Енергийна ефективност във водоснабдяването

Осигуряването на надеждно водоснабдяване е процес, който изисква много енергия за водовземане, пренос, пречистване, разпределение и съхранение на питейната вода. Проучванията показват, че около 80% от енергията във водния сектор се изразходва за изпомпване, разпространение и пречистване на питейни и отпадъчни води. Обикновено водоразпределителните дружества са и най-значимите консуматори на енергия на територията на една община, отговаряйки за 30-40% от общото потребление.

Консумацията на енергия и разходите за нея се увеличават поради различни причини. Сред тях е това, че дружествата започват да прилагат нови технологии, за да удовлетворят строгите стандарти за питейната вода, както и това, че поради суша понякога се използва вода от източници с лошо качество, което увеличава енергийните нужди за пречистването й.

Застаряващата инфраструктура също допринася за повишеното потребление на енергия чрез загуби на вода и неефективни механични системи (помпи, двигатели и др.). Други възможни причини за повишаване на енергийните разходи са разрастването на системите, което налага транспортиране на водата на по-големи разстояния и височини, и изискванията за високо качество на доставяната енергия.

Това кара някои от водоснабдителните дружества да прилагат агресивни стратегии за управление на енергията с цел подобряване на енергийната ефективност и редуциране на консумацията. Съществуват значителни възможности и потенциал за намаляване на разходите за енергия, като някои от тях могат да бъдат реализирани лесно и с малки инвестиции, например внедряването на енергийно ефективни процеси и технологии при реновиране и разширяване на системата.

Енергия може да се спести чрез използване на нови технологии, инсталиране на двигатели с премийна ефективност и честотни задвижвания, преоразмеряване на помпените системи, разработване на алтернативни методи за изпомпване, внедряване на системи за управление и SCADA, оптимизация на процесите, извършване на енергийни одити, управление на потреблението на база търсене с цел намаляване консумацията на енергия по време на пиковите часове, ограничаване на течовете в системата и използването на алтернативни източници на енергия.

Предизвикателства пред енергийната ефективност

Въпреки че подобряването на енергийната ефективност има своите ползи за дружествата, клиентите и околната среда, съществуват и редица предизвикателства, които трябва да бъдат преодолени от компаниите. Оперативните пречки обикновено са в резултат на това, че служителите нямат достатъчен опит при прилагането на мерки за енергийна ефективност.

Институционалните пречки идват от трудностите, които служителите и ръководството изпитват при внедряването на нови политики и от факта, че в рамките на различни ведомства се прилага цялостен подход. Политическите бариери са свързани с неразбирането на техническите и икономическите аспекти на подобренията и нежеланието да се инвестира в проекти, които могат да доведат до покачване на тарифите.

Регулаторните пречки са резултат от това, че управляващите не искат да рискуват обществената сигурност, което се изразява в това, че оборудването обикновено е преоразмерено. Финансовите предизвикателства произтичат от невъзможността да се получи финансиране, без да се увеличат тарифите на услугите, от опасението, че потенциалните спестявания ще доведат до по-малки оперативни бюджети, и от зависимостта от относително ниските цени за енергия.

Също така, в много случаи доставчиците на комунални услуги не са наясно с финансовите стимули и отстъпки, които биха могли да ползват за внедряването на мерки за повишаване на енергийната ефективност.

Важно е водоснабдителните дружества да предприемат цялостен подход към управлението на енергия. Освен подобряването на енергийната ефективност в процесите на пречистване и разпределение на водата, операторите могат да използват и редица други инструменти и техники за редуциране на потреблението.

В много случаи предприетите мерки за подобряване на водната ефективност водят до спестяване и на енергия, тъй като количествата вода, които се доставят и изпомпват, са по-малки. Така могат да бъдат реализирани и финансови спестявания от химикали и други консумативи, и да бъде удължен животът на пречиствателните съоръжения.

Инструменти за управление

Съществуват редица инструменти за управление и добри практики, с които може да се постигне по-добро разбиране на консумацията на енергия при водоснабдяването, да се определят областите, при които разходът на енергия е най-голям, целите и мерките за икономия на енергия, и да се разработи план за действие и мониторинг.

Методите за подобряване на цялостната енергийна ефективност могат да включват енергийни одити, системи за управление на енергията или системи за управление качеството на енергията и водата.

Един от начините за водоснабдителните компании да оптимизират разходите на енергия, без да засегнат системата, е чрез енергийни одити. Целта на всеки енергиен одит е да помогне на ръководството да оцени използването на енергия и енергийните потоци при водните системи, да определи най-енергоемките процеси в системата, да очертае възможните действия за икономия на енергия и да изготви план за изпълнение.

Служителите могат да направят одит само на основните, ключови процеси или обстоен енергиен одит. Първият тип се използва за идентифициране на главните проблемни области и процеси, които изискват най-голям разход на енергия. Това помага на оператора да се ориентира върху какво да съсредоточи подробния енергиен одит.

Системите за енергиен мениджмънт помагат на водоснабдителните компании да определят цели, приоритети и специфични области за подобрение. За успешното им внедряване трябва да бъдат преминати някои операционни и институционални пречки, да бъдат заложени цели за подобрение, да бъде сформиран екип, който да следи изпълнението им (включително осигуряване на нужните обучения) и резултатите да бъдат оповестени и коментирани.

Системите за управление качеството на енергията и водата представляват набор от софтуерни програми и организационни практики, които позволяват гъвкаво планиране на дейностите за решаване на проблеми в тази област. Системните организатори и оператори използват информация от цялата система за изготвянето на дневни работни планове и графици.

Софтуерните програми включват техники за оптимизация и симулация, които определят оптималния работен план, осигуряващ най-ниски експлоатационни разходи. Софтуерът има възможност да използва данни за енергийните разходи във времето и да прогнозира потреблението на енергия и товаровите изисквания за управлението на процесите.

Серията софтуерни програми се интегрира лесно и извлича данни от съществуващата в дружеството система SCADA. Програмата за управление на качеството изпълнява повече функции от традиционната SCADA, която се фокусира върху отделни компоненти, за да контролира цялата водоснабдителна мрежа.

Някои от ползите от внедряването на система за управление на качеството на енергията и водата са намаляване и избягване на някои разходи, подобряване на качеството на водата и увеличаване на приходите.

Хидравлично моделиране

С усложняване на водоснабдителните системи определянето на най-ефективните начини за експлоатацията им и за управление на енергопотреблението става по-трудно. Хидравличните модели симулират поведението на водната мрежа и могат да се използват за предсказване реакциите на системата при промени в условията. Те са инструмент, който се използва за тестване на различни стратегии за проектиране и експлоатация, за да се намери оптималната системна конфигурация.

Хидравлични модели обикновено се използват за планиране и проектиране на нови системи и разширения на съществуващи. Въпреки това, те могат да бъдат приложени и за оценка на влиянието на различни промени в отделните компоненти върху цялата система (оборудване, тръби, резервоари, вентили).

Моделирането на различни сценарии предоставя на дружествата различни алтернативи за намаляване на енергийните разходи при проектиране или модернизация на системата. Хидравличните модели изпълняват различна функция от системите за управление на качеството, тъй като те не се използват за ежедневно планиране и оптимизация, а за да се изберат най-ефективните конфигурации на системата и оборудването. Разработването и прилагането на хидравлични модели изисква финансови инвестиции и време, а работата с тях налага необходимостта от добре обучен персонал.

Водопроводна система

Преодоляването на загубите от напора и триенето в тръбите са основната причина за високите разходи при изпомпване във водоснабдителните системи. Тези загуби са функция от диаметъра на тръбата. По-високата скорост на потока изисква повече енергия.

Най-голямо влияние върху разхода на енергия оказват тръбите от помпената станция до резервоарите, тъй като помпите трябва да преодолеят разликите в напора между зоните с различно налягане.

Като част от оптимизирането или оценката на системата, водоснабдителните компании трябва да преразгледат основния план или анализа от хидравличните модели, използвани за изготвянето му, за да се определи дали по дължина на тръбите има стеснени участъци, които са причина за загуби на напор. Коригирането на размера на тръбите може да доведе до спестявания до 20% от общия разход на енергия.

При оптимизиране на системата и операциите по изпомпване е важно да се вземат предвид размерите на тръбите. При използване на маломерни тръби може да се стигне до значителни загуби на налягане. Хидравличните модели могат да помогнат при избора на оптимален размер на тръбата за най-ниска консумация на енергия при поддържане на минимални налягания в системата.

За да се намалят разходите за тръбопроводи, водоснабдителните компании трябва да изберат тръби с възможно най-малък вътрешен диаметър, който осигурява ниски скорости по време на пиково потребление.

При подбора на конструкционен материал за тръбите е важно да се обмисли действителният вътрешен диаметър, тъй като той може да е различен при тръби с еднакъв външен диаметър. Освен размерът на тръбите, и конфигурацията им може да доведе до дисбаланс на налягането и да увеличи енергията, необходима за изпомпване на вода по тръбите.

Помпи

Големи количества енергия се използват от помпите при нагнетяване и разпределение на водата. Ефективността на помпите зависи от работните и системни изисквания за размери, наличието на капацитет за съхранение, конфигурацията на тръбопровода, напора, необходим да се преодолеят зоните с различно налягане и др.

Извършването на енергиен одит или оценката на помпената система дават възможност да се определи дали помпите са правилно оразмерени за конкретното приложение и дали са настроени оптимално за възможно най-висока ефективност.

Съществуват различни признаци, че отделна помпа или цялата помпена система не работи ефективно - например увеличени разходи за енергия, честа нужда от поддръжка и непланирани ремонти, прекомерни вибрации на помпата, повишено топлоотделяне от двигателя, силен шум в тръбите и др.

Помпите обаче са само един от компонентите на системата, а правилната оптимизация изисква водоснабдителните дружества да разглеждат помпената инсталация като цяло, включително тръби, двигатели, вентили и т. н.

Има множество подходи за оптимизиране на помпените операции, размери и ефективност. Не всички от тях изискват големи капиталови инвестиции или подмяна на помпите. Освен че води до оптимизиране на помпеното оборудване и компоненти, промяната на графика за изпомпване ще окаже най-голямо въздействие върху енергийната ефективност, ако е съобразена с пиковите натоварвания.

Оптимизация на помпата може да се постигне чрез промяна в някои от експлоатационните процеси - например добавяне на няколко по-малки помпи, за да се отговори на променящата се интензивност на потока, преминаване от задвижвания с постоянна към такива с променлива скорост на помпените двигатели и определяне на редовни цикли на поддръжка и оценка на ефективността, особено когато са включени като част от компютъризирана система за управление на поддръжката.