Možné úspory energie na stávajících ČOV

1. 1. 2012

Úvod
Prvotním účelem čistíren odpadních vod je čištění vod a tomu jsou většinou podřízeny i všechny další funkce. Z pohledu spotřeby elektrické energie, který se prosazuje v poslední době, pak mnohé čistírny nejsou době provozovány v optimálním energetickém režimu. Existuje dokonce hned několik možností jak vylepšit stávající energetickou bilanci ČOV. Jedná se o optimalizaci spotřeby jednotlivých elektrických spotřebičů (nejjednodušší), změnu technologie (náročnější a komplexnější), využití tepelné energie pomocí tepelných čerpadel na vytápění objektů, sušení kalu, či technologických procesů nebo zvýšení produkce bioplynu (posun významu ČOV z čištění vod na čištění vod a recyklaci energie).
Otázka nákladů na globální úrovni se staly hlavní hnací silou směrem k větší efektivnosti využívání energie v celosvětovém měřítku a tento trend se odrazil i v čištění odpadních vod.

Obr. 1 – Podíl jednotlivých procesů na spotřebě el. energie (Guimet, 2010)
Obrázek 1 ukazuje distribuci spotřeby elektrické energie pro čistírnu odpadních vod 100 000 EO. Z výsledků energetického auditu je možno vybrat místa, která se na spotřebě podílejí nejvíce a na tyto místa se zaměřit. Je patrné, že největší spotřebu energie spotřebuje čistírna na provzdušňování. Nezřídka kdy je spotřeba na provzdušnění vyšší jak 50 %, hlavně u menších ČOV.
Spotřeba elektrické energie také silně závisí na technologickém uspořádání ČOV a na velikosti znečištění odpadních vod.

Při detailním pohledu můžeme rozdělit opatření na snížení celkové spotřeby elektrické energie na několik hlavních kategorií. A to především:
- návrh, optimalizace spotřeby jednotlivých spotřebičů,
- výroba elektrické energie,
- využití obnovitelných zdrojů energie, výroba tepelné energie.
Potenciál úspor na jednotlivých ČOV závisí na jejich velikosti. U menších ČOV (do 20 000 EO) bez anaerobního zpracování kalu se zaměřujeme na energetický audit jednotlivých spotřebičů, optimalizaci procesů provzdušňování a čerpání, popřípadě odvodnění kalu. Možnosti úspor těmito opatřeními je cca 20 % (Guimet, 2010). U ČOV nad (20 000 EO), kde je možnost využití bioplynu po anaerobním zpracování kalu, je potenciál úspor větší a to cca 30 % stávajících provozních nákladů.

Používané metody
Návrh, optimalizace spotřeby jednotlivých spotřebičů
Návrh spotřebičů, popřípadě optimalizace spotřeby jednotlivých spotřebičů je prvním krokem, vyplývajícím z energetického auditu. V mnoha provozech je měřena spotřeba elektrické energie, nicméně s daty se nepracuje a shromaždují se data pouze proto, aby byly. Data a jejich vyhodnocení, je nesmírně důležité pro kontrolu systému (spotřeby el. energie) a může se předejít mnoha haváriím. (Pokud vidíme zvýšenou spotřebu, je něco v nepořádku a můžeme hledat příčinu) 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.
Při návrhu spotřebičů mají projektanti tendenci zbytečně navyšovat velikost čerpadel. „Jistí“se různými koeficienty, které zbytečně navyšují velikost čerpadla.
Příklad nesprávného návrhu čerpadla ukazuje následující obrázek. Čerpadlo navržené s různými koeficienty „bezpečnosti“, má zbytečně velký průtok (příkon). Optimální křivka systému počítaná s různými koeficienty je vykreslena jako čárkovaná. Ale na místo QNávrhové čerpáme Qskutečný. V praxi si pomůžeme škrcením a čerpadlo pracuje při provozním bodu jiném, než námi navržený bod. Snížením průtoku tak maříme energii. Potencionální provozní bod je bod je vlastně bod, který by jsme při správném návrhu měli vypočítat. Rozdíl mezi provozním bodem při škrcení a potenciálním provozním bodem, je zmařená energie, kterou do systému zbytečně vnášíme.

Obr. 2 – Naddimenzování čerpadla a dopad na spotřebu energie (JABERG, 2010)

Další neřestí je nerespektování souvislostí životního cyklu spotřebiče. Firmy tlačí projektanty do co nejlevnějšího řešení, nerespektují fakt, že nákupní cena spotřebiče je „pouze“ jedním z nákladů, který je v globálním kontextu zanedbatelný, jak ukazuje následující výpočet:

Celkové náklady spojené se spotřebičem se sestávají z několika položek.
LCC = CIC + CEC + CMC + COC
LCC - celkové náklady
CIC - Cena investičních nákladů
CEC - Cena energie
CMC - Cena údržby
COC - Ostatní náklady

Obrázek 2. ukazuje celkové náklady čerpadla odpadních vod (14kW, DN 150). Jak je vidět, investiční náklady po 5 letech provozu (1000 hod.rok-1) tvoří 40 % celkové ceny, po 10 letech provozu tvoří investiční náklady pouze 25% celkové ceny. Největší podíl z ceny tvoří ceny energie, po 5 letech tvoří cena energie 50 %, po 10 letech již 63 %. Při využití čerpadla 5000 hod.rok-1 jsou tyto rozdíly ještě větší.

Obr. 3 – Celkové náklady u čerpadla odpadních vod, (14 kW, DN150), (ERTL, et al 2011)

Největším spotřebičem na ČOV jsou dmychadla. Jejich vhodným řízením lze také snížit spotřebu elektrické energie. Na obrázku 4 je vidět rozdíl mezi dodávkou kyslíku bez řízení kyslíkovou sondou a řízenou dodávkou (obsah kyslíku je udržován mezi 0,5 – 2 mg.l-1) pro čistírnu 500 EO. Potřeba vzduchu se mění v závislosti na přítoku. Původní dmychadlo zbytečně dodává nadbytečný vzduch do aktivace. Na základě aktuální potřeby kyslíku byl proveden návrh dmychadla s frekvenčním měničem. Toto dmychadlo dodává pouze potřebné množství vzduchu. Spotřeba jednotlivých dmychadel je brána jako plocha pod křivkou, pro stávající dmychadlo (fialová křivka) je nesporně větší než pro navržené (zelená křivka). Úspora při řízení dmychadel pomocí frekvenčních měničů se pohybuje v řádu 30 % nákladů na provzdušnění.

Obr. 3 – Řízení dmychadel dle potřeby vzduchu

Výroba elektrické energie
Výroba elektrické energie je zavedena pouze na větších ČOV (od 30 000 EO), kde je anaerobní zpracování kalu a vyvíjen bioplyn, který je spotřebováván na kogeneračních jednotkách. Posunout hranici, kdy je výroba elektrické energie pro provozovatele výhodná, je možné pomocí vhodné předúpravy kalu, např. pomocí desintegrace. Tato technologie umožňuje lepší rozložitelnost kalu a větší výtěžnost plynu. U menších ČOV přichází do úvahy společné anaerobní zpracování kalu a BRO. Této variantě nahrává také zákon o odpadech, který nutí města a obce s BRO nakládat ve smyslu energetického využití.
Využití obnovitelných zdrojů energie, výroba tepelné energie
Využití OZE je na ČOV poměrně malé. U ČOV které mají velké vytápěné budovy, je možno jednoduše odebírat nízkopotenciální teplo odpadní vodě pomocí tepelného čerpadla. Takto získané teplo potom využít k vytápění, nebo k jiným aplikacím jako je sušení kalu.
Odpadní voda na přítoku i odtoku z ČOV v sobě nese velký potenciál jak chemický tak tepelný. Průměrná teplota 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 zvýšit teplotu až 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.

Realizace poloprovozního zařízení na odebírání tepelné energie:

Obr. 4 – Schéma zapojení poloprovozního zařízení

Obr. 5 – Výkon výměníků a topný faktor

Fotovoltaické panely jsou dalším možným řešením pro zvýšení energetické samostatnosti ČOV, legislativní problémy ale zabraňují většímu rozšíření FV panelů. Rozmachem fotovoltaických elektráren došlo k omezení podpory ze strany státu na tyto aplikace. V současné době připojení nových zdrojů zastaveno, popřípadě omezeno ze strany ERU (Energetickým regulačním úřadem). Použití solárních panelů jako zdroje teplé vody je možné tam, kde jsou u ČOV provozní budovy.

Závěr
Každá čistírna odpadních vod je specifická jak svým uspořádáním, tak i kvalitou odpadních vod. Porovnání jednotlivých čistíren se proto provádí přes spotřebovanou energii na kg odstraněného BSK5. Spotřeba se pohybuje od 2 – 6 kWh/kg odstraněného BSK5. U menších čistíren (2000 – 20 000 EO) je typická větší spotřeba okolo 4 – 6 kWh/kg odstraněného BSK5, u větších čistíren (20 000 EO a více) je spotřeba menší. Potenciál úspor pomocí výše uvedených metod (optimalizace spotřebičů, podrobný a správný návrh spotřebičů, odebírání tepla pro vytápění objektů) je řádu 5 – 20 % spotřebované energie.
Pomocí počítačového modelování jsme schopni navrhnout optimální řešení a kalkulaci, popřípadě návratnost investice jednotlivých opatření.

Obr. 7 – Modelování a dimenzování čistírny odpadních vod

Poděkování
Projekt „SynEnergie“ z odpadních vod“ je financován Ministerstvem průmyslu a obchodu z operačního programu Podnikání a inovace – pilotní projekt „Inovativní akce“ – podpora transferu znalostí

Literatura

Ertl Thomas, F. Kretschmer, H. Plihal, N. Weissenbacher : Critical review and feasibility study: Energy recovery in the area of wastewater collection and treatment, WIEN

Guimet Valerie, PhD ,Green energy resource : research and learning experiences from wastewater treatment plants, , France

JABERG H. (2010): Pumpen in der Verfahrenstechnik und Kraftwerkstechnik; Vortrag im Rahmen der Praktikerkonferenz vom 12. 04.‐ 14. 04. 2010 in Graz

Ing. Adam Bartoník, Ing. Marek Holba, Ph.D.

Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku k semináři ASIO, spol. s r.o. „Energie z odpadních vod a odpadů“ (listopad 2011).