje různé formy energie – tepelná, hydraulická a kinetická, které mají potenciál být využity na čistírnách odpadních vod.
Tepelné energie lze využít nejen na čistírnách, ale i např. v kanalizacích, kde můžeme aplikovat výměník tepla nebo tepelné čerpadlo pro získání energie na základě rozdílu teploty média a prostředí. 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.
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 špinavé nebo vyčištěné.

c) získávání energie z biomasy

V současné době je přebytečný kal z čistíren odpadních vod považován jako odpad, ačkoliv je velice slibným zdrojem energie. Kal obsahuje organické látky, dusík a fosfor a tudíž je zajímavý pro aplikaci v zemědělství.
Z energetického hlediska lze využít palivový potenciál kalu po jeho vysušení, kdy může nahradit fosilní zdroje. Energetický potenciál kalu závisí na jeho složení a na množství vlhkosti v něm obsažené a studie ukazují, že lze touto cestou uspořit 30 – 40 % spotřebované energie na čistírnách odpadních vod. Vysušený kal má energetický potenciál téměř 13 MJ, jak je vidět v Tab 1, kde je srovnání s dalšími potenciálními palivy

Tab.1: Srovnání palivového potenciálu aktivovaného kalu oproti dalším palivům

 

kCal/kg sušiny

1 kg suroviny v megajoulech

Vysušený kal

3200

13

Dřevo

3780

16

Domovní odpad

2200

9

Uhlí

8000

33

Nahrazení uhlí jako paliva vysušeným aktivovaným kalem má i vedlejší ekologický efekt produkce skleníkových plynů, protože spalováním kalu vznikne okolo 800 g CO2 méně na jednu vyrobenou kWh energie, přitom účinnost získávání energie z kalu v elektrárnách je srovnatelná s uhlím (38 – 40 % dle používaného termodynamického cyklu) [2]. Z legislativního pohledu je v České republice potřebné pro podporu energetického využití čistírenských odpadů důležitá klasifikace jako možného zdroje energie. Bohužel praktická aplikace vyhlášky 482/2005 Sb. o stanovení druhů, způsobu využití a parametrů biomasy při podpoře výroby elektřiny z biomasy neumožňuje přímé či nepřímé využití kalů s čerpáním benefitů jako u jiných obnovitelných zdrojů energie, což je vzhledem k roční produkci čistírenských kalů v České republice o objemu 170 869 t sušiny v roce 2012 a průměrném energetickém potenciálu 12 MJ/kg ztráta energetického potenciálu ve výši 2 TJ [3].

d) 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. Kjótský protokol stanovil ambiciózní cíle pro snížení produkce skleníkových plynů, kdy se všech 27 zemí Evropské Unie 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.
Pevninské větrné elektrárny vyrábějí elektřinu za relativně nízkou cenu a jsou již značně rozšířeny v oblastech s vysokým větrným potenciálem. Pobřežní větrné parky se stávají v současné době velice populární, ale tato problematika se přirozeně České republiky netýká.
Biomasa je nejrozmanitější obnovitelný zdroj, protože může poskytovat elektřinu, může být využita jako palivo anebo může vyrábět teplo. Biomasa je na čistírnách produkována neustále a proto může být pokládána za spolehlivý zdroj elektřiny a tepla.

Solární energie má v globálním měřítku největší potenciál ze všech obnovitelných zdrojů energie. Může být využita ve formě tepelné energie nebo může být transformována elektrickou energii. Solární kolektory jsou již po světě velice rozšířené. Jsou zpravidla instalovány na střechách pro výrobu teplé užitkové vody a/nebo teplé vody/vzduchu pro vytápění kancelářských a obytných budov. Solární články využívají sluneční světlo pro výrobu energie a tepla, zatímco fotovoltaické články transformují sluneční záření přímo na elektrickou energii. 
Obecný rámec podpory výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů je určen evropskou směrnicí 2009/28/ES o podpoře využívání energie z obnovitelných zdrojů, v České republice 406/2000 Sb. o hospodaření energií a specificky zákonem 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Dřívější dotační politika v České republice jednoznačně zvýhodňovala výstavbu solárních elektráren, což vedlo jednotlivé společnosti a státní orgány zodpovědné za správu a regulaci distribuční sítě k poměrně razantnímu omezení dalšího připojování do distribuční sítě s výjimkou 100 % ostrovního provozu jednotlivých instalací. [3].

Závěr

Je nutné změnit celkový pohled na čištění odpadní vod. 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.

Literatura

1. Novotný V., Brown P.: Cities of Future: Towards sustainable water and landscape management, 2006.
2. Guimet V., Kelly R., Duong F., Rosina M., Audic J. M., Terry J.M.: Green energy resource: research and learning expereinces from wastewater treatment plants, IWA World Water Congress and Exhibition, Montreal, 2010.
3. Chudoba P., Beneš O.: Odpadní voda jako zdroj surovin a energie – technologické trendy 21.století, Konference VODA 2011, Poděbrady, 2011.

Marek Holba, Adam Bartoník, Karel Plotěný



Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku k semináři ASIO, spol. s r.o. „Vodohospodářské jednohubky aneb přijďte ochutnat novinky“ (únor 2012).

[1] Ing. Marek Holba, Ph.D., Oddělení experimentální fykologie a toxikologie, Botanický ústav Akademie věd České republiky, v.v.i., Lidická 25/27, 657 20 Brno, tel. 530 506 744, e-mail: holba@asio.cz  a ASIO, spol. s r.o., Tuřanka 1, POB 56, 627 00 Brno-Slatina, tel. 548 428 129

[2] Ing. Adam Bartoník, ASIO, spol. s r.o., Tuřanka 1, POB 56, 627 00 Brno-Slatina, tel. 548 428 135, e-mail: bartonik@asio.cz a Ústav technologie vody a prostředí, VŠCHT Praha, Technická 5, 166 28 Praha – Dejvice.

[3] Ing. Karel Plotěný, ASIO, spol. s r.o., Tuřanka 1, POB 56, 627 00 Brno-Slatina, tel. 548 428 118, e-mail: ploteny@asio.cz

 

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