Energie a voda aneb využití odpadního tepla z vodohospodářských i jiných procesů

31. 10. 2013

Česká ekonomika má o 50 % vyšší spotřebu energie na jednotku HDP, než je průměr EU a je stále velmi závislá na fosilních zdrojích. To jinými slovy znamená, že jsme o 50 % zranitelnější v případě cenových skoků, či náhlých výpadků energie, způsobených ať už politickými či přírodními okolnostmi. Současně ČR vypouští na obyvatele o 36 % více emisí CO ₂ než je průměr EU. Jen budovy se v ČR podílí na 65 % konečné spotřeby tepla a 49 % konečné spotřeby elektrické energie.

Jednou z cest je znovuvyužívání odpadního tepla nebo tepla neseného odpadními proudy (spaliny, odpadní vody, chladící okruhy, apod.). Již dnes existuje spousta technologií, které mají velmi dobrou hospodárnost projektu s ekonomickou návratností od tří do deseti let. Spousta společností dnes nabízí nejrůznější technologie na využití odpadního tepla nebo technologie s minimální energetickou spotřebou, avšak bez kontextu na celkový provoz a potřeby daného objektu, budovy či závodu. Při optimalizacích technologických procesů např. u ČOV, které jsme prováděli, se ukázalo, že je nutné se k těmto návrhům stavět komplexně a tedy synergicky řešit nejen vlastní technologii čištění, ale i další procesy související s celým systémem ovlivňujícím náklady na elektrickou energii, teplo a provozní hmoty.

A tak zpětné využití tepla nabývá v poslední době stále většího významu. Toto teplo je neseno jak v odpadních vodách, tak i vzduchu či spalinách z technologických procesů ve všech odvětvích hospodářství. Tato oblast, tedy oblast procesů v průmyslu, zemědělské a zpracovatelské výrobě patří mezi největší „poskytovatele“ odpadního tepla. Zde jsou největší možnosti využití tepla z nejrůznějších kotlů, pecí a motorů (slévárny, pekárny, železárny, spalovny,…), tedy z odvodů spalin a dále z technologií ohřevů, sušení, smažení, praní i chlazení a dalších nejrůznějších procesů.

KLÍČOVÁ SLOVA

energie , odpadní vody, recyklace, tepelné výměníky, teplo, úspory

ÚVOD

Snížení nákladů za energii se v současné době stává jednou z hlavních priorit. Pokles růstu ekonomiky, vzrůstající cena a spotřeba jsou jedny z hlavních faktorů vedoucích k tlaku na energetickou optimalizaci napříč průmyslovými obory.

Energetický obsah ve vodách lze rozdělit na čtyři hlavní formy: chemická, tepelná, kinetická a potenciální (Fillmore et al ., 2011).

1. 1. Tepelná energie

Množství tepelné energie obsažené v odpadní vodě je dána měrnou tepelnou kapacitou vody, které je přibližně 4.2 kJ/kg·K nebo 4.2 MJ/m ³ na 1 °C teplotní změny (Fillmore et al . 2011).

1. 2. Hydraulická (kinetická a potenciální) energie

Potenciální energie je energie vodního sloupce a je rovna 9.8 kJ/m ³ na metr výšky. Kinetická energie je rovna 0.18 kJ/m ³ při rychlosti proudění 0.6 m/s (Fillmore et al ., 2011).

1. 3. Chemická energie

Chemická energie je energie obsažená v organické hmotě v odpadní vodě, nejčastěji vyjadřovaná ve formě chemické spotřeby kyslíku – CHSK v mg/l. Tchobanoglous (Tchobanoglous a Leverenz, 2009) definuje potenciál chemické energie kalu v rozmezí 12 – 15 MJ/kg CHSK (13 MJ/kg CHSK v průměru), což lze přepočítat na 3 – 12 MJ/m ³ (5.6 MJ/m ³ v průměru) pro složení běžné komunální vody o složení 250 – 800 mg/l CHSK. Např. Shizas (Shizas a Bagley, 2004) naměřil na ČOV North Toronto hodnotu 6.3 MJ/m ³ pro surovou odpadní vodu.

V současné době již existují v některých zemích (např. Švýcarsko, Německo, Norsko) aplikace na recyklace energie. Např. podle německé směrnice DWA M 114 může být v Německu přibližně 10 % budov vytápěno pomocí energie z odpadní vody (Ertl et al. , 2011).

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 (Lorenz, 2010) 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.

Tento přístup už je v zahraničí široce implementován. V Německu dle DWA M 114 nesmí při aplikaci tepelných výměníků v přívodní kanalizaci na čistírnu odpadních vod poklesnout teplota o 0.5 K a zároveň nesmí teplota klesnout pod návrhovou teplotu pro design čistírny odpadních vod. Oproti tomu ve Švýcarsku (Koch et al. , 2010) legislativa říká, že jakákoliv aplikace tepelných výměníků do přívodní kanalizace bezprostředně ovlivňuje jak kanalizaci, tak procesy čištění odpadních vod, a proto musí být schválena místním vodohospodářským orgánem. Žádost k vodohospodářskému orgánu nemusí být podávána pouze v případě, pokud aplikací tepelných výměníků nedojde k poklesu teploty o více než 0.1 K.

Cílem naší práce bylo odzkoušení poloprovozního zařízení pro ověření výkonu výměníků, a porovnat je s jejich matematickou simulací, ověřit vhodnost konstrukce těchto výměníků a případně navrhnout jejich konstrukční úpravy. Dále budou výsledky sloužit k přesnějšímu a komplexnějšímu návrhu pozdějších aplikací tepelných čerpadel v odpadních vodách, ať už pro ohřev teplé užitkové vody, vytápění či sušení kalu.

POLOPROVOZ PRO ZÍSKÁNÍ TEPELNÉ ENERGIE Z ODPADNÍCH VOD

Realizace poloprovozního zařízení na odebírání tepelné energie z odpadních vod byla provedena na čistírně odpadních vod mechanicko-biologického typu o kapacitě 1 152 EO. Průměrná teplota odpadních vod v průběhu roku kolísá, ale zřídka kdy klesne pod 8 °C. Této relativní stálosti se dá využít pro získání nízkopotenciálního tepla a pomocí tepelného čerpadla lze navýšit teplotu topného okruhu na cca 70 °C. Toto teplo je možno pak dále využít na vytápění objektů ČOV, na ohřev teplé užitkové vody, na sušení kalu, popřípadě ohřev kalu do fermentačních nádrží. Výměník tepla byl umístěn do rozdělovacího objektu, kam natéká odpadní znečištěná voda a do odtokového potrubí DN 300, kudy odtéká vyčištěná voda. Na primární stranu tepelného čerpadla byl umístěn kalorimetr. Sekundární okruh byl chlazen pomocí chladiče.

Poloprovozní zařízení se skládá z tepleného čerpadla o tepelném výkonu 3 – 8 kW s plynulou regulací výkonu v řádu 30 – 100 %, nerezových tepelných výměníků voda-voda, chladiče o výkonu 4 – 10 kW, měřícího okruhu a propojovacích prvků.

Cílem odzkoušení poloprovozního zařízení bylo ověření výkonu výměníků, jejich porovnání s matematickým modelováním, ověření vhodnosti konstrukce těchto výměníků a případné návrhy na jejich konstrukční úpravu. Dále budou výsledky sloužit k přesnějšímu a komplexnějšímu návrhu pozdějších aplikací tepelných čerpadel v odpadních vodách, ať už pro ohřev teplé užitkové vody, vytápění či sušení kalu.

Modelování probíhalo v programu STAR CCM+, kde bylo počítáno s teplotou přitékající odpadní vody 10 °C. Teplota ohřátí pracovní látky ve výměnících byla modelována na zvýšení o 3 °C. Na žádost provozovatele ČOV byla namísto výrobcem doporučeného chladiva použita voda. Díky tomuto bylo nutno neustále hlídat teplotu na primární straně (výparníku tepelného čerpadla), aby nedošlo k jeho zamrznutí a tím destrukci celého zařízení, protože teplota tuhnutí doporučeného chladiva je daleko nižší než u vody. Výkon byl proto regulován tak, aby k těmto potížím nedocházelo.

Byly současně testovány dva výměníky z nerezového plechu tloušťky 2 mm typ voda-voda, které se lišili konstrukcí viz obrázek 1 a 2.

Měření probíhalo při různých průtocích v primárním okruhu, které jsou uvedeny v Tabulce 1.

Měřící okruh byl navržen jako kompaktní technologický celek a obsahuje všechny nezbytné armatury a zařízení pro sběr dat - průtoků a teplot. Schéma zapojení celého zařízení je znázorněno na Obrázku 3. Voda pro napouštění primárního i sekundárního okruhu byla brána z vodovodního řadu přes filtr mechanických nečistot. Odvzdušnění probíhalo v řádu hodin.

V Tabulce 2 je uveden příklad porovnání výstupu matematických simulací ve STAR CCM+ a naměřených dat. Obrázky 4 a 5 graficky znázorňují průběhy měření charakteristiky tepelných výměníků.

ZÁVĚR

Závěry z měření jsou shrnuty v následujících doporučeních.

- Výměník má velice stabilní topný faktor. Teplota přiváděné vody, zde nehraje takovou roli, s jakou bylo počítáno. Rozdíl teplot na výměníku je velice stabilní.
- Chyby jsou v obou měřených případech do 10 % modelovaného výkonu. Dá se konstatovat, že používání modelování je oprávněné a výsledky velice pomohly k návrhu teplosměnné plochy
- Nebylo počítáno se zarůstáním a zanášením výměníku, proto zůstal na ČOV dále nainstalovaný a bude probíhat jeho další testování s vyhodnocením vlivu zarůstání.
- Topný faktor je ve většině případů ustálený na hodnotě vyšší než 3 (udává poměr vyprodukovaného tepla a spotřebované energie), což je z ekonomického hlediska velice pozitivní, nicméně pod očekávanou hodnotou 4. Problém vody v primárním okruhu a obtížná regulace jsou možné příčiny nižšího topného faktoru.
- Zvýšení topného faktoru dosáhneme optimalizací obtékání tepelného výměníku a tím zvýšení koeficientu přestupu tepla
- Konstrukce výměníku není vhodná z hlediska namáhání svarů, které jsou při této konstrukci namáhány na ohyb. Ideální je namáhání na tah/tlak.
- Příprava TUV připadá v úvahu hlavně u využití šedých vod, například u bazénů, větších center, administrativních budov atd.
- Do detailu namodelovat proudění a optimalizovat pokud možno matematicky – značná úspora financí a vlastní spotřeby systému (velké tlakové ztráty)

PODĚKOVÁNÍ

Projekt „ Využití šedé a dešťové vody v budovách “ , registrovaný pod číslem TA01020311 , je financován Technologickou agenturou České republiky (TAČR).

Stanislav Piňos*, Adam Bartoník*, Marek Holba ^*,** , Ondřej Škorvan ^*,*** , Karel Plotěný ^*
*ASIO, spol. s r.o., Kšírova 552/45, 617 00 Brno - Komárov
*Botanický ústav Akademie věd ČR, Ústav experimentální fykologie a ekotoxikologie, Lidická 25/27, 657 20 Brno
***VŠCHT Praha, Ústav technologie vody a prostředí, Technická 5, 166 28 Praha 6

SEZNAM LITERATURY

DWA Merkblatt M 114: Energie aus Abwasser – Wärme- und Lageenergie. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. Hennef, 2009

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

Fillmore L., Shaw A., Stone L., Tarallo S.: Energy Management – Towards Energy Neutral Wastewater Treatment, WEFTEC Conference, Los Angeles, USA, 2011.

Koch M., Nietlisbach A., Kaenel B., Calderoni M., Wille B., Mueller R., Bretscher P., Wanner O., Siegrist H., Peter A., Mueller E. A., Kobel B., Roth Y. Heizen und Kühlen mit Abwasser – Leitfaden für die Planung, Bewilligung und Realisierung von Anlagen zur Abwasserenergienutzung, Baudirektion Kanton Zürich, 2010

Lorenz, U. (2010): Projektentwicklung – Vorgehen und Erfahrungen eines Stadtwerkes. DWA‐Seminar: Heizenergie aus Abwasser, Pforzheim, 2010

Shizas I., Bagley D.M.: Experimental Determination of Energy Content of Unknown Organics in Wastewater Streams, J. Energ. Eng, 2004.

Tchobanoglous G., Leverenz H.: Impact of New Concepts and Technology on the Energy Sustainability of Wastewater Management, Conference on Climate, Sustainable Development and Renewable Resources, Řecko, 2009.