Analiza wybranych metod oceny energetycznej systemów zaopatrzenia w wodę

Przemiany energii towarzyszą wszystkim procesom zachodzącym w systemie zaopatrzenia w wodę. W praktyce najczęściej w ocenie energetycznej układu analizuje się przemiany energii elektrycznej w energię kinetyczną i potencjalną w pompach. Najczęściej wykorzystywanym wskaźnikiem jest tzw. jednostkowe zużycie energii (kWh/m³), które wyraża ilość energii elektrycznej wykorzystanej na wtłoczenie do sieci 1 m³ wody. Wykorzystanie w ocenie wartości tego wskaźnika jest najprostszym rozwiązaniem, które umożliwia w szybki sposób dokonanie wstępnej oceny układu. W celu lepszego poznania pracy całego układu oraz wykonania pełnego audytu energetycznego tego rodzaju wskaźnik jest niewystarczający. Ze względu na to, że systemy zaopatrzenia w wodę mogą realizować swoją funkcję w różnych uwarunkowaniach (np. ukształtowanie terenu, topologia sieci) wykorzystanie tego wskaźnika do porównywania różnych systemów może okazać się niewiarygodne.

W ostatnich latach opracowano wiele metod oceny energetycznej procesów realizowanych przez przedsiębiorstwa. Obszerny przegląd literatury dotyczącej tego typu metod został przedstawiony przez Bylka, Mróz w 2019 roku [1].

1. Wskaźniki oceny energetycznej IWA

Międzynarodowe Stowarzyszenie Wodne (International Water Association) opracowało zestaw wskaźników służących do oceny wszystkich rodzajów procesów przez przedsiębiorstwo. Wskaźniki te opisane są w podręczniku „IWA Manual Performance Indicators for Water Supply Services” [2]. W podręczniku precyzuje się wzory do obliczania wskaźników oraz ogólne zasady ich oceny. Nie opublikowano wartości docelowych wskaźników (takich, dla których można byłoby zakwalifikować układ jako dobrze utrzymany). Przedsiębiorstwa powinny takie wartości ustalać samodzielnie, korzystając z benchmarkingu, wykorzystując pogłębioną analizę pracy eksploatowanych układów (np. z wykorzystaniem modeli komputerowych) lub poprzez analizę zmiany wartości wskaźników w czasie. W podręczniku wszystkie rodzaje wskaźników podzielono na 6 grup: zarządzanie zasobami wodnymi, zarządzanie personelem zatrudnionym w przedsiębiorstwie, aktywa fizyczne, eksploatacja urządzeń, jakość usług, aspekty ekonomiczne i finansowe.

W podręczniku określono 4 wskaźniki (w grupie wskaźników dotyczących aktywów fizycznych), które dotyczą analizy energetycznej:

• Wskaźnik Ph4 – stopień wykorzystania zdolności produkcyjnej pomp:

gdzie:

C7 – maksymalna zdolność produkcyjna pomp (suma maksymalnej mocy wszystkich pomp) [kW],

D2 – maksymalne dobowe zużycie energii [kWh].

• Wskaźnik Ph5 – standardowe zużycie energii potrzebnej, by wtłoczyć 1 m³ wody przy wysokości podnoszenia (pump head) równiej 100 m H₂O:

gdzie:

D1 – energia zużywana przez pompy [kWh],

D3 – współczynnik standaryzujący [m³ · 100 m H₂O].

• Wskaźnik Ph6 – bierne zużycie energii:

gdzie:

D4 – Zużycie energii w pompach [kWh],

D1 – Zużycie energii biernej [kVar].

• Wskaźnik Ph7 – odzysk energii:

gdzie:

D5 – energia odzyskana [kWh].

Jeden wskaźnik dotyczący analizy energetycznej został ujęty w grupie wskaźników ekonomicznych:

• Wskaźnik Fi10 – koszt zakupu energii elektrycznej względem kosztów eksploatacyjnych:

Gdzie:

G5 – koszty eksploatacyjne [EUR/rok],

G11 – koszty zakupu energii elektrycznej [EUR/rok].

Obliczanie wskaźników wymaga niejednokrotnie gromadzenia dużej ilości danych. W celu ułatwienia analiz utworzone zostało oprogramowanie – aplikacja Sigma 3, służąca do obliczania oraz analizy wskaźników opisanych w podręczniku IWA [3]. W programie zdefiniowany został zestaw wskaźników zarówno dla systemu zaopatrzenia w wodę, jak i systemu odprowadzania i oczyszczania ścieków. Możliwy jest dowolny wybór wskaźników ocen oraz definiowania własnych nieujętych w podręczniku IWA. Benchmarking (porównywanie wskaźników między przedsiębiorstwami) jest możliwy poprzez zastosowanie modułu „online”. Oprogramowanie w wersji podstawowej można bezpłatnie pobrać z strony ITA Energy – organizacji, która przygotowała program [4]. Program umożliwia wizualizację zmiany wartości wyników za pomocą wykresów oraz tabel. Zrzut ekranu z aplikacji przedstawiono na rys. 1.

2. Efektywność pomp

Nieco inne podejście do oceny energetycznej proponuje W. Jędral [5, 6]. W pracach skupia się głównie na efektywności pomp. Efektywność energetyczna ogólnie definiowana jest jako [5]:

gdzie:

E_e – efektywność,

E – efekt,

w – wkład.

Efektywność energetyczna obiektu pompowego wyraża się jako [5]:

gdzie:

P_u = Q_sΔp – użyteczna moc hydrauliczna przekazana cieczy przez pompy,

Q_s – strumień cieczy odbierany z obiektu pompowego,

Δp = różnica ciśnień na wyjściu i wejściu obiektu pompowego,

P_el,i – moc elektryczna pobierana z sieci przez układ napędowy i-tej pompy.

Zaproponowano, aby czynniki, które wpływają na efektywność energetyczną pomp, podzielić na dwa rodzaje: straty nieuniknione oraz straty niepotrzebne. Straty nieuniknione wynikają z faktu, iż z punktu widzenia fizyki sprawność każdego procesu jest mniejsza niż 100%. Straty niepotrzebne wynikają z uwarunkowań technicznych urządzeń [6]. Stratami niepotrzebnymi są między innymi: straty hydrauliczne, straty w silnikach elektrycznych, straty w elektronicznych układach regulacji prędkości obrotowej, straty tarcia podczas przepływu cieczy. Straty niepotrzebne można podzielić na zewnętrzne (ściśle związane z warunkami brzegowymi jakie zostały narzucone instalacji bądź sieci) oraz wewnętrzne (przyczyny związane z pompami i instalacją pompową w danym obiekcie). Przykładami strat zewnętrznych jest np. zbyt wysokie ciśnienie wody sieciowej wymagane od strony pompowni wodociągowej, czy też inne wymogi dla dowolnego obiektu pompowego od strony odbiorcy cieczy. Przykładem strat wewnętrznych jest z kolei: praca pomp w punkcie ich niskiej sprawności, co powoduje wzrost konsumpcji energii przez dany układ pompowy. Przyczynami strat niepotrzebnych, możliwych do zlikwidowania, są np.: źle zaprojektowane instalacje pompowe (stosowanie zbyt wielu lub za małej liczby pomp), nieodpowiednio dobrane pompy, nieodpowiednie parametry pracy pompowni (np. zbyt duża wysokość podnoszenia), stosowanie nieoptymalnych układów sterowania, zły stan techniczny pompowni, błędy w konstrukcji pomp oraz ich silników [6]. Poprawa efektywności energetycznej układu jest możliwa np. poprzez: zmianę struktury instalacji, wymianę pomp na pompy wysokosprawne, zmianę metod oraz algorytmów sterowania, modernizację pompowni [5].

3. Ramy oceny efektywności energetycznej przedsiębiorstw wodociągowych w Portugalii

W artykule pt. „The Development of a Framework for Assesing the Energy Efficiency in Urban Water Systems and its Demonstration in the Portuguese Water Sector” [7] przedstawiono w sposób ramowy zagadnienie związane z oceną energetyczną przedsiębiorstw na przykładzie przedsiębiorstw w Portugali. Zwrócono uwagę na to, że efektywność energetyczna jest jednym z aspektów oceny przedsiębiorstwa ściśle powiązanym z środowiskiem oraz zrównoważonym rozwojem. Autorzy przedstawili działania, które można realizować w celu poprawy efektywności energetycznej od ujęcia i stacji uzdatniania wody poprzez sieć wodociągową oraz system odprowadzania i oczyszczania ścieków.

Efektywność energetyczna polega na wyznaczaniu wskaźników, które są porównywane do wartości odniesienia (progów akceptowalności). Wartości odniesienia mogą być określone w przepisach oraz wytycznych lub też być oceniane na podstawie danych literaturowych czy też danych historycznych. Ważnym kryterium, które powinno być uwzględniane w procesie poprawy efektywności energetycznej systemu jest to, iż zwiększenie efektywności energetycznej nie może negatywnie wpłynąć na jakość wody uzdatnionej, poziom usług (np. ciśnienie w sieci) oraz jakość odprowadzanych do środowiska ścieków. Przedstawiono metodologię oceny energetycznej na 4 poziomach: ogólnym (poziom 1), etapowym (poziom 2), elementowym (poziom 3) oraz procesowym (poziom 4).

W pierwszym etapie wykonuje się uproszczoną ocenę wszystkich obszarów, a następnie wybiera się te, które mają największy wpływ na proces zaopatrzenia w wodę. Oblicza się stosunek pomiędzy kosztami zakupu energii dla procesów a całkowitymi kosztami eksploatacyjnymi. Na drugim etapie wybiera się te procesy, w których występują przemiany energii, z kolei na poziomie 3 określa się te procesy, które odpowiadają za przemiany największych ilości energii. Czwarty poziom dotyczy określania sprawności urządzeń w każdej z wytypowanych stref. Wskaźnikami oceny są między innymi: procentowe zużycie energii dla każdego z etapów (poboru, uzdatniania, dystrybucji wody oraz odbioru, oczyszczanie i odnowa wody), znormalizowane zużycie energii na etapach poboru i transportu wody oraz odbioru i ponownego użycia ścieków (wskaźnik tożsamy z wskaźnikiem Ph5), zużycie energii przypadające na jednostkę wody lub ścieków w każdym z procesów (kWh/m³).

Dla procesów uzdatniania wody oraz oczyszczania ścieków i ich odnowy proponuje się wskaźnik odniesiony względem usuwanej masy (kWh/kg). Proponuje się również odrębnie obliczać wskaźniki energetyczne dla celów czyszczenia sieci oraz dla celów odbioru ścieków ze zbiorników bezodpływowych. Dla oczyszczalni ścieków zaleca się obliczanie wskaźnika zużycia energii w celu unieszkodliwiania osadów oraz analizy wskaźników produkcji energii z biogazu (kWh/m³).

Liczba obliczanych wartości będzie zależeć od charakterystyki przedsiębiorstwa. Należy zwrócić uwagę, iż obok analizy energetycznej zaleca się analizę innych wskaźników oceny przedsiębiorstwa, w szczególności tych dotyczących: awaryjności sieci, strat wody, ilości ścieków przypadkowych czy jakości uzdatnionej wody lub jakości oczyszczonych ścieków odprowadzanych do środowiska.

4. Benchmarking

Inną metodą oceny energetycznej jest benchmarking (tzw. analiza porównawcza). Polega na wartości wskaźników obliczanych przez wiele różnych przedsiębiorstw. Największym projektem benchmarkingowym w Polsce, w którym analizuje się wskaźniki energochłonności dla procesów realizowanych w przedsiębiorstwach wodociągowo-kanalizacyjnych, jest projekt Izby Gospodarczej Wodociągi Polskie [8, 9]. W 2019 roku w badaniu benchmarkingowym udział wzięło 176 przedsiębiorstw, które stanowiły 9,41% wszystkich przedsiębiorstw w Polsce, obsługujących 20% długości sieci oraz dostarczających ponad 65% wody dla gospodarstw domowych. W benchmarkingu analizuje się wskaźniki energochłonności procesu zaopatrzenia w wodę [kWh/m3]. Dodatkowo publikowane są dane o jednostkowym zużyciu energii w rozbiciu na system poboru i dystrybucji wody. Wartości wskaźników są obliczane z podziałem na trzy grupy przedsiębiorstw, w zależności od ich wielkości (małe, średnie i duże). Wartości wskaźników są dostępne dla członków Izby oraz publikowane w raportach rocznych.

Na świecie największym projektem benchmarkingu jest IBNET [10] realizowany przez Bank Światowy. Celem tego projektu jest dostarczenie danych dla organizacji rządowych, zarządców przedsiębiorstw, banków rozwojowych, inwestorów oraz naukowców na temat działania branży wodociągowej. W projekcie raportowane są dane o zużyciu energii z podziałem na produkcję i dystrybucję wody oraz odprowadzanie i oczyszczanie ścieków. Na podstawie tych danych obliczane są wskaźniki jednostkowe [kWh/m3]. Analizuje się również wskaźniki ekonomiczne: udział kosztów energii elektrycznej w kosztach operacyjnych [%]. Dostęp do danych jest powszechny i nieodpłatny z wykorzystaniem narzędzia sieciowego.

5. Analiza egzergetyczna

Większość metod oceny energetycznej systemu zaopatrzenia w wodę bazuje jedynie na pierwszej zasadzie termodynamiki. Podstawą badań jest poszukiwanie elementów systemu, w których następuje największe „zużycie energii”. Stwierdzenie „zużycie energii” jest niepoprawne z punktu widzenia fizyki – energia jest niezniszczalna, możliwe są jedynie jej przemiany. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, w każdym procesie następuje przyrost entropii (traci się „jakość energii”). Pojęciem, które określa jakość energii, jest egzergia.

Egzergia definiowana jest jako „zdolność rozpatrywanej porcji energii do wykonania pracy z wykorzystaniem ciepła pobranego z otoczenia oraz powszechnie występujących i wzajemnie niezależnych składników otoczenia (np. składników powietrza atmosferycznego)” [11]. Przykładowo, w pompach następuje przemiana energii elektrycznej na potencjalną i kinetyczną energię wody oraz ciepło wytworzone przez silnik. W tym przypadku energia kinetyczna i potencjalna będzie miała większą jakość, ponieważ przyczyni się do efektu użytecznego procesu dostarczania wody i ścieków. Analiza egzergetyczna dla systemu zaopatrzenia w wodę może być wykonana w oparciu o ogólne równanie strugi egzergii wody [12]:

b_H2O = b_t + b_mech + b_chem + b_con + b_k + b_pot

gdzie:

b_H2O – całkowita egzergia właściwa wody [J],

b_t – termiczna egzergia właściwa wody [J],

b_mech – mechaniczna egzergia właściwa wody [J],

b_chem – chemiczna egzergia właściwa wody [J],

b_con – egzergia właściwa wody koncentracji wody [J],

b_k – kinetyczna egzergia właściwa strugi wody [J],

b_pot – potencjalna egzergia właściwa wody [J].

Szczegółowe bilanse egzergetyczne dla kolejnych elementów systemu zostały przedstawione w pracy pt. „Ocena układów transportujących wodę z zastosowaniem zintegrowanych narzędzi informatycznych” [13]. Zaletą analizy egzergetycznej jest to, iż w jednym bilansie istnieje możliwość analizowania różnego rodzaju przemian energetycznych (np. energii mechanicznej, termicznej oraz chemicznej). Wpisuje się to w ideę gospodarki obiegu zamkniętego oraz umożliwia poszukiwania możliwości odzysku energii z systemu zaopatrzenia w wodę (np. energii kinetycznej i potencjalnej wody w turbinach czy też odzysku energii termicznej w pompach ciepła itp.).

Analiza egzergetyczna wymaga w pierwszej kolejności budowy hydraulicznego modelu sieci wodociągowej. Na bazie modelu hydraulicznego możliwe jest opracowanie modelu egzergetycznego. W tego typu modelu określa się wartości egzergii dopływającej do każdego z elementów oraz charakteryzuje się ilość oraz przyczyny strat egzergii.

6. Podsumowanie i wnioski

Ocena energetyczna jest jednym z ważniejszych elementów oceny systemu zaopatrzenia w wodę. W ostatnich latach w ramach badań naukowych oraz prac dotyczących standardów technicznych przygotowano narzędzia, które umożliwiają szczegółową ocenę energetyczną systemu zaopatrzenia w wodę. Ocena może odbywać się w różnej skali. Najprostsze metody zakładają obliczanie wskaźników jednostkowych zużycia energii [kWh/m³]. Tego typu metody są dobre do analiz makroekonomicznych, prowadzonych z udziałem wielu podmiotów (np. benchmarking).

W celu bardziej szczegółowej analizy można prowadzić badania sprawności pomp. Najbardziej precyzyjne wyniki oceny energetycznej można uzyskać z wykorzystaniem modeli przemian termodynamicznych w systemach zaopatrzenia w wodę – tzw. analiza egzergetyczna. Analiza taka umożliwia opis wszelkiego rodzaju przemian energetycznych nie tylko energii mechanicznej, ale również termicznej i chemicznej.

Z punktu widzenia przyszłych prac badawczych szczególnie ciekawe wydaje się poszukiwanie możliwości odzysku energii z sieci wodociągowej. Aktualnie najczęściej wykorzystuje się energię kinetyczna i potencjalną wody (w turbinach) oraz energię termiczną (w pompach ciepła). Brakuje nadal prac teoretycznych, w których opisywanoby przemiany chemiczne w systemach zaopatrzenia w wodę z punktu widzenia energetycznego i egzergetycznego. Tego typu analizy umożliwią lepsze poznanie sieci oraz poszukiwania nowych możliwości zwiększenia efektywności energetycznej.

7. Literatura

1. Bylka, J.; Mroz, T. A Review of Energy Assessment Methodology for Water Supply Systems. Energies 2019, 12, 4599.
2. Alegre H. (red), Performance Indicators for Water Supply Services. IWA Publishing, 2000.
3. https://www.sigmalite.com/sigma-en.php dostęp 07.07.2020.
4. https://www.ita.upv.es/index-es.php dostęp 07.07.2020.
5. W. Jędral, Efektywność energetyczna jako ważny zasób energetyczny – porównanie z wybranymi źródłami energii. Rynek Energii, 08, 2011.
6. W. Jędral, Efektywność energetyczna pomp i instalacji pompowych Warszawa 2007.
7. Loureiro D., Silva C., Cardoso M.A. , Mamade A., Alegre H., Rosa M. J., The Development of a Framework for Assessing the EnergyE_ciency in Urban Water Systems and Its Demonstration in the Portuguese Water Sector Water 2020, 12(1), 134.
8. Benchmarking IGWP [Online]. Dostęp online: http://www.igwp.org.pl /krajowy-system-benchmarkingu. (Dostęp w dniu: 08-lip-2020).
9. Raport benchmarkingu przedsiębiorstw wodociągowo-kanalizacyjnych za 2018 rok. Izba Gospodarcza Wodociągi Polskie.
10. IBNET. dostęp online: https://www.ib-net.org/. (Dostęp w dniu: 08-lip-2020).
11. Szargut J., Egzergia. Poradnik obliczania i stosowania, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice (2007).
12. Martínez-Gracia A., Valero A., Uche J.: The hidden value of water flows: The chemical exergy of rivers. International Journal of Thermodynamics volume, 2012, 15 (1).
13. Bylka J., Ocena układów transportujących wodę z zastosowaniem zintegrowanych narzędzi informatycznych. Rozprawa doktorska – Politechnika Poznańska, Poznań 2019.

dr inż. Jędrzej Bylka, mgr inż. Dawid Zamożniewicz

Politechnika Poznańska, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki

Źródło: Technologia Wody 5/2020