Spotřeba elektrické energie velmi negativně zasahuje do rozpočtů nejen domácností, firem a dopravců, ale také do provozu čistíren odpadních vod. Na moderních čistírnách odpadních vod se instalují moderní zařízení, která mají nižší spotřebu elektrické energie. Řízení čistírny odpadních vod se provozuje pomocí řídicích systémů, které se také významně podílejí na úspoře elektrické energie.

  Ing. Michal Úterský, Ing. Petr Hluštík, Ph.D.

Mnohé západní státy provozují svoje konkrétní energetické audity, které analyzují současný stav čistíren odpadních vod s cílem posoudit technicko-ekonomický potenciál úspor energie. Snahou je, aby čistírny odpadních vod využívaly energetický potenciál odpadní vody a energetický potenciál z produktů čištění odpadní vody, zejména kaly. Při vyhnívání kalu se dá získat bioplyn, který se v kogeneračních jednotkách spaluje a vzniká elektrická energie. Takto vzniklá elektrická energie se významně podílí na soběstačnosti čistíren odpadních vod v oblasti úspory elektrické energie, což výrazně šetří náklady na elektrickou energii. Čistírna odpadních vod je stavba, která může být i energeticky soběstačná a je schopna využívat různé nové a alternativní zdroje energie, které byly doposud přehlíženy. Snižování spotřeby energií a využívání obnovitelných zdrojů je správným krokem do budoucnosti.

Energetická optimalizace čistíren odpadních vod

Trend ve světě

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. [1]

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]

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 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. [1]

Spotřeba elektrické energie na ČOV

Spotřeba elektrické energie na ČOV závisí na její velikosti (množství přiváděných vod), množství znečištění, typu použité technologie a konfiguraci terénu. Pro hrubé ekonomické odhady je možné použít níže uvedenou tabulku spotřeb elektrické energie (tab. 1). [2]

Tab. 1 Roční spotřeba elektrické energie na ČOV v závislosti na počtu připojených EO [2]

Z tabulky je možné odvodit spotřebu elektrické energie na EO, a ta se pohybuje v rozmezí 30 - 50 kWh/EO/rok, kde vyšší hodnota představuje spotřebu před rekonstrukcí a nižší po energetické optimalizaci prováděné v rámci rekonstrukce ČOV. [2]

Energetický audit a benchmark

K tomu, aby mohla být ČOV optimalizována a celý její chod zefektivněný, musí být v první řadě vykonána analýza současného stavu čištění. Taková analýza se nazývá energetický audit. Cílem je posoudit technicko-ekonomický potenciál úspor energie na daném objektu. V našem případě na čistírně odpadních vod a navrhnout soubor konkrétních opatření na snížení energetické náročnosti. Pro realizaci energetického auditu bylo v minulosti vytvořeno několik manuálů, jak jej správné vykonávat. Manuály vytvořeny v Evropě a ve Spojených státech:

  • Švýcarsko 1994 BUWAL
  • Německo 1999 MURL
  • Rakousko 2001 LFUW
  • USA 1994 EPRI
  • USA 2006 EPA [3]

Benchmark energetické optimalizace

Ve snaze vykonávat benchmark různých ČOV, porovnávat jejich jednotlivé výsledky, vlastnosti a jejich spotřebu energií je potřebné nadefinovat určité body, o které se při porovnávání bude možné opřít.   K tomu, aby zahraniční porovnávání v důsledku rozdílných norem, či měrných jednotek bylo možné, byly zavedeny srovnávací ukazatele a převodní koeficienty. [3]

Při výpočtu spotřeby energie jednotlivých procesů je potřebné si uvědomit možnou rozdílnou hodnotu CHSK, dusíku, fosforu a ostatních ukazatelů na ekvivalentního obyvatele EO. Cílové hodnoty spotřeby a produkce elektrické energie na ČOV byly definovány pro možnost porovnání ČOV. Švýcarský manuál pro energetický audit udává 5 cílových parametrů v tomto pořadí:

  1. specifická spotřeba energie pro aerační proces,
  2. minimálně 95 % bioplynu musí být využito,
  3. minimálně 27 % bioplynu musí být přeměněno na elektrickou energii,
  4. v závislosti na velikosti ČOV stanoveno množství elektrické energie využité z bioplynu,
  5. v závislosti na velikosti ČOV stanoveno množství tepelné energie využité z bioplynu. [3]

Roční spotřeba energie na odstranění znečištění CHSK na EO na rok představuje ve Švédsku 42 kWh. V Rakousku je tako hodnota 23 kWh. Důvod tohoto velkého rozdílu jsou už roky probíhající benchmarkingové studie zaměřené na snižování spotřeby elektrické energie. [3]

Benchmarking ČOV provozovaných skupinou Veolia Voda ve střední Evropě.

Chudoba a kol. v publikaci Benchmarking velkých ČOV – II. část prezentuje benchmarking kalového hospodářství velkých ČOV provozovaných skupinou Veolia Voda ve střední Evropě. Z tohoto zdroje bylo možné využít jako benchmark specifickou spotřebu elektrické energie vztaženou na zatížení v kg BSK5 na přítoku (ES/BSKpřít.) a specifickou spotřebu el. energie vztaženou k průměrnému množství odpadních vod na přítoku ČOV v m3 (ES/m3):

  1. ES/BSKpřít. = celková spotřeba elektrické energie na ČOV v kWh/rok / zatížení na přítoku v kg BSK5/den*365 = 1,68 kWh/kg BSK5
  2. ES/m3 = celková spotřeba elektrické energie na ČOV v kWh/rok / průměrné množství odpadních vod na přítoku v m3/rok = 0,44 kWh/m3 [4]

Tyto benchmarky byly porovnány se stejnými ukazateli u 243 ČOV provozovaných v rámci skupiny Energie AG Bohemia. [4]

Obr. 1 Specifická spotřeba el. energie vztažená na BSK5 (ES/BSKpřít.) [4]

Obr. 2 Specifická spotřeba el. energie vztažená na průtok OV (ES/m3) [4]

Obr. 3 Průměrný okamžitý příkon el. energie vztažený na 1000 EO (EP/1000 EO) [4]

 

Z obr. 1, 2, 3 vyplývá, že u ČOV o velikosti od cca 12 000 EO leží hodnoty pod stanoveným benchmarkem. Se snižující se velikostí ČOV roste rozptyl hodnot.

U velikostí ČOV v rozsahu 100 – 10 000 EO leží hodnoty ukazatele ES/BSKpřít. v intervalu <0;10>, ukazatele SE/m3 v intervalu <0;3> a ukazatele EP/1000 EO v intervalu   <0;22>. U těchto ČOV je třeba pokračovat v benchmarkingu až na úroveň jednotlivých procesů a zjistit, proč u některých ČOV je specifická spotřeba elektrické energie na hodnotách benchmarku a v některých případech je až 2-3 násobná. V tomto rozsahu velikostí ČOV pravděpodobně leží i maximální potenciál úspor elektrické energie se značným dopadem na provozní náklady. [4]

  • Energetickou náročnost ČOV je možné hodnotit pomocí vhodných metod benchmarkingu. Každá ČOV je však svým způsobem jedinečná. Při porovnávání energetické náročnosti je proto nutné postupovat od benchmarkingu lokalit k benchmarkingu jednotlivých technologických stupňů (procesů) až k jednotlivým technologickým prvkům (strojům). [4]
  • Bylo ověřeno na reprezentativním vzorku ČOV provozovaných skupinou Energie AG Bohemia, že   rostoucí velikostí ČOV vyjádřenou počtem EO se snižuje rozptyl hodnot specifické spotřeby elektrické energie vztažené na látkové či hydraulické zatížení:
    • u ČOV o velikosti 100 – 10 000 EO je možné hledat nejefektivnější úspory elektrické energie s maximálním dopadem na ekonomiku provozu,
    • hodnocené ČOV s velikostí větší než 12 000 EO nepřekračovaly hodnoty stanovených benchmarků.[4]

 

Energetický dotazník

Hlavní část práce spočívala ve vytvoření dotazníku pro možnou úsporu elektrické energie na čistírnách odpadních vod do 2000 ekvivalentních obyvatel. Dotazník obsahuje hlavní a pomocné ukazatele, které zájemce vyplní a na základě vypsaných údajů se dotazník následně vyhodnotí a zjištěné výsledky se zašlou zpět k zájemci. Počet vyplňovaných ukazatelů v dotazníku je osm. Do dotazníku budou zaznamenány jak obecné údaje o vlastníkovi a provozovateli čistírny odpadních vod, které budou sloužit pro snadnou evidenci, tak údaje o technickém stavu a ekonomice provozu ČOV. Všechny ukazatele jsou přehledně a podrobně popsány, aby nedošlo k chybnému vyplnění dotazníku. Vyhodnocení zapsaných údajů se provede pomocí vyhodnocovacího formuláře, který jednoznačně určí body, které navyšují spotřebu elektrické energie.

Ukazatele obsažené v dotazníku:

  1. obecné údaje,
  2. údaje o vypouštěných odpadních vodách a způsob čištění odpadní vody,
  3. údaje o množství vypouštěných vod,
  4. údaje o jakosti vypouštěných vod v [mg/l],
  5. objekty a strojní zařízení,
  6. ekonomické ukazatele,
  7. řízení provozu čistírny odpadních vod,
  8. pomocné ukazatele.

Každý ukazatel obsahuje několik bodů. Body jsou očíslovány v závislosti na čísle ukazatele. Pro vyhodnocení se použijí hlavní ukazatele č. 5, 6 a 7, které mohou odhalit zvýšenou spotřebu elektrické energie na čistírně odpadních vod. Ostatní ukazatele jsou buď informační, nebo pomocné. Informační ukazatele slouží pro snadnou lokalizaci čistírny odpadních vod, archivaci dotazníku a získání kontaktních údajů o provozovateli nebo majiteli čistírny odpadních vod. Pomocné ukazatele slouží pro snadnější odhalení příčin zvýšeného odběru elektrické energie.

Zapsané hodnoty do ukazatelů 5, 6 a 7 se vyhodnotí pomocí vyhodnocovacího formuláře energetického auditu čistíren odpadních vod. Ve vyhodnocovacím formuláři jsou vypsány kritéria hodnocení. Každé kritérium má číslo. Čísla jsou v rozmezí 1 až 4 přičemž hodnocení číslem 1 je nejlepší a číslem 4 je nejhorší. Po přepsání údajů z energetického dotazníku do vyhodnocovacího formuláře zjistíme, které údaje   v příslušných ukazatelích mají špatné hodnocení, a tím se mohou negativně podílet na spotřebě elektrické energie na čistírně odpadních vod. Číslování technických ukazatelů je shodné s číslováním v energetickém dotazníku, aby byla zaručena přehlednost jednotlivých technických ukazatelů. U jednotlivých technických ukazatelů je vždy zapsána jednotka a stanovení technického ukazatele. Jednotka u technických ukazatelů, či údajů slouží k tomu, aby nedošlo k vyplnění kolonky hodnotou v jiných jednotkách. Stanovení u technických ukazatelů slouží pro upřesnění, zda se technický ukazatel stanoví pomocí výpočtu, měření, anebo pouhou instalací zařízení. V dotazníku pro možnou úsporu elektrické energie na ČOV se vypsané technické ukazatele stanovují pouze výpočtem (V), anebo samotnou instalací příslušného zařízení (I). Každý z vypsaných ukazatelů na sebe váže další pomocné ukazatele a proto je nutné vypsané ukazatele vyplňovat pečlivě a správně.

Hlavní ukazatele z dotazníku pro možnou úsporu elektrické energie na ČOV

Tab. 2 Technické ukazatele pro objekty a strojní zařízení

Tab. 3 Technické ukazatele pro ekonomické ukazatele

Tab. 4 Technické ukazatele pro řízení provozu čistírny odpadních vod

Vyhodnocovací formulář energetického auditu ČOV

Hodnocení ve vyhodnocovacím formuláři probíhá tak, že se vybere ohodnocení 1 až 4 dle zapsaných či vypočtených hodnot z Energetického dotazníku. Číslo 14 se zapíše do sloupce „Hodnocení“ a na základě hodnocení se odhalí ukazatele, které nesplňují požadované parametry. Ideální hodnocení je 12. Hodnocení číslem 3 znamená, že ukazatel je ve špatném stavu a vyžaduje řešení a hodnocení číslem 4 znamená, že ukazatel je ve velmi špatném stavu a potřebuje co nejrychlejší nápravu, anebo řešení. Každý údaj v technickém ukazateli má vypsánu svou jednotku, aby nedošlo k vyplnění kolonky v jiných jednotkách, což by mohlo způsobit nepřesné, anebo nemožné zařazení do ohodnocení.

Spotřeba elektrické energie je vypsána v různých rozmezích, a to v závislosti, zda se jedná o přepočet na kg BSK5, 1m3 OV nebo na ekvivalentního obyvatele. Rozmezí hodnot je odečteno z grafů, které vytvořila Britská firma Meniscus Systems Limited v rámci studie „Energetický benchmarking ČOV“. Zdrojem dat je databáze skupiny Energie AG Bohemia publikovaných v: Databáze ČOV provozovaných společnostmi skupiny Energie AG Bohemia, 2007-2009. Grafy a data, ze kterých byly hodnoty použity do vyhodnocovacího formuláře, jsou podrobně poprány v kapitole: 3.2 Benchmarking ČOV provozovaných skupinou Veolia Voda ve střední Evropě. Ekonomické ukazatele slouží pro prvotní náznak k tomu, že je na čistírně odpadních vod zvýšená spotřeba elektrické energie.

Závěr

Příspěvek byl zpracován v rámci řešení projektu - č. Ta02020676 s názvem "energetická náročnost ČOV a stokových sítí", který je řešen s finanční podporou technologické agentury české republiky TAČR.

Příspěvek se zabývá vymezením vhodných ukazatelů, které mohou přispět k určení příčiny zvýšené spotřeby elektrické energie na čistírnách odpadních vod a navrhnout možná řešení pro úsporu elektrické energie. V úvodní části je stručně popsána problematika energetické optimalizace čistíren odpadních vod, do které spadá jednak popis stávajících trendů u nás i ve světě. Pro zjištění, zda je čistírna odpadních vod ekonomická a úsporná můžeme využít energetických auditů či benchmarkingů. V České republice tento audit nebo benchmark zatím nebyl vytvořen, ale můžeme využít zkušenosti buď z amerických auditů, anebo z auditů vytvořených západními evropskými zeměmi.

Hlavní cíle spočívají ve vytvoření návrhu energetického dotazníku pro možnou úsporu elektrické energie na ČOV do 2000 ekvivalentních obyvatel. Dotazník obsahuje 8 bodů, které mohou určit příčinu zvýšeného množství elektrické energie, pokud tomu tak skutečně je. Pro zjištění zda má čistírna odpadních vod zvýšený odběr elektrické energie využívá dotazník data z grafů Britské firmy Meniscus Systems Limited, která provedla energetický benchmarking ČOV na základě dat z roku 2007 publikovaných OFWAT. Data pochází z 243 ČOV provozovaných v rámci skupiny Energie AG Bohemia.

Dalším cílem bylo vytvořit vyhodnocovací formulář, který ohodnotí jednotlivé údaje. Na základě hodnocení se dá zjistit, které body nesplňují požadované hodnocení v rozmezí 1 až 2 a jsou v hodnocení 3 až 4. V případě, že se nějaký údaj ohodnotí číslem 3 až 4 je nutné přikročit k řešení, které bude doporučeno. Přínos práce může na mnohých čistírnách odpadních vod odhalit neekonomičnost provozu a zahájit tak trend snížení spotřeby elektrické energie, modernizace ČOV, zefektivnění procesu čištění a využití obnovitelných zdrojů energie. Všechny tyto kroky povedou k úspoře elektrické energie, ochraně přírody a estetice procesů.

Použitá literatura

Koncepce-energetickych-uspor-vyuzivani-energie-a-udrzitelneho-rozvoje._Asio.cz [online]. 1.9.2014 [cit. 2014-09-01]. Dostupné z: http://www.asio.cz/cz/127.koncepce-energetickych-uspor-vyuzivani-energie-a-udrzitelneho-rozvoje

[2] RACLAVSKÝ, Jaroslav. Dopady stavu stokové sítě na energetickou náročnost ČOV. In: Energetická náročnost ČOV. Brno: Sdružení oboru vodovodů a kanalizací ČR, 2010, s. 4.

[3] Shi, Cao Ye. Mass Flow and Energy Efficiency of Municipal Wastewater Treatment Plants. Londýn : IWA Publishing, 2011. ISBN 1843393824.

[4] KAVALÍR, Petr. SOUČASNÝ STAV V ENERGETICKÉ NÁROČNOSTI ČOV. In: Energetická náročnost ČOV. Brno: Sdružení oboru vodovodů a kanalizací ČR, 2010, s. 8

Autoři

Ing. Michal Úterský, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, 602 00 Brno

Ing. Petr Hluštík, Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, 602 00 Brno

Recenze

Článek byl recenzován. Recenze jsou uloženy v redakci.

Bibliografická citace

ÚTERSKÝ, M., HLUŠTÍK, P. Návrh technických ukazatelů energetické náročnosti čistíren odpadních vod. Vodovod.info - vodárenský informační portál[online]. 17.12.2014, 12/2014, [cit. 2014-12-17]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.

English Summary

The aim is to propose an assessment of energy-consuming technical indicators of wastewater treatment plant. We focus on formation of energy questionnaire that is used to evaluate the wastewater treatment plant according to the criteria, and subsequently indicate which processes increase energy consumption.