1.1. Wprowadzenie
Rozwój cywilizacyjny wiąże się nierozerwalnie z coraz większym uzależnieniem wszystkich dziedzin życia od dostępu do energii elektrycznej. Kolejne obszary życia codziennego i gospodarki w coraz większym stopniu funkcjonują w oparciu o urządzenia elektryczne, lub przedmioty wytworzone przy pomocy maszyn napędzanych energią elektryczną albo sterowanych przez systemy automatyki przemysłowej, które nie mogą funkcjonować bez dostępu do elektryczności. Trend ten jest nieodwracalny (nie licząc scenariuszy apokaliptycznych), zużycie energii elektrycznej na Świecie, a zatem i w Polsce będzie rosnąć. W kwietniu 2019 r. ukazał się raport „Założenia do strategii rozwoju energetyki w Polsce” [1] w którym przeanalizowano obecną sytuację polskiego sektora energetycznego oraz potencjalne kierunki rozwoju.
W raporcie tym podkreślono zły stan istniejącej infrastruktury zarówno przesyłowej jak i wytwórczej, zwraca się uwagę na problem nieefektywnej pracy starzejących się bloków węglowych, a także niedostateczne tempo budowy nowych źródeł energii elektrycznej (zarówno konwencjonalnych jak i z grupy źródeł tzw. „zielonej energii”). Uwagi i zalecenia zawarte w raporcie zdają się być celne i jeśli uwzględnione przy podejmowaniu decyzji przez rząd centralny i/lub samorządy powinny wpłynąć pozytywnie na stan polskiej gospodarki w perspektywie długookresowej. Problemem jednakże jest fakt, że wspomniane wieloletnie zaniechania w tym zakresie już w chwili obecnej stawiają polską gospodarkę energetyczną na krawędzi systemowej zapaści. Co roku, szczególnie w okresach letnich padają kolejne rekordy importu energii elektrycznej z zagranicy wynikające z niewydolności polskiego systemu.
Ostatnie rekordy padły w czerwcu 2019 [2], gdy polscy operatorzy energetyczni byli zmuszeni zakupić, aż 2,7 GW mocy elektrycznej w trybie awaryjnym, jednocześnie skokowo podnosząc cenę prądu na rynku do niemal 1000 PLN/MWh. Wysokie ceny interwencyjnego skupu energii elektrycznej z zagranicy to zaledwie niedogodność w porównaniu do strat jakie miałyby miejsce w wyniku tzw. „blackoutu” (nagłego przerwania dostaw prądu) w przypadku powstania sytuacji stałego, niezbilansowanego niedoboru energii elektrycznej. Należy zwrócić uwagę, że interwencyjny zakup energii poza krajem nie stanowi remedium na problemy energetyczne kraju i nie zawsze może być dostępny, szczególnie w sytuacji gdy Niemcy, kraj z którego najczęściej polscy operatorzy energetyczni czerpali energię w sytuacjach awaryjnych również balansuje na krawędzi załamania energetycznego (w związku z trwającą w tym kraju transformacją energetyczną)[3]. Bezpośrednie zagrożenie dla polskiej gospodarki wynikające z ryzyka „blackoutu” nie jest jedynym problemem wymagającym szybkich działań, drugim równie ważnym jest ogromna zależność polskiej energetyki od jednego źródła energii – węgla[2]. W przewidywalnej perspektywie czasowej należy spodziewać się intensyfikacji działań na poziomie międzynarodowym zmierzających do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych w tym CO2 przez wszystkie gospodarki świata. Pionierem i liderem dążenia do neutralności klimatycznej gospodarek na świecie jest Unia Europejska i należy spodziewać się utrzymania tej polityki w nadchodzących latach. Podstawowym narzędziem mającym motywować kraje członkowskie do zmniejszania emisyjności gospodarki są opłaty emisyjne. Opłaty te systematycznie rosną, a pula „ulgowych bonów” zezwalająca na większe emisje CO2 jest systematycznie zmniejszana.
W dłuższej perspektywie czasowej oznacza to systematyczny i stały wzrost cen prądu wytwarzanego w oparciu o spalanie paliw kopalnych. Należy również dodać, że nawet pomimo istotnego wzrostu efektywności produkcji prądu w oparciu o spalanie węgla, nie jest to najefektywniejsze źródło energii.
Zatem zarówno w trosce o klimat, jak i poziom życia w interesie społecznym niezbędna jest jak najszybsza transformacja polskiego sektora energetycznego. W przypadku projektu tej skali termin „jak najszybsza”
wciąż oznacza czas liczony w dziesięcioleciach. Mimo rosnącej efektywności energetycznej współczesnych systemów gospodarczych trzeba uwzględnić fakt, że wraz z rozwojem gospodarczym wzrastać będzie również zapotrzebowanie na energię elektryczną. Dlatego tak ważne jest aby równolegle do działań modernizacyjnych sektora energetycznego jednocześnie wdrażać technologie energooszczędne i racjonalizować zużycie energii przez poszczególne gałęzie gospodarki, a także prywatne gospodarstwa domowe. Tylko symultaniczne prowadzenie działań na obu tych polach umożliwi stabilny rozwój gospodarki i wzrost poziomu życia przy jednoczesnej dbałości o klimat i środowisko naturalne.
Zmiana ta winna się dokonać poprzez zmniejszenie polskiego śladu węglowego i równoczesne obniżenie
9 pośredniego negatywnego wpływu na środowisko wynikającego ze specyfiki energetyki opartej o paliwa kopalne, a w szczególności energetykę węglową. Jedną z niezwykle energochłonnych gałęzi gospodarki większości krajów jest gospodarka wodno-ściekowa. Zależnie od źródeł, ten sektor gospodarki generuje od 1-5% krajowego zapotrzebowania na energię elektryczną, przy czym w ujęciu lokalnym dział wodno-ściekowy może odpowiadać nawet za kilkanaście do kilkudziesięciu procent zużycia energii elektrycznej sektora publicznego w danej jednostce administracyjnej (gminie, gminie miejskiej, powiecie, etc., szerzej rozdział 4). Sektor ten, jest jednakże sektorem specyficznym, o istotnym znaczeniu dla zdrowia i bezpieczeństwa publicznego, gdzie zawsze priorytetem jest uzyskanie odpowiedniego efektu technologicznego, niezależnie czy mowa o uzdatnianiu wody, czy oczyszczaniu ścieków.
Kwestia efektywności energetycznej uzdatniania wody i oczyszczania ścieków nie była dotychczas kwestią priorytetową, przy czym rozpatrywane były możliwości generacji energii cieplnej i elektrycznej przez obiekty wodno-ściekowe ale nie ich faktyczna efektywność energetyczna. Obecnie ze względu na upowszechnienie się technologii wysokoefektywnych, a więc ogólny wysoki poziom efektywności usuwania zanieczyszczeń ze ścieków, oraz ze względu na kryzys klimatyczny i energetyczny kwestia efektywności energetycznej obiektów wodno-ściekowych jest poruszana coraz częściej. Obszar ten jednakże wciąż pozostaje relatywnie słabo zbadany, szczególnie w przypadku obiektów małej i średniej wielkości.
1.2. Uzasadnienie podjęcia
Efektywność energetyczna w oczyszczaniu ścieków wciąż jest obszarem nie dość dobrze zbadanym.
Pomimo większej liczby badań na świecie z tego zakresu tematycznego w ostatnich latach, istnieje silna potrzeba uzupełnienia „białych plam” jakie wciąż istnieją. Zarówno badacze polscy jak i zagraniczni skupiali się przede wszystkim na obiektach dużych, gdzie koszty i zużycie energii są najwyższe, a zatem najłatwiej uzyskać wyraźne rezultaty i widoczną poprawę. Obiekty małe, których jest jednakże najwięcej pozostały słabo rozpoznane w tym zakresie. Przegląd literatury wskazuje na niedobór badań i publikacji dotyczących energetycznych aspektów oczyszczania ścieków, które brałyby również pod uwagę temperaturę ścieków, a przecież aktywność metaboliczna mikroorganizmów, czy też rozpuszczalność i efektywność transferu tlenu (powietrza) w wodzie czy ściekach zależy również od tego parametru.
Dotychczasowe badania traktowały efektywność energetyczną oczyszczania ścieków w ujęciu globalnym sprawdzając efektywność energetyczną całej oczyszczalni czy poszczególnych jej elementów.
W przypadku oczyszczalni opartych o technologię SBR nie rozróżniano faz pracy reaktorów – oprócz fazy aktywnej gdzie realizowana jest zaprogramowana sekwencja oczyszczania ścieków reaktory zużywają również energię w fazie pasywnej – okresach pomiędzy kolejnymi porcjami ścieków. Zarówno zużycie energii elektrycznej jak i efektywność energetyczna procesów usuwania zanieczyszczeń obliczane było na podstawie danych łącznych z obu faz, co jak wykazały badania przeprowadzone w ramach niniejszej dysertacji nie jest odpowiednim podejściem. Istotnym czynnikiem decydującym o realizacji badań w tym obszarze była również bardzo skromna baza literatury fachowej i naukowej traktującej o efektywności energetycznej nowoczesnych obiektów powstałych w trakcie modernizacji polskiej gospodarki ściekowej, wynikającej z dostosowywania polskich standardów środowiskowych do wymogów jakościowych UE.
1.3. Cel i zakres pracy
Niniejsza rozprawa miała na celu wieloaspektowe poszerzenie wiedzy z zakresu energetyki w gospodarce wodno-ściekowej, ze szczególnym uwzględnieniem efektywności energetycznej nowoczesnych reaktorów typu SBR, używanych w małych i średnich oczyszczalniach ścieków. Do badań wybrano nowoczesny obiekt, zaprojektowany również z uwzględnieniem technologii podnoszących efektywność energetyczną (VFD zespolone z dmuchawami). Drugim kryterium przyjętym podczas wyboru obiektu badawczego była uniwersalność zarówno obiektu jak i jednostki osadniczej obsługiwanej przez wytypowaną oczyszczalnie.
Dzięki starannej selekcji obiektu, przeprowadzone wnioski oparte o badania mogą być uogólniane w obszarze małych i średnich oczyszczalni opartych o technologię SBR, obsługujących typowe polskie gminy aglomeracyjne. W ramach prac przygotowawczych przeprowadzono szeroko zakrojone studia literaturowe, których celem było stworzenie kompleksowej i przejrzystej oceny obecnego stanu wiedzy.
10 Zaplanowane badania miały pomóc zweryfikować istnienie i skalę zależności pomiędzy zużyciem energii elektrycznej wyrażonej w kWh, a: przepływem średnim dobowym mierzonym w m3/d (dla całej oczyszczalni); wielkością porcji w m3/porcja (dla reaktorów); redukcją stężenia zanieczyszczeń związkami węgla organicznego (oznaczanym wskaźnikami BZT5, i/lub ChZT wyrażanymi poprzez zapotrzebowanie na tlen niezbędny do ich tlenowego rozkładu) oraz związkami azotu mierzonymi w mg/l; wielkością ładunku usuniętego wyżej wymienionych zanieczyszczeń wyrażoną w kg_O2/d lub kg_Nog_us/d (dla całej oczyszczalni); lub w kg_O2/ porcję oraz kg_Nog_us/porcję (dla poszczególnych reaktorów); temperaturą ścieków i otoczenia mierzoną w oC; wydajnością procesów usuwania zanieczyszczeń ze ścieków wyrażaną odpowiednimi wskaźnikami efektywności energetycznej. Dla tych samych czynników zweryfikowano ich wpływ na efektywność energetyczną procesów usuwania zanieczyszczeń, a także całościową efektywność energetyczną reaktorów i obiektu w warunkach rzeczywistych.
W trakcie planowania i realizacji badań przeprowadzono analizę metod i wytypowano najbardziej uniwersalne i kompleksowe wskaźniki efektywności energetycznej. Przyjęcie zaproponowanych wskaźników powinno pozwolić w przyszłości na przeprowadzanie badań skutkujących lepszym materiałem porównawczym niż dane obecnie dostępne.
Dodatkowym celem badań było zweryfikowanie rzeczywistej efektywności energetycznej współczesnych obiektów małej i średniej wielkości z uwzględnieniem wpływu praktyki eksploatacyjnej na końcową efektywność energetyczną obiektu.
Do badań zdecydowano się wykorzystać dane tzw. mieszane – częściowo pochodzące od operatora oczyszczalni, częściowo zebrane w trakcie zaplanowanych serii pomiarowych. Do pomiarów zużycia energii przez dwa wytypowane reaktory wykorzystano specjalnie skonstruowaną w tym celu sieć pomiarową, monitorującą w czasie rzeczywistym zużycie energii przez urządzenia elektryczne bezpośrednio związane z pracą reaktorów. Dodatkowo zaplanowano i zrealizowano dwie serie nadprogramowych pomiarów jakości ścieków surowych i oczyszczonych: letnią i zimową. Zaplanowane serie pomiarowe miały pomóc określić czy i jeśli tak w jakim stopniu warunki klimatyczne wpływają na zużycie energii i efektywność energetyczną obiektu.
11