Poprawa efektywności energetycznej i produkcja zielonej energii

Rosnące ceny energii oraz wysoka energochłonność obiektów infrastruktury wodociągowo-kanalizacyjnej spowodowały, że w MPWiK w Piekarach Śląskich zaczęliśmy pracować nad optymalizacją procesów technologicznych, a także poszukiwać proekologicznych, alternatywnych źródeł energii.

Miejskie Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji w Piekarach Śląskich, oprócz wielu kilometrów sieci wodociągowej i kanalizacyjnej, eksploatuje 31 przepompowni ścieków oraz dwie oczyszczalnie: większą „Północ” i mniejszą „Południe”. Obiekty te, pracując nieprzerwanie przez całą dobę, są największymi konsumentami energii w spółce.

Wzrost cen energii elektrycznej w ostatnich latach stał się dla wielu przedsiębiorstw wodociągowych bodźcem do poprawienia efektywności energetycznej, redukcji zużycia energii i w konsekwencji obniżenia rachunków za prąd. Coraz większym zainteresowaniem cieszą się instalacje odnawialnych źródeł energii. Także MPWiK w Piekarach Śląskich zdecydował się na produkcję „zielonej” energii.

Wyprodukujmy energię

W 2020 r. Główny Instytut Górnictwa z Katowic wykonał dla spółki audyt energetyczny. Analizując wszystkie obiekty pod względem oceny zużycia energii wskazał on konkretne rozwiązania w poszczególnych lokalizacjach, tj. w Oczyszczalni Ścieków „Południe”, Oczyszczalni Ścieków ,,Północ” oraz w budynku dyrekcji. Opracowanie bilansu energetycznego było pierwszym krokiem w kierunku wyboru najlepszych rozwiązań związanych z odnawialnymi źródłami energii, dzięki którym MPWiK w Piekarach Śląskich może poprawić efektywność energetyczną. Argumentem przemawiającym za wdrożeniem rozwiązań produkujących zieloną energię był bardzo krótki okres zwrotu inwestycji.

Naszym celem stała się budowa instalacji fotowoltaicznej na potrzeby własne na terenie oczyszczalni oraz zabudowanie na obu tych obiektach pomp ciepła wykorzystujących odzysk energii ze strumienia ścieków sanitarnych.

Energia ze słońca

Produkcja własnej energii na oczyszczalniach MPWiK w Piekarach Śląskich poprzez instalacje fotowoltaiczne przyniosła istotną korzyść. Raz poniesiony koszt inwestycyjny, biorąc pod uwagę rosnące ceny energii, zwróci się bardzo szybko. Ponadto daje duże szanse na generowanie następnych oszczędności w kolejnych latach użytkowania.

W sierpniu 2020 r. uruchomiono instalację fotowoltaiczną na Oczyszczalni „Południe” (o mocy 50 kW) - obecnie pokrywa 10% jej zapotrzebowania na energię. Koszt instalacji wyniósł 184 959,35 zł netto, a jej działanie przynosi rocznie oszczędność ok. 50 tys. zł.

Dwa lata później została odebrana instalacja fotowoltaiczna na Oczyszczalni „Północ” (o mocy 2 x 50 kW), której koszt wyniósł 363 976,70 zł netto. Dzięki niej w kieszeni spółki zostaje ok. 75 tys. zł rocznie.

Różnice w wielkości tych oszczędności finansowych wynikają z niższej ceny za dystrybucję energii na Oczyszczalni „Północ” (układ pomiarowy półpośredni - taryfa B23).

Wykorzystanie energii ukrytej w ściekach - odzysk ciepła

W listopadzie 2022 r. na Oczyszczalni Ścieków „Południe” zaczęła pracę nowa pompa ciepła wraz z instalacją centralnego ogrzewania (wartość inwestycji - 200 tys. zł netto). Wcześniej, z uwagi na brak infrastruktury gazowej czy ciepłowniczej, ogrzewanie pomieszczeń zapewniały elektryczne grzejniki konwektorowe, co jak wiadomo jest jednym z najdroższych w eksploatacji rozwiązań. Teraz źródło ciepła bazuje na kaskadzie dwóch pomp gruntowych wykorzystujących odzysk ciepła ze strumienia ścieków. Zabudowa pompy ciepła na tym obiekcie daje roczne oszczędności w wysokości ponad 50 tys. złotych. Spodziewamy się, że inwestycja zwróci się za ok. 4 lata, lub szybciej, biorąc pod uwagę rosnące koszty energii.

Jako dolne źródło ciepła dla pompy wybraliśmy osadniki wtórne. Istniała możliwość zabudowy wymiennika w komorach osadu czynnego, ale obawialiśmy się, że w okresach silnego mrozu wymiennik obniży temperaturę ścieków w komorach, co może prowadzić do problemów z usuwaniem azotu. Ostatecznie zdecydowaliśmy na budowę dwóch pętli w dwóch osadnikach (po około 90 m b. każda).

Po uruchomieniu instalacji zbadaliśmy, jak wymiennik ciepła wpływa na temperaturę ścieków w okresach, kiedy temperatura powietrza spada do ok. -15 st. C. Mierząc temperaturę w osadnikach, gdzie jest zabudowany wymiennik i w tych bez wymiennika zaobserwowaliśmy, że różnica temperatur ścieków między tymi osadnikami to jedynie 0,3-0,4 st. C.

Kolejne inwestycje w pompy

Obserwując efekty pracy instalacji, w czerwcu tego roku zdecydowaliśmy się na uruchomienie podobnej instalacji pompy ciepła na większej Oczyszczalni „Północ”. Dotąd obiekty wchodzące w jej skład ogrzewane były ciepłem sieciowym kupowanym od Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej Sp. z o.o. w Piekarach Śląskich. Prowadzona inwestycja pozwoliła na zmianę systemu centralnego ogrzewania pomieszczeń na terenie oczyszczalni i w budynkach Działu Eksploatacji Sieci Wodociągowo-Kanalizacyjnej.

Funkcjonowanie systemu opiera się na pracy pomp ciepła i odzysku energii cieplnej ze ścieków oczyszczonych. Miejscem poboru ciepła są dwa istniejące osadniki wtórne. Na ścianach wewnętrznych zbiorników zamontowane zostały specjalne wsporniki ze stali kwasoodpornej - to na nich spiralnie zamontowana jest polietylenowa rura będąca wymiennikiem ciepła ze ścieków.

W każdym osadniku zainstalowanych jest 1900 metrów bieżących ułożonych spiralnie rur, każda z pętli ma nie więcej niż 240 m. Bezpośrednio przy osadnikach powstały dwie studzienki rozdzielcze. Z nich energia niskotemperaturowa poprzez rurociągi zostaje przetransportowana do dwóch pomp ciepła po 83 kW każda. Tam temperatura jest podnoszona i przekazana do instalacji grzewczej. Pompy zasilają również zasobniki ciepłej wody użytkowej.

W pomieszczeniach budynków zlokalizowanych na terenie oczyszczalni oraz Działu Eksploatacji Sieci zainstalowanych zostało 13 klimakonwektorów, które zapewnią optymalną temperaturę pomieszczeń zarówno zimą jak i latem. Całkowity koszt prowadzonej inwestycji to 958,5 tys. zł netto.

W okresie od maja 2022 r. do końca kwietnia 2023 r. za ogrzewanie obiektów Oczyszczalni „Północ” i Działu Eksploatacji Sieci MPWiK w Piekarach Śląskich zapłaciło 145 tys. zł. Skalę ostatnich podwyżek c.o. dobrze pokazuje rozdzielenie tej kwoty na konkretne miesiące. Otóż za 8 miesięcy ub. roku rachunek wynosił ok. 70 tys. zł, a za 4 miesiące roku bieżącego - już 75 tys. zł.

Kolejna myśl - optymalizacja

Zarządzanie energią w piekarskim przedsiębiorstwie nie ogranicza się jedynie do wdrażania bardziej energooszczędnych urządzeń i technologii, ale polega też na optymalnym wykorzystaniu posiadanej infrastruktury i na zmianie złych nawyków.

Pracownicy spółki na co dzień zajmujący się eksploatacją urządzeń energetycznych wykonali wewnętrzną analizę energetyczną. Wynika z niej, że pompy i dmuchawy pracujące przez całą dobę są jednym z ważniejszych odbiorników energii elektrycznej w obrębie firmy. Silniki napędzające te urządzenia mają moce od ok. 20 kW do nawet 100 kW. Nie dysponujemy pełnym monitoringiem przepompowni (tzn. pomiarami mocy, przepływu czy ciśnienia w rurociągach tłocznych), dlatego dokonaliśmy analizy pracy poszczególnych przepompowni przenośnym analizatorem parametrów sieci elektroenergetycznej. Rozważaliśmy możliwość zabudowy takich układów pomiarowych na stałe, ale ze względu na duży koszt oraz konieczność opłacania miesięcznego abonamentu postanowiliśmy kupić analizator przenośny, co pozwoliło nam dobrać optymalną moc zamówioną. Działania te przyniosły oszczędności wysokości ok. 9 tys. zł rocznie. Kontynuujemy analizy na kolejnych obiektach: dobraliśmy kompensację mocy biernej na przepompowniach i w budynku dyrekcji oraz zbudowaliśmy baterie kompensacji mocy biernej na oczyszczalniach ścieków.

Kolejnym krokiem w stronę optymalizacji była kontrola taryfy. Zwyczajowo raz nadana taryfa na energię elektryczną była przyjmowana jako optymalna i nie przeprowadzaliśmy corocznych analiz w tym zakresie. Obecnie po każdej zmianie taryfy rozpatrujemy optymalny jej dobór. Przykładem może być przeprowadzona przez nas procedura zmiany taryfy na przepompowniach ścieków i oczyszczalni ścieków „Północ”. Dzięki tej zmianie spodziewamy się oszczędności w wysokości ok. 80 tys. zł na rok.

Obniżenie ilości tlenu w ściekach

W badaniach laboratoryjnych, oprócz podstawowych analiz ścieków prowadzimy stały monitoring kondycji osadu czynnego poprzez badania mikrobiologiczne. Pozwala to ustalić minimalną ilość tlenu konieczną do utrzymania w reaktorach.

System napowietrzania w bioreaktorach jest nawet bardziej energochłonny od pompowania ścieków. Procesy zachodzące w bioreaktorach wymagają utrzymania odpowiedniego stężenia tlenu, dzięki czemu reakcje biologiczne mogą zachodzić w prawidłowy sposób. Dlatego do utrzymania odpowiednich warunków wykorzystujemy dmuchawy z silnikami o mocy ok. 100 kW i większej, które stale dostarczają duże ilości powietrza do komór osadu czynnego.

Przy tak dużej ilości pobieranej energii monitorowanie stężenia tlenu w komorach, w połączeniu ze sterowaniem pracą dmuchaw, przy jednoczesnym kontrolowaniu stopnia zanieczyszczenia filtrów w układach napowietrzania, ma duży wpływ na całościową efektywność energetyczną przedsiębiorstwa.

W celu maksymalnego zoptymalizowania zużycia energii badamy, do jakiego najniższego poziomu możemy obniżyć ilość tlenu w ściekach, zachowując jednocześnie wymagane parametry oczyszczanych ścieków. 

Wybór nowszych, alternatywnych rozwiązań

Kupując urządzenia szukamy nowszych, alternatywnych rozwiązań. Przeprowadziliśmy ocenę możliwości zastosowania urządzeń, które są mniej energochłonne. Np. prasy taśmowe, które na obu oczyszczalniach pracowały od roku 2009 i były już zużyte, awaryjne oraz mało sprawne, wymieniliśmy na śrubowo-talerzowe. Po tej inwestycji oczekujemy oszczędności na energii elektrycznej za ponad 25 tys. zł rocznie. Dodatkowo uzyskujemy również suchą masę odwodnionych osadów 18-19% bez dozowania PIX-u, co przy aktualnych cenach daje nam około 235 tys. zł rocznych oszczędności na oczyszczalni „Północ” i 69 tys. zł na oczyszczalni „Południe”. W poprzednim układzie sucha masa ta wynosiła ok. 14-15%.

Podjęliśmy też działania zmierzające do eliminacji wód deszczowych dostających się do kanalizacji sanitarnej poprzez nielegalne włączenia. Analizując czasy prac pomp w okresach bezdeszczowych i deszczowych możemy określić obszary, gdzie tych nielegalnych włączeń jest najwięcej i w takim rejonie prowadzimy kontrolę. Skracając czas pracy pomp w okresach deszczowych ograniczamy zużycie energii elektrycznej.

Ciągłe poszukiwanie kolejnych źródeł oszczędności

Większość firm sektora wodociągowo-kanalizacyjnego ma finansowe problemy wywołane decyzjami regulatora rynku - Państwowego Gospodarstwa Wodnego ,,Wody Polskie”, które uniemożliwiają im reagowanie na gwałtownie rosnące koszty funkcjonowania. Pomimo tego MPWiK w Piekarach Śląskich nie zrezygnował z planowanych inwestycji. Wiedzieliśmy, że przyniosą one znaczne oszczędności. Ponadto zdajemy sobie sprawę z tego, iż wykorzystywanie kopalnych surowców energetycznych będzie napotykało na coraz większe problemy, co w konsekwencji wywoła kolejne podwyżki cen energii.

W naszej spółce chcielibyśmy rozszerzać skalę wytwarzania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w oparciu np. o kolejne instalacje fotowoltaiczne czy biogazownie. Byłoby lepiej i korzystniej finansowo, gdyby posiadane przez nas instalacje fotowoltaiczne potrafiły w znacznie większym stopniu zaspokoić potrzeby energetyczne. Wspominany audyt efektywności energetycznej dla naszego przedsiębiorstwa, wykonany w roku 2020 r. wykazał wprawdzie, że budowa biogazowni na naszych oczyszczalniach jest inwestycją nieopłacalną finansowo, jednak uwzględniając tempo wzrostu cen energii elektrycznej oraz pojawianie się innowacyjnych, inteligentnych technologii i rozwiązań, coraz bardziej prawdopodobne wydaje się, że wykonamy taką instalację w przyszłości na tych oczyszczalniach, które nie przekraczają 35 tys. RLM.

MPWiK w Piekarach Śląskich obserwuje działania firm, które zdecydowały się na samodzielną produkcję energii w agregatach kogeneracyjnych zasilanych biogazem powstającym w procesie fermentacji osadów ściekowych. Słuchamy fachowców uważających, że dla oczyszczalni ścieków biogaz powinien stanowić podstawowy, a może nawet jedyny surowiec energetyczny oraz przekonujących, że wykorzystanie tego „darmowego” paliwa powinno być obligatoryjne. Śledzimy postępy prac nad kofermentacją osadów z odpadami przemysłowymi.

Ze swoich doświadczeń wiemy, że optymalizacja układów pomiarowych łącznie z regularnym wykonywaniem podstawowych działań eksploatacyjnych też daje widoczne, czasem zaskakująco duże efekty finansowe.

Izabela Małota, dyrektor ds. technicznych Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji w Piekarach Śląskich Sp. z o.o.