Effektivisering af vandforsyningsanlæg kræver mere nuanceret benchmarking

Transkript

1 Ingeniør, MSc Jørgen G. Øllgaard, ØLLGAARD Rådgivende Ingeniører A/S Civilingeniør Anders Christiansen, ØLLGAARD Rådgivende Ingeniører A/S Ingeniør Mads Nørgaard, ØLLGAARD Rådgivende Ingeniører A/S Fkus: Effektivisering Vi fkuserer alle på energibesparelser på vre vandfrsyningsanlæg fr at spare både penge g ressurcer. Det er derfr vigtigt at vide, hvr meget man kan spare, g til at belyse dette fretages evt. sammenligninger med andre anlæg i frm af benchmarking. Nærværende artikel er et bud på, hvrledes benchmarkingen kan frbedres ved at inddrage vandets løftehøjde i beregningerne, samt hvrledes små g stre anlæg kan sammenlignes. Endvidere er den samlede energibesparelse fr vandfrsyningsanlæg i Danmark vurderet til ca. 30 % ud fra en gennemgang af nøgletal fra 44 anlæg. Effektivisering af vandfrsyningsanlæg kræver mere nuanceret benchmarking I mange år har DANVA gennemført benchmarking fr vandfrsyningsanlæg, hvr man bl.a. har sammenlignet specifikt energifrbrug (energifrbrug i frhld til udpumpet vandmængde kwh/m³). Vi freslår, at man supplerer denne sammenligning med et nyt nøgletal fr en beregnet virkningsgrad, hvr man gså tager hensyn til, hvr meget vandet skal løftes fra grundvandsspejl til udpumpningstryk. Fr at vise, hvr meget der kan spares fr hvert enkelt anlæg, er det nødvendigt at indregne anlæggets størrelse g dermed finde en nyttevirkning fr det samlede vandfrsyningsanlæg. I frbindelse med VandTek 09 i Odense pfrdrede vi en række besøgende til at fremsende ngle data fra deres vandfrsyningsanlæg. Disse er behandlet sammen med plysninger, vi tidligere har mdtaget fra andre anlæg. Nedenfr er beregnet g kmmenteret følgende nøgletal: Specifikt energifrbrug (kwh/m³) Virkningsgrad (%) fr det samlede vandværk, fra brin- ger til rentvandspumper, g hvr der tages hensyn til anlæggets løftehøjde fr vandet Nyttevirkning (%), hvr der gså der tages hensyn til vandværkets størrelse Efterfølgende har vi frhldt s til eventuelle usikkerheder i beregningerne g i vurderingerne. Specifikt energifrbrug Det specifikke energifrbrug (kwh/m 3 ) er el-frbruget fr en peride i frhld til den udpumpede vandmængde fr periden. Energifrbruget er eventuelt reduceret med frbrug til pvarmning g andre frmål, der ikke direkte er tilknyttet vandbehandlingen. I figur 1 er vist resultaterne fra DANVAs Vand i tal /1/, g i figur 2 er vist de tilsvarende tal fr de af s analyserede vandværker. Resultaterne er srteret stigende efter nøgletallets størrelse. Begge analyser viser, at der er meget str frskel på det specifikke energifrbrug. I DANVAs beregning er det specifikke energifrbrug pdelt i Prduktin g Distributin (samt Administratin ). Dette er efter vr pfattelse ikke en sigende pdeling, idet frdelingen er helt afhængig af, m vandværkets beliggen- 16 danskvand 2/10

2 Vandfrsyningernes elfrbrug, ,0 kwh/m3 slgt vand 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Prduktin Distributin Administratin Se frsyningernes navne på mslagets flap Figur 1. Specifikt energifrbrug (kwh/m 3 ) fra DANVA s benchmarking Figur 2. Specifikt energifrbrug (kwh/m 3 ) fr 44 analyserede vandfrsyningsanlæg. Figur 3. Snit gennem et vandfrsyningsanlæg. Samlet løftehøjde fra r-vandspejl til udpumpningstryk er vist. hed er lav eller høj i frhld til kten fr grundvandsspejl g kten fr frsyningstryk. Nøgletallet fr specifikt energifrbrug skal løbende vervåges fr hvert anlæg, idet en stigning indikerer eventuelle fejl på anlægget. Dette nøgletal kan g må dg ikke benyttes til sammenligning mellem frskellige anlæg, frdi det specifikke energifrbrug favriserer anlæg, der kun har lille dybde til grundvandsspejlet g/eller behv fr et lille udpumpningstryk. Endvidere favriseres stre anlæg i frhld til små, idet stre pumper g mtrer altid har højere virkningsgrader. er givet ud fra hydrgelgiske g tpgrafiske frhld, g der kan ftest ikke ændres på dette. Virkningsgraden,, fr et anlæg kan beregnes sm: hvr: Q er den udpumpede vandmængde fr periden (m 3 ) H er løftehøjden (mvs) E er energifrbruget fr periden (kwh) Virkningsgrad Den abslut vigtigste parameter fr energifrbrug fr et vandfrsyningsanlæg er løftehøjden fr vandet. Løftehøjden I nærværende analyse frhlder vi s til den gemetriske højde, sm vandet skal løftes: Fra grundvandsspejlet i r til det udpumpningstryk, rentvandspumperne leverer, jf. figur 3. I en senere analyse må man frhlde sig til andre høj- danskvand 2/10 17

3 Fkus: Effektivisering Figur 4. Energi-virkningsgrad fr de analyserede værker. Løftehøjden er fra r-vandspejl til udpumpningstryk tillagt 10 mvs fr sædvanlige tab gennem vandværket m.v. Figur 5. Energi-virkningsgrad vs. årsudpumpning. Den blå linje viser en pnåelig virkningsgrad fr et ideal-vandværk. der g mdstande gennem anlægget, jf. de afsluttende bemærkninger. Fr at give en reel sammenligning mellem anlæg, der har en lille henhldsvis str løftehøjde, tillægges det gravitatinstab, der er gennem alle vandværker. Et tilsvarende tab findes gså fr et trykfilteranlæg. Endvidere tillægges et rimeligt dynamisk trykfald i råvandsledning g mkring rentvandspumper samt sænkning i bringer. Disse tillæg har vi vurderet til i alt 10 mvs fr et ideal-vandværk. Den herefter beregnede virkningsgrad er vist srteret efter stigende virkningsgrad i figur 4. Virkningsgraderne varierer fra ca. 4 % til 60 %. Fr at vurdere resultaterne nærmere har vi i figur 5 srteret disse efter vandværkernes størrelse, sm vi har defineret ud fra årsudpumpningen. Det ses, at kun få anlæg både små g stre ligger tæt på den pnåelige virkningsgrad fr et ideal-vandværk. Der er flere frhld, der kan være årsag til, at et vandfrsyningsanlæg har lavere virkningsgrad. Ngle frhld skyldes dårlig tilstand eller drift g kan eventuelt afhjælpes: Uøknmisk indvindingsstrategi fr drift af bringerne Utæt stigrør fra dykpumpe Fr lille g/eller delvist tilstppet råvandsledning Dykpumper g/eller rentvandspumper ligger ikke ptimalt på deres karakteristik Dykpumper g/eller rentvandspumper er slidte/gamle g har derfr ikke gd virkningsgrad Fr alle vandfrsyningsanlæg er der et tab på mindst ca. 10 mvs. Dette tab er tillagt i beregningen af virkningsgrad fr ikke at favrisere anlæg med en samlet str løftehøjde i frhld til anlæg med lille løftehøjde. Andre frhld må eventuelt accepteres: Str sænkning i bringer Str afstand mellem kildeplads g vandværk Beluftnings-/afblæsnings-anlæg med (fr) str ydelse Trykfilter med (fr) str mdstand Det ses tydeligt, at de større vandværker har bedre virkningsgrad end de mindre. Dette skyldes udelukkende, at større pumper g mtrer har bedre virkningsgrader end mindre. Besparelsesptentiale I figur 5 er indtegnet en linje, der angiver en pnåelig virkningsgrad,, fr et ideal-vandværk. Fr beregningen af har vi valgt nrmalt gde virkningsgrader fr pumper, mtrer g frekvensmfrmere, sm vi har antaget etableret på vandfrsyningsanlæg med frskellige størrelser. Endvidere har vi krrigeret med 4 % fr energifrbrug til skylleluft g råvand til skyllevandsfrbrug samt øvrige vandbehandlingsmæssige frmål sm trykluft, el-tavler m.v. baseret på erfaringstal. Hvis en fr lav virkningsgrad ikke skyldes de nævnte særlige tekniske frhld eller pvarmning, affugtning. lign., er det muligt at pnå en virkningsgrad svarende til den i figur 5 angivne linje fr et ideal vandfrsyningsanlæg. Besparelsesptentialet, B, er frskellen i energifrbrug ved den registrerede g den pnåelige virkningsgrad, : B = E E Dette kan mskrives til en mulig besparelsesprcent, b, i frhld til det nuværende energifrbrug: b B = E = (%) 18 danskvand 2/10

4 Figur 6. Vandfrsyningsanlæggenes nyttevirkning: Aktuel virkningsgrad i frhld til den pnåelige virkningsgrad. Srteret efter værdiens størrelse. Figur 7. Vandfrsyningsanlæggenes nyttevirkning: Aktuel virkningsgrad i frhld til den pnåelige virkningsgrad vs. årsudpumpning. Den samlede vandmængde fr de 44 analyserede vandværker er m 3 /år. Ud fra venstående vurderinger har vi beregnet en samlet mulig energibesparelse på kwh/år. Hvis dette skaleres p til den samlede prduktin i Danmark på m 3 /år /2/, vil energibesparelsen blive kwh/år. Imidlertid kan alle vandfrsyningsanlæg ikke pnå den ideale virkningsgrad på grund af vanskelige vandindvindingsfrhld g/eller nødvendig supplerende vandbehandling. Endvidere vil der være ngle anlægsdele, der er så dyre at ændre, at man ikke kan pnå en rimelig tilbagebetalingstid g således må acceptere de eksisterende frhld. Et skøn ver den samlede energibesparelse kan være 75 % eller kwh/år. Dette svarer til ca. 30 % af vandfrsyningssektrens årlige energifrbrug. Figur 8. Nyttevirkning vs. specifikt energifrbrug. Det ses tydeligt, at der ikke er sammenhæng mellem de t nøgletal. Nyttevirkning benchmarking Man kan lave en sammenligning (benchmarking) mellem vandfrsyningsanlæg med nøgletallet virkningsgrad. Men sm nævnt venfr er det ikke muligt fr de mindre anlæg at pnå så høje virkningsgrader sm de større anlæg. Det vil derfr være mere sigende at beregne et andet nøgletal, nyttevirkning, N. Denne har vi defineret sm anlæggets virkningsgrad i frhld til, hvad der er pnåeligt. N = 100 (%) Denne værdi er fr de analyserede vandværker vist srteret efter værdiens størrelse i figur 6 g srteret efter anlæggets størrelse i figur 7. Af figurerne ses, at der fr både stre g små anlæg kan pnås betydelige besparelser. Endvidere ses, at der er meget str spredning på anlæggenes energi-nyttevirkning. Det er relativt enkelt at beregne et anlægs nyttevirkning, g dermed hvr strt besparelsesptentialet er fr det knkrete vandværk. I figur 8 er vist det specifikke energifrbrug i frhld til den beregnede nyttevirkning. Det ses tydeligt, at der ikke er sammenhæng mellem de t nøgletal. Derfr er det specifikke energifrbrug ikke velegnet til sammenligning mellem vandværker. Derimd skal sm tidligere anført denne værdi anvendes til den løbende vervågning af det enkelte anlæg. Afsluttende bemærkninger I alle de anvendte data fra vandfrsyningsanlæggene er der naturligvis en række usikkerheder. Således er det vanskeligt fr de fleste anlæg at adskille el-frbruget til pvarmning. lign. fra el-frbruget til vandprduktinen. Endvidere kan beliggenheden af r-grundvandsspejlet sjældent defineres præcist, ligesm udpumpningstrykket er et vurderet gennemsnit. Tilsvarende kan man gøre frskellige antagelser m sammenligningen med virkningsgraden fr det ideale vandfrsyningsanlæg, både med hensyn til det valgte gravitatins- danskvand 2/10 19

5 Fkus: Effektivisering g trykfald på 10 mvs g el-frbruget til skyllevand m.v. på 4 % samt de anvendte virkningsgrader fr pumper m.v. i frskellige størrelser. Vi mener imidlertid, at disse usikkerheder er små i frhld til de verrdnede værdier i beregningerne. En usikkerhed på f.eks. 10 % i det indregnede energifrbrug eller løftehøjde medfører blt en fejl på ca. 6 prcentpint i den beregnede nyttevirkning. Virkningsgrad g i særdeleshed nyttevirkning er derfr gde nøgletal til brug fr benchmarking. Man kan gså vælge at beregne virkningsgraden fr anlægget ud fra et driftsvandspejl i stedet fr r-vandspejlet. Dette vil give en mere ensartet g krrekt beregning af virkningsgraden, men datarapprteringen vil blive mere mfattende. Hvis dette vælges, skal man lave en selvstændig vurdering af selve vandindvindingens virkningsgrad. Se f.eks. analysen fr Birkerød vandværk /3/. Tilsvarende kan man krrigere fr andre særlige frhld (råvandsledning, afblæsning, trykfilter m.v.) fr det enkelte anlæg g vurdere deres energivirkningsgrad fr sig samt indsætte det præcise gravitatinstab gennem vandværket. Herefter kan man beregne virkningsgraden fr det resterende anlæg, nu blt mfattende råvandspumper g rentvandspumper. I nærværende analyse er benyttet vandfrsyningens aktuelle udpumpningstryk (eller trykkte). Den letteste energibesparelse en vandfrsyning kan pnå, fås ved at reducere udpumpningstrykket til, at de højest g/eller fjernest beliggende frbrugere lige akkurat har tilstrækkeligt tryk hele døgnet. En reduktin af udpumpningstrykket kan fte pnås med en sektinering af ledningsnettet. Referencer /1/ Vand i tal. DANVA /2/ DANVA: Drikkevand i Danmark ( /3/ Birkerød Vandværk: Energibesparelser på kildepladsen Yes we can! danskvand nr. 7, december Hs Brøker har vi nget af det bedste materiel, en højt kvalificeret serviceafdeling g 110 års erfaring med bringer. BrøndBringsfirmaet Brøker a/s Spånnebæk 7, 4300 Hlbæk Telefn: [email protected] Din samarbejdspartner indenfr vandfrsyningsbringer, køle- g varmebringer, service g vedligehldelse af vandfrsyningsbringer, sløjfning af brønde g bringer. 20 danskvand 2/10