Rozdział 2. Ocena energetyczna systemu zaopatrzenia w wodę
2.3. Przegląd wybranych prac o charakterze naukowym, dotyczących opisu
Energy indicators and savings in water supply
Artykuł był jedną z pierwszych prac dotyczących analizy efektywności energetycznej systemu zaopatrzenia w wodę [28]. Prace badawcze prowadzono w wybranych miastach Szwajcarii. W artykule zaproponowano wskaźniki służące do oceny efektywności wykorzystania energii w systemach zaopatrzenia w wodę. Zdefiniowano pojęcie energii minimalnej (Emin) jako najmniejszej teoretycznej ilości energii (przy założeniu braku oporów przepływu w rurociągach oraz braku strat energii w pompach), którą należy dostarczyć do systemu, aby zapewnić ciśnienie 6 barów u wszystkich odbiorców. Wskaźnik ten oblicza się jako różnice energii potencjalnej w węźle, najbardziej niekorzystnie położonym z punktu widzenia hydrauliki, przy założeniu
26 utrzymania ciśnienia 6 barów w tym węźle, a energii potencjalnej wody w źródle.
Korzystając z pojęcia energii minimalnej, określono wskaźniki charakteryzujące sieć wodociągową:
Wskaźnik struktury - opisujący strukturę sieci wodociągowej, określa minimalną ilość energii potrzebną do wtłoczenia 1 m3 wody do sieci, jest definiowany jako:
(2.9)
gdzie:
- ilość wody pobranej przez odbiorców [m3].
W przypadku, gdy wskaźnik ten ma wartość mniejszą od 0 oznacza to, iż jest możliwe generowanie energii elektrycznej z wykorzystaniem masy wody z systemu zaopatrzenia. Sytuacja taka zachodzi np. w przypadku źródeł ze zwierciadłem naporowym, lub gdy źródło wody jest położone wyżej niż odbiorcy.
Wskaźnik jakości, który określa, czy przedsiębiorstwo wodociągowe wykorzystuje energię elektryczną w sposób efektywny, definiowany jako:
(2.10)
E - ilość energii zużytej do pompowania wody (odczytywana z liczników zużycia energii elektrycznej) [kWh].
W artykule przedstawiono przykładowe wartości wskaźników obliczonych dla wybranych miast w Szwajcarii. Zwrócono uwagę na korzyści z wykorzystania tego typu wskaźników do oceny potencjalnych możliwości odzysku energii z sieci wodociągowej, w szczególności na terenach górzystych. Zaakcentowano możliwości zaoszczędzania energii w wyniku dobrego projektowania i rehabilitacji sieci (czyszczenie przewodów, wymiana pomp).
Energy Audit of Water Networks
Korzystając z zasady zachowania energii opracowano metodykę sporządzania audytów energetycznych dla systemów zaopatrzenia w wodę [29]. Audyt jest wykonywany z wykorzystaniem modeli komputerowych sieci wodociągowych. Analizy pozwalają na określenie wskaźników, służących do oceny systemu zaopatrzenia w wodę, które mogą być stosowane do poszukiwania niedomagań i zwiększania efektywności energetycznej. W pracy przedstawiono składowe audytu energetycznego (tabela 2.1) oraz zaproponowano równania obliczania ich wartości.
27 Tabela 2.1. Składowe audytu energetycznego systemu zaopatrzenia w wodę [29]
Energia
Na podstawie opisanych wartości określono wskaźniki służące do oceny systemu zaopatrzenia w wodę:
Wskaźnik, określający stosunek ilości energii wprowadzonej do systemu i minimalnej energii, którą należy dostarczyć, by zagwarantować odpowiednie ciśnienie w sieci wodociągowej, obliczany jako:
28
Wskaźnik określający efektywność wykorzystania energii wprowadzonej do systemu:
(2.12)
Wskaźnik określający stosunek straty energii poprzez dyssypację do energii wprowadzanej do układu:
(2.13)
Wskaźnik określający stosunek strat energii, wynikający z utraty wody w wyniku nieszczelności a energią wprowadzoną do układu:
(2.14)
gdzie:
- wartość strat energii wywołanej tarciem w sieci pozbawionej wycieków [kWh].
Wskaźnik dotyczący spełniania standardu obsługi klienta (zagwarantowania odpowiedniego ciśnienia w sieci wodociągowej):
(2.15)
Wskaźnik ten określa stosunek ilości energii dostarczonej do klienta przy założeniu, iż w punkcie odbioru nie występują nadmiary ciśnień i ilości energii rzeczywiście dostarczanej do klienta. Wskaźnik I5 może przybierać wartość: <1 - wówczas ciśnienie jest mniejsze niż wymagane - niespełniony jest standard obsługi klienta, wartość =1 sytuacja idealna, nie występują nadmiary ciśnień, na ogół niemożliwa z punktu widzenia topografii systemu, lub wartość >1 gdy występują nadmiary ciśnień, sytuacja ta występuje najczęściej, można wówczas rozważyć możliwość odzysku energii u odbiorcy np. poprzez zastosowanie turbin.
W artykule przedstawiono przykład obliczeń wartości ww. wskaźników dla prostej sieci wodociągowej, składającej sie z 10 węzłów, pompy i dwóch zbiorników.
Do obliczania wskaźników wykorzystano model komputerowy sieci wodociągowej, zaimplementowany w programie Epanet.
29
Energy Assessment of Pressurized Water Systems
W artykule przedstawiono dodatkowe wskaźniki efektywności dla ciśnieniowego systemu zaopatrzenia w wodę [30]. Praca stanowi rozszerzenie publikacji [29].
Określono wskaźnik sprawności idealnego systemu (z odzyskiem energii) - . Sprawność tę oblicza się ze wzoru:
(2.16)
gdzie:
- minimalna ilość energii wymagana przez użytkowników przy założeniu, że nie ma nadmiarów ciśnienia [kWh],
- ilość energii topograficznej, którą należy dostarczyć do systemu idealnego w celu utrzymania wymaganego ciśnienia w punkcie krytycznym. Energia ta w punktach innych niż krytyczny, czyli takich, w których występują nadmiary ciśnień, jest możliwa do odzyskania przez turbiny [kWh],
- całkowita ilość energii dostarczana do systemu idealnego [kWh],
- energia związana z utrzymywaniem wyższego niż wymagane ciśnienie u odbiorców (występuje tylko w innych punktach niż krytyczne) [kWh].
W systemie idealnym = 0 gdy cała energia jest odzyskiwana, wówczas wartość:
=1.
W systemie rzeczywistym, ze względów na ograniczenia ekonomiczne związane z instalowaniem turbin w systemie, tylko część jest odzyskiwana.
Efektywność systemu idealnego, bez odzysku energii, może być obliczona ze wzoru:
(2.17)
Przedstawione wskaźniki mogą służyć do określenia maksymalnej sprawności sytemu idealnego. Dla systemu realnego określono wskaźnik efektywności jako:
(2.18)
gdzie:
- całkowita energia dostarczona dla systemu realnego [kWh].
Różnica sprawności ( jest wskaźnikiem, umożliwiającym określenie rozbieżności pomiędzy systemem rzeczywistym a idealnym. Obliczanie i porównywanie wskaźników może służyć do określania i monitorowania celów związanych z poprawą efektywności energetycznej. W pracy przedstawiono zasady obliczania ilości energii,
30 którą można zaoszczędzić poprzez: zmniejszenie wycieków, zmniejszenie ilości energii związanej z tarciem w przewodach, zastosowaniem turbin oraz poprawą struktury sieci.
Przedstawiono przykład obliczania wskaźników dla systemu nawadniającego uprawy rolne, obejmującego 55 kilometrów sieci oraz 400 punktów poboru wody.
Energy Balance for a Water Distribution System
W artykule [31] przedstawiono bilans energetyczny, który może służyć do oceny systemu zaopatrzenia w wodę (równanie 2.19.)
- energia dostarczona do odbiorców oraz utracona wraz z masą wycieków [kWh].
Równanie bilansu obliczano dla dwóch systemów zaopatrzenia w wodę.
Zaznaczono, że bilans energetyczny umożliwia porównywanie różnych systemów.
Podkreślono, iż trudno takie porównywanie wykorzystać do oceny systemu, ze względu na to, że każdy system ma inną charakterystykę. Sporządzenie takiego bilansu może być trudnym zadaniem, gdyż wymaga zebrania dużej ilości danych, a może nie przynieść korzyści z punktu widzenia inżynierskiego. Zwrócono uwagę na to, że minimalizacja strat energii w przewodach transportujących wodę będzie opłacalna jedynie w przewodach, w których występują duże przepływy wody oraz wysokie prędkości np. w
"niedowymiarowanych" magistralach. Przewody takie można w łatwy sposób wytypować bez sporządzania bilansu. Autorzy zwrócili uwagę na to, że w niektórych krajach, np. w Stanach Zjednoczonych sieci są projektowane na warunki pożarowe, dlatego wartości strat energii w wyniku tarcia w rurociągach będą na ogół bardzo małe. Bilans energetyczny może służyć do lepszego opisu sieci, lecz w praktyce inżynierskiej samo
31 sporządzanie bilansu nie zwiększy efektywności energetycznej systemu zaopatrzenia w wodę. Zwiększenie efektywności jest możliwe jedynie przez działania naprawcze. W niektórych przypadkach sporządzenie bilansu może być korzystne z punktu widzenia wspomagania planowania tego typu zadań.
Pipe-level energy metrics for energy assessment in water distribution networks
W artykule opisano metody oceny strat energii w rurociągach transportujących wodę w systemach wodociągowych [32]. Przedstawiono równanie bilansu energii dla rurociągu, zgodnie z którym:
przepływu - związana z masą wody dostarczaną do węzła końcowego [kWh],
- ilość energii traconej w wyniku oporów hydraulicznych podczas
przepływu - związana z masą wody traconą w wyniku nieszczelności [kWh],
- ilość energii traconej w wyniku oporów hydraulicznych podczas przepływu
- związana z masą wody, która w węźle końcowym zasila następny przewód [kWh],
- ilość energii traconej w wyniku oporów miejscowych spowodowanych np.
zastosowaniem armatury, turbiny itp. [kWh].
W artykule opisano metody obliczania ww. wartości, z wykorzystaniem modeli komputerowych sieci wodociągowych. Do modelowania zastosowano program Epanet.
Zaproponowano równania służące do obliczania wartości wskaźników, opisujących efektywność wykorzystania energii w systemie zaopatrzenia w wodę:
wskaźniki efektywności - stosunek ilości energii dostarczonej odbiorcom, do ilości energii wprowadzanej do systemu:
32
(2.20)
(2.21)
wskaźnik wymaganego ciśnienia - określa relację między niezbędną energią, jaką należy doprowadzić do odbiorcy, by zagwarantować ciśnienie wymagane (Ereq), a ilością energii dostarczanej do odbiorców. Wskaźnik ten opisuje nadmiar ciśnienia w sieci wodociągowej:
W artykule przedstawiono przykłady obliczania ww. wskaźników dla sieci wodociągowych. Podano wartości liczbowe obliczonych wskaźników, lecz nie określono zasad ich oceny (wartości akceptowalnych).
Tools for Energy Footprint Assessment in Urban Water Systems
W artykule opracowano narzędzie służące do oceny śladu energetycznego dla miejskich systemów zaopatrzenia w wodę [33]. Energochłonność całkowita procesów była oceniania na podstawie wskaźników jednostkowych. Na uwagę zasługuje fakt skali prowadzonych badań, bowiem dotyczyły one rozległego systemu zaopatrzenia w wodę aglomeracji Aten (ok. 6 milionów mieszkańców). Głównym celem badań było porównywanie różnych scenariuszy rozwoju systemu oraz wskazanie możliwości zmniejszenia śladu energetycznego w wyniku modernizacji. W badanej aglomeracji obecnie wykorzystuje się odzysk energii. W pracy wskazano potencjalne możliwości zwiększenia produkcji energii w tym systemie. Wskazano również elementy (pompownie), które wymagają najszybszej modernizacji i rokują uzyskanie największego zysku. Praca odnosiła się głównie do obiektów (pompowni, turbin), analizowano przede wszystkim wyniki pomiarów. Nie brano natomiast pod uwagę możliwości zastosowania modeli komputerowych układów transportujących wodę.
33
From energy balance to energy efficiency indicators including water losses Głównym celem pracy było określenie metodologii oceny efektywności energetycznej całego systemu zaopatrzenia w wodę oraz określenie wpływu strat wody na wartości wskaźników efektywności energetycznej [34]. Wskaźniki te były określone na podstawie bilansu energetycznego. Określono następujące wskaźniki.
WSEE (Water Supply Energy Efficiency):
(2.25)
gdzie:
- minimalna energia, którą należy dostarczyć do systemu w celu zagwarantowania dostaw wody określana tak jak Emin [28] [kWh],
- energia zużyta przez pompy [kWh],
NEE (Network Energy Efficiency):
(2.26)
gdzie:
- energia dostarczona do pompowni wody przy założeniu zerowych strat wody w sieci wodociągowej [kWh],
LEE (Leakage Energy Efficiency):
(2.27)
gdzie:
- energia dostarczona do pompowni wody w rzeczywistości [kWh],
PEE (Pumping Energy Efficiency):
(2.28)
34 W pracy przedstawiono zależności do obliczania wartości składowych ww.
wskaźników z wykorzystaniem modelu sieci wodociągowej Epanet wraz z przykładem dla wybranego układu transportującego wodę.
Multi-criteria analysis for the selection of the best energy efficient option in urban water systems
Publikacja opisuje zastosowanie analizy wielokryterialnej do oceny efektywności energetycznej systemu zaopatrzenia w wodę [35]. Porównywano różnego rodzaju scenariusze eksploatacji tego systemu. W ocenie energetycznej wykorzystano audyt energetyczny systemu zaopatrzenia w wodę [29]. Dodatkowo uwzględniono kryterium emisji gazów cieplarnianych, możliwości odzysku energii oraz kryteria niezawodności sieci. W pracy przedstawiono studium przypadku dla systemu zaopatrzenia w wodę, w regionie Algarve w Portugalii. Region ten był zaopatrywany z dwóch stacji uzdatniania wody, gdzie w jednej zainstalowano turbinę odzyskującą energię z masy spływającej wody. Systemy te funkcjonowały przy różnych scenariuszach sterowania, w zależności od pory roku (sezonu turystycznego). Porównywano różne scenariusze pracy tych systemów. Do oceny wariantów wykorzystano metodę ELECTRE III. Praca nie obejmowała bezpośrednio oceny energetycznej systemu, lecz ocenę scenariuszy sterowania, z wykorzystaniem kryterium energetycznego.
Modeling of hydraulic and energy efficiency indicators for water supply systems [36]
W artykule zaproponowano metodykę obliczania wskaźników efektywności energetycznej pomp. Opracowano studium przypadku, w którym obliczano te wskaźniki dla realnego systemu zaopatrzenia w wodę. Celem badań było utworzenie innych wskaźników energochłonności niż jednostkowe zużycie energii na 1 m3 wody tłoczonej do sieci. Wskaźniki wyprowadzono korzystając z definicji efektywności, którą opisano jako: stosunek pożądanego efektu do ilości zasobów, niezbędnych do realizacji procesu.
Określono wskaźniki dotyczące oceny hydraulicznej sieci oraz strat energii w sieci.
Zdefiniowano następujące wskaźniki:
teoretyczny globalny wskaźnik efektywności systemu (TGEE - Theoretical Global Energy Efficiency)
(2.29)
35 gdzie:
- energia użyteczna na wyjściu z systemu (w węzłach poboru wody) [kWh],
- energia dostarczona do systemu [kWh],
potencjalny globalny wskaźnik efektywności:
(2.30)
gdzie:
- minimalna ilość wymaganej energii na wyjściu z systemu (w węzłach poboru wody) - przy założeniu, że nie występują nadmiary ciśnień [kWh],
globalny współczynnik efektywności energetycznej:
- aktualna ilość zużytej energii elektrycznej [kWh].
W artykule skupiono się na ocenie pomp, porównując wartości wskaźników dla pomp będących w eksploatacji i modele pomp, pracujących w optymalnych warunkach.
Przedstawiono też przykładowe zasady określania optymalnych warunków pracy pomp.
Analizowane studium przypadku dotyczyło prostego układu składającego się z pompy i rezerwuaru, nie wykorzystano modelu hydraulicznego. Określono wskazówki poprawy efektywności energetycznej dla systemów zaopatrzenia w wodę.
Life-Cycle Energy Analysis of a Water Distribution System [37]
W artykule zaproponowano analizę LCEA (Life-Cycle Energy Analysis) w celu oceny całkowitej ilości energii zużywanej podczas produkcji, eksploatacji i utylizacji przewodów do transportu wody. Przedstawiono metody obliczania ilości energii niezbędnej do produkcji, użytkowania i utylizacji rurociągu.
Koszty produkcji rurociągu rozumiane jako koszty wydobycia i przetworzenia materiału, produkcji, i transportu. Szacowano je korzystając z wartości jednostkowego zużycia energii do produkcji danego materiału, utworzonej przez
36 Departament Handlu Stanów Zjednoczonych. Uwzględniano również wskaźnik zmniejszający ilość energii w przypadku, gdy materiał, z którego wykonano rurociąg można było przeznaczyć do recyclingu.
Koszty użytkowania rurociągu szacowano uwzględniając czas eksploatacji przewodów oraz ich naprawy. W celu obliczania wartości strat energii w rurociągach całkowity czas użytkowania podzielono na dyskretne przedziały. Dla każdego przedziału z użyciem modelu komputerowego, wykonanego w programie Epanet, obliczano straty naporu. Brano też pod uwagę starzenie się rurociągów (estymowano zmiany współczynnika chropowatości w czasie), sprawność układu pompowego (zmiany charakterystyki w wyniku starzenia się pomp) oraz możliwość odzysku energii w wyniku stosowania turbin. Uwzględniono również ilość energii potrzebnej do napraw rurociągów wykorzystując model statystyczny do estymacji liczby awarii. Korzystając z wskaźników jednostkowych obliczano całkowite zapotrzebowanie energii na naprawę rurociągu.
Koszty utylizacji wyznaczano na podstawie jednostkowych wskaźników, z uwzględnieniem możliwości częściowego lub pełnego recyclingu materiału.
W ramach studium przypadku wykonano analizy dla przykładowej prostej sieci wodociągowej, składającej się z 16 węzłów i 20 przewodów. Wykonano również analizę wrażliwości, w ramach której sprawdzano, w jaki sposób zmieni się wynik końcowy (całkowita ilość zużytej energii) w przypadku zmiany parametrów modeli np.
chropowatości przewodu.
Lifecycle Assessment of a Water Distribution System Pump [38]
Zaproponowano zastosowanie metodyki EIO-LCA (Economic Input Output Life Cycel Assessment), której celem była ustalenie całkowitych kosztów cyklu życia pomp.
W artykule opisano model jedynie dla pomp, jako że stanowią one najbardziej energochłonny element systemu zaopatrzenia w wodę. W ramach analizy uwzględniono:
koszty cyklu życia, ilość zużytej energii oraz emisję gazów cieplarnianych. Podano wskaźniki oraz zasady obliczania wartości tych parametrów dla metodyki EIO-LCA.
Rozważano studium przypadku dla pompy zainstalowanej w stacji uzdatniania wody w Ontario w latach od 1997 do 2003. Porównywano wyniki analizy dla różnych scenariuszy pracy pomp. System odwzorowywano jedynie za pomocą charakterystyki pomp, nie modelowano całego układu transportującego wodę. Wskazano na trudności związane z
37 obliczaniem wskaźników jednostkowych dla metodyki LCA w przypadku analizy pompowni wodociągowej.
Impact of pipe roughness on pumping energy in complex distribution systems [39]
W pracy rozważano wpływ chropowatości przewodów na ilość zużywanej energii w procesie pompowania wody oraz wpływ rehabilitacji układu na zwiększenie efektywności energetycznej systemu. Badania były prowadzone na podstawie danych o realnym systemie, składającym sie z: 28 pompowni, 5900 kilometrów sieci, 121 pomp wtłaczających 530 megalitrów wody na dobę zaopatrujących milion mieszkańców miasta Midwester w Stanach Zjednoczonych. Analizowano potencjalną oszczędność energii dla różnych planów odnowy sieci wodociągowej. Badania wykazały, iż nawet w przypadku dużego systemu, oszczędności z rehabilitacji sieci będę niewielkie, obliczono iż mogą wynosić od 0,7 % do -0,2%. Dla niektórych scenariuszy realizacja odnowy sieci może spowodować zwiększenie energochłonności całego systemu. Stwierdzono, iż zużycie energii nie jest istotnym kryterium w przypadku planowania rehabilitacji systemu zaopatrzenia w wodę.