Gemaal van de toekomst Onderzoek besparingspotentieel bij niet gelijktijdig leegpompen rioolstelsels
Van S.P.A. Duinmeijer Datum 30 augustus 2013 Opdrachtgever Ingenieursbureau Gemeente Rotterdam Contactpersoon S.P.A. Duinmeijer Gecontroleerd J.A. Kranendonk
Samenvatting In deze studie is het besparingspotentieel in energiekosten berekend als diverse gemalen in de Gemeente Rotterdam na neerslag niet gelijktijdig de aangesloten (gemengde) rioolstelsels leegpompen. Dit geldt uiteraard voor gemalen die over een gezamenlijke persleiding afvoeren en op capaciteit worden gestuurd.
Figuur 1 Voorbeeld gezamenlijke afvoer (24 en 37)
Het niet-gelijktijdig leegpompen van de stelsels bespaart energie omdat het wrijvingsverlies in de persleiding kleiner is door de lagere stroomsnelheid. De pomp hoeft hierdoor minder vermogen (lees: opvoerhoogte) te leveren en verbruikt dus minder energie. De berekening van het potentieel is uitgevoerd met een vereenvoudigd model (bakjesmodel) van het inloop- en afvoerproces van neerslag in een rioolstelsel. Het potentieel is berekend met de gemeten uurwaarden van de neerslag in Rotterdam over de periode mei 2012 - april 2013 (bron: www.knmi.nl). De berekeningsresultaten worden beschouwd als voldoende indicatief om een uitspraak te doen over het potentieel in jaarlijkse energiebesparing. De berekening van het potentieel is uitgevoerd met de volgende randvoorwaarden: • de bemalingsgebieden allemaal binnen 24 uur zijn leeggepompt; • de eindgemalen alleen niet-gelijktijdig gaan leegpompen als de neerslag is gestopt en binnen 24 uur geen hevige regenval wordt verwacht; • de stelsels tot maximaal 75% zijn gevuld voordat niet-gelijktijdig wordt gepompt. De buffer van 25% is noodzakelijk voor berging van de DWA-aanvoer tijdens stilstaan van het gemaal. Het totale berekende besparingspotentieel bij niet-gelijktijdig leegpompen van de Rotterdamse rioolstelsels na neerslag bedraagt jaarlijks circa € 3.000,- Afhankelijk van de aanwezigheid van onverhard oppervlak wat tot afstroming kan komen tijden hevige neerslag en de intensiteit van de neerslag, kan dit potentieel oplopen naar jaarlijks € 4.000,- Dit is een besparing van orde grootte 1% op het totale energieverbruik van de Rotterdamse gemalen.
Gemaal van de toekomst
Opdrachtgever
Contactpersoon
Datum
Pagina
Ingenieursbureau Gemeente
S.P.A. Duinmeijer
30 augustus 2013
2 van 18
Het niet-gelijktijdig leegpompen van rioolstelsels na (hevige) neerslag brengt risico’s met zich mee. Doordat de stelsels niet direct worden leeggepompt, neemt de kans toe op een overstorting van rioolwater op het oppervlaktewater bij een opeenvolgende regenbui. Het algemeen beleid van de rioolbeheerder is om het risico op overstortingen te minimaliseren. Het berekende besparingspotentieel weegt niet op tegen de maatschappelijke lasten van extra overstortingen. Dit is de hoofdzakelijke reden dat niet-gelijktijdig leegpompen niet wordt toegepast binnen de Rotterdamse afvalwatersystemen.
Gemaal van de toekomst
Opdrachtgever
Contactpersoon
Datum
Pagina
Ingenieursbureau Gemeente
S.P.A. Duinmeijer
30 augustus 2013
3 van 18
Inhoudsopgave 1
Algemeen
5
1.1
Inleiding
5
1.2
Doelstelling onderzoek
5
1.3
Leeswijzer
5
2
Toegepaste methodiek
6
2.1
Randvoorwaarden
6
2.2
Uitgangspunten
6
2.3
Methodiek
6
3
Resultaten onderzoek
11
3.1
Resultaten
11
3.2
Gevoeligheidsanalyse
12
4
Conclusies en aanbevelingen
13
4.1
Conclusies
13
4.2
Aanbevelingen
13
5
Referenties
14
Bijlagen
Gemaal van de toekomst
15
Opdrachtgever
Contactpersoon
Datum
Pagina
Ingenieursbureau Gemeente
S.P.A. Duinmeijer
30 augustus 2013
4 van 18
1
Algemeen
1.1
Inleiding Het Ingenieursbureau van de gemeente Rotterdam is een onderzoeksprogramma opgestart genaamd ‘Gemaal van de toekomst’. Dit programma heeft als doel om rioolgemalen duurzamer te ontwerpen en te laten functioneren. Een deel van het programma betreft onderzoek naar energiebesparing bij (hoofd)gemalen door alternatieve bedrijfsvoeringen. Dit kan bijvoorbeeld door gemalen niet-gelijktijdig over dezelfde persleiding te laten afvoeren. Het niet-gelijktijdig leegpompen van de (gemengde) stelsels bespaart energie omdat het wrijvingsverlies in de persleiding kleiner is door de lagere stroomsnelheid. De pomp hoeft hierdoor minder vermogen (lees: opvoerhoogte) te leveren en verbruikt dus minder energie. Niet-gelijktijdigheid DWA-bedrijf Het vermijden van gelijktijdigheid tijdens DWA-bedrijf heeft voor (de Rotterdamse) gemalen een verwaarloosbaar besparingspotentieel door de lage vermogens van de DWA-pompen. Bovendien is gelijktijdigheid tijdens drogere periodes gewenst om sedimentatie te voorkomen. Het potentieel tijdens RWA-bedrijf is veel groter door de veel hogere vermogens van de RWApompen. Dit is de aanleiding voor dit onderzoek.
1.2
Doelstelling onderzoek Het doel van dit onderzoek is om het besparingspotentieel in energiekosten te berekenen als de hoofdgemalen niet-gelijktijdig de aangesloten rioolstelsels gaan leegpompen na neerslag. Het onderzoek is gericht op debiet geregelde gemalen en gemengde rioolstelsels.
1.3
Leeswijzer In hoofdstuk 2 wordt de methode beschreven waarmee het besparingspotentieel wordt berekend. Hoofdstuk 3 beschrijft de resultaten van het onderzoek. In hoofdstuk 4 worden de conclusies en aanbevelingen beschreven en hoofdstuk 5 tenslotte geeft een referentielijst van de gebruikte bronnen.
Gemaal van de toekomst
Opdrachtgever
Contactpersoon
Datum
Pagina
Ingenieursbureau Gemeente
S.P.A. Duinmeijer
30 augustus 2013
5 van 18
2
Toegepaste methodiek Dit hoofdstuk beschrijft de toegepaste methodiek om aan de doelstelling te voldoen. De berekening van het potentieel wordt uitgevoerd met een pragmatische benadering (bakjesmodel) van het inloopen afvoerproces van regenwater in een rioolstelsel. De resultaten worden beschouwd als voldoende indicatief om een uitspraak te doen over het potentieel in jaarlijkse energiebesparing.
2.1
Randvoorwaarden Het sturen met gemalen mag aanvankelijk nooit leiden tot extra overstorten op het oppervlaktewater. Het niet gelijktijdig leegpompen moet daarom voldoen aan de volgende randvoorwaarden: 1. Alle stelsels moeten binnen een droge periode van 24 uur zijn leeggepompt Deze randvoorwaarde heeft als doel om geen gevulde stelsels te hebben na een periode van 24 uur na de laatste neerslag (conform Leidraad Riolering B2100. Na 24 uur wil je niet beschikken over ‘wachtende’ stelsels die voor een groot deel zijn gevuld en daardoor overstortgevoelig bij een volgende neerslag. Daarnaast moet het rottingsproces van afvalwater zoveel mogelijk worden voorkomen ten gunste van het zuiveringsproces en minder aantasting van de (betonnen) riolen. Als voorbeeld geldt de procesvoering van twee rioolgemalen A en B die over een gezamenlijke persleiding afvoeren. De gemalen hebben een lage pompovercapaciteit (p.o.c.) dus een lange ledigingstijd T met TA = 14 uur van stelsel A en TB = 18 uur van stelsel B. De niet-gelijktijdigheid geldt dan voor een periode gelijk aan 24 uur - de langste ledigingstijd ofwel 24 - 18 = 6 uur. De eerste 6 uur wordt alleen stelsel A leeggepompt vervolgens 8 uur lang beide stelsels gelijktijdig en vervolgens nog 10 uur stelsel B. 2. Niet-gelijktijdig leegpompen bij een maximale vulling van 75% van de stelsels. De reserve van 30% is nodig voor het bergen van de DWA-aanvoer tijdens het stilstaan van het gemaal. De DWA-aanvoer is gemiddeld orde grootte 0,35 mm/h en bij een gemiddelde berging van 8,6 mm, betekent dit dat het ‘wachtende’ stelsel ongeveer 8 uur DWA kan bergen, daarna moet het gemaal gaan pompen om overstortingen te voorkomen.
2.2
Uitgangspunten Het besparingspotentieel wordt berekend op basis van onderstaande uitgangspunten: • Het leegpompen van de stelsels gebeurt met de RWAmin-capaciteit van de gemalen. • Voor de (veelal oude) persleidingen zijn de volgende wandruwheden aangenomen: beton k = 2 mm, staal en gietijzer k = 1 mm en voor GVK en PE k = 0,25 mm. • Voor de aanwezigheid van bochten en knikken is een extra weerstandcoëfficiënt ξ in rekening gebracht van 2 [-] . Dit staat gelijk aan de totale coëfficiënt van circa 12 bochten van 90°. • Het gemiddelde rendement van een pomp is aangenomen op 70%. • De inkoopprijs voor 1 kWh is € 0,12.
2.3
Methodiek Doordat de gemalen gezamenlijk afvoeren, is de benodigde opvoerhoogte groter en daardoor meer energieverbruik. Het besparingspotentieel geldt daarom alleen voor die gemalen die over een
Gemaal van de toekomst
Opdrachtgever
Contactpersoon
Datum
Pagina
Ingenieursbureau Gemeente
S.P.A. Duinmeijer
30 augustus 2013
6 van 18
gezamenlijke persleiding afvoeren. De volgende methodiek is gebruikt voor het bepalen van het potentieel. Inventarisatie gemalen en persleidingen De eerste stap is een inventarisatie van de gemalen die afvoeren over een gezamenlijke persleiding inclusief een inventarisatie van de geometrie van de gezamenlijke persleiding. Het resultaat van deze inventarisatie staat beschreven in Bijlage 1. Berekening besparingspotentieel per gemaal Voor de besparing in het dynamische (wrijving + vertraging) energieverlies ∆Hi voor gemaal i zonder gelijktijdige afvoer met gemaal j geldt: 2 2 λL QRWAi+ j − QRWAi ∆H i = + ξtot * 2 D 2g 1 πD 2 4
(
)
(1)
Waarin λ de wrijvingscoëfficiënt, D de persleidingdiameter, L de leidinglengte en ξtot de totale verliescoëfficiënt van bochten etc. De afwijking in de wrijvingscoëfficiënt door de verschillende stroomsnelheden wordt verwaarloosd. De volgende stap is het berekenen van het bespaarde vermogen. Voor de vermogensbesparing ∆P voor gemaal i geldt:
∆Pi =
ρg∆H i QRWAi (2)
ηi
Waarin ∆Hi de besparing in opvoerhoogte. Vervolgens worden de energiekosten K berekend voor elk gemaal over de periode T waarbij voor T de snelste ledigingstijd geldt: n
K = ρgk
∑ i =1
∆H i QRWAiT (3)
ηi
en: Vi T = min QRWA − QDWA i i
(4)
Waarin k de energiekosten per kWh en Vi de vulling van het stelsel in m3. Het potentieel wordt berekend met de RWA-min capaciteiten. Deze capaciteit wordt gebruikt voor het leegpompen van stelsels. Voor het besparingspotentieel K geldt dan:
K = T (2 Pi + k − Pi − Pk )
(5)
Waarin: Pi+k : het benodigde vermogen als alle gemalen gelijktijdig afvoeren over het gezamenlijke leidingdeel (kW); Pi : het benodigde vermogen bij alleen gemaal i over gezamenlijk leidingdeel (kW); Pk : het benodigde vermogen bij alleen gemaal k over gezamenlijk leidingdeel (kW). Voor systemen waarbij drie of meer gemalen afvoeren over dezelfde persleiding (n = aantal gemalen) geldt dat het potentieel wordt bepaald voor n-1 periodes. In het geval van 3 gemalen geldt Gemaal van de toekomst
Opdrachtgever
Contactpersoon
Datum
Pagina
Ingenieursbureau Gemeente
S.P.A. Duinmeijer
30 augustus 2013
7 van 18
Het volledige document is beschikbaar voor begunstigers. Dit document is volledig beschikbaar voor begunstigers van Stichting RIONED. Als uw organisatie begunstiger is, kunt u inloggen via http://www.riool.net/login. Vervolgens kunt u dit document volledig bekijken door hier te klikken. Meer informatie over het begunstigerschap van Stichting RIONED kunt u vinden op http://www.riool.net/-/info-over-begunstigerschap.
