Mer bærekraftig og energieffektiv vannbehandling: Hva kan oppnås med driftsoptimalisering?

Transkript

1 Norsk Vannforening: Energi i VA-sektoren forbruk, sparing, produksjon Statens forurensingstilsyn, Strømsveien 96, Oslo 15. september 2009 Mer bærekraftig og energieffektiv vannbehandling: Hva kan oppnås med driftsoptimalisering? Bjørnar Eikebrokk, SINTEF Byggforsk, Avd Infrastruktur Vann og miljø SINTEF Byggforsk 1

2 Intro: Litt om Energibruk i VA-sektoren USA (USEPA/Water Efficiency 2009) VA-sektoren står for 3 % av USAs totale energiforbruk, tilsvarende et utslipp på 45 mill tonn klimagass Energikostnadene til pumping, drikkevannsbehandling, distribusjon, oppsamling og rensing av avløpsvann utgjør nær 4 mrd USD/år Energikostnadene for VA kan utgjøre 30 % av en kommunes totale energikostnader Elektrisitetsforbruket på avløpsanlegg forventes å øke med 20 % de neste 15 år Energiforbruket kan reduseres betydelig gjennom ENØK-tiltak, optimalisering, skifte til mer energieffektive komponenter, etc Norge (Norsk Vann) VA-sektorens energiforbruk: 800 GWh/år Potensial for energisparing: 60 GWh/år (7.5 %) Potensial for energiproduksjon (varmepumpe, biogass, vannkraft): 4000 GWh/år SINTEF Byggforsk 2

3 Systemkomponenter og energibruk Størst energiforbruk knyttet til: Pumping/Distribusjon av drikkevann Rensing av avløpsvann Behandling av drikkevann Hva kan oppnås med driftsoptimalisering? SINTEF Byggforsk 3

4 Behandlingsanlegg for Drikkevann Drøyt 1700 godkjenningspliktige vannverk i Norge koaguleringsanlegg forsyner ca 1.7 mill. personer Kjemikalier Filtrering Sedimentering Flokkulering Desinfeksjon Klarvann Råvann Avvanning Slamfortykking SINTEF Byggforsk 4

5 Vannbehandling og energieffektiv drift Tema for dette innlegget: Hva kan oppnås med en kunnskapsbasert og optimalisert drift av eksisterende vannbehandlingsanlegg? Kommer ikke inn på: Utskifting til nye og mer energieffektive systemkomponenter som pumper, miksere, blåsere, diffusorer, etc Frekvensstyringer Driftskontrollsystemer Alternative vannbehandlingsteknologier, feks LP kontra MP UV-anlegg Redusert vanntrykk Ulike former for energiproduksjon, bruk av varmepumper, etc USEPA/Water Effficiency 2009: De fleste kommunale behandlingsanlegg har mulighet for å oppnå en reduksjon i energiforbruk på 15 % SINTEF Byggforsk 5

6 Hvorfor driftsoptimalisering? De fleste vannbehandlingsanlegg er allerede bygget driftsfokus Viktig for kompetanseutvikling og beredskap hos eier/driver: Man lærer sitt anlegg å kjenne - på godt og vondt! Svikt i vannbehandlingen: Årsak til % av kjente vannbårne sykdomsutbrudd Vannforsyningen er basert på at det finnes minst to hygieniske (sikkerhets) barrierer i systemet. Men barrierene må ikke bare finnes, de må også være effektive - og optimal drift er en forutsetning for effektive og stabile barrierer Klimaforandringer gir negative effekter på råvannskvalitet og større kvalitetsforandringer utfordringer mht prosesstyring Sikkerhet, bærekraft og kostnadseffektivitet (inkl. energibruk, CO 2 -utslipp) Stadig mer sentrale krav SINTEF Byggforsk 6

7 Drivkrefter for optimaliseringstiltak 1. Tradisjonelt/primært for å oppfylle drikkevannsforskriftens bestemmelser med hensyn til vannkvalitet ( Compliance ) - dvs probleminitiert og problemorientert... Mer proaktive og forebyggende drivkrefter 2. Drives vannbehandlingsanlegget slik at barriereeffektivitet og barrierestabilitet dvs sikkerheten maksimeres? 3. Drives vannbehandlingsanlegget med minimalt forbruk av ressurser som energi, kjemikalier, gasser? 4. Drives vannbehandlingsanlegget med minimal produksjon av slam og avfall, inkl. CO 2? 5. Drives vannbehandlingsanlegget med maksimal kostnadseffektivitet? 6. Drives vannbehandlingsanlegget slik at problemer på distribusjonsnettet minimaliseres? Enhver vannverkseier bør spørre seg selv: Kan jeg svare bekreftende på spørsmål 2-6? Hvis ikke, bør optimaliseringstiltak iverksettes! SINTEF Byggforsk 7

8 Eksempler på optimaliseringsprosjekter der SINTEF har vært involvert 1. Vannkvalitetsforbedring & kravoppfyllelse ( Compliance ) MOVAR/Vansjø. Økt koagulantdosering løste et mangeårig problem med høy rest-al og TOC ombygget med ozonering, forflotasjon og økt kapasitet på slambehandling 2. Redusert ressursbruk/økt bærekraft og kostnadseffektivitet Skullerud VBA. Fullskala optimaliseringsforsøk betydelig Eks potensial for redusert koagulantforbruk og slamproduksjon (40 %), redusert energiforbruk (5-10 %) og reduserte kjemikaliekostnader (2-3 øre/m 3 ) 3. Kapasitetsøkning Aukra VBA. Mulig kapasitetsøkning på 40 % avdekket i fullskala optimaliseringsforsøk 4. Kartlegging av optimale dimensjonerings- og driftsforhold VIVA pilot, Harstad pilot (dimensjoneringsgrunnlag) Bergen vannverk (WSP/HA/CCP) SINTEF Byggforsk 8

9 Driftsoptimalisering må inkludere miljøregnskap/lca Optimaliseringstiltak må synliggjøre ikke bare direkte optimaliseringsgevinster for vannverket, men også samfunns- og miljømessige gevinster (LCA) Livsløpsanalyser for VBA, innsatsmidler og produkter energiforbruk for transport, produksjon og distribusjon av vann energiforbruk ved produksjon av kjemikalier/gasser/avfall, etc energiforbruk ved transport av kjemikalier/gasser/avfall, etc SINTEF Byggforsk 9

10 Illustrerende eksempel: Optimaliseringsgevinster i et LCA-perspektiv basert på oppnådde resultater fra Skullerud VBA Forutsetninger Norge (grove tall, kun illustrerende eksempel) Q spes = 463 L/pe d (Eureau Statistics 2008) 1.7 mill. pe forsynt med koagulert vann Middeldose: 3 g Al/m 3 (33 g ALG/m 3 ) Slamproduksjon: 4.4 g SS/g Al Produksjon av innsatsmidler o ALG: 1340 kwh/t; 299 kg CO 2 /t (Kemira 2009)*) Transport av innsatsmidler og slam o Tunge biler > 31 t; 25 kr/km inkl sjåfør/vask/last/loss (Kem-09) o 0,856 kg CO 2 /km (SFT 99:04, tunge biler > 16 t) o Kjørelengder: ALG 500 km (T/R); Slam 50 km (T/R) Utnyttbare optimaliseringsgevinster på VBA (50 % av Skullerud pot.) o ALG: -20 %; Slam: -20 %; Energi: - 5 % *) Norskprodusert JKL, PIX, PAX: < 10 % av ALGs energiforbruk og CO 2 -utslipp SINTEF Byggforsk 10

11 Illustrerende regneeksempel Beregnede optimaliseringsgevinster Beregninger alle koaguleringsanlegg i Norge Q koagulert = 287 mill m 3 /år Koagulantforbruk: 9480 tonn ALG Slamproduksjon: 3750 tonn STS Årlige Optimaliseringsgevinster Redusert ALG-forbruk på VBA (20 %) = 1896 t (63 tanklaster á 30 t) Redusert slamprod på VBA (20 %) = 750 t (47 laster á 16 t) Redusert energiforbruk på VBA (5 %) på VBA = 2 mill kwh/år Ved ALG produksjon: Redusert energibehov = 2.5 mill kwh/år (VA-Norge: 800 mill kwh/år) Redusert CO 2 -utslipp = 567 t CO 2 /år Ved transport av ALG og slam: Redusert dieselforbruk = 0,27 kg/km*500*63 + 0,27 kg/km*50*47= 9 t/år Redusert CO 2 -utslipp = 0,856*500*63 + 0,856*47*50 = 29 t/år SINTEF Byggforsk 11

12 HVORDAN optimalisere? Viktige forhold å tenke på Organisasjonskultur Ledelse Kompetanseutvikling Assistansebehov/tredjepartsevalueringer Demonstrasjonsprosjekter SINTEF Byggforsk 12

13 Hvordan optimalisere? Involvering og planlegging Operatører og ledelse må involveres fra dag én og tid og ressurser må settes av God planlegging av forsøk og analyser er viktig Kfr Techneau Roadmap to optimum operation (neste slide) Assistanse fra uavhengig tredjepart for planlegging, databearbeidelse og rapportering kan være gunstig Regn med skepsis i starten, men dette bør raskt gå over i entusiasme SINTEF Byggforsk 13

14 Hvordan optimalisere? Techneau Roadmap to optimum Operation Innledende møte med gjennomgang av anlegg og drift Utarbeidelse av planer for optimaliseringsforsøk, vannprøvetaking, analyser og registreringer, inklusive nye analyser og diagnoseverktøy (BDOC, NOM-fraksjonering, etc) Gjennomføring av forsøk og analyser Databehandling og systematisering Rapportering: 1) Før tiltak, og 2) Etter tiltak Avsluttende møte med gjennomgang og diskusjon av Status for driften Hovedutfordringer Optimaliseringspotensialer og identifiserte gevinster Implementering av resultater og omlegging av driften kfr SINTEF Byggforsk 14

15 Plan for optimaliseringsforsøk, prøvetaking og analyse: Eksempel fra Harstad OVERSIKTSPLAN for pilotskala optimaliseringsforsøk ved Harstad Vannbehandlingsanlegg, 2008 Hovedmål: 1) Å finne optimale koaguleringsforhold (koaguleringsprofilen) for råvann fra Storevann Nord (optimal dose og ph) 2) Å kartlegge effektene av ulik filterbelastning (filtreringsprofilen) ved de funne optimale koaguleringsbetingelser Koder: R = Registrering/avlesning (on-line) av ph, turbiditet, filtreringshastighet (Q) og trykktap i filter (Tas ut som Excel-ark fra PC over den tiden forsøket pågår) D = Anvendt koagulant-dose V = Anvendt Verdi for koagulerings-ph x = Prøvepunkt for uttak og analyse av vannprøver. Prøveuttak ca 2-3 timer etter forandringer i driftsbetingelser - når utløpsvannkvalitet (turbiditet) fra filteret er stabil Fase 1. Optimalisering av koaguleringsforhold (dose og ph) Forsøk Innstillinger & Avlesninger/Registreringer (on-line i anlegget) Punkt for Vannprøveuttak & Analyseparametere nr. PIX dose ph Turbiditet Vannføring Q Temp Koagulert vann (filterinnløp) Råvann + Utløpsvann fra filter (mg Fe/L) (NTU) (m 3 /t) ( C) SS, Fe, Zetapotensial ph Turb Farge UV-abs TOC Fe Ca Alk R R R x x x x x x x x x R R R x x x x x x x x x R R R x x x x x x x x x osv hvis turb avtar R R R x x x x x x x x x osv ved behov R R R x x x x x x x x x R R R x x x x x x x x x R R R x x x x x x x x x R R R x x x x x x x x x osv hvis turb avtar R R R x x x x x x x x x osv ved behov R R R x x x x x x x x x R R R x x x x x x x x x R R R x x x x x x x x x R R R x x x x x x x x x osv hvis turb avtar R R R x x x x x x x x x osv ved behov R R R x x x x x x x x x R R R x x x x x x x x x R R R x x x x x x x x x R R R x kfr x x x x x x x x 1.8 osv hvis turb avtar R R R x x x x x x x x x SINTEF Byggforsk 15

16 For evaluering av optimaliseringstiltak og sammenligning mellom anlegg kreves prosessbenchmarking og mer prosesspesifikke indikatorer Aktuelle spesifikke prosessindikatorer kwh/g DOC fjernet g koagulant forbrukt/g DOC fjernet g slam produsert/g DOC fjernet NOK/g DOC fjernet SINTEF Byggforsk 16

17 Litt om membraner og flaskevann i et energiperspektiv.. SINTEF Byggforsk 17

18 Membranfiltrering/avsalting er en teknologi på fremmarsj, men den er svært energikrevende! SINTEF Byggforsk 18

19 Flaskevann er heller ingen god opsjon i et energi/bærekraftperspektiv! SINTEF Byggforsk 19

20 Oppsummering VA-sektoren har et stort - og økende energibehov, og energi utgjør ofte opptil 1/3 av driftskostnadene De fleste anlegg er allerede bygget og et signifikant bidrag til redusert energiforbruk krever derfor fokusering på de eksisterende VA-anlegg En kunnskapsbasert driftsoptimalisering av eksisterende VA-anlegg kan gi vesentlige bidrag til økt sikkerhet, økt bærekraft og økt kostnadseffektivitet Optimaliseringsforsøk på vannbehandlingsanlegg har avdekket betydelige optimaliseringsgevinster: Redusert kjemikalieforbruk, redusert slamproduksjon og redusert energiforbruk Livsløpsanalyser viser betydelige tilleggsgevinster også ved produksjon av innsatsmidler og transport av innsatsmidler og slam En vellykket optimaliseringsprosess krever god planlegging, samvittighetsfull gjennomføring og involvering av ledelse og operatører I tillegg flere demonstrasjonsprosjekter. SINTEF Byggforsk 20

21 Takk for oppmerksomheten! SINTEF Byggforsk 21