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: TE02000077DV011 Název výstupu: Assessment and design of optimization of WWTP and BPS
Datum dosažení: 31.12.2015
Předkládá: Název organizace: SEWACO s.r.o Jméno řešitele: Ing. Vojtěch DOLEŹAL, Mgr. Jakub DOLEŽAL
Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 3 1.
Základní principy posouzení a návrhů optimalizace čistíren odpadních vod .................... 5 1.1.
Souhrn základních dřívějších rešeršních poznatků ...................................................... 5
1.2.
Principy posouzení a návrhů optimalizace čistíren odpadních vod ............................. 6
1.2.1.
Metodika základní analýzy................................................................................... 6
1.2.2.
Metodika podrobné analýzy ............................................................................... 12
2.
Základní principy posouzení a návrh optimalizace bioplynových stanic......................... 16
3.
Zkušenosti z prací ČOV Boskovice (pilotní projekt) ....................................................... 18
Příloha č.1 - Literatura ............................................................................................................. 20
Úvod Používané metody posouzení a návrhy optimalizace čistíren odpadních vod (ČOV) a bioplynových stanic (BPS) vycházejí z dříve uskutečněného průzkumu dostupných metod, softwarových nástrojů a dostupných metodik, které byly předmětem zpracování v předcházejícím období1. Na základě těchto prací byla pro tyto účely navázána dlouhodobá spolupráce s Institutem ifak2 (Institut für Automation und Kommunikation, Magdeburg, Německo) a s ním spolupracující kanadskou společností inCTRL Solutions Inc3. Obě společnosti se dlouhodobě zabývají problematikou posuzování a návrhy optimalizace ČOV a BPS, numerickým modelováním jak technologických procesů čištění odpadních vod (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 obě společnosti vytvořili významnou funkční síť spolupracujících institucí a firem. Tato aktivní skupina má nyní v Evropě 40 základních spolupracujících míst v celkem v 10 zemích (Německo, Holandsko, Rakousko, Luxemburg, Švýcarsko, Lichtenštejnské knížectví, Česká republika4, 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.). Kromě výše uvedených navázaných spoluprací je pro posuzování a návrhu optimalizace ČOV významná spolupráce zpracovatele zprávy s experty DWA5 (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V.), zejména v oblasti zpracované metodiky „Arbeitsblatt DWA-A 216 Energiecheck und Energieanalyse – Instrumente zur energieoptimierung von abwasseramlagen“ pro zjištění stavu energetických spotřeb, energetickou analýzu a optimalizaci ČOV, která v konečné podobě vstoupila v prosinci 2015 v Německu v platnost.
1
2
„Report on wastewater to energy projects abroad“ interní zpráva,číslo výstupu: TE02000077DV010, CK SMART REGIONs, 30.9.2015
https://www.ifak.eu http://www.inctrl.ca 4 Česká republika je zastoupena společností zpracovatele zprávy 5 http://de.dwa.de 3
Významná je i nově navázaná spolupráce (v konci roku 2015) s německými partnery, kteří jsou součástí nově schválených projektů v rámci EU programu HORIZONT 2020 zaměřenými na předmětnou problematiku, a to projekty ENERWATER6 a POWERSTEP7. Zejména některé základní aktivity projektu ENERWATER jsou pro standardizaci metod posouzení a optimalizace ČOV významné:
Definovat a ověřovat standardní metodiku a klasifikaci pro hodnocení energetické efektivnosti. Cílem je vedení odborných auditorů oblasti, jak hodnotit energetickou účinnost ČOV , tj. umožnit zařadit ČOV v několika kategoriích (A, B, C, D, podobně jako Průkaz energetické náročnosti pro budovy) – viz cíl projektu označený O3 Vyvinout a ověřit on-line webovou aplikaci automatizované metodiky, která bude provádět proces energetické diagnostiky ČOV - viz cíl projektu označený O4 Pro řešení hlavních otázek aktivovat vytvoření směrnice EU- viz cíl projektu označený O6
Součástí prací je i praktické ověřování metodiky v rámci měření ČOV Boskovice, která je jedním z pilotních projektů Centra kompetence SMART REGIONs. Práce započaly v roce 2015 a budou pokračovat i v roce 2016. Předpokládá se, že zejména v roce 2016 bude zaměření prací po sběru prvních komplexních hodnot v roce 2015 na jejich systematizaci a zejména zpracování a interpretaci z hlediska připravovaných metodik (viz kapitola 3 této zprávy).
6 7
http://www.enerwater.eu http://www.powerstep.eu
1. Základní principy posouzení a návrhů optimalizace čistíren odpadních vod Průběžné zpracovávání podkladů k řešené problematice s cílem vypracování Metodiky pro posuzování látkové a energetické optimalizace provozu ČOV, jako jeden z výstupů prací Centra kompetence SMART REGIONs, započalo již v rámci přípravy žádosti Centra kompetence do programu ČR. Přehled základních shromážděných poznatků je tedy uveden v dílčí kapitole 1.1.. Aktuální stav, který reflektuje již výsledky konkrétních spoluprací a probíhajících prací, je popsán v kapitole 1.2 „Principy posouzení a návrhů optimalizace čistíren odpadních vod“.
1.1. Souhrn základních dřívějších rešeršních poznatků Problematika posuzování ČOV z hlediska spotřeby elektrické energie a optimalizace provozu je ve světě dlouhodobě sledované téma. Pokrok v metodikách a metodách (měření, vyhodnocování) zjišťování aktuálního stavu však prochází časovým vývojem, který odpovídá jak přístrojovým a dalším technickým možnostem, tak i potřebě úspor a optimalizace. Tyto trendy jsou dobře vysledovatelné v čase a obsahu základních dokumentů k této problematice publikovaných ve světové literatuře a odbornou veřejností na konferencích, v odborných publikacích apod. Základní skupiny prací lze rozdělit do čtyř oblastí:
Energetické audity (včetně předepsaných kontrolních listů a formulářů) a obdobné postupy jsou více typické pro Severní Ameriku. I v současnosti je použitelný manuál auditu z roku 1994[26]. Významné jsou celonárodní materiály z Kanady (z roku 2002 – viz [29]) a z USA zpracované národní agenturou pro ochranu životního prostředí EPA v roce 2008 [27] a v roce 2010 [28]. Pro práci je důležitá zejména systematika řešení problematiky a celkový přístup k zjišťování aktuálního stavu provozování ČOV. Souhrnné materiály (příručky) popisující zkušenosti na základě různorodě rozsáhlých souborů měření a analýz, které fakticky reprezentují „dobrou mezinárodní praxi“. Ucelenými materiály, které jsou dobře aplikovatelné pro práci, jsou dokumenty publikované počínaje rokem 2006 [7] a prakticky časově kontinuálně každoročně zveřejněné obdobné dokumenty z vyspělých zemí: viz [14] z roku 2007; [10] a [9] z roku 2008; [22] a [12] z roku 2009; [8] z roku 2010; [13] z roku 2011. Závažnost problematiky dokumentuje aktuálně zveřejněný komplexní materiál celosvětově působící oborové organizace IWA (International Water Association) v roce 2011 [17]. Téma energetické optimalizace provozu ČOV, včetně doporučení na technologická řešení, případně na řešení dílčích prioritních problémů některých technologických částí, je taktéž v posledních 5ti letech velmi častým tématem konferencí, seminářů a pracovních workshopů. Pro zpracování cílů práce jsem vycházel mj. z [18], [11] a [16] z roku 2008, [15] z roku 2011,[21] z roku 2012. Potvrzení aktuálnosti a
naléhavosti aplikace metodik optimalizace provozu ČOV z hlediska spotřeby elektrické energie jsem si potvrdil před nedávnou dobou (květen 2012) při účasti na celosvětovém symposiu v Mnichově organizovaném Evropskou vodohospodářskou asociací EWA s názvem „Sustainable Water Management“, kde tomuto tématu byla vyhrazena samostatná sekce [30] Definice strategických cílů dosažení efektivního (optimálního) provozu ČOV s minimalizací spotřeby elektrické energie je součástí nově přijímaných celosvětově projednávaných strategických dokumentů. Z tohoto hlediska jsou nejvýznamnější závěry 6. Celosvětového fóra o vodě konaného v březnu 2012 v Marseille, přijaté na úrovní ministerské deklarace a dalších pracovních syntetických materiálech pod označením priorita 2.3 [19]. Z evropského hlediska tomuto celosvětovému fóru předchází obdobná prioritní pozice pro toto téma přijaté německou zastřešující oborovou organizací DWA v roce 2011 [20]. Obdobně aktuální je strategie EU pro období 2014 – 2020 souhrnně označované jako „Evropa 20-20-20“.
Výše uvedené základní poznatky se stali základem pro jednání po schválení projektu Centra kompetence SMART REGIONs, vedly k navázání vztahů a spoluprací uvedené v úvodu této zprávy.
1.2. Principy posouzení a návrhů optimalizace čistíren odpadních vod Metodiku posouzení a návrhů optimalizace provozování ČOV je možné rozdělit do dvou základních skupin:
1.2.1.
metodika základní analýzy stavu ČOV z hlediska spotřeby elektrické energie (resp. tvorba „metodiky základního technického auditu z hlediska spotřeby elektrické energie ČOV“) metodika podrobné analýzy stavu ČOV z hlediska spotřeby elektrické energie (resp. tvorba „metodiky podrobného technického auditu z hlediska spotřeby elektrické energie ČOV“)
Metodika základní analýzy
Základní analýza je určena pro relativně rychlé a dostatečně přesné stanovení aktuálního stavu provozu ČOV z hlediska spotřeby elektrické energie, látkové toky a také s ohledem na základní měřené parametry úrovně (účinnosti) čištění odpadních vod. Cílem je, aby přímá měření na ČOV nepřesáhla maximálně 1 týden. Připravovaná metodika základní analýzy, obsahuje tento postup:
A. PŘÍPRAVA MĚŘENÍ A VSTUPNÍCH INFORMACÍ 1. Zpracování vstupních informací o ČOV do informační databáze: a. základní projektové údaje, resp. jejich aktualizace podle stavu v době měření b. dispoziční a technologické schéma, c. fotodokumentace, d. informace o aktuálním stavu jednotlivých zařízení a technologií, e. základní provozní informace, f. přehled měřených hodnot a výsledků, g. přehled provozních nákladů Pozn.: informace uvedené pod body e - g budou shromážděny za období nejméně jednoho až dvou let v dostupné časové a věcné podrobnosti 2. Na základě vstupních informací je navržen plán a strategie měření, včetně očekávané metodiky vyhodnocování. Tento plán obsahuje zejména: a. Stanovení míst, způsobu a četnosti měření spotřeby energie (případně účinnosti) jednotlivých technologických zařízení b. Stanovení míst, způsobu a četnosti měření jednotlivých technologických skupin ČOV z hlediska spotřeby elektrické energie a základních látkových toků vyplývajících z měření čištěné odpadní vody, kalu a dalších látek (např. dávkování flokulantu, spotřeby plynu apod.). B. MĚŘENÍ, SHROMÁŽĎOVÁNÍ SOUVISEJÍCÍCH ÚDAJŮ A INFORMACÍ PO DOBU MĚŘENÍ Měření sledovaných parametrů ČOV se předpokládá v průběhu 5 dnů (minimum jsou kontinuálně měřené 3 dny). Po tuto dobu jsou měřené hodnoty zaznamenávány do elektronické databáze s četností odpovídající navrženému způsobu vyhodnocení. Předpoklad je dosažení u většiny veličin s elektrickým výstupem měření alespoň v čtvrthodinových měřicích intervalech, u laboratorních analýz a stanovení in situ v intervalu alespoň 1 hodiny, případně řízeným odběrem vzorků v závislosti na změně některých z referenčních parametrů v závislosti na jeho změně). Část vorků je odebrána pro srovnávací laboratorní stanovení. Předpokládaný rozsah sledovaných veličin pomocí terénních a laboratorních měření, rozdělený do skupin, je : a. Měření spotřeby elektřiny jednotlivých technologických zařízení b. Měření účinnosti jednotlivých technologických zařízení c. Měření průtoku, hladin, tlaků, množství, hmotnosti a objemů jednotlivých technologických uzlů, případně měření těchto parametrů u vybraných technologických zařízení d. Měření doby a času chodu jednotlivých technologických zařízení e. Kontinuální měření kvalitativních parametrů odpadní vody v různých technologických celcích f. Kontinuální měření kalu, který je součástí technologie ČOV (např. vratný kal, uskladňovaný kal) kromě kalové koncovky, resp. konečné úpravy kalu
g. h. i.
Odběry vzorků pro místně realizované analýzy pomocí tzv. „mobilní analytiky“ a pro analýzy v laboratoři Místně realizované analýzy pomocí tzv. „mobilní analytiky“ Laboratorní rozbory odebraných vzorků
C. VYHODNOCENÍ Základním principem vyhodnocení získaných hodnot a údajů bude princip srovnávání získaných informací: u jednotlivých technologických zařízení (tj. zejména spotřeba energie, účinnost) s hodnotami udávanými výrobci a dodavateli zařízení, včetně srovnání s projektovými hodnotami a hodnotami udávanými v provozních manuálech, návodech a příručkách (např. pracovní body čerpadel, nastavení množství dodávaného vzduchu pro aeraci apod.) u technologických skupin bude srovnání zejména pomocí tzv. „benchmarkingu“, tj. hodnotami získanými z jiných obdobných zařízení pracujících ve srovnatelných podmínkách s optimální účinností a spotřebou elektrické energie (např. účinnost odstraňování dusíku v aktivaci v závislosti na úrovni provzdušňování a spotřebě elektrické energie) Krátkodobá měření budou vyhodnocena také v kontextu a souvislostech se shromážděnými dlouhodobými údaji o provozu ČOV. D. NÁVRH OPATŘENÍ A VYHODNOCENÍ NÁVRATNOSTI Na základě vyhodnocení bude konstatován aktuálně zjištěný stav provozování ČOV z hlediska optimalizace látkových toků a spotřeby elektrické energie. Pokud bude zjištěno, že aktuální hodnoty mohou být optimalizovány s cílem snížení spotřeby elektrické energie, jsou navržena základní opatření a doporučení vedoucí k takovému výsledku. Navržená opatření vycházejí z přesnosti a kvality metodiky základní analýzy. Navržená opatření jsou doplněna o posouzení jejich proveditelnosti a vyhodnocení finanční návratnosti metodikou finanční a ekonomické analýzy. Pokud budou zjištěné výsledky indikovat reálně vyšší potenciál úspor spotřeby elektrické energie, nebo bude pro potřeby návrhu účinných opatření úspor nákladů spotřeby elektrické energie (případně v dalších specifických případech, např. řešení účinnosti provzdušňování v aktivačním stupni) důkladnější a dlouhodobější měření, bude navržena podrobná analýza. Celkové výsledky základní analýzy, resp. „základního technického auditu z hlediska spotřeby elektrické energie ČOV“ budou zpracovány do zprávy, která bude mít metodikou daný strukturovaný obsah (základní návrh je uveden v úvodu kapitoly 3.2).
Uvedený postup metodiky základní analýzy odpovídá aktuálně vydané metodice „Arbeitsblatt DWA-A 216 Energiecheck und Energieanalyse – Instrumente zur energieoptimierung von abwasseramlagen“ pro zjištění stavu energetických spotřeb, energetickou analýzu a optimalizaci ČOV, která v konečné podobě vstoupila v prosinci 2015 v Německu v platnost. Taktéž lze předpokládat, že i tato metodika bude základem připravované směrnice EU (viz cíle projektu ENERWATER – kapitola „Úvod“ této zprávy). Zpracovatel zprávy spolupracuje s relevantním pracovištěm v Německu (CUTEC – Institut, Claustahl, Německo), které se na uvedené metodice podílí. Uvedená metodika DWA-A 216 uvádí:
přehled měřených jednotek, včetně požadavků na jejich přesnost Výpočty indikátorů energetické efektivity (kapitola 5), včetně srovnávacích celkových hodnot naměřených na velkém množství ČOV Metodiku energetické analýzy a postup jednotlivých kroků, viz obrázek:
Sestavení matice aktuálních spotřeb energie a energetické bilance Výpočet tzv. ideálních hodnot indikátorů ČOV (dílčí postup výpočtu, včetně doporučovaných „ideálních hodnot“ pro jednotlivé části ČOV uvádí příloha A v tabulkách). Příklad výpočtu pro čerpadla (Pumpen), česle (Rechen), lapák písku a tuků (Sandfang/Fettfang) ukazuje příklad dílčí části tabulky:
v příloze B jsou uvedeny statisticky zpracované průměrné hodnoty energetických spotřeb jednotlivých dílčích technologií ČOV, které vycházejí z měření velkého počtu ČOV metodiku zpracování srovnání zjištěného stávajícího stavu ČOV a ideálních hodnot (příloha D) Srovnávací tabulku výsledků bilancí elektřiny a tepla (příloha E), příklad tabulky pro elektřinu uvádí tabulka:
diagram energetických toků (příloha F), příklad uvedený v metodice ukazuje obrázek:
Souhrn doporučených hodnot energetické spotřeby na základě dílčích výpočtů a srovnání dat s reálně měřenými hodnotami (příklad je uveden z přílohy G):
Pozn.: ve vyhodnocení je rozlišen i efekt okamžitých (S), krátkodobých (K) a závislých (A) opatření na předpokládanou změnu energetické efektivity ČOV. Zpracovatel zprávy předpokládá, že v rámci jednání s DWA bude i v podmínkách České republiky aplikovat tuto metodiku. (Pozn.: již nyní je vysoký předpoklad, že tato metodika bude převzata jako základ nově připravované evropské směrnice).
1.2.2.
Metodika podrobné analýzy
Metodika podrobné analýzy vychází z metodiky základní analýzy. Cílem této analýzy je jak dostatečně podrobné zjištění stávajícího stavu provozování ČOV, a to zejména z hlediska spotřeby elektrické energie, ale také:
komplexní ověření účinnosti stávajícího stavu technologie čištění odpadních vod prověření stavu aktuální životnosti zejména technologické části ČOV prověření možností úprav, oprav, výměn, rekonstrukcí a doplnění ČOV technologicky tak, aby dosáhla při čištění odpadních vod optimálního stavu z hlediska spotřeby a případně produkce energie (zejména elektrické, a to i formou produkce bioplynu), prověření případných návrhů doplněním stávající ČOV dalšími technologiemi (např. obnovitelnými zdroji, kombinací provozu ČOV s likvidací biologicky rozložitelných odpadů ekonomicky dosažitelných v oblasti ČOV) dosáhnout přídavného efektu ČOV jako centra výroby energie a zdroje druhotných surovin.
Navržená metodika podrobné analýzy umožní také v budoucnosti:
optimalizovat plán sledování provozního stavu ČOV a s tím souvisejících údržby, oprav a investic formou budoucích plánovaných „základních technických auditů z hlediska spotřeby elektrické energie ČOV“ případně podrobnou analýzou dílčích částí setrvale dlouhodobě monitorovat a dosahovat optimálního stavu z hlediska spotřeby elektrické energie a provozních nákladů ČOV vytvořit předpoklady pro zapojení ČOV v rámci současného trendu „SMART REGIONS“ a „SMART GRIDS“.
Podrobná analýza, resp. „podrobný technický auditu z hlediska spotřeby elektrické energie ČOV“ by měl být realizován vždy v případech, kdy:
výsledky základní analýzy budou indikovat reálně vyšší potenciál úspor spotřeby elektrické energie, a tento potenciál bude pro jeho stanovení potřebovat důkladnější a dlouhodobější měření je připravována rozsáhlejší rekonstrukce technologie ČOV, životnost technologie ČOV se blíží nebo přesahuje cca 15 let od jejího uvedení do provozu, v případě rozsáhlejších zásahů do stávající technologie s cílem např. úpravy řídícího systému automatického provozu ČOV, budou nezávisle ověřovány provozní náklady ČOV.
Lze předpokládat, že přímá intenzivní měření na ČOV nepřesáhnou maximálně 1 měsíc.
Metodika podrobné analýzy předpokládá, že bude postupováno v těchto krocích: A. PŘÍPRAVA MĚŘENÍ A VSTUPNÍCH INFORMACÍ (Pozn.: v značné části obdobné jako u základní analýzy) 1. Zpracování vstupních informací o ČOV do informační databáze: a. základní projektové údaje, resp. jejich aktualizace podle stavu v době měření b. dispoziční a technologické schéma, c. současný i výhledový stav nátoku odpadních vod (množství, složení) d. fotodokumentace, e. informace o aktuálním stavu jednotlivých zařízení a technologií, přehled uskutečněných oprav a údržby stávajících zařízení od jejich instalace (v závislosti na využitelnosti těchto údajů pro účely podrobné analýzy) f. základní provozní informace, g. přehled měřených hodnot a výsledků, včetně zjištění stavu měřidel a souvisejících relevantních zařízení h. přehled provozních nákladů v podrobném členění Pozn.: informace uvedené pod body f - g budou shromážděny za období nejméně jednoho až dvou let v dostupné časové a věcné podrobnosti 2. Na základě vstupních informací bude navržen plán a strategie měření, včetně očekávané metodiky vyhodnocování. Současně návrh bude zohledňovat pro první časové období (tj. měsíčního měření) požadavky údajů pro použití matematického modelu SIMBA. Tento plán bude obsahovat zejména: a. Stanovení míst, způsobu a četnosti měření spotřeby energie (případně účinnosti) jednotlivých technologických zařízení. V období intenzivního měření (cca jednoměsíčního) bude preferováno kontinuální měření. b. Stanovení míst, způsobu a četnosti měření jednotlivých technologických skupin ČOV z hlediska spotřeby elektrické energie a základních látkových toků vyplývajících z měření čištěné odpadní vody, kalu a dalších látek (např. dávkování fakulantu, spotřeby plynu apod.). V období intenzivního měření (cca jednoměsíčního) bude preferováno kontinuální měření. Součástí navrženého plánu a strategie bude i plán přenosu, zpracování mezivýsledků a archivace dat. B. MĚŘENÍ, SHROMÁŽĎOVÁNÍ SOUVISEJÍCÍCH ÚDAJŮ A INFORMACÍ PO DOBU MĚŘENÍ Faktickou nulovou (předběžnou) etapou měření je etapa měření realizovaná v rámci základní analýzy. Pokud není realizovaná základní analýza, tj. měření, jsou před zahájením měření (Etapa I) v rámci podrobné analýzy realizována základní přípravná měření pro stanovení optimálního umístění kontinuálních měřicích přístrojů.
Měření sledovaných parametrů ČOV v rámci podrobné analýzy bude probíhat ve dvou hlavních etapách: Etapa I: Tato etapa je období intenzivního měření spotřeby energie (případně účinnosti) jednotlivých technologických zařízení. Současně budou pro toto období nainstalovány do všech míst potřebných pro detailní sledování aktuálního stavu kvalitativních a kvantitativních (zejména hladiny, průtoky, objemy) parametrů čištěné odpadní vody dočasné měřicí přístroje pro kontinuální měření sledovaných parametrů. U těchto měření bude preferováno kontinuální měření s dálkovým přenosem údajů do centrální databáze. Současně s těmito údaji budou shodným způsobem registrovány (taktéž kontinuálně) i údaje ze stávajícího řídícího systému ČOV. Strategie měření je plnohodnotně kontinuálně monitorovat látkové toky od přítoku odpadních na ČOV, až po odtok vyčištěné odpadní vody z ČOV, včetně dalších výstupních látkových toků (např. produkce kalu, bioplynu, shrabků z mechanického čištění apod.). Uvedená kontinuální měření budou doplněna odběry vzorků čištěné odpadní vody, které budou částečně analyzovány na místě (v mobilní laboratoři umístěné na měřené ČOV) a část vzorků bude analyzována v analytické laboratoři. Účelem analýz těchto vzorků bude jednak doplnit kontinuální měření o měření parametrů, které nelze stanovit pomocí kontinuálních měření, a současně budou tyto analýzy plnit kontrolní funkci probíhajících kontinuálních měření. Etapa II: Po vyhodnocení etapy I (viz další část) je navržený systém kontinuálních měření upraven tak, aby v součinnosti s matematickým modelem bylo možné po dobu cca 2 – 3 měsíců ověřit reálné provozní údaje a simulaci na základě dlouhodobějšího období. Očekává se, že tato měření budou oproti systému měření první etapy redukována zejména na tzv. „citlivé body“ potřebné pro dobrou funkci matematického modelu a reálných měření. Uvedená kontinuální měření budou obdobně jako u etapy I doplněna odběry vzorků čištěné odpadní vody, které budou částečně analyzovány na místě (v mobilní laboratoři umístěné na měřené ČOV) a část vzorků bude analyzována v analytické laboratoři. Účelem analýz těchto vzorků je identický jako u etapy I. Lze předpokládat, že měření této etapy II nemusí být realizována, zejména v případech, kdy:
Výsledky vyhodnocení etapy I dostatečně prokážou odpovídající funkčnost matematické simulace a reálných měření Výsledky vyhodnocení etapy I prokážou potřebné úpravy provozu ČOV (včetně dílčích oprav, výměn, atd.) pro dosažení významného snížení spotřeby elektrické energie a optimalizaci provozu. Potom je vhodné, aby byly nejprve realizovány tyto dílčí úpravy a fakticky měření (podle rozsahu úprav podle pravidel etapy I nebo II) prokázala efektivnost takovýchto
úprav. Současně se na základě těchto měření případně nově kalibruje simulační model. Výsledky vyhodnocení etapy I jsou dostatečným podkladem pro návrh celkové rekonstrukce a rozsáhlých úprav technologie ČOV. C. VYHODNOCENÍ Za předpokladu, že v rámci základní analýzy byla u jednotlivých technologických zařízení vyhodnocena zejména spotřeba energie a účinnost a u technologických skupin bylo srovnání zejména pomocí tzv. „benchmarkingu“, není třeba toto vstupní vyhodnocení. Pokud nebyla realizována etapa základní analýzy je potřebné takováto vstupní vyhodnocení uskutečnit. Základním principem vyhodnocení podrobné analýzy je pomocí měření etapy I nastavit a kalibrovat simulační matematický model provozu ČOV v SW prostředí SIMBA#. Na základě takto kalibrovaného modelu v odpovídající podrobnosti a přesnosti pro potřeby vyhodnocení energetické náročnosti aktuálního provozu ČOV budou simulována a dokumentována navrhovaná opatření ke snížení spotřeby elektrické energie a optimalizaci provozu. V případě významných úprav, doplnění a změn technologie ČOV po realizaci první etapy, bude matematický model upraven, pomocí relevantních měření nakalibrován a bude opakovaně vyhodnocena efektivita provozu ČOV zejména z hlediska spotřeby elektrické energie. Práce s matematickým modelem a údaji o látkových tocích však, na rozdíl od vyhodnocení základní analýzy umožní i optimalizaci provozu ČOV z hlediska efektivity čištění odpadních vod a látkových toků. D. NÁVRH OPATŘENÍ A VYHODNOCENÍ NÁVRATNOSTI Obdobně jako u základní analýzy budou navržená opatření doplněna o posouzení jejich proveditelnosti a vyhodnocení finanční návratnosti metodikou finanční analýzy.
Na rozdíl od metodiky základní analýzy (kapitola 1.2.1), kde předpokládáme v rámci spolupráce s DWA přiměřené úpravy a doplnění sdružením DWA v prosinci 2015 vydané metodiky pro podmínky České republiky (včetně v dalších etapách prací jejího ověřování na praktických příkladech ČOV), je zpracovateli zprávy metodika podrobné analýzy společně se zahraničními partnery vyvíjena. Některé příklady využití základních principů připravované metodiky, získanými v rámci spolupráce zpracovatele zprávy s německým partnerem Institutem ifak, jsou uvedeny ve zprávě: „Report on wastewater to energy projects abroad“ interní zpráva, číslo výstupu: TE02000077DV010, CK SMART REGIONs, 30.9.2015, kapitola 3.1.3. První výsledky prací v rámci vlastních měření na pilotním projektu ČOV Boskovice s cílem ověřovat navrhovanou podrobnou metodiku jsou shrnuty v kapitole 3. této zprávy.
2. Základní principy posouzení a návrh optimalizace bioplynových stanic V oblasti bioplynových stanic se v řešeném období upřesnil obdobně jako u ČOV uzpůsob a struktura navrhované metodiky. Obdobně jako u ČOV bude použita metodika rozdělená do dvou základních skupin:
metodika základní analýzy stavu BPS z hlediska spotřeby elektrické energie (resp. tvorba „metodiky základního technického auditu z hlediska spotřeby elektrické energie BPS“) metodika podrobné analýzy stavu BPS z hlediska spotřeby elektrické energie (resp. tvorba „metodiky podrobného technického auditu z hlediska spotřeby elektrické energie BPS“)
Pro metodiku základní analýzy v současnosti upřesňujeme výběr vhodných zahraničních „dobrých praxí“ po zkušenosti s několikaleté spolupráce s německými partnery v oblasti ČOV (viz kapitola 1.2.1). Předpokládáme, že tento výběr bude dokončen počátkem roku 2016 a bude i zahájeno ověřování zvoleného postupu na konkrétních projektech v České republice. V oblasti metodiky podrobné analýzy jsem obdobně jako u ČOV již zahájili spolupráci, a to se stejnými německými partnery. Klíčovým prvkem podrobné analýzy je opět SW nástroj SIMBA# v modifikaci pro bioplynové stanice. Zpracovatel zprávy z hlediska pokrytí dostatečného množství zkušeností s různými typy bioplynových stanic rozšířil stávající spolupráci se společností MARTIN GmbH, Mnichov, Německo. V rámci této rozšířené jsme se seznámili s nově zaváděnou technologií bioplynové stanice pracující na principu suché digesce. Tento technologický postup není doposud zpracován jako standardní modul SW nástroje SIMBA#Biogas. Navštívili jsme 3 roky provozovanou bioplynovou stanici „MARTIN Dry digestation System Thöni“8 v Augsburgu, s kapacitou zpracování 2x25 000 tun biologicky rozložitelného odpadu za rok, kde jsme získali jak veškeré technické údaje, tak i finanční a ekonomické údaje o investičních a provozních nákladech. Na základě těchto hodnot jsme ve spolupráci se společností MARTIN zpracovali finanční a ekonomický model celého zařízení, a to za účelem ověření funkčnosti SW postupů pro finanční a ekonomickou simulaci tohoto typu zařízení. V dalších krocích spolupráce budeme ověřovat metodiku základní i podrobné analýzy na tomto zařízení v Augsburgu (pozn.: v České republice doposud není tento typ technologie bioplynové stanice instalován). Princip fermentace (Vergärung), který využívá zařízení „MARTIN Dry digestation System Thöni“ ukazuje obrázek: 8
http://www.martingmbh.de/en/dry-digestation-technology.html
Základní technologický prvek – fermentor, který je zcela odlišný od „klasických bioplynových stanic“, je na obrázku:
3. Zkušenosti z prací ČOV Boskovice (pilotní projekt) ČOV Boskovice je místem, kde po dohodě s vlastníkem (svazkem měst a obcí Blanensko) a provozovatelem (provozní společností VAS, a.s.) a ve spolupráci se společností SWC InTech, s.r.o. /tato realizuje měření a sběr dat, včetně základních vyhodnocování) ověřujeme při praktických měřeních aplikovatelnost navrhovaných postupů metodik určených pro oblast ČOV. Tyto práce byly v základním rozsahu zahájeny již v době příprav na projekt Centra kompetence SMART REGIONs a stále pokračují a jejich cílem je nejenom na reálných datech ověřit dílčí části metodik, ale také se podílet na doporučeních realizace optimalizace látkových a energetických toků na této ČOV. Z dosavadních výsledků základní analýzy lze konstatovat, že ČOV má významně vyšší měrnou spotřebu elektřiny na 1 EO, než by odpovídalo ideálním hodnotám. Toto dokumentuje srovnání údajů ČOV s hraniční doporučovanou hodnotou 35 kWh/EO – viz obrázek: [kW/EO/rok]
Specifická spotřeba elektrické energie za rok 2011 [kWh/1 EO za rok]
100 90 80 70
ČOV Boskovice 60 50 40
KWh/1 EO/rok (2011)
30
Doporučované maximální specifické spotřeby
20 10
0 10 000
20 000
30 000
40 000
50 000
60 000
70 000
80 000
90 000
100 000
velikost ČOV [EO]
Taktéž se na základě souhrnných výsledků potvrdila skutečnost, že největším spotřebitelem elektrické energie je biologická část ČOV (viz obrázek ročního množství spotřebované elektrické energie podle podílu jednotlivých technologických stupňů ČOV: Kalové hospodářství 28,6%
Biologická linka ostatní 21,7%
Ostatní 0,1%
Mechanický stupeň 1,4%
Biologická linka dmychadla 48,1%
V roce 2015 byla zahájena podrobná měření, za účelem ověřování metodiky podrobné analýzy.
Základní funkční uspořádání ČOV Boskovice ukazuje obrázek:
Pro kontinuální sběr dat je využíván mobilní systém WTW – IQ Sensor Net System 2020 XT. V současnosti probíhá prvotní zpracování dat naměřených v roce 2015. Již z těchto údajů jsou zřejmé možnosti optimalizace jak látkových, tak i energetických toků. Výsledky těchto prací, včetně jejich reflexe do připravovaných metodik je předmětem prací v roce 2016.
Příloha č.1 - Literatura (vztažená ke kapitole 1.1) [1] EVROPSKÁ KOMISE. Pracovní dokument 4: Metodické pokyny pro provedení analýzy nákladů a přínosů. 2006, 22 s. [2] DOLEŽAL, Ondřej. Návrh postupu při řešení odvádění a čištění městských odpadních vod z aglomerací 2 000 - 50 000 EO. Brno, 2008. 151 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební. Ústav vodního hospodářství obcí. Vedoucí práce doc. Ing. Petr Hlavínek, CSc. Oponent práce Ing. Radovan Haloun, CSc. [3] SOVAK ČR. Ročenka 2011. Praha: Silva, s. r. o., 2011. [4] CHUDOBA, Pavel. VEOLIA VODA ČR. Benchmarking kalového hospodářství velkých ČOV v ČR. 2012, 18 s. [5] Seminář Energetická náročnost ČOV: Sborník přednášek. Praha: Sdružení oboru vodovodů a kanalizací ČR, 2010, 63 s. [6] SOVAK. Energetická náročnost vodohospodářských staveb. Sborník SOVAK. Praha, 2011. [7] SCIENCE APPLICATIONS INTERNATIONAL CORPORATION (SAIC). WATER & WASTEWATER INDUSTRY: ENERGY BEST PRACTICE GUIDEBOOK. 2006, 94 s. [8] NEW YORK STATE ENERGY RESEARCH & DEVELOPMENT AUTHORITY. Water & Wastewater Energy Management: Best Practices Handbook. 2010, 94 s. [9] LEBENSMINISTERIUM. Leitfaden für die Erstellung eines Energiekonzeptes kommunaler Kläranlagen. 2008, 45 s. [10] HABERKERN, Bernd, Dr. Werner MAIER a Ursula SCHNEIDER. UMWELT BUNDES AMT FÜR MENSCH UND UMWELT. Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen. 2008, 226 s. [11] FLOHR, Dipl.-Ing. Johann. ENERGIEANALYSEN AUF KLÄRANLAGEN – VORAUSSETZUNGEN UND ANSATZPUNKTE FÜR EINE ENERGETISCHE OPTIMIERUNG. Betreiberworkshop Energieoptimierung und BHKWs am 19. Juni 2008 in Neuhausen [online]. 2008, s. 13 [cit. 2012]. Dostupné z: http://www.weber-ing.de [12] MINISTERIUM FÜR LANDWIRTSCHAFT, Umwelt und Verbraucherschutz. Energieeinsatz auf Kläranlagen in MecklenburgVorpommern: Leitfaden zur Optimierung. Germany: Landesamt für innere Verwaltung Mecklanburg-Vorpommern, 2009, 64 s. [13] HESSISCHES MINISTERIUM FÜR UMWELT, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz.Arbeitshilfe zur Verbesserung der Energieeffizienz von Abwasserbehandlungsanlagen:Anforderungen an die Planung und Durchführung. 2011, 60 s. [14] HANSEN, Dr.-Ing. Joachim, Dipl.-Ing. Kai WU, Dr.-Ing. Gerd KOLISCH, Dr.-Ing. Inka HOBUS a Dipl.-Ing. Gitta SCHIRMER. MINISTERIUM FÜR UMWELT, Forsten und Verbraucherschutz in Rheinland-Pfalz, tectraa-Zentrum für innovative Abwassertechnologien an der TU Kaiserslautern, WiW – Wupperverbandsgesellschaft für integrale W. Ökoeffizienz in der Wasserwirtschaft: Steigerung der Energieeffizienz von Abwasseranlagen. 2007, 60 s.
[15] STEINKE, Dr.-Ing. Manja. Leitfaden und Regelwerke zur Energieeffizienz auf Kläranlagen. Osnabrück, Germany, 2011, 23 s. [16] THEILEN, Prof. Dr.-Ing. Ulf. FH GIESSEN-FRIEDBERG, FB Bauwesen, FG Siedlungswasserwirtschaft. Energieeffizienz auf Kläranlagen: Istzustand und Perspektiven. 63 s. [17] SHI, Cao Ye. Mass Flow and Energy Efficiency of Municipal Sewage Treatment Plant. London: Intl Water Assn, 2011. ISBN 978-184-3393-825. [18] BLEISTERNER. BAYERISCHES LANDESAMT FÜR UMWELT. Energieeffizienz bayerischer Kläranlagen. 2008, 19 s. [19] 6th Worldwaterforum: 12 > 17 March 2012. Marseille, 2012. [20] DWA - DEUTSCHE VEREINIGUNG FÜR WASSERWIRTSCHAFT, Abwasser und Abfall e. V. DWA-Positionen: Positionen zur Energie- und Wasserwirtschaft. 2011. [21] CRUCIGER, Julian. Energetische Einsparpotentiale kommunaler Kläranlagen: Interdisziplinäres Projekt. 2012, 20 s. [22] FRICKE, Klaus. UMWELT BUNDES AMT FÜR MENSCH UND UMWELT. ENERGIEEFFIZIENZ KOMMUNALER KLÄRANLAGEN. 2009, 10 s. [23] METCALF, Inc. Wastewater engineering treatment and reuse. Internat. ed., 4. ed. New York [u.a.]: McGraw-Hill, 2004. ISBN 00-712-4140-X. [24] EUROPEAN COMMISSION. Guide to COST-BENEFIT ANALYSIS of investment projects:Structural Funds, Cohesion Fund and Instrument for Pre-Accession. 2008, 259 s. [25] Cestovní mapa ČR velkých infrastruktur - květen 2011. Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy [online]. 2011 [cit. 2012]. Dostupné z: http://hosting0205.qcm.cz/vyzkum/aktualiy-a-akce [26] EPRI MUNICIPAL WATER AND WASTEWATER PROJECT TECHNOLOGY TRANSFER COMMITTEE, Municipal Water and Wastewater Project Demand Side Management Committee.Energy Audit Manual for Water/Wastewater Facilities: A Guide for Electric Utilities to Understand Specific Unit Processes and their Energy/Demand Relationships at Water and Wastewater Plants. CEC Report CR-104300. 1994, 66 s. [27] HORNE, Jim, Anne LEIBY a Gina SNYDER. U.S. EPA PROJECT OFFICER. Ensuring a Sustainable Future: An Energy Management Guidebook for Wastewater and Water Utilities. 2008, 113 s. [28] U.S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY OFFICE OF WASTEWATER MANAGEMENT.Evaluation of Energy Conservation Measures: for Wastewater Treatment Facilities. EPA 832-R-10-005. 2010, 224 s. [29] CIPEC, [Office of Energy Efficiency]. Energy efficiency planning and management guide. [Rewritten and updated ed.]. Ottawa: Canadian Industry Program for Energy Conservation, 2002. ISBN 06-623-1457-3. [30] EWA Symposium on Sustainable Water Management: New Solutions for New Problems. Germany: European Water Association, 2012.
