Oszczędności energetyczne w Wodociągach Miasta Krakowa SA

Same tylko oczyszczalnie ścieków odpowiadają za ok. 35% łącznego zużycia energii przez obiekty komunalne ogółem. Największe zapotrzebowanie na energię elektryczną wymagane jest w procesie biologicznego oczyszczania ścieków. W systemach z osadem czynnym zużycie energii do napowietrzania bioreaktorów kształtuje się na poziomie 40–50%, a w niektórych przypadkach nawet 60–80%. Podnoszenie standardów oczyszczania ścieków powoduje dalszy wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną.

Biorąc pod uwagę wzrost cen prądu, który miał miejsce w ostatnich latach, a zwłaszcza od 2021 r., zakup energii stał się znaczącą pozycją kosztową w działalności przedsiębiorstw wodociągowych. A chociaż ograniczenie zużycia energii elektrycznej nigdy nie będzie stanowić nadrzędnego celu w zarządzaniu pracą oczyszczalni ścieków, to istnieje wiele rozwiązań, które to umożliwiają. Możemy tutaj mówić zarówno o możliwościach wytwarzania energii, jak i o zastosowaniu rozwiązań umożliwiających redukcję energochłonności procesów przy zachowaniu parametrów technologicznych.

Poszukiwanie oszczędności można podzielić na dwa rodzaje działań: organizacyjne i techniczne. Do pierwszej grupy zaliczymy m.in. właściwy dobór mocy zamówionej i taryf opłat za energię oraz wprowadzenie odpowiedniego harmonogramowania pracy głównych urządzeń. Do drugiej – modernizację lub wymianę głównych odbiorników energii, modernizację ciągów technologicznych, zastosowanie innowacyjnych sposobów sterowania głównymi odbiornikami, budowę instalacji fotowoltaicznych. W poszukiwanie oszczędności energetycznych swoimi działaniami wpisują się Wodociągi Miasta Krakowa SA, podejmując szeroki zakres przedsięwzięć zarówno w ramach działań organizacyjnych, jak i technicznych.

Energia z biogazu

Jednym z ważnych aspektów poszukiwania oszczędności w opłatach za energię elektryczną jest wytwarzanie energii odnawialnej. Jej głównym źródłem w przypadku oczyszczalni ścieków jest biogaz wytwarzany w procesach beztlenowej fermentacji osadów ściekowych. W oczyszczalni Płaszów w czterech wydzielonych komorach fermentacyjnych o pojemności 5 tys. m3 każda produkuje się 15 tys. m3 biogazu na dobę. Biogaz magazynowany jest w dwóch zbiornikach o pojemności ok. 3080 m3. Są to nowoczesne zbiorniki, zbudowane w 2023 r., umożliwiające efektywne sterowanie pracą jednostek wytwórczych oraz zmagazynowanie sporej objętości biogazu w okresach jego zwiększonej produkcji. Dotychczas powstający biogaz był magazynowany w dwóch zbiornikach o pojemności 1250 m3 każdy. Z powodów konstrukcyjnych zbiorniki te (cylindryczne) mogły pracować w zakresie od 100% napełnienia do 70%, co znacznie ograniczało możliwość wykorzystania produkowanego biogazu. Do dyspozycji pozostawało zaledwie 30% ich pojemności. Zamontowane nowe zbiorniki (sferyczne) wraz z nowymi urządzeniami towarzyszącymi i infrastrukturą umożliwiają wykorzystanie pojemności aż w 80%, ponieważ pracują w zakresie od 100% do 20% napełnienia. Z 1 m3 biogazu można otrzymać ok. 4 kW energii elektrycznej lub cieplnej.

W oczyszczalni Płaszów zamontowano cztery jednostki kogeneracyjne o mocy elektrycznej 800 kW każda. Dwie z nich znajdują się w budynku energetycznym i są podłączone do rozdzielni głównej niskiego napięcia, natomiast dwie wolno stojące są podłączone przez stację transformatorową 0,4/15 kV do rozdzielni głównej średniego napięcia. Jednostki te mogą być zasilane biogazem, jak i gazem ziemnym, co w sytuacji braku napięcia zasilającego umożliwia ich pracę jako awaryjnego źródła zasilania dla wybranych urządzeń technologicznych oczyszczalni.  W budynku energetycznym zabudowano dodatkowo dwie turbiny zasilane biogazem o mocy 60 kW każda. Niezależnie od jednostek kogeneracyjnych oczyszczalnia jest wyposażona w trzy kotły, które mogą być zasilane zarówno biogazem, jak i gazem ziemnym typu E.

Wytworzony biogaz, zanim trafi do jednostek kogeneracyjnych, jest podawany procesowi uzdatniania w instalacji osuszania i usuwania siarkowodoru oraz siloksanów. Dopiero po uzdatnieniu może być bezpiecznie użyty do produkcji energii elektrycznej i ciepła.

W drugiej krakowskiej oczyszczalni – Kujawy, która rocznie produkuje ok. 3350 tys. m3 biogazu, pracują cztery jednostki kogeneracyjne: dwie o mocy elektrycznej 193 kW, jedna o mocy elektrycznej 173 kW oraz uruchomiony w 2022 r. kogenerator o mocy elektrycznej 600 kW. W tym samym okresie została również zamontowana turbina o mocy 200 kW zasilana biogazem.

Energia ze słońca

Jednostki kogeneracyjne nie są jedynymi źródłami energii elektrycznej w oczyszczalni Płaszów. Od 11 lat działa tam również farma fotowoltaiczna. Farma posiada moc 60 kWp i rocznie wytwarza ok. 68 MWh energii elektrycznej.

Warto też wspomnieć o aktualnie realizowanym projekcie w Zakładzie Uzdatniania Wody Raba (ok. 25 km od Krakowa). Jest to budowa farmy fotowoltaicznej o mocy 920 kWp zlokalizowanej na dachu poletek osadowych. Przy okazji budowy farmy prowadzona jest również modernizacja konstrukcji zadaszenia poletek. Planuje się, że całość wytworzonej energii elektrycznej będzie wykorzystana do zasilania urządzeń technologicznych ZUW Raba, ograniczając tym samym jej zakup u dostawcy. Uruchomienie farmy nastąpi w połowie 2024 r.

Odzysk energii z grawitacyjnego spadu ścieków oczyszczonych do odbiornika

Źródłem energii jest uruchomiona w 2017 r. turbina wodna na wylocie ścieków oczyszczonych do odbiornika, którym jest Drwina (dopływ Wisły). Odzysk energii umożliwia topografia terenu, ponieważ różnica wysokości pomiędzy wylotem z oczyszczalni a odbiornikiem wynosi ok. 3,7 m. Zastosowano turbinę Kaplana z podwójną regulacją za pomocą kierownicy z ruchomymi łopatkami oraz wirnika z ruchomymi łopatkami, sprzężoną  z generatorem o mocy 85 kW. W ciągu roku turbina produkuje ok. 380 MWh energii elektrycznej, która jest zużywana przez obiekty technologiczne oczyszczalni Płaszów. Turbina może pracować w bardzo szerokim zakresie przepływów oraz zmian rzędnej odbiornika, gdyż w komorze pomiarowej mogą występować natężenia przepływów w zakresie do 13 750 m3/h. Minimalny przepływ przez turbinę wynosi 2800 m3/h (dla pełnego zakresu wymaganych rzędnych wody dolnej), natomiast maksymalny przepływ to 9000 m3/h (dla pełnego zakresu wymaganych rzędnych wody dolnej). Dla przepływów poniżej zakresu pracy turbiny zastosowano zabezpieczenie przed uszkodzeniem na skutek za małych przepływów. Z kolei dla przepływów powyżej zakresu pracy turbina pracuje z maksymalnym przepływem, a nadmiar wody przepływa do odbiornika poza turbiną. Średnia moc wytwarzana przez turbinę przy typowych przepływach w porze bezdeszczowej wynosi ok. 60 kW.

Odzysk energii z grawitacyjnego przesyłu wody uzdatnionej

Kolejnym ważnym przedsięwzięciem służącym do wytwarzania energii elektrycznej jest wykorzystanie energii przepływającej wody. Na grawitacyjnym odcinku rurociągu magistralnego, którym przesyłana jest woda z ZUW Raba do zbiorników wodociągowych w Sierczy, zamontowano turbinę wodną o mocy 440 kW. Jest to turbina Francisa ze zmienną geometrią łopat. Jej głównym zadaniem jest regulacja napływu wody do zbiorników, a przy okazji produkuje energię elektryczną. Rocznie turbina wytwarza ok. 2800 MWh energii elektrycznej. Całość wytworzonej energii jest w tym wypadku odsprzedawana do sieci energetycznej operatora, gdyż z uwagi na umiejscowienie turbiny w komorze regulacyjnej nie ma możliwości jej wykorzystania w procesie technologicznym. Produkcja energii elektrycznej przez turbinę stanowi ok. 27% energii zużytej na przepompowanie wody z ZUW Raba do zbiorników w Gorzkowie, które są najwyższym punktem na trasie przesyłu wody do Krakowa. Przyjmując założenie, że przeciętne gospodarstwo domowe ma moc przyłączeniową ok. 4 kW i zużywa ok. 300 kWh energii na miesiąc, to uwzględniając współczynnik jednoczesności, turbina może stanowić źródło zasilania dla ok. 100 takich gospodarstw.

Modernizacja ciągów technologicznych i urządzeń sterowania

Niezależnie od budowy jednostek wytwarzających energię elektryczną krakowska spółka podejmuje szereg działań związanych z ograniczeniem jednostkowego zużycia energii przez poszczególne urządzenia pracujące w ciągach technologicznych. Jednym z takich działań jest modernizacja obiektów i wymiana głównych urządzeń na mniej energochłonne. Przykładem może być modernizacja linii technologicznej ozonowania wody w ZUW Raba, gdzie dzięki zmianie technologii wytwarzania ozonu oraz zastosowaniu nowoczesnych generatorów ozonu udało się ograniczyć zużycie energii elektrycznej o  94 kW/h, co miesięcznie daje oszczędności rzędu 68 MWh.

Niezależnie od modernizacji podejmowane są działania pozwalające na ograniczenie zużycia energii przez eksploatowane urządzenia. Przykładem może być wdrożony w oczyszczalni Płaszów Zintegrowany System Efektywności Energetycznej (ZSEE). Jeżeli na oczyszczalnię ścieków popatrzymy pod kątem zużycia energii elektrycznej, to pompy i dmuchawy należą do urządzeń zużywających największe jej ilości. Dlatego głównym zadaniem ZSEE jest wspomaganie sterowania urządzeniami niezbędnymi do realizacji procesu technologicznego, a zużywającymi największe ilości energii elektrycznej. System ZSEE jest nadrzędny w stosunku do istniejącego w oczyszczalni układu kontroli i sterowania. Dzięki analizie parametrów pracy urządzeń oraz parametrów procesów technologicznych ZSEE modyfikuje algorytmy sterowania urządzeniami w celu optymalizacji efektywności energetycznej. Jest również połączony z systemem SCADA oczyszczalni. Dla poprawy efektywności energetycznej system monitoruje sprawność poszczególnych urządzeń (pompy i dmuchawy) i załącza je w taki sposób, aby w danej chwili pracowały te o najwyższej sprawności. Dzięki odpowiednio dobranym algorytmom dokonuje również optymalizacji regulacji wydajności, tak aby całkowite chwilowe zużycie energii pobieranej z sieci było jak najmniejsze. Zmieniona została filozofia sterowania przez wprowadzenie harmonogramowania zadań polegającego na odpowiednim ukształtowaniu i zsynchronizowaniu załączania i wyłączania urządzeń energetycznych.

Istotnym elementem systemu jest układ sterowania dmuchawami, które dostarczają niezbędną ilość powietrza do komór tlenowych reaktorów biologicznych. Algorytm sterowania wyznacza zmianę wartości zadanej ciśnienia w zależności od zapotrzebowania komór bioreaktorów na tlen. Ponadto wprowadzono kolejkowanie włączania. Dmuchawa o wyższej sprawności według wyliczeń systemu jest ustawiana jako pierwsza do załączenia w kolejce. Przy obliczaniu sprawności dmuchawy brane pod uwagę są stopień otwarcia dyfuzora, prąd, moc, przepływ, różnica ciśnień na filtrze, współczynnik energetyczny kW/m3. Optymalizacja sterowania dmuchawami jest z energetycznego punktu bardzo istotna, bowiem są one wyposażone w silniki elektryczne o mocy 400 kW.

Podsumowanie

Wytwarzana w oczyszczalni Płaszów energia elektryczna pokrywa ok. 50% jej całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną oraz 100% zapotrzebowania na ciepło, natomiast w oczyszczalni Kujawy – ok. 90% zapotrzebowania na energię i 100% na ciepło.

Oczyszczalnia Płaszów i ZUW Raba są największymi konsumentami energii elektrycznej spośród wszystkich obiektów technologicznych Wodociągów Miasta Krakowa SA, łącznie stanowi to ok. 80% wolumenu energii pobieranej przez spółkę. Tym bardziej efekt oszczędnościowy ma tu znaczenie. Pozwala to na ograniczenie zakupów u dostawcy, co przekłada się na wymierny efekt finansowy. Mniejsze zapotrzebowanie na energię, która w zdecydowanej części jest wytwarzana z węgla, ma również wpływ na ochronę środowiska i ograniczenie emisji CO2.

wodociagi.krakow.pl