DV010 Report on wastewater to energy_final.

Příloha k průběžné zprávě za rok 2015
Číslo projektu: TE02000077
Název projektu: Smart Regions – Buildings and Settlements Information Modelling,
Technology and Infrastructure for Sustainable Development
Číslo výstupu: TE02000077DV010
Název výstupu: Report on wastewater to energy projects abroad
Datum dosažení: 30.9.2015
Předkládá:
Název organizace: SEWACO s.r.o
Jméno řešitele: Ing. Vojtěch DOLEŽAL, Mgr. Jakub DOLEŽAL
Obsah
1.
Úvod .......................................................................................................................... 4
2.
Klíčové projekty a pracoviště .................................................................................... 6
2.1
Projekty EU .................................................................................................................... 6
2.1.1
Projekt POWERSTEP ............................................................................................... 6
2.1.2
Projekt ENERWATER .............................................................................................. 8
2.1.3
Projekt INNERS ........................................................................................................ 9
2.1.4
Projekt CARISMO................................................................................................... 10
2.2
Projekty WERF ............................................................................................................ 11
2.3
Projekty U. S. EPA, U. S. EERE.................................................................................. 11
2.4
Projekty World Bank GROUP ..................................................................................... 12
2.5
Projekty organizované a podporované IWA ................................................................ 13
2.6
Projekty a aktivity DWA .............................................................................................. 15
2.7
Projekty Institutu ifak a společnosti inCTRL Solutions Inc. ........................................ 15
3.
3.1
3.1.1
Základní rozdělení projektů z oblasti odpadních vod a energetické optimalizace .. 17
Projekty vztahující se k čistírnám odpadních vod ........................................................ 17
Výměna a optimalizace dílčích částí technologií .................................................... 18
3.1.1.1 Výměna provzdušňovacích elementů - projekt KA Lünen-Sesekemündung .......... 19
3.1.1.2 Náhrada stávajících dmychadel za efektivnější dmychadla - projekt The
Skanderborg Waste Water Treatment Plant ............................................................ 20
3.1.1.3 Čerpadla, dílčí čerpací stanice a elektrické motory – projekt WWTP Pogradec
City .......................................................................................................................... 21
3.1.1.4 Dodatečná instalace softwarových systémů řízení odběru a dodávek elektřiny
- projekt Martorell Waste Water treatment Plant..................................................... 22
3.1.2
Využití dodatečných interních a obnovitelných zdrojů energie .............................. 23
3.1.2.1 Využití solární energie k výrobě elektřiny – projekt Aquiris, the BrusselsNorth wastewater treatment plant, projekt Camden County Municipal Utilities
Authority, New Jersey ............................................................................................. 23
3.1.2.2 Vysoušení čistírenských kalů s využitím solární energie–projekt KA Krems ........ 24
3.1.2.3 Využití hydroenergetického potenciálu- projekt KA Ziereberg .............................. 25
3.1.2.4 Využití plynové mikroturbiny pro výrobu elektrické a tepelné energie –
projekt KA Pfungstadt ............................................................................................. 26
3.1.2.5 Projekt ČOV EBMUD – příklad energetické nezávislosti ČOV na základě
výroby bioplynu z dodatečných biodegradabilních odpadů .................................... 28
3.1.3
Komplexní úprava technologie ČOV ...................................................................... 29
2
3.1.3.1 Využití numerické modelování při optimalizaci druhého stupně čištění
(biologická část ČOV) – projekt KA Regensburg ................................................... 30
3.1.3.2 Využití numerického modelování při energetické optimalizaci ČOV – projekt
KA Emden ............................................................................................................... 37
3.1.3.3 Využití numerického modelování při energetické optimalizaci malé ČOV
(9 000 EO) – projekt KA Trebur ............................................................................. 38
3.1.3.4 Pokročilá technologie odstraňování dusíku a fosforu, výroba bioplynu –
projekt Rya WWTP v Göteborgu ............................................................................ 40
3.1.3.5 Komunální ČOV jako zdroj energie – KA Bottrop ................................................. 42
3.2
3.2.1
Projekty vztahující se k odvádění komunálních odpadních vod kanalizační sítí ......... 47
Projekty domovních aplikací a aplikací v sídelních celcích .................................... 48
3.2.1.1 Příklady projektů v domovním systému potrubí odvádějícího odpadní vodu ......... 48
3.2.1.2 Příklady projektů v kanalizačním systému .............................................................. 50
3.2.2
Projekty aplikací v ČOV .......................................................................................... 55
3
1.
Úvod
Zpracování zprávy je výsledkem dlouhodobého monitorování, rešerší a spolupráce se
zahraničními partnery v oblasti řešené problematiky. Aktuální souhrnný přehled stavu mimo
Českou republiku této dynamicky rozvíjející se odborné oblasti optimalizace energetické
náročnosti odvádění a čištění odpadních vod, s cílem dosažení stavu změny zařízení „na
čištění odpadních vod“ na zařízení „produkující druhotné suroviny, energetické zdroje a
energii“, je jedním z podkladů pro práci týmů Centra kompetence SMART REGIONs.
Současně, jak i vzplývá z textu, je již nyní tým zpracovatele zprávy zapojen v řadě případů do
spolupráce s uvedenými pracovišti. Byly zahájeny i konkrétní spolupráce na projektech,
zařazených jako pilotní projekty v rámci Centra kompetence SMART REGIONs. Jsou
vytvořeny předpoklady, aby databáze informací, aktualizovaná a zpracovaná v rámci této
zprávy, byla průběžně aktualizovaná a doplňovaná o poslední poznatky v této problematice a
tedy i řešení problematiky v rámci Centra kompetence SMART REGIONs byla v souladu
s aktuálními poznatky.
Problematika energetické náročnosti odvádění a čištění městských odpadních vod je ve světě
předmětem stále se zvyšujícího zájmu, a to nejméně posledních 10 let. Hlavními důvody
akcelerace zavádění metod optimalizace energetické potřeby a tedy i spotřeby infrastruktury
související s odváděním a čištěním odpadních vod včetně zavádění využívání obnovitelných
zdrojů energií jsou:
zvyšující se ceny energií,
možnosti využívání technologií pro ekonomicky přijatelné získávání energie v rámci
čistíren odpadních vod (ČOV)
využívání obnovitelných zdrojů energie v rámci ČOV
přísnější požadavky na úroveň dosahovaného čištění odpadních vod, resp. požadavků
na kvalitu odtékající vyčištěné odpadní vody a ostatní materiálové výstupy vzniklé při
procesu čištění odpadních vod.
požadavky na opětovné využívání odpadních materiálů; v případě městských
odpadních vod jsou podstatné možnosti využití energetického potenciálu biologicky
rozložitelných látek (např. formou bioplynu) a také možnosti získávání druhotných
surovin (např. fosfor)
ochrana klimatu
zavádění principů cirkulární ekonomiky
implementace národních strategií snižování spotřeb energií s cílem národní
energetické bezpečnosti na základě minimalizace potřeby dovozu energií nebo surovin
k výrobě energie
sociální únosnost cen poplatků za služby související s odváděním a čištěním
odpadních vod.
Postupně se v národním a mezinárodním měřítku formulují soubory metodických doporučení
a návrhy standardizací doporučených technologií. Tyto jsou zaměřeny na způsoby ověřování
efektivity odvádění a čištění městských odpadních vod a nová technologická řešení. Hlavní
oblasti aktuálního zájmu spočívají především ve využívání tepelné energie
4
v systémech odvádění odpadních vod (případně ve vhodných podmínkách i k využívání
hydroenergetického potenciálu) a v přeměně čistíren odpadních vod spotřebovávajících
značná množství energie a produkujících řadu odpadních látek (např. čistírenský kal) na
technologická zařízení materiálového a energetického hospodářství, která minimalizují
potřebu externích dodávek energie, případně jsou zdrojem druhotných surovin. Celá oblast
odvádění a čištění odpadních vod evidentně směřuje k pozitivním, tj. materiálovým a
energetickým, produkčním bilancím, tedy produkci recyklovatelných materiálů a dodávkám
energie (viz kapitola 2)1,2. Ve světě existují již konkrétní příklady „dobré praxe“, které
prokazují naplňování uvedených cílů. Jsou však doposud zastoupeny zpravidla formou
dílčích řešení (viz kapitola 3) a jednotlivých projektů. Pro dosažení uvedených cílů jsou
v této době formulovány již i hlavní směry výzkumu a inovací. Tento směr reprezentují
zejména klíčová pracoviště a mezinárodní projekty (viz kapitola 2).
V posledních několika letech byly řešeny nebo již zahájeny projekty, jejichž ambicí je
prokázat v praxi uvedenou změnu pojetí odvádění a čištění městských odpadních vod. Taktéž
některé instituce a společnosti ve světě se dlouhodobě předmětné problematice věnují a jsou
hlavními místy rozvoje takto zaměřených inovací a výzkumu. Přehled klíčových projektů
(z hlediska komplexnosti řešení), a klíčových světových institucí a společností, které se
aktuálně zabývají koncepčně celkovou problematikou změn vedoucích k využití odpadních
vod jako zdroje surovin a energie, je stručně popsán v kapitole 2. Tento výčet si neklade za
cíl být vyčerpávajícím přehledem hlavních světových pracovišť a jimi řešených projektů. Jsou
uvedeny aktuální klíčové projekty, pracoviště, společnosti a aktivity, které jsou svým
obsahem a rozsahem zásadní a relevantní k řešenému projektu.
Přehled konkrétních zahraničních projektů využívajících vztahujících se k problematice
odpadních vod a energie je uveden v kapitole 3. Základní rozdělení kapitoly je členěno na
projekty vztahující se k čistírnám odpadních vod (ČOV) – kapitola 3.1 a na projekty
vztahující se ke kanalizačním sítím – kapitola 3.2, včetně tepelné energie v odváděných
odpadních vodách v rámci ČOV (podkapitola 3.2.2). Vzhledem k dynamickému vývoji této
problematiky v posledních letech jsou však ve zprávě uváděny zejména aktuální projekty a
aktivity institucí a společností, které byly dostupné v době zpracování zprávy. U starších
projektů a prací bylo při jejich zařazení do zprávy zohledněno zejména hledisko buď
originality, nebo prokázání provozní funkčnosti z hlediska zaváděné technologie či postupu.
Zpracovatelům zprávy se v rámci Centra kompetence SMART REGIONs podařilo v průběhu
prací přípravy vzniku centra a v rámci prací řešené centrem navázat přímý kontakt
s klíčovými (zejména evropskými) pracovišti, která jsou pro řešenou problematiku zásadní.
Tato skutečnost je u projektů a pracovišť (kapitola 2) uvedena. Podařilo se tedy zajistit, že
práce v rámci Centra kompetence SMART REGIONs bude s těmito projekty a pracovišti
koordinována.
1
2
U.S.EPA začíná zavádět pro ČOV namísto dosavadního označování „Wastewater Treatment Plant“
(WWTP) výstižnější název„Water Resource Recovery Facility“ (WRRF) – viz kapitola 2.4
Skupina Světové Banky (WBG) požívá přměřené označení : „Čištění odpadních vod: od nezbytného zla ke
zdroji užitečných produktů“ („Wastewater Treatmenr: from Necessary Evil to a Source of Beneficial
Products“) – viz kapitola 2.5
5
2.
Klíčové projekty a pracoviště
Z hlediska řešené problematiky jsou v současnosti klíčové jak specificky orientované projekty
(obvykle řešené mezinárodními týmy), tak i instituce a společnosti (zpravidla s významnou
mezinárodní a celosvětovou působností), která se dlouhodobě předmětnou problematikou
zabývají. Aktuální přehled těchto nejdůležitějších projektů, institucí a společností je v této
kapitole. Některým významným institucím a společnostem není věnována samostatná
podkapitola a jsou uvedeny „pouze“ jako členové týmů zabývajících se řešením uvedených
projektů větší důraz je kladen na zahraniční projekty řešené v rámci EU, avšak jsou
zohledněny i významné projekty a instituce mimo Evropu.
2.1 Projekty EU
Projekty EU a jejích institucí jsou pro řešenou problematiku klíčové, a to i s ohledem na
skutečnost, že Česká republika je členskou zemí EU. Z hlediska zaměření zprávy jsou
uváděné projekty a a aktivity institucí a společností uváděny i s ohledem na jejich aktuální
stav řešené problematiky.
Důraz je kladen zejména na projekty, které byly buď v rámci plánovacího období EU 20072013 (resp. jejich realizace probíhá až do konce roku 2015), nebo jsou v novém programovém
období EU, tj. 2014 – 2020, zahajovány.
V rámci „evropského prostoru“ jsou významná zapojení a spolupráce s organizacemi EWA3
(EUROPEAN WATER ASSOCIATION) a
EIP - WATER4 European Innovation
Partnerships (Matschmaking for Water Innovation). Obě uvedené organizace jsou nejenom
důležitým informačním zdrojem, ale jsou i významné při prosazování nových technologií,
postupů a metodik. Taktéž jsou vhodnou platformou pro zapojování odborných týmů do
mezinárodních projektů v rámci EU. Zpracovatel zprávy s oběmi institucemi spolupracuje.
2.1.1 Projekt POWERSTEP
Projekt POWERSTEP5 byl schválen Evropskou komisí6 v rámci programu Horizont 2020,
dílčí části 3.5.4 „Enabling the transition towards a green economy and society through ecoinnovation“ na základě výzvy „WATER – 1a-2014 - First application and market
replication“. Období řešení projektu je od 1. 7. 2015 do 1. 7. 2018. Celkový rozpočet je 5 174
tis. EUR, přičemž dotace z EU je 3 997 tis. EUR.
Projekt si klade za cíl demonstrovat na 6 konkrétních příkladech velkých ČOV, ve 4 zemích
EU (Švédsko, Dánsko, Rakousko, Německo) a Švýcarsku inovativní koncepty dostupných
technologií čištění odpadních vod s cílem výsledné pozitivní bilance energie celé ČOV
(z tiskové zprávy při schválení projektu: „The initiative involves 15 European partners who
3
http://www.ewa-online.eu
http://www.eip-water.eu
5
http://www.powerstep.eu
6
http://cordis.europa.eu/project/rcn/196805_en.html
4
6
have joined forces to revolutionise wastewater treatment processes by converting Sewage
Treatment Plants (STEPs) into power production facilities (POWER) while achieving a
high effluent quality for the treated wastewater“).
Budou uplatněny zejména procesy: extrakce uhlíku (pre-filtrace), inovativní odstraňování
dusíku (pokročilé systémy řízení procesu, využití reaktoru s vodními rostlinami: okřehkem
malým - Lemna minor), využití bioplynu v rámci SMART GRID, využití tepla při výrobě
elektřiny (mj. turbíny na principu Rankinova cyklu), ukládání tepelné energie a další
inovativní procesy čištění odpadních vod (nitrifikace, membránové technologie). Posouzení
nasazení jednotlivých technologií bude řešeno na základě modelování procesu čištění
odpadních vod, energetické a tepelné bilance, efektu „uhlíkové stopy“ a optimalizace
celkového řešení. Základní projektové cíle jsou rozděleny do celkem 7 pracovních balíčků7:
V projektu je přímo zapojeno 15 partnerů ze 7 zemí EU8, kteří se dlouhodobě předmětné
problematice věnují. Řada inovativních prací a projektů, zaměřených na dílčí problematiku je
řešena samostatně i některými z partnerů projektu:
KWB KOMPETENZZENTRUM WASSER BERLIN GEMEINNÜTZIGE GmbH (DE) –
koordinátor projektu
TECHNISCHE UNIVERSITAET WIEN (AT)
EIDGENOESSISCHE
ANSTALT
FUER
WASSERVERSORGUNG
ABWASSERREINIGUNG UND GEWAESSERSCHUTZ - EAWAG (CH)
FRAUNHOFER INSTITUTE FOR PHYSICAL MEASUREMENT TECHNIQUES IPM (DE)
VEOLIA DEUTSCHLAND GmbH (DE)
VEOLIA WATER TECHNOLOGIES AB (AnoxKaldnes AB & Hydrotech) (SE)
7
http://www.infrawatt.ch/sites/default/files/2015_06_18_BerlinerWasserwerkstatt_Energiepositive%20Kl%C3%
A4rwerke.pdf
8
Spolupracujícími společnostmi jsou: Krüger A/S (DK) a Beratungs- und Service Gesellschaft Umwelt (DE)
7
NEAS ENERGY AS (DK)
BIOFOS AS (DK)
BERLINER WASSERBETRIEBE (DE)
UMWELTBUNDESAMT (DE)
ELECTROCHAEA DK APS (DK)
APS AQUA PLANT SOLUTIONS GmbH (DE)
SUSTEC CONSULTING & CONTRACTING BV (NL)
ATEMIS GmbH (DE)
ARCTIK SPRL (BE)
Vzhledem k tematice řešené problematiky zahájil zpracovatel zprávy s koordinátorem
projektu jednání o zapojení se do tohoto ambiciózního projektu EU formou spolupracující
společnosti. Je reálný předpoklad, že se zpracovatel zprávy počátkem roku 2016 stane
spolupracující organizací (společně i s vybranými dalšími zahraničními partnery s nimiž na
této problematice spolupracuje – viz kapitoly 2.5, 2.6, 2.7) – obdobně jako u dále
popisovaného projektu ENERWATER (kap. 2.1.2).
2.1.2 Projekt ENERWATER9
Dalším projektem financovaným z programu HORIZON 2020 je projekt ENERWATER.
Projekt byl zahájen 1. Března 2015 a bude trvat 36 měsíců, tedy do března 2018. Projekt
s rozpočetem 1 731 087 EUR byl schválen v rámci H2020- EU.3.3.7. - Market uptake of
energy innovation - building on Intelligent Energy Europe: EE-16-2014 - Organisational
innovation to increase energy efficiency in industry. Cílem projektu je zpracovat metody a
metodiky (včetně online) pro zjištění a ověření energetické efektivity čistíren odpadních vod.
Uvedené práce budou realizovány na velkém souboru 65 čistíren odpadních vod. Očekává se,
že aplikací projektem ověřovaných metod dojde u jednotlivých ČOV ke snížení energetické
náročnosti o 11 – 30% spotřeby energie oproti stávajícímu stavu.
Základní členové 9 členného projektového týmu jsou:
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA (Spain) – koordinátor projektu
WELLNESS SMART CITIES SLU (Spain)
ASOCIACION ESPAÑOLA DE NORMALIZACION Y CERTIFICACION (Spain)
CRANFIELD UNIVERSITY (United Kingdom)
UNIVERSITA DEGLI STUDI DI VERONA (Italy)
FACHHOCHSCHULE KÖLN (Germany)
ENERGIA TERRITORIO RISORSE AMBIENTALI - ETRA SPA (Italy)
AGGERVERBAND (Germany)
ESPINA & DELFIN SL (Spain)
9
http://www.enerwater.eu
8
Projekt ENERWATER definoval své hlavní cíle, které jsou uvedeny v chronologickém
pořadí:
O1: studie o aktuálním stavu energie stávajících ČOV a určit nejlepším případové
scénáře, osvědčené postupy & nejlepší dostupné technologie. (základní zpráva)
O2: Stanovení kritérií energetického benchmarkingu a tyto zavést do veřejně přístupné
databáze.
O3: Definovat a ověřovat standardní metodiku a klasifikaci pro hodnocení energetické
efektivnosti. Cílem je vedení odborných auditorův oblasti, jak hodnotit energetickou
účinnost ČOV , tj. umožnit zařadit ČOV v několika kategoriích (A, B, C, D, podobně
jako Průkaz energetické náročnosti pro budovy)
O4: Vyvinout a ověřit on-line webovou aplikaci automatizované metodiky, která bude
provádět proces energetické diagnostiky ČOV.
O5: Podpořit diskuzi a dialog mezi členskými státy v oblasti energetiky vodního
hospodářství a dalšími zájmovými účastníky.
O6: Pro řešení hlavních otázek aktivovat vytvoření směrnice EU.
O7: Šířit metodiku pro její rychlejší používání na trhu a její akceptaci. Zpracovat návrh
a přispět k tvorbě nové evropské standardizace.
O8: Posoudit vliv na společnost, hospodářství a životní prostředí
V rámci projektu již byly zpracovány první 3 pracovní podklady.
Vzhledem k tomu, že řešený projekt je svojí problematikou velmi blízký i části prací Centra
kompetence SMART REGIONs, zahájil v září 2015 zpracovatel zprávy jednání o spolupráci
(cestou německého universitního partnera). Je předpoklad, že počátkem roku 2016 bude
společné pracovní setkání u koordinátora projektu (Španělsko) a dohodne se forma
dlouhodobé spolupráce. Je reálný předpoklad, že se zpracovatel zprávy stane počátkem roku
2016 spolupracující organizací (společně i s vybranými dalšími zahraničními partnery s nimiž
na této problematice spolupracuje – viz kapitoly 2.5, 2.6, 2.7) – obdobně jako u projektu
POWERSTEP (kap. 2.1.1).
2.1.3 Projekt INNERS
Řešení projektu INNERS10, který trval 3 roky a byl úspěšně ukončen v červenci 2015, bylo
v rámci programu EU - INTERREG IVB (rozpočet projektu: 1 mil. EUR, podíl dotace
EU: 50%). Do projektu bylo zapojeno celkem 11 partnerů z 6 zemí EU (Holandsko, Velká
Británie, Francie, Německo, Belgie, Lucembursko). Práce byly zaměřeny do 4 hlavních
pracovních okruhů, a to:
Jaký je energetický potenciál při využívání vody (pitné a odpadní vody)
v urbanizovaném území?
Jak využít tepelné energie vody v rámci oběhu vody (pitné a odpadní vody)
v urbanizovaném území?
10
http://inners.eu
9
Jak snížit spotřebu energie a jak získávat energii ze zdrojů spojených
s hospodaření s vodou v urbanizovaném území?
Jak podporovat přechod k udržitelnému využívání vody v urbanizovaných
územích?
V rámci projektu byla zpracována řada studií a realizovalo se sedm pilotních projektů11
(zpravidla v rámci projektové přípravy). Základní závěry projektu jsou:
Vodohospodářské služby (pitná a odpadní voda) spotřebovávají velké množství
energie, přičemž oblast úpravy a distribuce pitné vody se podílí přibližně stejným
podílem na spotřebě energie jako odvádění a čištění odpadních vod. Největší
množství energie je spotřebováváno na ohřev vody.
Je nezbytné využívat odpadní teplo z použité vody. Volba místa odběru (nejlépe
co nejblíže místu vypouštění teplé vody) a také odebírané množství tepla však
musí být voleno s ohledem na místní podmínky a také na možný negativní vliv
snížení teploty vody, a to např. na provoz ČOV.
ČOV v severozápadní Evropě mohou dosáhnout celkového snížení spotřeby
energie až o 30 % zejména optimalizací provozování. Je reálné dosáhnout snížení
až o 45 %, a to uplatněním energeticky efektivních technologií.
Pro dosažení změny, kdy budou vodohospodářská zařízení využívána jako zdroj
energie, je třeba zapojit široké spektrum skupin obyvatel s cílem odstraňování
řady současných bariér.
2.1.4 Projekt CARISMO
Projekt CARISMO12 („Carbon si Money“), jehož řešitelem v letech 2011 – 2014 bylo
Kompetenzzentrum Wasser Berlin gGmbH ve spolupráci s BERLINER WASSERBETRIEBE
a VEOLIA DEUTSCHLAND GmbH, měl rozpočet 689 tis. EUR. Základním cílem projektu
bylo na pilotním projektu změnou a doplněním technologie prokázat možnost významného
zvýšení energetické soběstačnosti ČOV. Principielní změnou je možnost technologického
využití primárního kalu a jeho využití při výrobě bioplynu – viz schéma:
11
12
http://inners.eu/technical-specialists/
http://www.kompetenz-wasser.de/CARISMO.519.0.html
10
Uvedený princip byl testován po dobu 18 měsíců a prokázal, že již pro ČOV s kapacitou
100 000 EO je možné dosáhnout zefektivněním technologických procesů a touto úpravou
přebytkové energetické bilance.
Pozn: Řešitelé projektu jsou současně zapojeni i do nového projektu EU POWERSTEP (viz
kapitola 2.1.1), tedy spolupráce a možná aplikace poznatků se předpokládá v rámci
této spolupráce.
2.2 Projekty WERF
WERF (The Water Environment Research Foundation)13, založená v roce 1989, je
neziskovou, nezávislou, vědeckou a inovativní organizací působící v oblasti odpadních a
dešťových vod. Za období své působnosti již úspěšně financovala výzkumné a inovační
projekty ve výši více než 130 mil USD. V oblasti svého působení je vedoucí organizací tohoto
typu na americkém kontinentě. Spolupracuje jak s vodárenskými organizacemi odpovědnými
za odvádění a čištění odpadních vod na území USA, Kanady, Austrálie. V Evropě se poté
jedná o Dánsko. Dále také spolupracuje se státními organizacemi, s více než padesáti
významnými korporacemi se sídlem v USA, Kanadě, Rakousku, Norsku a v neposlední řadě i
s průmyslovými společnostmi (řada korporací a společností má celosvětovou působnost).
Významná je také spolupráce s IWA (The International Water Association)14
Za zásadní z hlediska projektem řešené problematiky (jehož je zpráva součástí) jsou aktuálně
vydané publikace v roce 2015 vzniklé v rámci projektů financovaných WERF:
A Guide to Net-Zero Energy Solutions for Water Resource Recovery
Facilities15 (souhrn metodických doporučení vyplývající z tohoto projektu je
stručně popsán v kapitole 3.1.3)
Demonstrated Energy Neutrality Leadership: A Study of Five Champions of
Change16 (uváděných 5 demonstračních příkladů je stručně popsáno v kapitole
3.1.3)
2.3 Projekty U. S. EPA, U. S. EERE
V USA jsou mimořádně významné státní organizace US EPA (United States Environmental
Protection Agency)17 a EERE (The Office of Energy Efficiency and Renewable Energy)18,
které podporují, podílí se na realizaci a zveřejňují (včetně školení) dlouhodobě celou řadu
projektů a akcí zaměřených na problematiku energetické a materiálové optimalizace při
odvádění a čištění odpadních vod19.
13
http://www.werf.org/default.aspx?ignoreredirect=1
http://www.iwa-network.org
15
https://www.werf.org/a/ka/Search/ResearchProfile.aspx?ReportId=ENER1C12
16
https://www.werf.org/a/ka/Search/ResearchProfile.aspx?ReportId=ENER1C12b
17
http://www3.epa.gov
18
http://www.energy.gov/eere/about-us
19
http://www3.epa.gov/statelocalclimate/documents/pdf/wastewater-guide.pdf
14
11
Aktuálně relevantní publikací těchto organizací (připravené ve spolupráci s dalšími
organizacemi jako jsou U. S. Department of Energy, and the National Science Foundation) je
např. zpráva: „ENERGY POSITIVE WATER RESOURCE RECOVERY WORKSHOP
REPORT, duben 2015“20, která systematicky shrnuje očekávané a nutné směry inovací a
investic s cílem dosažení stavu čistíren odpadních vod tak, aby byly nazývány „Water
Resource Recovery Facility“ (WRRF) namísto dosavadního označování „Wastewater
Treatment Plant“ (WWTP). Souhrn základních poznatků z uvedené zprávy je obsažen
v kapitole 4.
2.4 Projekty World Bank GROUP
Skupina Světové banky (WBG)21 celosvětově dlouhodobě působí v rozvojových zemích, kde
se významným způsobem podílí mj. na výstavbě infrastruktury pro odvádění a čištění
odpadních vod. V řadě zemí světa je hlavním financujícím subjektem takovéto výstavby
infrastruktury. Současně i s realizací staveb poskytuje v zemích svého působení i školení a
vzdělávání personálu, který tuto infrastrukturu po jejím dokončení bude provozovat a
v dalším období bude i odpovědný za její údržbu, rekonstrukci a rozvoj. Pracovníci WBG
také působí na další celosvětově rozsáhlé skupiny obyvatel (včetně politiků) v rámci edukace
a projektů financovaných WBG ve směru ekonomického rozvoje země.
Z hlediska řešené problematiky WBG vydala v uplynulém období řadu publikací a
doporučení. Pro potřeby této zprávy uvádíme jako příklad 2 zprávy WBG projektů, které jsou
relevantní k řešené problematice, a to:
Vazquez Alvarez, Victor; Buchauer, Konrad – „East Asia and Pacific Wastewater to Energy Processes: A Technical Note for Utility Managers in
EAP Countries: Main report“22, WBG, Washington, leden 2015
ESMAP: „A Primer on Energy Efficiency for Municipal Water and
Wastewater Utilities“23, Technical report 001/12, WBG, Washington, únor 2012
Zpráva „East Asia and Pacific - Wastewater to Energy Processes: A Technical Note for
Utility Managers in EAP Countries: Main Report vydaná v lednu 2015 byla zpracovaná
v rámci projektu WCG týmem více než 20 odborníků WBG programu „Water and Sanitation
Program“ (WSP) a dále s pomocí expertů z Austrálie, USA, Brazílie, Bolívie, Nikaragui a
Rakouska. I když je tato zpráva určena zemím z východní Asie (East Asian Countries – EAP),
obsahuje řadu obecně platných metodických doporučení, a to na základě vyhodnocení řady
technologických zařízení a reálných provozních hodnot. Ve svých hlavních kapitolách uvádí
zpráva řadu obecně aplikovatelných podnětných informací a praktických doporučení. Zpráva
také uvádí srovnání klíčových provozních hodnot ČOV jak v oblasti zemí EAP, tak je
20
http://www.energy.gov/eere/bioenergy/energy-positive-water-resource-recovery-workshop-report
http://www.worldbank.org
22
http://documents.worldbank.org/curated/en/2015/08/24877700/east-asia-pacific-wastewater-energy-processestechnical-note-utility-managers-eap-countries-vol-3-annexes
23
http://documents.worldbank.org/curated/en/2012/02/16253058/primer-energy-efficiency-municipal-waterwastewater-utilities
21
12
porovnává i s hodnotami v Evropě, severní a jižní Americe a Austrálii. V kapitole 4, trefně
nazvané „Čištění odpadních vod: od nezbytného zla ke zdroji užitečných produktů“
(„Wastewater Treatmenr: from Necessary Evil to a Source of Beneficial Products“), je
pospána potřeba a výhodnost instalace technologií schopných v rámci procesu čištění
odpadních vod produkovat bioplyn a následně elektřinu. V dalších částech je na praktických
hodnotách dokumentována výhodnost řešení technologie ČOV s využitím produkce bioplynu.
Zajímavostí zprávy je i komentář k opětovně používaným skrápěným biologickým filtrům, a
to zejména z hlediska jejich nízké energetické náročnosti a dosahovaných dobrých provozních
výsledků. Součástí kapitoly 8 je i postup dokumentovaný na konkrétním příkladě porovnání a
ekonomického vyhodnocení 3 variant návrhu technologie ČOV (pozn.: jako nejvýhodnější je
variant označená C a případně B, tj. využívající výroby bioplynu, kde je i investiční
návratnost v rozsahu 6,6 – 7,2 let). V poslední kapitole (10) je souhrn postupných 6
základních manažerských kroků při rozhodování o volbě technologického řešení ČOV. I když
je tento postup popsán jednoduše, jsou jeho zásady obecně aplikovatelné.
Ve zprávě „A Primer on Energy Efficiency for Municipal Water and Wastewater
Utilities“ vydané v roce 2013, je uváděna řada statistických hodnot souvisejících se spotřebou
energie v oblasti vodovodů a kanalizací. Zpráva identifikuje oblasti, kde je možné dosáhnout
efektivních energetických úspor (např. u čerpadel a čerpacích stanic odhaduje potenciální
úspory energie v rozsahu 5 – 30 %; ČOV s aerobním procesem čištění až 50 %; při
zpracování kalu až 25 %). Ve zprávě (kapitola 2) jsou také komentovány důvody a rizika při
zavádění postupů a technologií pro optimalizaci spotřeb energie. Poměrně rozsáhle zpráva v
kapitole 3 komentuje manažerské postupy, doporučení a možnosti financování, které jsou
efektivní při zavádění energetických úspor. V závěrečné kapitole jsou popsány technické
postupy, které vedou ke zvýšení energetické efektivity předmětných vodohospodářských
technologií.
2.5 Projekty organizované a podporované IWA
IWA (The International Water Association, http://www.iwa-network.org) je nevládní,
nezisková, profesní celosvětová organizace založená v roce 1999 se sídlem v Londýně, která
sdružuje více než 8 500 členů, 530 korporací ze 165 zemí. Vydává 13 vědeckých a inovačních
periodik zaměřených na problematiku vodního hospodářství a ročně pořádá po celém světě
takřka 40 mezinárodních odborně orientovaných konferencí.
Významnou činností IWA jsou její pracovní odborné skupiny, které jsou členěny podle
jednotlivých odborných problematik. Tyto pracovní skupiny nejenom zaujímají stanoviska
k těmto okruhům, ale i zpracovávají základní strategické dokumenty, podílejí se na zadáních
výzkumných a inovačních projektů, pořádají odborné celosvětové diskuse a odborné akce,
kde jsou prezentovány nové metody, zkušenosti a praktické příklady.
Aktuálně pracuje celkem 49 odborných skupin. Na práci těchto odborných skupin se podílí
experti vybíraní z celého světa. Z hlediska projektem řešené problematiky, tj. energetická a
materiálová optimalizace ČOV jsou relevantní zejména tyto pracovní skupiny:
13
Advanced Oxidation Processes (AOPs)24
Předsedou skupiny je prof. M.Sievers, CUTEC – Institut, Německo (s institutem a
M. Sieversem je aktivní spolupráce)
Anaerobic Digestion (AD)25
Členem skupiny je prof. P.Jeníček (VŠCHT Praha, Ústav technologie vody a
prostředí)
Design, Operation and Cost of Large Wastewater Treatment Plants26
Instrumentation, Control and Automation (ICA)27
místopředsedou skupiny je L.Rieger, společnost inCTRL solutions Inc., Kanada
(se společností a s L. Riegerem je zahájena spolupráce – viz také kap. 1.8)
Modelling and Integrated Assesment28
Členem skupiny je M.Schutze, Institut ifak Magdeburg, Německo (s institutem a s
M.Schutzem je aktivní spolupráce – viz také kap. 1.8)
Sludge Management29
Problematiku energetické optimalizace ČOV doposud řeší zejména odborná skupina „Design,
Operation and Cost of Large Wastewater Treatment Plants“. Tato odborná skupina pořádala
v září 2015 v Praze (Pozn.: konference se zpracovatel zprávy zúčastnil) svoji celosvětovou
odbornou konferenci30, kde se aktuálním řešením a zkušenostmi z projektů v sekci 4 a 5
zabývalo 6 specializovaných přednášek31.
Významnými výstupy odborných skupin jsou i publikované metodiky a praktické příklady
řešení dílčích odborných témat. Pro řešení problematiky energetické optimalizace odvádění a
čištění odpadních vod jsou z těchto souhrnných dokumentů IWA zejména relevantní:
Guidelines for Using Activated Sludge Models32, 09/2012
Mass Flow and Energy Efficiency of Municipal Wastewater Treatment
Plants33,09/2011
Sewage Treatment Plants: Economic Evaluation of Innovative Technologies for
Energy Efficiency34,05/2015
(Pozn: uvedené dokumenty jsou u zpracovatele zprávy)
24
http://www.iwa-network.org/specialist/advanced-oxidation-processes
http://www.iwa-network.org/specialist/anaerobic-digestion
26
http://www.iwa-network.org/specialist/design-operation-and-costs-of-large-wastewater-treatment-plants
27
http://www.iwa-network.org/specialist/instrumentation-control-and-automation
28
http://www.iwa-network.org/specialist/modelling-and-integrated-assessment
29
http://www.iwa-network.org/specialist/sludge-management
30
http://www.lwwtp2015.org
31
http://www.lwwtp2015.org/detailed-programme.htm
32
http://www.iwapublishing.com/books/9781843391746/guidelines-using-activated-sludge-models
33
http://www.iwapublishing.com/books/9781843393825/mass-flow-and-energy-efficiency-municipalwastewater-treatment-plants
34
http://www.iwapublishing.com/books/9781780405018/sewage-treatment-plants-economic-evaluationinnovative-technologies-energy
25
14
2.6 Projekty a aktivity DWA
DWA35 (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V.) je německé
nezávislé sdružení pro oblast vodního a odpadového hospodářství celoevropského významu.
Tradice tohoto odborného sdružení je již od konce 19. století, avšak oficiální předchůdce –
sdružení ATV (Abwassertechnische Vereinigung) bylo založeno „až“ v roce 1948. Aktuální
pojmenování DWA je užíváno od roku 2004. DWA má více než 14 000 členů, celkem cca
3 500 spolupracujících odborníků, kteří se následně podílejí na práci takřka 300
specializovaných grémií. DWA je významným členem i oborových celosvětových organizací.
Jedním z výsledků práce sdružení jsou pravidelně vydávaná technická doporučení a oborová
pravidla (tato jsou obvykle dále přejímána do norem). DWA se významným způsobem podílí
na výzkumu a inovacích v oboru své působnosti a to nejen v Německu.
Z hlediska řešené problematiky vztahující se k ČOV je zcela zásadní dokument vydaný DWA
v dubnu 2013 v rámci technických doporučení pod označením „Arbeitsblatt DWA-A 216
Energiecheck und Energieanalyse – Instrumente zur energieoptimierung von
abwasseramlagen“36. DWA aplikuje u tohoto typu dokumentů obvykle dvouleté období
odborných diskusí, připomínek a zkušeností. Po tomto období jsou zapracovány relevantní
připomínky a je vydáno definitivní vydání. Lze tedy očekávat, že konečná verze dokumentu
bude vydána do konce roku 2015. Doporučení a základní pravidla z tohoto technického
doporučení jsou v kapitole 3.1.3.
Možnosti využití energie z odpadních vod (technické podmínky, způsoby dimenzování,
výpočty, základy finanční analýzy) v kanalizačních systémech a souvisejících zařízeních jsou
zpracovány v dokumentu „Advisory Guidelina DWA-M 114E Energy from Wastewater –
Thermal and Potential Energy“37 , zpracovaný v roce 2009 a aktualizovaný v roce 2015
(včetně překladu do angličtiny). Doporučení a základní pravidla z tohoto technického
doporučení jsou v kapitole 3.2.
Vzhledem k rozsahu činností DWA jsou pro konkrétní návrhy infrastruktury a technologií
odvádění a čištění odpadních vod zpracovány podrobná dílčí technická doporučení a pravidla,
jejichž výčet ve zprávě neuvádíme. Je předpoklad, že po vydání konečné verze uvedeného
dokumentu DWA – A 216 budou aktualizována a upravena i relevantní stávající dílčí
technická doporučení.
2.7 Projekty Institutu ifak a společnosti inCTRL Solutions Inc.
Institut ifak (Institut für Automation und Kommunikation, Magdeburg, Německo) 38 a s ním
spolupracující kanadská společnost inCTRL Solutions Inc.39 se dlouhodobě zabývají
problematikou numerického modelování jak technologických procesů čištění odpadních vod
35
http://de.dwa.de
Tento dokument je možné získat pouze po zaplacení; zpracovatelé zprávy mají zakoupená práva k jeho
používání
37
Tento dokument je možné získat pouze po zaplacení; zpracovatelé zprávy mají zakoupená práva k jeho
používání
38
https://www.ifak.eu
39
http://www.inctrl.ca
36
15
(včetně bioplynových stanic), tak i odvádění odpadních vod a vlivu vypouštění odpadních vod
(resp. bodových zdrojů znečištění) do povrchových toků. V rámci dlouhodobých aktivit
zaměřených na uvedenou problematiku postupně vybudovali jak komplexní numerické
modelovací nástroje (aktuální verze jsou označovány SIMBA#) schopné velmi dobré
simulace technologických procesů a energetických potřeb tak i softwarové prostředí pro řízení
procesů na reálných ČOV a bioplynových stanicích, které vychází z modelů numerické
simulace. Tyto práce výše uvedené organizace rozvíjejí více než 20 let v rámci základní
spolupracující sítě uživatelů a aktivních partnerských organizací.
V oblasti rozvoje tohoto numerického modelovacího prostředí tak již vytvořili významnou
funkční síť spolupracujících institucí a firem. Tato aktivní skupina nyní čítá v Evropě 40
základních spolupracujících míst celkem v dohromady 10 zemích (Německo, Holandsko,
Rakousko, Luxemburg, Švýcarsko, Lichtenštejnské knížectví, Česká republika40, Francie,
Španělsko a Finsko) a více než 100 aktivních uživatelů (i mimo uvedené země). V posledních
3 letech se rozvíjejí obdobně aktivity na severoamerickém kontinentu, zejména v Kanadě a
USA, kde je vytvářena obdobná funkční síť spolupracovníků a uživatelů (tyto jsou
koordinovány z Kanady společností inCTRL Solutions Inc.).
V rámci svého zaměření na tuto problematiku jsou pracovníci obou institucí dlouhodobě
taktéž aktivně zapojeni v relevantních mezinárodních a odborných organizacích jako
významní členové odborných skupin (IWA – viz kapitola 2.6, DWA – 3 pracovníci ifak jsou
členy odborných pracovních skupin IFAC41). Jsou také spoluředitelé řady mezinárodních
projektů, které se zabývají komplexním řešením energetické optimalizace a městské
infrastruktury42. Příklady využití numerických modelů v rámci projektů energetické
optimalizace ČOV jsou uvedeny v kapitole 3.1.3.
40
Česká republika je zastoupena společností zpracovatele zprávy
IFAC- International Federation of Automatic Control, http://www.ifac-control.org
42
https://www.ifak.eu/projekte/filtered?tid%5B%5D=31
41
16
3.
Základní rozdělení projektů
energetické optimalizace
z oblasti
odpadních
vod
a
Zahraniční projekty, které jsou zaměřeny na optimalizaci spotřeby energií, resp. na
minimalizaci externích energetických vstupů ve stavbách a zařízeních pro odvádění a čištění
odpadních vod, je možné rozdělit z hlediska základní infrastruktury na :
Projekty vztahující se k čistírnám odpadních vod, tj. čištění odpadních vod
Projekty vztahující se ke kanalizační síti, tj. odvádění odpadních vod
Samostatně lze vyčlenit projekty, které jsou zaměřené na :
Metodiku ověřování energetické účinnosti („energetický audit“)
Vývoj nových technologií a zařízení (požadavky na minimalizaci spotřeby energií
jsou již zpravidla zapracovány do podmínek vývoje)
V dalších částech zprávy jsou rozpracovány v samostatných kapitolách první 3 oblasti
projektů, tj. projekty vztahující se k čistírnám odpadních vod, kanalizační síti a energetickému
auditu. Oblast vývoje nových technologií a zařízení není v této zprávě rozpracována, protože
analýza těchto projektů je předmětem dílčích prací na vývoji technologií v rámci
samostatných jiných projektů Centra kompetence SMART REGIONs.
3.1 Projekty vztahující se k čistírnám odpadních vod
Spotřeba a výroba energie v rámci technologického procesu čištění odpadních vod odpovídá
zejména technologickému uspořádání a stupni procesu čištění odpadních vod. Práce zaměřené
na energetickou efektivitu ČOV také odpovídají finančním možnostem investora a výchozímu
aktuálnímu stavu ČOV, resp. čištění odpadních vod. Tedy i přístup k realizaci energetické
optimalizace ČOV na konkrétních projektech tomuto odpovídá. Z tohoto hlediska je i
rozdělení příkladů projektů mimo ČR zabývajících se realizací energetické optimalizace
ČOV, a to na projekty, kde je dominantní:
Výměna a optimalizace dílčích částí technologií (kap. 3.1.1)
Využití dodatečných interních a obnovitelných zdrojů energie (kap. 3.1.2)
Komplexní úprava technologie ČOV (kap. 3.1.3)
V uvedených dílčích kapitolách jsou na konkrétních příkladech projektů stručně popsány
principy úprav ČOV a i shrnutí výsledků realizované energetické optimalizace. Přiměřeně
jsou uvedeny i elektronicky dostupné odkazy na obdobné projekty.
17
3.1.1 Výměna a optimalizace dílčích částí technologií
Základní technologické schéma jednoho z často používaných technologických uspořádání
ČOV - biologické ČOV s aeračními nádržemi je na obr.43 (pozn.: označený „4. stupeň“ –
terciální čištění není aktuálně častým stupněm ČOV, jeho aplikace do praxe se teprve
prosazuje) :
Všeobecně uznávanou skutečností, kterou uvádí projektové analýzy, je fakt, že největším
konzumentem elektrické energie je 3. stupeň ČOV, tj. sekundární čištění, které se obvykle
podílí na 50-70% spotřeby elektrické energie celé ČOV. Tento fakt potvrzují i vlastní měření
zpracovatele (pilotní projekt ČOV Boskovice, která nemá oproti uvedenému schématu
terciální čištění – 4. stupeň ČOV a nemá ani produkci bioplynu) je zřejmé, že největším
spotřebitelem elektrické energie je právě biologická linka ČOV (takřka 70% spotřeby
elektrické energie). Co se týče spotřeby energie, je dalším velkým konzumentem „kalové
hospodářství“ – 5. stupeň ČOV, a to v případě, kdy součástí není výroba bioplynu:
Kalové
hospodářství
28,6%
Biologická linka ostatní
21,7%
43
Ostatní
0,1%
Mechanický
stupeň
1,4%
Biologická linka dmychadla
48,1%
Standard method and online tool for assessing amd improving the energy efficiency of waste water treatment
plants, Deliverable 2.1 Study of Publisher energy data, ENERWATER project, 2015,
http://www.enerwater.eu/wp-content/uploads/2015/10/ENERWATER_D2.1-Study-of-published-energydata-Will-contain-data-of-at-least-500-WWTPs.pdf
18
Na základě analýzy spotřeb energií ČOV je tedy zřejmé, že u projektů zaměřených na
optimalizaci energetické náročnosti v případě výměny a optimalizace dílčích částí se
pozornost soustředí zejména na technologickou část těchto dvou stupňů ČOV (Pozn.:
v případě kalové koncovky je častější celková změna celé technologie zacházení s kalem, a to
zejména s cílem produkce bioplynu (viz kap. 3.1.3).
3.1.1.1 Výměna provzdušňovacích elementů - projekt KA Lünen-Sesekemündung
Významným projektem dokumentujícím realizaci opatření energetické optimalizace ČOV
výměnou provzdušňovacích elementů je KA Lünen-Sesekemündung, Německo 44. ČOV
má kapacitu 200 000 EO. 3 aktivační nádrže, které mají objem 25 500 m3. Základem úpravy
realizované v roce 2011 byla výměna stávajících provzdušňovacích elementů - talířů (na
obrázku označení „Alte Belüfterteller“) za nové provzdušňovací elementy (na obrázku
označení „Alte Belüfterplatten)“ s vyšší účinností provzdušňování, v těchto nádržích:
Realizací projektu výměny provzdušňovacích elementů, resp. potřebě nižšího množství
vzduchu při dosažení stejného efektu provzdušnění aktivačních nádrží. Tedy je významně
nižší potřeba dodávky vzduchu z dmychadel a tedy i nižší spotřeba elektrické energie
potřebné pro pohon dmychadel.
Projekt se realizoval z provozních důvodů ve dvou fázích, a to nejdříve v jedné aktivační
nádrži (na následujícím grafu označené jako „BB1“) a v dalším časovém kroku ve zbývajících
44
http://www.bmbf.innovationsforum-wasserwirtschaft.de/downloads/20131126_1330_Frehmann.pdf
19
dvou nádržích (v následujícím grafu označených „BB2 und BB3“). Z měření vyplývá, že před
realizací projektu byla průměrná hodinová potřeba dodávky vzduchu 9 765 m3/h , po realizaci
projektu 5 160 m3/h. Z hlediska energetické potřeby tohoto stupně ČOV došlo celkově o
snížení potřeby elektrické energie o cca 25%. Průběh dodávaného množství vzduchu (na grafu
označeno na ose y jako „QL“ v jednotlivých aeračních nádržích v období před a po realizaci
projektu ukazuje následující graf:
3.1.1.2 Náhrada stávajících dmychadel za efektivnější dmychadla - projekt The
Skanderborg Waste Water Treatment Plant
Příkladem projektu, který řešil náhradu stávajících dmychadel za efektivnější dmychadla
je např. projekt z Dánska: The Skanderborg Waste Water Treatment Plant45, realizovaný
v roce 2011. Podstatou významného zvýšení energetické efektivity dodávek vzduchu do
aeračních nádrží byla výměna stávajících spirálových dmychadel za šroubová dmychadla,
která mají v průměru o cca 30% vyšší účinnost.
Dánský projekt „The Skanderborg Waste Water Treatment Plant“ je zajímavý tím, že
k výměně došlo nejdříve u jedné aerační nádrže - č.2 (dvě dmychadla) a jedna aerační nádržč.1 zůstala s původními dmychadly. Bylo tedy možné měřit při stejném rovnoměrném
zatěžování a výkonu obou aeračních nádrží spotřeby energií. Toto měření bylo v období
maximálního zatížení ČOV v srpnu 2011.
45
http://www.efficiencyblowers.com/microsites/Images/Skanderborg_English_tcm559-3527320.pdf
20
Příklad konstrukce šroubového dmychadla ukazuje obrázek:
Rozdílné hodnoty po dobu měření ukázaly, že spotřeba elektrické energie u první (původní)
linky byla 19 989 kWh a u druhé (s novými dmychadly) byla 14 492 kWh. Tedy rozdíl ve
výši 5 497 kWh je pokles o 28% potřebné energie.
3.1.1.3 Čerpadla, dílčí čerpací stanice a elektrické motory – projekt WWTP
Pogradec City
Dalšími potenciálními zdroji úspor v rámci revize a úprav stávajících technologických
zařízení ČOV jsou čerpadla, dílčí čerpací stanice a elektrické motory. U čerpadel a
čerpacích stanic lze podle hydraulických parametrů ČOV očekávat možné energetické úspory
zejména jejich výměnou za účinnější, změnou režimu provozu (např. využitím systémů
proměnného výkonu řízením otáček motoru). Totéž platí i pro další elektrické motorické
pohony (např. pohony dosazovacích nádrží, pádlová míchadla a pod). Ze zahraničních
projektů je zkušenost, že potenciální úspory elektrické energie těmito úpravami
technologických částí je možné očekávat zpravidla ve výši 5-10% (výjimečně až do 30%) –
viz např. zpráva ESMAP: „A Primer on Energy Efficiency fo Municipal Water and
Wastewater Utilities“46 (tab. 2.1, str. 13) – viz kapitola 2.4.
Jako příklad projektu zvýšení energetické efektivity ČOV revize čerpadel a elektrických
pohonů uvádíme projekt WWTP Pogradec city z Albanie47 (spolufinancovaný WBG). Na
ČOV Pogradec je napojeno cca 25 000 obyvatel a dalších cca 75 000 obyvatel vesnic ve
spádovém území ČOV. Hydraulická kapacita ČOV je 1,68 mil. m3/rok. Výměnou pohonů
motorů čerpadel v ČOV za motory s proměnným řízením otáček a kompletní výměnou
motorů v čerpací stanici. Současně s výměnou pohonů čerpadel ČOV a čerpací stanice byl
instalován „inteligentní systém řízení“ odběru elektřiny. Celkově tyto úpravy dosahují až 30%
úspory nákladů za elektrickou energii.
46
http://documents.worldbank.org/curated/en/2012/02/16253058/primer-energy-efficiency-municipal-waterwastewater-utilities
47
http://www.erru.al/doc/WRA_A3_Improvement_of_Energy_Eficiency_in_WWTP_of_POGRADEC_final.pdf
21
Pozn.: v Evropské unii je však uvedení čerpadel a dalších elektrických motorů do stavu vysoké
účinnosti nastaveno vydáním „Nařízení Komise (ES) 640/2009, kterým se provádí
směrnice Evropského parlamentu a Rady 2005/32/ES, pokud jde o požadavky na
ekodesign elektromotorů“ upravená Nařízením komise (EU) č.4/2014. Toto
aktualizované nařízení zavádí požadavky na třídy účinnosti u jednotlivých velikostí
výkonu motorů, přičemž je maximálně uplatňován od 1. ledna 2015 požadavek na
třídu účinnosti IE3 (velká účinnost - Premium) a v případě motoru s účinností IE2
(zvýšená účinnost – High) musí být motor napájen a řízen z měničů frekvence. Přední
světoví výrobci však již připravují na trh i motory v nově zavedené třídě účinnosti IE4
(velmi vysoká účinnost – super Premium). Jejich zavádění na trh i legislativní podporu
lze očekávat ještě před koncem roku 2020. V praxi tato ustanovení znamenají, že po
1. lednu 2015 musí být tyto podmínky plněny i při jakékoliv výměně zařízení; u
investičních akcí je toto již nezbytnou podmínkou.
3.1.1.4 Dodatečná instalace softwarových systémů řízení odběru a dodávek
elektřiny - projekt Martorell Waste Water treatment Plant
Prokazatelné v rámci projektů jsou i úspory elektrické energie získané dodatečnou instalací
softwarových systémů řízení odběru a dodávek elektřiny. Dobrým příkladem je pilotní
projekt „Martorell Waste Water treatment Plant, Barcelona, Španělsko“48, kde byl tento
systém instalován. Princip systému je znázorněn na obrázku:
48
http://circutor.es/docs/CE_EDAR_EN.pdf
22
Výsledkem realizace projektu, kdy byla sledována jeho účinnost po dobu 12 měsíců
porovnáním hodnot, které byly získávány již 12 měsíců před instalací systému a v průběhu
dalších 12 měsíců, kdy byl systém již instalován. Dosažená úspora byla 69 745 kWh/rok, tj.
8,6% celkové spotřeby energie. Z technologických zařízení, které byly systémem řízeny, se na
uvedené celkové hodnotě úspor podílely:
čerpadla instalovaná v ČOV ……. 4 560 kWh/rok
čerpadla v čerpací stanici Anonia … 3 825 kWh/rok
dmychadla aeračního systému ……61 360 kWh/rok
3.1.2 Využití dodatečných interních a obnovitelných zdrojů energie
Rozvoj technologií pro využití obnovitelných zdrojů společně s ekonomickým efektem při
jejich používání je zřetelný i v oblasti ČOV. Jejich aplikace je jak pro zhodnocení doposud
nevyužívaných interních zdrojích energie ČOV (tepelné, biochemické, elektrické), tak i pro
využívání energie z externích obnovitelných zdrojů pro potřeby provozování ČOV.
Technologie pro využívání energie z externích obnovitelných zdrojů jsou v konkrétních
projektech buď součástí souboru technologických zařízení ČOV, nebo jsou tyto obnovitelné
zdroje energie ČOV zapojovány do tzv. „SMART GRIDs“. V případě ČOV jako součást
SMART GRIDs:
ČOV využívá přebytečnou energii z externích (vzdálených) zdrojů obnovitelné
energie pro svůj provoz
ČOV dodává přebytky energetických výstupů z obnovitelných zdrojů umístěných jako
součást ČOV k dalšímu využití mimo provoz ČOV
ČOV pracuje v kombinovaném režimu využívání i dodávek energie z obnovitelných
zdrojů
3.1.2.1 Využití solární energie k výrobě elektřiny – projekt Aquiris, the BrusselsNorth wastewater treatment plant, projekt Camden County Municipal
Utilities Authority, New Jersey
Instalace fotovoltaických panelů v rámci areálu ČOV a efektivní zapojení vyráběné elektřiny
do technologického řešení ČOV (tj. zejména optimalizace využití elektrické energie z tohoto
zdroje) je předmětem pilotního projektu největší belgické ČOV AQUARIS - the BrusselsNorth WWTP49 realizovaného v roce 201350. Relativně rozsáhlá instalace 10 000 solárních
panelů byla možná na střeše provozních budov o ploše 25 000 m2. Tímto vznikla solární
elektrárna o výkonu 3 MW. Touto investicí došlo ke zvýšení využívání vlastních zdrojů
energie ČOV z původních 18% na 25%.
V případě, že není vhodná plocha střech pro instalaci fotovoltaických panelů, je u některých
projektů využitá volná plocha nad otevřenými nádržemi ČOV. Takovýmto příkladem je např.
49
50
https://www.vacon.com/imagevaultfiles/id_5709/cf_2/vacon-generating-solar-energy-at-a-water-treatment.pdf
http://www.aquiris.be/en/article.php?ident=10
23
projekt Camden County Municipal Utilities Authority, New Jersey, USA51, kde v roce
2012 takto instalovali více než 7 200 solárních panelů s výkonem 1,8 MW na konstrukci nad
otevřené nádrže:
Instalovaný fotovoltaický systém je schopen generovat elektřinu v množství nejméně cca
2 200 MWh/rok.
3.1.2.2 Vysoušení čistírenských kalů s využitím solární energie–projekt KA Krems
Využití solární energie na vysoušení kalu je používáno zejména z důvodů jak snížení
hmotnosti kalu, nebo zlepšení vlastností pro jeho další využití (zpravidla energetické využití).
Do zařízení vstupuje kal obvykle s obsahem sušiny cca 20% a je vysušen na obsah sušiny cca
90%. Takto vysušený kal je dále využit buď v rámci technologie ČOV (viz např. projekt KA
Bottrop – kapitola 3.1.3.5) nebo je odvezen na místo konečného využití.
Celková rekonstrukce ČOV Krems, Rakousko52byla dokončena v roce 2013. ČOV má
průměrné zatížení odpovídající cca 107 000 EO (je schopna pracovat až do maximálního
zatížení odpovídající cca 226 000 EO; pozn.: ČOV zpracovává odpadní vodu z vinařské
oblasti, tj. je vysoká rozkolísanost látkového zatížení v průběhu roku). Součástí technologie53
jsou i haly k dosoušení kalu, které využívají solárního záření:
51
http://www.ncpc.gov/files/projects/Blue_Plains_Advanced_Wastewater_Treatment_Plant_Solar_Photovoltaic_
Panel_Arrays_Feasibility_Study_7619_Nov2014.pdf
52
http://www.gav-krems.at/kla_neu_details.html#schlammtrocknung
53
http://www.gav-krems.at/kla_neu.html
24
Základní princip funkce zařízení je na obrázku příčného řezu54:
Kde: 1-budova, 2-vniřní ventilace, 3-provzdušňovací klapky, 4- ventilátory k výměně
vzduchu, 5- podlaha s drenáží, 6- řídící jednotka propojená s odpovídajícími senzory
a akčními členy, 7- elektrické samonaváděcí vozítko („Elektrische Schwein“), které
promíchává a nakypřuje kal podle aktuálně zjišťovaných lokálních parametrů
Využitím těchto zařízení dochází ke snížení potřeby energie oproti stávajícím postupům
zpracování kalu.
3.1.2.3 Využití hydroenergetického potenciálu- projekt KA Ziereberg
„Mini-vodní elektrárna“ umístěná na odtoku z ČOV Zierenbergu (Německo) byla uvedena do
provozu v září 201455. Pracuje s průměrným odtokem 50 l/s a tlakovým spádem 0,4 baru.
Průměr miniturbíny je 200 mm a je navržena na výkon 1 kW (Pozn.: návrh miniturbín je
navrhován na konkrétní podmínky s využitím numerického modelování). Roční výkon se
předpokládá 8 750 kWh/rok:
54
http://www.thermo-system.com/fileadmin/user_upload/PDF_Datei/deutsch/Prospekt_KS_de_151223.pdf
http://www.hna.de/lokales/wolfhagen/zierenberg-ort78080/mini-kraftwerk-macht-abwasser-energie3878236.html
55
25
V závislosti na možnostech hydroenergetického potenciálu (tj. zejména průtoku a
využitelnému tlakovému rozdílu) jsou používány i rozdílné konstrukce strojního řešení
vodních turbín. Doposud se tato možnost využití hydroenergetického potenciálu málo
využívala (kromě aplikací s významným tlakovým rozdílem – např. při takovém umístění
ČOV, kde musí být odpadní voda trvale čerpána do vyšších míst - řádů více než 10 metrů,
nebo je velký tlakový spád mezi vyústěním ČOV a místem vtoku vyčištěných odpadních vod
do toku). V současnosti jsou ale již takové konstrukce turbín, včetně šnekových turbín (pro
využití malých spádů), které jsou v ČOV využívány.
3.1.2.4 Využití plynové mikroturbiny pro výrobu elektrické a tepelné energie –
projekt KA Pfungstadt
Jednou z možností zvýšení energetické soběstačnosti ČOV je i efektivní využití bioplynu
instalací plynové mikroturbíny (dále „MGT“). Demonstrační projekt zvýšení energetické
efektivity ČOV Pfungstadt56, spolufinancovaný z EU fondů, byl dokončen v roce 2011.
ČOV má kapacitu 45 000 EO a kromě této kapacity zpracovává kal z další místní ČOV
s kapacitou 8 000 EO. V rámci projektu byla instalovaná „Mikrogasturbine Typ Capstone
C65“57. Schéma úprav a zapojení MGT (označeno červeně) je zřejmé z obrázku:
56
57
http://www.pfungstadt.de/aktuelles/news/klaeranlage-pfungstadt.html
http://www.stadtwerke-pfungstadt.de/pdf/14154_Pfungstadt_MGT_Pr%E4sentation.pdf
26
Konstrukce mikroturbíny (viz obrázek řezu) a podrobné schéma jejího zapojení ukazují
obrázky, ze kterých je i zřejmý princip funkce:
ČOV má průměrnou roční spotřebu elektrické energie cca 1 300 MWh/rok a spotřebu tepla
cca 1 200 MWh/rok. Před instalací MGT (tj. do roku 2011) byla kotelna (ve schématu=
„Heizung“) s výkonem 630W doplněná doplňkovým spalováním bioplynu (ve schematu je
zřejmá produkce bioplynu ze zásobníku kalu = „Faulturm“ a jeho příprava ke spalování
v zařízení označeném „Gas“) a topného oleje („Öl“). Vyrovnání potřeby bioplynu při
spalování bylo prostřednictvím plynového zásobníku („Gasspeicher“). V případě přebytku
bioplynu, který nemohl být spálen, byl tento neefektivně spálen do ovzduší ve „Fackel“.
Teplo bylo využíváno pro vyhřívání stabilizační nádrže kalu („Faulturm“), provozní budovy,
ostatních budov ČOV a v blízkosti stojícího zahradnictví. Takto bylo ročně využito cca
220 000 m3 bioplynu z celkového vyprodukovaného množství ČOV o objemu 366 000 m3 (tj.
účinnost využití vyrobeného množství bioplynu byla cca 60%).
Technologie plynové mikroturbína (MGT) je známá a úspěšně používaná v leteckém
průmyslu. V technologiích ČOV se objevuje v posledních cca 15 letech. Využitím MGT
dochází jak k výrobě elektrické energie, tak i k výrobě tepla. Tedy MGT se stává primárním
zdrojem energie, který je podle potřeby „pouze“ doplňován stávajícími technologiemi (např.
doplňková výroba tepla spalováním topného oleje).
V roce 2013 pracovala mikroturbina 1 795 hod, vyrobila 116,7 MWh/rok elektřiny a 106,7
MWh/rok tepla. Z hlediska CO2 došlo k úspoře 245 t/rok. Zvýšilo se využití ČOV
produkovaného bioplynu z 60% na 87%.
27
3.1.2.5 Projekt ČOV EBMUD – příklad energetické nezávislosti ČOV na základě
výroby bioplynu z dodatečných biodegradabilních odpadů
EBMUD (East Bay Municipal Utility District), USA je veřejnou společností, založenou
v roce 1923 v Californii se sídlem v Oaklandu58 za účelem poskytování vodohospodářských
služeb v regionu. V současnosti EBMUD zajišťuje zásobování cca 1,3 mil. obyvatel vodou.
ČOV EBMUD zajišťuje čištění odpadních vod pro 650 000 obyvatel východního pobřeží San
Franciského zálivu. Průměrný denní přítok odpadních vod na ČOV je cca 227 000 m3/den.
Základní uspořádání ČOV ukazuje letecký snímek59:
Zařízení bylo postaveno v 50-tých letech 20. století, a již v době své výstavby mělo 12
anaerobních zásobníků, které produkovaly bioplyn ze zbytků potravinářského průmyslu.
V době výstavby byl takto získaný bioplyn bez dalšího využití neefektivně spálen do ovzduší
ve „Fackel“.Mezi roky 1985 – 2004 byl tento bioplyn energeticky využíván na výrobu
energie, od roku 2004, kdy již byl nedostatek zdroje organické hmoty z potravinářského
průmyslu, byla výroba bioplynu zastavena.
V roce 2012 byla dokončena základní rekonstrukce zařízení za účelem návratu k výrobě
bioplynu v kombinaci s čistírenskými kaly60. Zařízení zpracovává odpady z restaurací a
potravinářského průmyslu (cca 20 – 40 t/den) společně s dalšími biodegradabilními látkami
(např. odpad z produkce vína, drůbežáren). Vzhledem k tomuto dodatečnému látkovému
58
https://www.ebmud.com/about-us/who-we-are/mission-and-history
https://www.google.cz/maps/@37.825047,-122.2965788,603m/data=!3m1!1e3
60
https://www.ebmud.com/wastewater/recycling-water-and-energy
59
28
vstupu k čistírenským kalům je zařízení schopno vyrobit vysoké množství bioplynu. Tento je
spalován v plynových turbogenerátorech (ve 3 původních o menším výkonu a jednom o nově
instalovaném v roce 2011 s výkonem 4,5 MW) a je vyráběna elektřina. Výkon
turbogenerátorů je 11 MW, což je prakticky 120% potřeby elektřiny celého zařízení čištění
odpadních vod. Obrázek ukazuje část zařízení, kde je vidět bezpečnostní zařízení pro spálení
přebytečného bioplynu -„Fackel“:
Pro aplikaci poznatků z tohoto projektu je důležité si uvědomit širší okolnosti, za kterých v
ČOV EBMUD došlo k takto masivní dlouhodobé možnosti efektivní výroby bioplynu, resp.
elektřiny z bioplynu. Efekt možnosti dlouhodobě využívat biodegradabilní materiál pro jeho
zpracování v zařízení, které je standardně zaměřeno na čištění odpadních vod, umožnila
zejména lokální legislativní změna ve věci podmínek likvidace biodegradabilních složek
(včetně odpadů z restaurací) na skládky. Původní ČOV se stává místem materiálového a
energetického hospodaření, i když celé zařízení neprošlo důkladnou rekonstrukcí a
optimalizací celého provozu.
Pozn.: aktuální situace přijetí legislativy EU v oblasti biodegradabilních odpadů a současně i
národního plánu odpadového hospodářství způsobuje již od roku 2015 tlak na separaci
komunálních biodegradabilních složek a taktéž definuje od roku 2023 faktické uzavření
skládek, resp. možnost ukládání odpadů, které mj. v žádném případě nebudou obsahovat
biodegradabilní složky
3.1.3 Komplexní úprava technologie ČOV
Aktuální možnosti nově používaných technologií v oblasti čištění odpadních vod, využívání
energie, obnovitelných zdrojů, opětovného využití materiálů, včetně možností měření a řízení
technologických procesů, společně s vyvinutými numerickými modely umožňují reálné
úpravy (případně zcela nové návrhy) řešení ČOV. Dominantní směr těchto úprav je přeměna
ČOV (čistíren odpadních vod) na centra materiálového a energetického hospodářství, tedy tak
jak uvádí např. ve své zprávě U.S. EPA (viz kapitola 2) namísto dosavadního označování
„Wastewater Treatment Plant“ (WWTP). Naplňovat nové označování těchto zařízení
„Water Resource Recovery Facility“ (WRRF). Pozn.: v české odborné terminologii není
ještě pro toto anglické označení stabilizovaný odborný výraz. Aktuálně jsou zahájena řešení a
29
realizace pilotních projektů, které mají prokázat reálnost takovýchto řešení – viz např. nově
zahajovaný projekt POWERSTEP (viz kapitola 2.1.1) jehož ukončení se předpokládá v roce
2017, spolufinancovaný z programu EU HORIZONT 2020.
Dále dokumentované projekty ukazují dílčí kroky, které vedou k tomuto aktuálnímu cíli, tj.
dosáhnout u stávajících ČOV stavu, kdy zařízení je namísto energetického konzumenta
producentem energie a namísto produkce dalších odpadů je maximalizovaná produkce
materiálů a látek dále opětovně využívaných. Tento aktuální trend vede k zapojování
stávajících ČOV do širšího řetězce jak látkových (materiálových) a energetických toků
v rámci principů SMART REGIONs, SMART CITYs a SMART GRID.
3.1.3.1 Využití numerické modelování při optimalizaci druhého stupně čištění
(biologická část ČOV) – projekt KA Regensburg
ČOV Regensburg, Německo má kapacitu 400.000 EO. Biologická část ČOV je technologie
s předřazenou denitrifikací. Nově zahajovaný projekt energetické optimalizace provozu ČOV
Regensburg měl za cíl v první fázi (studie61) ověřit možné zvýšení úrovně čištění odpadních
vod a potenciální možnosti energetické optimalizace při maximálním využití stávající
infrastruktury. Letecký pohled na ČOV Regensburg ukazuje obrázek:
61
Bischoff,A.,Loock,P: Dynamische Simulation mit SIMBA# zur verfahrenstechnischen Optimierung der
Belebungsanlage
des
Klärwerks
Regensburg,.,
SIMBA-Anwendertreffen,
Potsdam,
2015
https://www.ifak.eu/sites/www.ifak.eu/files/Wasser%20%26%20Energie/SIMBA_Programm.pdf
30
Předmětem projektu (studie) bylo numerickým modelováním ověřit a doporučit řešení, které
povede k optimalizaci spotřeby energie a využije zejména nitrifikační (označení „Nitri“) a
denitrifikační nádrže (označení „Deni“) – viz obrázek:
Numerické modelování bylo s využitím softwaru SIMBA#62 a reálných měřených provozních
hodnot z ČOV Regensburg. Základní kroky postupu řešení (popsané v bodech I –IV) byly:
I.
Byl sestaven numerický model stávajícího stavu:
II.
S využitím provozních údajů byl numerický model validován. Příklady výstupů
validace jsou na obrázcích (bezdeštné období, teplota vody 19°C):
62
http://simba.ifak.eu/content/simba-sharp-water
31
III.
Navrhované 4 úpravy, které byly numericky modelovány, jsou rozděleny do 3 skupin
(označené jako „Varianty A – C“), přičemž první skupina (označená jako „Varianta
A“), má ještě dvě podvarianty označené jako A1 a A2. Stručný popis těchto 3
základních variant, s využitím prezentovaných vstupů pro numerické modelování je:
III.1 Varianta A (dílčí A1, A2):
v tabulce jsou sloupce označující variantu („Var.“), popis varianty („Beschreibung“),
popis měřené hodnoty („Messwert“), požadovanou hodnotu („Sollwert“) a
nastavovanou proměnnou hodnotu („Stellwert“).:
nulová varianta odpovídá stávajícímu stavu.
varianta A1 (se stávajícím strojním vybavením) předpokládá provoz na maximální
hodnotě průtoku recirkulace – 6 000 m3/h. Měřenou hodnotou pro řízení je obsah
rozpuštěného O2 v nádrži.
varianta A2 (s vyměněnými recirkulačními čerpadly za větší) předpokládá provoz na
maximální hodnotě průtoku recirkulace – 9 600 m3/h. Měřenou hodnotou pro řízení
je obsah rozpuštěného O2 v nádrži. U obou variant A1 a A2 je požadovaná hodnota
rozpuštěných dusičnanů NO3-N na odtoku z denitrifikace je 1,5mg/l.
32
III.2 Varianta B:
předpokládá podélné zónování v jednotlivých nádržích nitrifikace a začlenění
směšovací zóny. Interní recirkulační průtok se předpokládá 7 000 m3/h. Měřenou
hodnotou pro řízení je obsah rozpuštěného O2 v nádrži (avšak na 2 místech) a obsah
rozpuštěného amoniakálního dusíku NH4-N. Požadovaná hodnota rozpuštěných
dusičnanů NO3-N na odtoku z denitrifikace 1,5 mg/l a rozpuštěného amoniakálního
dusíku NH4-N na odtoku z aktivačních nádrží je v rozpětí 0,6-1,8 mg/l. Hodnota
rozpuštěného amoniakálního dusíku NH4-N na odtoku z aktivačních nádrží je řízena
regulací provzdušňování.
33
III.3 Varianta C:
předpokládá obdobně jako ve variantě B podélné zónování v jednotlivých nádržích
nitrifikace. Namísto začlenění směšovací zóny je začleněna dodatečná denitrifikační
zóna. Interní recirkulační průtok se předpokládá využitím čerpadel s vyšším
výkonem 9 600 m3/h. Měřenou hodnotou pro řízení je obsah rozpuštěného O2
v nádrži měřený jako u varianty B na 2 místech a obsah rozpuštěného amoniakálního
dusíku NH4-N. Požadovaná hodnota rozpuštěných dusičnanů NO3-N na odtoku
z denitrifikace je 2,5 mg/l. Hodnota rozpuštěného amoniakálního dusíku NH4-N na
odtoku z aktivačních nádrží je řízena regulací provzdušňování.
34
IV.
Výsledky variant numerického modelování jsou dokumentovány na příkladech výstupů
z numerického modelu:
Graf koncentrace rozpuštěného amoniakálního dusíku NH4-N [mg/l] při teplotě 12°C
z odtoku dosazovacích nádrží (NKB = Nachklärbecken) v jednotlivých dnech
Graf koncentrace rozpuštěného celkového anorganického dusíku NCELK,ANORG [mg/l]
při teplotě 12°C z odtoku dosazovacích nádrží (NKB = Nachklärbecken)
v jednotlivých dnech
Kromě kontroly dosahovaných hodnot koncentrací vypouštěných rozpuštěných látek
ve vyčištěné odpadní vodě jsou podstatné pro rozhodování o volbě varianty, která
bude realizovaná, i hodnoty energetické spotřeby.
35
Výsledky modelování kumulativních hodnot roční spotřeby elektrické energie
biologické části technologie ČOV podle jednotlivých variant ukazují následující 2
grafy. V každém grafu jsou zavedeny dvě osy y, kdy na jedné jsou hodnoty ročních
koncentrací rozpuštěných látek na odtoku z ČOV – „Ablaufkonzentration“
(NCELK,ANORG – průměrná hodnota; NCELK,ANORG – maximální hodnota, amoniakální
dusík NH4-N - průměrná hodnota, amoniakální dusík NH4-N - maximální hodnota).
Na druhé ose y je měřítko pro celkovou roční spotřebu elektrické energie
(„Stromverbrauch“) v milionech kWh/rok. Numerický model umožňuje řadu dílčích
hodnocení a různě simulovaných provozních situacích. Jako příklad uvádíme
grafické znázornění výstupů při teplotě vody 12°C.
Celkové závěry numerického modelování možných variant řešení, odpovídající zadání
investora, prokazují, že uvedeným způsobem lze na základě aplikace numerického modelu
provozu ČOV vybrat vhodnou variantu úpravy ČOV. Z výsledků je zřejmé, že je nejenom
možné dosáhnout i zlepšení koncentrací látek ve vypouštěné vyčištěné odpadní vodě, ale
současně je i možné snížit roční spotřebu energie. Navrhované varianty snižují roční spotřebu
elektrické energie oproti stávajícímu stavu o cca 3 – 12%.
Využívání numerických metod modelování provozu ČOV při návrzích jak optimalizace
energetické spotřeby, tak i úpravy koncentrací odtékajících látek v odpadní vodě jsou
aplikovány v řadě projektů mimo ČR. V posledních několika letech se stávají nedílnou
součástí zpracování projektů, ověřování stávajícího stavu provozování a i návrhů na provozní
látkovou a energetickou optimalizaci.
36
3.1.3.2 Využití numerického modelování při energetické optimalizaci ČOV – projekt
KA Emden
Obdobně jako u předchozího projektu KA Regensburg bylo pro celkovou optimalizaci
provozu ČOV Emden, Německo využito zásadním způsobem matematické modelování
s využitím softwaru SIMBA#, a to jak při úvodních pracech v roce 201163, tak i při přípravě
realizace projektu spojeného s optimalizací využití bioplynu v roce 201364 a následujících
letech, v rámci postupné energetické a látkové optimalizace ČOV.
Centrální ČOV Emden má kapacitu 90 000 EO, přičemž je celkově připojená kapacita 75 000
EO. V závislosti na klimatických podmínkách se průměrný denní přítok odpadní vody na
ČOV pohybuje v rozmězí 11 000 – 25 000 m3. Pohled na ČOV ukazuje obrázek:
Z hlediska využití poznatků tohoto zahraničního projektu je vhodné zdůraznit:
Účelem matematického modelování bylo zejména materiálově a energeticky
optimalizovat stávající provoz ČOV. Z hlediska látkových toků byly posuzovány
varianty vzhledem k požadavkům vypouštěného znečištění z ČOV (zejména
amoniakálního dusíku NH4-N). K dispozici byly při kalibraci modelu jak on-line
provozní data, ale i výsledky laboratorních rozborů.
Jako varianty byl posuzován různý režim provzdušňování Pro potřeby numerického
modelování, které bylo kalibrováno na provozní hodnoty ČOV, byly simulovány různé
režimy provozu systému provzdušňování.
63
64
https://www.dbu.de/media/1310110346290m7t.pdf
http://www.bmbf.innovationsforum-wasserwirtschaft.de/downloads/20131126_1330_Lindenthal.pdf
37
Pro potřeby prací byl zpracován celkový numericky model – jeho strukturu ukazuje
obrázek:
Tento model byl zpracován v software SIMBA a obsahuje i moduly energetické
spotřeby a produkci bioplynu.
Na základě systematicky prováděných prací byl doporučen provozní režim, který dociluje
26% – 32% úsporu elektrické energie oproti původnímu stavu. Tyto úpravy byly předmětem
změny způsobu měření, regulace a řízení provozu ČOV. V současnosti je připravován projekt
celkové materiálové a energetické optimalizace ČOV, včetně části produkující bioplyn.
3.1.3.3 Využití numerického modelování při energetické optimalizaci malé ČOV
(9 000 EO) – projekt KA Trebur
Projekt ČOV Trebur65, Německo s kapacitou 9 000 EO, dokumentuje, že i pro ČOV o malé
kapacitě (ve srovnání s předcházejícími případy ČOV s kapacitou 400 000 EO – viz kap.
3.1.3.1 a 90 000 EO – viz kap.3.1.3.2) je vhodné využít současného stavu numerického
modelování pro návrh materiálové a energetické optimalizace – ČOV viz obrázek:.
65
http://www.a2i.de , http://www.a2i.de/cms/de/taetigkeitsfelder/klaeranlage/energieanalysen.html
38
Projekt byl připraven počátkem roku 2013, jeho realizace byla v období srpen 2013 – září
201466. Nyní jsou k dispozici provozní hodnoty, které plně potvrzují předpoklady zjištěné
pomocí numerického modelu. Pomocí modelu, který byl nastaven v první fázi na stávající
provozní hodnoty, byl optimalizován provozní režim pomocí těchto úprav:
Změna provozního uspořádání stávajících aktivačních nádrží:
o stávající paralelně zapojené nitrifikační nádrže byly přepojeny do sériového
zapojení (tj. lineární průtok).
o V přední části nádrží (vysoce zatěžované) byl zvýšen počet provzdušňovacích
elementů
o Režim provzdušňování byl upraven instalací měřicí sondy a úpravou řídícího
systému na řízení závislé na obsahu rozpuštěného amoniakálního dusíku NH4-N .
Kontrola obsahu rozpuštěného O2 byla zachována.
o Recirkulační čerpadla byla doplněna frekvenčními měniči za účelem lepšího a
efektivnějšího řízení.
Těmito úpravami bylo dosaženo roční úspory elektrické energie ve výši cca 15 000
kWh/rok.
Další opatření:
o Výměna česlí, pračky písku za nová zařízení s významně vyšší energetickou
efektivitou
o Změna režimu čerpání přitékající odpadní vody změnou čerpadel za čerpadla
frekvenčně řízená
Realizovaná další opatření dokumentují obrázky (pračka písku, česle a čerpací stanice):
66
http://www.trebur.de/html/umwelt/Abwasser_2015/Sanierung_rechenhalle_Betriebsgebauude2013-2014.pdf
39
Připraveným opatřením je umístění fotovoltaických panelů v rámci ČOV, řídícího systému
optimalizace spotřeby a dodávek elektrické energie (viz např. kap.3.1.1.4). Tímto se sníží
potřeba dodávek elektrické energie z externích zdrojů. Je předpoklad, že již realizovaná
opatření doplněná plánovaným krokem instalace fotovoltaických panelů (včetně řídícího
systému spotřeby a dodávek elektrické energie) docílí celkovou úsporu cca 24% elektrické
energie, tj. cca 52 000 kWh/rok (celková roční spotřeba před zahájením realizace projektu
byla cca 216 000 kWh/rok).
3.1.3.4 Pokročilá technologie odstraňování dusíku a fosforu, výroba bioplynu –
projekt Rya WWTP v Göteborgu
ČOV Rya67 s kapacitou látkového zatížení odpovídající cca 730 000 EO68 a maximálním
hydraulickým zatížením do 4,5 m3/s je vlastněna 7 švédskými městy a obcemi, a to: Ale,
Göteborg, Härryda, Kungälv, Lerum, Mölndal and Partille, pro které zajišťuje čištění
odpadních vod. ČOV postavená v roce 1972 byla, postupně upravovaná v letech 1997-1998,
2006 a komplexně rekonstruovaná ke splnění nových požadavků kvality odtékající vody z
ČOV v roce 2014.
Základními podmínkami rekonstrukce bylo dlouhodobé dosažení požadavků na kvalitu
vypouštěné odpadní vody (maximální hodnoty):
BOD7:
10mg/l,
celkový fosfor :
0,4 mg/l
(průměrná roční hodnota 0,3 mg/l, tato hodnota je i současně
maximální hodnotou v měsících březen-květen a červen – srpen)
celkový dusík:
10 mg/l
Pozn: požadavek Směrnice EU 91/271/EHS o čištění městských odpadních vod 69 pro
citlivé oblasti: Celkový fosfor 1 mg/l a celkový dusík 15 mg/l, resp. 10 mg/l,
Technické řešení ČOV po konečné rekonstrukci uvádí popis technologického procesu ČOV70
(technologické schéma je na obrázku na následující stránce).
Z hlediska pokročilých technologií použitých v ČOV Rya je vhodné zdůraznit zejména:
technologii odstraňování dusíku s využitím nitrifikačních skrápěných filtrů (s
plastovými nosiči nitrifikačních bakterií) s následnou denitrifikací. Denitrifikační
proces je spojen s řízeným dávkováním metanolu a kyseliny fosforečné (potřebné pro
denitrifikační bakterie)
využití rotačních deskových filtrů za sekundárním stupněm čištění pro odstraňování
mikročástic obsahujících fosfor
67
http://www.gryaab.se/admin/bildbank/uploads/Dokument/Broschyrer/Allmanbroschyr_eng_klar.pdf
http://www.gryaab.se/admin/bildbank/uploads/Dokument/English/Fact_sheet_Gryaab_2013_med_process.pdf
69
Viz http://eur-lex.europa.eu/legal-content/CS/TXT/PDF/?uri=CELEX:31991L0271&from=EN
ve znění http://eur-lex.europa.eu/legal-content/CS/TXT/PDF/?uri=CELEX:31998L0015&from=EN
70
http://www.gryaab.se/admin/bildbank/uploads/Dokument/M1240-0001_Gryaab_engelsk_8.pdf
68
40
Obrázek: Technologické schéma ČOV Rya
.
ČOV Rya je též aktuálně příkladem postupu výběrového řízení na její zhotovení. Využila plně
metodiky „Green Public Procurement“ (GPP)71, a to i z hlediska „nákladů životního cyklu
ČOV“ (life-cycle costing – LCC). Tato metodika je aktuálně zaváděna v širokém měřítku
Evropskou komisí do všech členských zemí.
71
http://ec.europa.eu/environment/gpp/pdf/news_alert/Issue20_Case_Study45_Ryaverket_waste.pdf
41
3.1.3.5 Komunální ČOV jako zdroj energie – KA Bottrop
ČOV Bottrop – Německo, je základním technologickým zařízením při odvádění a čištění
odpadních vod v Porýní-Westfálsku. Kapacita této velké ČOV je 1,4 mil. EO (maximální
hydraulická kapacita je 8,5 m3/s), zpracování kalu odpovídá cca 4 mil. EO. ČOV Bottrop je
aktuálně pilotním projektem „Komunální ČOV jako zdroj energie“72, který je součástí
širšího projektu „Hybridní zdroj energie EMSCHER“73.
V současnosti je připraven projekt (financovaný z více zdrojů prostředků, včetně dotací –
vlastníka, zemské a spolkové vlády, EU), který ze stávajícího stavu ČOV upraví ČOV tak, že
bude do konce roku 2017 splňovat podmínky ČOV, která bude producentem energie a bude
pracovat jako „hybridní zdroj energie“. Obrázek ČOV ukazuje místa, kde jsou a budou
jednotlivé úpravy realizovány:
Základní body postupu přeměny v „hybridní zdroj energie“ jsou:
Výstavba větrné elektrárny (v obrázku označeno „Windenergieanlage(n)“). Uvedení
do provozu do konce roku 2015
72
K.-Georg Schmelz, Ekkehard Pfeiffer, Die kommunale Kläranlage als Quelle der Energieerzeugung,
http://www.kas.de/wf/doc/16863-1442-1-30.pdf
73
Dr. Torsten Frehmann, Energie im Zentrum – Integrierte Ansätze zur (Ab)Wasserbe-handlung im
Emschereinzugsgebiet, DBU-Innovationsforum Wasserwirtschaft 2013, Bad Honnef
http://www.bmbf.innovationsforum-wasserwirtschaft.de/downloads/20131126_1330_Frehmann.pdf
42
Inovace bioplynové regulovatelné rekuperační stanice –„BHKW-Anlage“, včetně
čištění bioplynu (v obrázku označeno „Regelenergie aus Klärgas“). Uvedení do
provozu v polovině roku 2016
Výstavba vodní elektrárny (princip vodního šroubu) na odtoku z ČOV. Uvedení do
provozu do konce roku 2016. Umístění vodní elektrárny, včetně schematického řezu
je na obrázku:
Postupná inovace stávající spalovny kalu s výrobou elektřiny a tepla (v obrázku
označeno „Klärschlammkraftwerk“). Uvedení nového systému spalování a inovované
parní turbíny do provozu v polovině roku 2017.
Dále se do konce roku 2017 předpokládá:
o Pilotní zařízení na výrobu vodíku s využitím elektrolýzy (v obrázku označeno
„Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse“)
o Zařízení pro využití směsi bioplynu a vodíku pro energetické využití (bioplyn
je vyráběn v zařízení, které bude upraveno a rozšířeno – v obrázku označeno
„Klär-(Bio)-gaserzeugung“
o Zařízení pro solární vysoušení čistírenských kalů
Využití solární energie pro vysušování kalů (viz kap. 3.1.2.2) se předpokládá v rámci prostoru
ČOV, a to výstavbou celkem 27 hal o celkové ploše cca 36 000 m2:
43
Při návrhu a optimalizaci navrhovaných řešení74 (včetně návrhu zařízení pro vysoušení kalu
s využitím solární energie) je soustavně využíván i modelovací nástroj SIMBA# a spolupráce
s Institutem ifak (viz kapitola 2.7). Realizací změny technologie vysoušení čistírenských kalů
a současně i změna technologie spalovny kalu také zásadně upraví celkové energetické toky
v této části ČOV, jak ukazují obrázky energetických toků:
Stávající stav
Stav po realizaci opatření
Schémata dokumentují jednoznačné výhody navrženého řešení, které bude realizováno jak
v oblasti materiálových toků (možnost spalování i externě dodávaných čistírenských kalů),
tak i energetické bilance, např.:
v nově realizovaném řešení není třeba dodávka uhlí, jako energetického dodatečného
zdroje při spoluspalování čistírenských kalů. Namísto emisí ve formě CO2 (cca 38 000
t/rok) zatěžuje ovzduší vodní pára.
74
K. Genzowsky, M. Hetschel, Ergebnisse der Modellierung biochemischer, elektrischer und thermischer
Prozesse auf Kläranlage, ifak seminář uživatelů SIMBA 2015, Potsdam
44
Snížení celkových tepelných ztrát z cca 148 000 MWh/rok na cca 45 000 MWh/rok
Zvýšení výroby elektřiny z cca 12 800 MWh/rok na cca 20 100 MWh/rok
Koncept projektů, které v letech 2015 – 2017 budou realizovány, vychází z aktuálně
dostupných technologií. Pro schematické znázornění celkového stavu po dokončení realizace
projektů počátkem roku 2018 jsou využita tato označení:
kde:
Brennstoffzelle = palivový článek; BHKW = bioplynové rekuperační zařízení pro výrobu tepla a
elektřiny; PV Solarthermie = fototermická výroba tepla; Stromspeicher = zařízení pro ukládání
elektrické energie; Windenergieanlage = větrná elektrárna; Netz = elektrická síť; Wasserkraft = vodní
elektrárna; Klärschlammkraftwerk = zařízení na spalování čistírenských kalů (výroba tepla a
elektřina); Abwasserwärme = teplo z odpadní vody; Solartrocknung = zařízení na sušení (kalu)
s využitím solární energie; Therm. speicher = zásobník pro ukládání tepla; PLS = řídící systém; BGA
= zařízení na výrobu bioplynu; Gasspeicher (Faulgas, CH4) = plynový zásobník na bioplyn a methan),
O2- Speicher,H2-Speicher = zásobník kyslíku a vodíku; Kläranlage = čistírna odpadních vod (ČOV);
Elektrolyse = elektrolýza; Reformer/Gasaufbereitung = zařízení na přeměnu plynu
cílový stav ČOV jako zdroje energie , resp. hybridního zdroje energie, ukazuje:
45
Uvedenými dílčími projekty je ČOV Bottrop reálným příkladem zařízení, které je již možno
nazývat „Water Resource Recovery Facility“ (WRRF) – viz kapitola 2.3. Propojení
energetické sítě s širším okolím, včetně integrovaného řízení spotřeby a výroby energie
v rámci územního SMART REGION a také zapojení látkových toků (jak dovozem materiálů
do zařízení k jejich zpracování a úpravě, tak i využíváním výstupních materiálů) je možné
v rámci celého regionu takovéto zařízení začlenit i do energetické sítě – tzv. „Smart.net“:
Takto technologicky vybavené zařízení (WRRF) je pak energeticky využitelné nejenom pro
zařízení, která jsou součástí prostoru stávající ČOV a blízkého okolí (jak je tomu v případě
městské aglomerace Bottrop), ale i pro vzdálenější zdroje a spotřebiště energie.
Nezanedbatelným výsledkem je i značný příspěvek takovéhoto zařízení k tzv.“cirkulární
ekonomice“, jejíž zavádění je zásadní aktuální prioritou EU.
46
3.2 Projekty vztahující se k odvádění komunálních odpadních vod
kanalizační sítí
Poznámka: do kategorie popisovaných možností využití tepla z komunálních odpadních
vod můžeme řadit i teplo z vybraných zařízení městské infrastruktury, jako např. bazény
a koupaliště. Teplo z jiných druhů odpadních vod – zejména z průmyslových aplikací,
není předmětem této zpráv
Využívání tepelné energie z komunálních odpadních vod je stále více používáno v praxi.
Zejména se úspěšně rozšiřuje v zemích, kde je dlouhodobá potřeba využívání tepla a jsou
k využití i vhodné technické a ekonomické podmínky. Příklady úspěšného využití jsou
v posledních deseti letech zejména ve Švýcarsku, Rakousku, Německu, skandinávských
zemích a Kanadě. Pro využití v České republice je velmi vhodné postupovat podle německým
sdružením pro oblast vodního a odpadového hospodářství v Německu – DWA (viz kapitola
2.6) zpracované metodiky DWA-M114E vydané v roce 201475, která mj. uvádí možnosti
využití tepla z odpadních vod na souhrnném obrázku76:
Jako základní principy využití tepla z komunálních odpadních vod, resp. tepelné energie,
kterou mají mít využitelné komunální odpadní vody, jsou považovány:
Využití tepla nejlépe v blízkosti místa vzniku odpadní vody, tedy mj. při návrhu
konkrétních řešení je vždy potřeba analyzovat využitelný tepelný potenciál, který
závisí zejména na ročním průběhu teplot odpadní vody v předpokládaném místě
jejího využívání.
Volbu místa optimalizovat z technického hlediska (např. rovnoměrnost využití,
dostupnost pro opravy, ,..)
Volbu místa optimalizovat také z hlediska ekonomické návratnosti, tj. jak
investičních, tak i provozních nákladů
75
76
Advisory Guideline DWA-M 114E, Energy from Wastewater – Thermal and Potential Energy, June 2009
(překlad a aktualizace 2014)
MÜLLER, E.A.; F.Schmid (2005): Heizen und Kühlen mit Abwasser, Ratgeber für Bauherrschaften und
Gemeiden, energieSchweiz, Bundesamt für energie BFE, Bern
47
V případě použití tepla z odpadních vod zamezit snížení teploty natékající do ČOV
pod 10°C
Principielně můžeme rozlišit využívání tepla z komunálních odpadních vod na:
Domovní aplikace a aplikace v sídelních celcích (součást domovní kanalizační
soustavy, součást kanalizačního systému)- viz kap. 3.2.1
Aplikace v ČOV- viz kap. 3.2.2
3.2.1 Projekty domovních aplikací a aplikací v sídelních celcích
Základní přehled aplikací v projektech uvádí např. U.Theilen77, který uvádí základní
uspořádání technických řešení – viz schéma:
Kdy je teplo z komunálních odpadních vod získáváno buď:
a. přímo v domovním systému potrubí odvádějícího odpadní vodu
b. v kanalizačním systému, kde jsou odpadní vody zaústěny z domovní přípojky
(přípojek)
c. v objektu kanalizačního systému odvádějící odpadní vody (zpravidla z více
budov či části města (obce)
3.2.1.1 Příklady projektů v domovním systému potrubí odvádějícího odpadní vodu
Využívání odpadního tepla z komunálních odpadních vod v domech se stalo jednou ze
základních technologických součástí zejména v pasivních domech a domech s takřka nulovou
spotřebou. Na základě těchto prvotních zkušeností se postupně tyto technologie rozšiřují i do
dalších objektů, které jsou postupně upravovány na stavby odpovídající standardům domů
s takřka nulovou energetickou spotřebou.
77
http://www.100-ee-kongress.de/fileadmin/redaktion/100-ee-kongress/Kongress_2014/Vortraege_2014/F3_Theilen.pdf
48
Jako příklad požití získávání tepla z domovního kanalizačního rozvodu uvádí na příkladu
rakouských projektů pasivních domů A.Heinz, W.Lerch a kol.78 jednoduché technické
řešení – viz obrázek:
U domů, je vhodné takovéto výměníky (Abwasser Wärmeumtauscher) kombinovat v rámci
celého systému tepelného čerpadla (WP), zásobníku tepelné energie (Pufferspeicher), řídícího
systému energetického provozu ještě i s možným využitím solárních tepelných panelů
(případně i fotovoltaických panelů – např. zisk elektřiny pro pohon čerpadla). Možné schéma
celkového zapojení domovního systému je:
V oblasti domovních systémů je trvale vyvíjena řada nových konstrukcí a možných zapojení,
jejichž cílem je efektivní využití tepelné energie odpadních vod. Kromě vlastních
technologických zařízení jsou i projekty staveb, kde je pro tento účel oddělována odpadní
voda z kuchyní, sprch, van, umyvadel, praček (tzv. „šedá voda“) od odpadní vody z toalet
(tzv. „hnědá voda“ a „žlutá voda“ – z pisoárů“), protože tato „šedá voda“ je jednak více teplá
78
http://www.energiesystemederzukunft.at/hdz_pdf/berichte/endbericht_1303_waermerueckgewinnung_aus_abw
asser.pdf
49
a současně není náročná na její zpracování (neobsahuje obvykle vysoké množství
biologického znečištění) ve srovnání z odpadní vodou z toalet. Pro takto oddělenou vodu se
používají i výměníky tepla přímo v domovních zařízeních (např. výměníky do sprch a van),
které odebírají teplo prakticky v místě vzniku odpadní vody). Příklad energetických zisků
tepelné energie (vycházejících z měření konkrétní bytové jednotky v období 1 měsíce roku
2010), rozdělený na jednotlivé zdroje odpadních vod, a to: koupelnu (Bedezimmer), Kuchyni
(Küche), toalety (Toilette), myčku nádobí (Geschierrsp.) a úračku (Waschm.) ukazuje
obrázek79:
3.2.1.2 Příklady projektů v kanalizačním systému
Systémy využívající odváděných odpadních vod jak z jednotlivých domů, více objektů, tak i
významné části měst se již hojně využívají. Základní součásti výměny tepla se instalují buď
již při výstavbě kanalizačního systému jako jeho součást – viz obrázky80:
79
80
http://www.energiesystemederzukunft.at/hdz_pdf/berichte/endbericht_1303_waermerueckgewinnung_aus_abw
asser.pdf
http://www.100-ee-kongress.de/fileadmin/redaktion/100-ee-kongress/Kongress_2014/Vortraege_2014/F3_Theilen.pdf
50
Nebo jsou instalovány dodatečně – viz obrázky:
Primární tepelná energie (případně jsou i aplikace, kdy je do odpadní vody předáváno
přebytečné teplo v rámci chlazení budov) přenesená z kanalizačního systému, je obvykle
zapojena do systému tepelných čerpadel. Základní schéma typické výměníkové stanice
využívající kanalizačního systému je na obrázku81 :
81
MÜLLER, E.A.; F.Schmid (2005): Heizen und Kühlen mit Abwasser, Ratgeber für Bauherrschaften und
Gemeiden, energieSchweiz, Bundesamt für energie BFE, Bern
51
V rámci postupně inovovaných technologií pro kanalizační systémy se také začínají používat
tzv. „heatliner“ vestavby do potrubí82:
Tento způsob získávání tepelné energie je použit v realizovaném pilotním projektu
Hamburg, Wellingsbüttlerweg. V rámci projektu je instalováno v kanalizačním potrubí
světlosti DN 400 v délce 29 m zařízení typu „heatliner“83 . Tepelný výstup je 4,4 kW a
zařízení denně dodává 100 kWh tepelné energie.
Obdobným příkladem projektu s dodatečnou instalací tepelného výměníku do kanalizačního
potrubí (vestavba do zděného kanálu – viz obrázek na předcházející straně vpravo) je příklad
využití tepla z odpadní vody projektu koupaliště v Berlíně - Schwimmbad Sachsendamm,
realizovaný v roce 2012. Konečná kapacita zařízení je 68 kW. Tento projekt z hlediska úspory
produkce CO2 vykazuje úsporu cca 90 t CO2/rok.
Dalším projektem odpadních vod z koupaliště, realizovaný v roce 2009, který využil
dodatečné instalace tepelného výměníku do kanalizace je projekt Stadtwerke Bochum
GmbH – Nordwestbad84:
Tento projekt z hlediska úspory produkce CO2 vykazuje úsporu cca 220 t CO2/rok.
82
http://www.brandenburger.de/en/kanalsanierung/heatliner
http://www.brandenburger.de/en/kanalsanierung/heatliner/hl_pilotprojekt-hbg.php
84
http://www.eglv.de/wasserportal/ueber-uns/kooperationen-und-projekte/abwasserwaermenutzung.html
83
52
V kanalizační síti je možné použít i jiné konstrukce tepelných výměníků, a to v rámci
objektů, které jsou její součástí. Na příkladu projektu bytových domů Eulachhof,
Winterthur ve Švýcarsku85, realizovaném v roce 2007 je možné dokumentovat využití
zařízení umístěného v přečerpávací šachtě „šedých komunálních vod“ – viz obrázek:
Projekt má pro komplex domů instalovaná 2 zařízení, každé o výkonu 60 kW. Současně je
uvedené zařízení součástí celého systému tepelných čerpadel, která jsou ještě doplněna
fotovoltaickými panely umístěnými na střechách domů.
Často citovaným příkladem projektu využívajícího odpadních vod jako zdroje pro získávání
tepla a také pro chlazení je projekt „Distrikt rating and distrikt cooling in Sandvika“
v Oslu, Norsko86. Tento projekt byl realizován již v roce 1989 a je úspěšně provozován
doposud (včetně dílčích inovací). Jako primární zdroj je kanalizační tunel, kterým protéká až
3 000 l/s a efektivní snížení teploty pomocí tepelných čerpadel je až o 4°C. V systému, který
využívá 56 budov pro vytápění a 18 budov i pro chlazení jsou zapojena 3 tepelná čerpadla
s celkovým výkonem 20 MW v případě dodávek tepla a 18 MW v případě chlazení.87
Pro příklad řešení využití odpadních vod a kanalizace v rozměru městské části je vhodným
příkladem projekt City of Vancouver’s Neighbourhood energy Utility (NEU) 88, který byl
uveden do provozu v roce 2010 v rámci zimních olympijských her. Základem projektu je
systém rekuperace tepla z odpadních vod v kanalizačním systému. Projekt řeší celkem 24
budov v části města Southeast False Creek :
85
http://feka.ch/pdf/FEKA_ObjektFlyer.pdf
http://www.friotherm.com/webautor-data/41/sandvika_e005_uk.pdf
87
http://nortech.oulu.fi/pdf/Lauri%20article_WaResConf.pdf
88
http://futureecon.com/wp-content/uploads/ML_Final_PDF.pdf
86
53
Základní schéma funkce systému je uvedeno na obrázku89:
Provoz systému charakterizují základní údaje uvedené v tabulce, a to za roky 2012 a 2013:
Z výsledků provozování je zřejmé, že podíl systému SHR na celkovém podílu zásobování
energií převyšuje 60%. Na základě těchto zkušeností je podle dostupných informací
připravováno další rozšiřování nejenom systému ve Vancouveru, ale i v dalších kanadských
městech. Pro aplikace uvedeného systému do praxe v našich podmínkách je důležitá i finanční
a ekonomická analýza provozu, která je dostupná v uváděných materiálech a dalších
zveřejňovaných informacích městem Vancouver.
89
http://www.sauder.ubc.ca/Faculty/Research_Centres/ISIS/Resources/~/media/AEE7D705491345178C4568992
FB87658.ashx
54
3.2.2 Projekty aplikací v ČOV
Pro využití tepelné energie z přitékajících, čištěných a odtékajících odpadních vod v ČOV
existuje aktuálně již několik projektů, které prokazují správnost volby využívat tepelnou
energii z odpadních vod.
Úprava tepelného režimu přitékající odpadní vody, případně v rámci technologického
procesu, odebíráním tepla pomocí tepelných čerpadel však musí respektovat i potřebu
minimální teploty potřebné pro procesy čištění odpadních vod, zejména biologické. Jako
minimální limitní hranice teploty je stanoveno 10°C.
Je tedy nezbytné, jako součást přípravy projektu pro využívání tepelné energie z odpadních
vod (zejména z nátoku do ČOV a v rámci technologií ČOV) mít přehled o vývoji teplot
odpadní vody. Jako příklad projektu aplikace využití tepla z ČOV je vhodným příkladem
projekt ARA Uster, Švýcarsko90. ČOV Uster má kapacitu 48 000 EO91 , byla postavena
v roce 1957 a inovovaná v roce 2011. Součástí strategie města pro energetickou nezávislost
bylo i využití energetického potenciálu z odpadních vod. Tedy byl připraven a v roce 2005
realizován projekt, který v blízkosti ČOV využívá jak energii z ČOV, tak i relevantní
kanalizační sítě:
V současnosti je na tento systém napojeno cca 170 bytů. V přípravě je další využití tohoto
zdroje, a to nejenom připojení dalších objektů (včetně dalších míst tepelných výměníků
90
91
http://rabtherm.com/documents/brosch_web.pdf
http://www.hw.zh.ch/ara/Uster.pdf
55
v rámci kanalizační sítě, ale i využití stávajícího systému pro chlazení. Tento projekt je
aktuálně projednáván.
Jako technické možnosti aktivních částí výměníků tepla, aplikované v dalších projektech
využití tepelné energie odpadních vod v ČOV, které jsou součástí ČOV, jsou nejenom
systémy umístěné na vtoku odpadních vod do ČOV (viz technologie uplatňované
v kanalizační síti a popsané v kapitole 3.2.1.2), ale i další technologické možnosti aplikované
např. v rámci biologického stupně čištění – příklad viz obrázek:
nebo na odtoku z ČOV – viz obrázek92,93 (příklad je dokumentován na „projektu „Old-age
home Holmatt, Switzerland“):
92
http://www.hubertechnology.com/fileadmin/02_solutions/04_heating_cooling/02_Waerme_aus_dem_Kanal_T
hermWin/pro_waermerueckgewinnung_en.pdf
93
http://www.huber.de/huber-report/ablage-berichte/energy-from-wastewater/use-of-heat-from-locallygenerated-sewer-wastewater-case-study-old-age-home-hofmatt-switzerland.html
56