Bilag 2 Oprettelsesdato: 15. juli 2014 Udarbejdet af: Thomas Rolf Jensen (Envidan), Jacob Krag Andersen (Envidan), Katrin á Nordi (Middelfart Spildevand) Sagsnummer: Projekt, ID 7680.2013 Udvikling og implementering af en baseline model til sikring af grundlag for finansiering af energieffektivisering gennem ESCO modellen i spildevandssektoren. Litteraturstudie 1. Indledning Indeværende notat omhandler litteraturstudie af tidligere initiativer, hvor renseanlæg er blevet gennemgået for screening af energioptimeringspotentialer. Disse omfatter DANVAs Energiberegner for renseanlæg og E5 Samarbejdet. I notatet gennemgås ydermere opsatte nøgletal for baselinemodellen sammenlignet med tidligere nøgletal, der er blevet opstillet for renseanlæg i Danmark, samt en kort opsummering af nøgletal fra andre lande. 2. Tidligere initiativer til energioptimering på renseanlæg I det følgende gennemgås to tidligere initiativer indenfor energioptimering på renseanlæg, nemlig Energiberegneren og E5 samarbejdet. 2.1 Energiberegneren Energiberegneren er udviklet i 2009 af 5 forskellige forsyninger, DANVA og Krüger. Projektet er et forsknings og udredningsprojekt i DANVA regi. Målet for Energiberegneren er at hjælpe danske renseanlæg og pumpestationer til at opnå et mindre elforbrug ved at skabe et overblik over det aktuelle energiforbrug. Således kan de største energiforbrugende poster identificeres og herud fra kan energioptimeringsprojekter sættes i værk. DANVA angiver et estimeret årligt forbrug i vandsektoren på 800 GWh (2009 tal). Med en nedsættelse på 25 % svarer det, ifølge deres beregninger, til at miljøet hvert år kan spares for en CO₂ udledning på 100.000 tons. Baggrunden for modellerne bag Energiberegneren udgøres af en række målinger foretaget på renseanlæg og pumpestationer i de 5 forsyninger i Aalborg, Vejen, Tønder, Slagelse og Køge. I nærværende studie ses kun på regnearket for beregning af potentielle energibesparelser på renseanlæg. Energiberegneren er et regneark i Excel, hvor energiforbrug i kwh/år beregnes som summen af målt optagen effekt og registrerede driftstimer for hver installation i de pågældende anlægsdele på renseanlægget. Disse anlægsdele inddeles overordnet i; regnvandsbassin, indløb, forbehandling, procestanke, efterklaring/returslam, filtrering/udløb/efterbelufter, overskudsslam samt diverse (lys, el, varme, ventilation, styring af kippe, andre pumper m.v.). Side 1 af 6
I excelarket kan det beregnes, hvor meget energi, der kan spares på hver komponent, hver anlægsdel, det samlede anlæg, samt den tilsvarende reduktion i udledt CO₂. Muligheden for energibesparelser opgøres i Excel arket indenfor fire områder: energisparemotorer, omrører/ejektor, rotorneddykning (styring heraf) samt styring (frekvensstyring, setpunktstyring, avancerede styringer m.m.). Det aktuelle energiforbrug på renseanlægget opgøres i energiberegneren i kwh/år samt i ton CO 2 /år. Der bliver ikke genereret deciderede nøgletallene ud fra energiforbrugene. 2.2 E5 Samarbejdet En række virksomheder med komplimentære kompetencer i forhold til energiforbrug gik sammen i et fælleskab, som kaldtes E5 samarbejdet. Disse 5 virksomheder var; Dong Energy, Picca Automation, DHI, Stjernholm og Orbicon. Samarbejdet gav en stor kompetenceflade med videndeling virksomhederne i mellem til gavn for kunderne. Gruppen tilbød vand og spildevandsforsyningerne at foretage en samlet omfattende energioptimering af hele forsyningen ved at optimere energiforbrug og drift samtidigt. Målet var at sænke energiforbruget med 10 30 % med tilbagebetalingstider på relativt få år for energioptimeringsprojekter (optimalt set ned til to til tre år). Energibesparelserne finansierede på denne måde omkostningerne, hvilket var økonomisk attraktivt for forsyningerne. I første omgang foretog E5 samarbejdet en screening af renseanlægget for at identificere større energiforbrug. Screeningen resulterende i en rapport, der beskrev potentielle energiforbedringer i de forskellige dele af anlægget. Forsyningerne kunne ud fra prioriteringer i rapporten, efterfølgende sætte energioptimeringsprojekter i gang. E5 gruppens medlemmer havde indtil 2011 efter eget udsagn hjulpet kommuner med at reducere energiforbruget med 10 30 % på 45 renseanlæg og med 10 60 % på 225 pumpestationer. Bjergmarken Renseanlæg var et af de steder, hvor E5 samarbejdet lavede en energiscreening. Denne blev foretaget for at vurdere besparelsespotentialet i forhold til beluftning og styring. I 2007 havde Bjergmarken renseanlæg et energiforbrug på ca. 4 mio. kwh. Med en udledt spildevandsmængde på ca. 8,8 mio. m 3 og en belastning på ca. 90.000 PE gav det nøgletal på 0,45 kwh/m 3 samt 45 kwh/pe, hvilket er en middelværdi for energiforbruget på renseanlæg i Danmark. Det forventedes, at der efter energioptimering kunne ske en reduktion af energiforbruget til 30 kwh/pe. Nøgletallene i E5 samarbejdet var kwh/m 3 og kwh/pe. 3. Nøgletal I forhold til de to tidligere beskrevne initiativer indenfor energioptimering, Energiberegneren og E5 samarbejdet, går baselinemodellen et skridt videre i registreringen af energiforbruget med opstillingen af overordnede nøgletal for hele renseanlægget samt mere specifikke nøgletal for de enkelte procestrin. Side 2 af 6
3.1 Tidligere sammenligningsstudier for renseanlæg i Danmark Der har tidligere været opsat nøgletal for renseanlæg i Danmark. De mest almindelige nøgletal er kwh/m 3 og kwh/pe. Nøgletallene kan benyttes til at vurdere energiforbruget på renseanlægget løbende ligeledes i forhold til forbedringer efter implementering af energioptimering. Ved at benytte disse nøgletal til sammenligning af forskellige renseanlæg, er der en række faktorer, der skal tages højde for. For begge nøgletal har det betydning, hvordan renseanlægget er bygget op (design og procesvalg). I forhold til energiforbruget sat op imod den hydrauliske belastning (kwh/m 3 ) kan oplandsstørrelsen, utætheder i kloaksystemet og nedbørsmængden have afgørende betydning. I betragtningen af energiforbruget sat op imod den organiske belastning (kwh/pe) kan industrispildevand i oplandet resultere i en forhøjet organisk belastning af renseanlægget, som også kan kræve et højere energiforbrug i renseprocesserne. Ydermere, vil det være afgørende, hvordan den organiske belastning i PE beregnes. Om det er COD eller BOD? Nøgletallene fra forskellige renseanlæg er på baggrund af disse betragtninger ikke så nemme at sammenligne og det kræver et mere indgående kendskab til de enkelte renseanlæg for at få sammenligningsgrundlaget på plads. Der er f.eks. stor forskel på om det er et 1 trins eller 2 trins anlæg (med eller uden energiproduktion) og om der er særlige processer, såsom Annamox, Cambi etc. Tabel 1 viser en sammenholdning af tidligere studier, hvor der er sammenlignet nøgletal fra forskellige renseanlæg (DANVA og Elsparefonden (1)). Tabel 1: Nøgletal fra tidligere studier. Nøgletal Grønne Nøgletal 1998 (7 RA) Dong Energy 2002 (22 RA) DANVA 2011 Benchmarking (Vand i Tal 2011) DANVA, Erfaringsværdier (RA: 20.000 100.000 PE) kwh/m 3 0,49 0,50 kwh/pe 50 52 ~38 kwh/red.n 10,0 15,3 Studiet med Grønne nøgletal fra 1998 er vist i tabel 1. Her sammenlignede 7 kommuner i Midtjylland nøgletal fra 7 renseanlæg (Skive, Viborg, Videbæk, Ikast, Silkeborg, Herning, Holstebro) med hydrauliske belastninger i området 2,2 12,8 mio. m 3. Nøgletallene varierede en hel del med intervaller for nøgletallene på 0,34 0,70 kwh/m 3 og 28 73 kwh/pe. Det er værd at notere, at Holstebro Renseanlæg havde det højeste energiforbrug i forhold til den behandlede vandmængde (0,70 kwh/m 3 ), men det laveste energiforbrug i forhold til den organiske belastning (28 kwh/pe). De gennemsnitlige nøgletal for de 7 renseanlæg var på hhv. 0,49 kwh/m 3 og 50 kwh/pe, hvilket passede godt overens med de gennemsnitlige nøgletal, der udsprang af DONG Energys studie i 2002 for 22 renseanlæg i Danmark (DANVA og Elsparefonden (1)). Side 3 af 6
DANVAs benchmarking Vand i Tal fra 2011 angiver for renseanlæg et gennemsnitligt nøgletal på omtrent 38 kwh/pe (se også tabel 1), hvilket viser et lavere gennemsnit end tidligere i Grønne Nøgletal fra 1998 og Dong Energys studie fra 2002. Dette kunne tyde på, at der for renseanlæg i Danmark har været en reduktion i energiforbruget i hvert fald i forhold til den organiske belastning. Der kan som tidligere nævnt i tilfældet for Holstebro renseanlæg være betydeligt forskel i nøgletal baseret på hhv. hydraulisk og organisk belastning. I tabel 1 er der også præsenteret erfaringsværdier for nøgletallet kwh/reduceret N, som DANVA har indsamlet. Disse erfaringsværdier er taget fra renseanlæg, der ligger indenfor Middelfart Renseanlægs belastningsområde. DANVA lancerede i 2008 Energisparekampagnen, som gik ud på at skabe energibesparelser på 25 % i vandsektoren over en femårig periode. Energiberegneren og E5 samarbejdet var angiveligt initiativer, der opstod som følge af Energisparekampagnen.. DANVA har dog siden hen i 2013 offentliggjort, at kurven ikke er knækket endnu, da forbruget per m3 vand/spildevand har været stigende i 5 års perioden (DANVA og Elsparefonden (2)). Ifølge DANVA er elforbruget for 1 m3 vand tappet fra vandhanen lig 1,71 kwh. Heraf går 0,43 kwh til produktion og levering af drikkevand og 1,28 kwh til transport og rensning af spildevand. Den største udgift ligger altså på kloaknettet og renseanlægget (DANVA, Vand i tal 2011). Nøgletallet i kwh/pe på ca. 38 (tabel 1) kan dog som tidligere nævnt indikere, at der er sket en positiv udvikling i forhold til energioptimering på renseanlæggene i Danmark siden 1998 og 2002. 3.2 Tidligere studier indenfor forsyninger Esbjerg Forsyning er allerede gået en tand videre i forhold til nøgletal og har kigget på opstilling af mere specifikke energiforbrug på deres renseanlæg. Esbjerg har ved et DANVA Forsyningstræf i 2012 præsenteret deres erfaringer med energibesparelser på Renseanlæg Øst i Esbjerg (DANVA, Succes med energi). Esbjerg Forsyning angiver en energibesparelse på renseanlægget på over 40 % fra 2005 2011 efter energioptimering. Nøgletal for renseanlægget er angivet i tabel 2. Der er angivet nøgletal for kwh/m3 på forskellige flows, der graviterer og pumpes rundt på renseanlægget. Der er nøgletal i kwh/m3 for hhv. det samlede energiforbrug på renseanlægget samt energiforbrug på vandbehandlingsdelen. Elforbruget for beluftningen i luftningstankene relateres til den indkommende vandmængde, COD belastning samt N belastning til biologien. Der er nøgletal for elforbrug i slambehandlingen i forhold til den producerede slammængde. Nogle af disse nøgletal kan sammenlignes med nøgletallene fra Middelfart Renseanlæg. Der skal bare tages højde for, at renseanlæg Øst i Esbjerg er et recirkulationsanlæg med en kapacitet på 125.000 PE, der dog kun er belastet med ca. 65.000 PE. Det er kapacitets, belastnings og opbygningsmæssigt ikke helt sammenligneligt med Middelfart Renseanlæg. Side 4 af 6
Tabel 2. Nøgletal fra Renseanlæg Øst, Esbjerg. Energinøgletal, RA Øst, Esbjerg Total elforbrug/samlet indløbsflow Elforbrug vandbehandling/samlet indløbsflow Elforbrug indpumpning/samlet indløbsflow Elforbrug udpumpning/udløb UPST Elforbrug biologi/udløb, biologi Elforbrug beluftning/udløb biologi Elforbrug mellempumper/udløb, biologi Elforbrug returslampumper/udløb biologi Total elforbrug/cod ind Elforbrug beluftning/cod ind biologi Elforbrug beluftning/total N ind Elforbrug slambehandling/slamproduktion 0,406 kwh/m³ 0,092 kwh/m³ 0,044 kwh/m³ 0,017 kwh/m³ 0,256 kwh/m³ 0,140 kwh/m³ 0,021 kwh/m³ 0,016 kwh/m³ 0,545 kwh/kg 0,220 kwh/kg 1,950 kwh/kg 0,447 kwh/kg 3.3 Energiforbrug på renseanlæg i udlandet I tabel 3 er der listet nogle nøgletal, som er fundet i litteraturen fra andre lande (Garrido et al. 2013 og referencer heri; EBC 2013; Ragazzo et al. 2013; Jonasson 2007; MaCarty et al. 2011 ). Da anlæggets opbygning, kvalitet og kvantitet af det indkommende spildevand, samt rensningskrav varierer meget fra anlæg til anlæg, og fra land til land, er der ikke umiddelbart grundlag for at kunne sammenligne disse tal. Dog giver oversigten et billede af intervallet for energiforbrug på renseanlæg fra andre lande. Tabel 3. Nøgletal for energiforbrug på renseanlæg Nøgletal EBC Benchmarking 2013 Italien Sverige Østrig USA Canada Belgien (Flandern) kwh/m 3 0,47 (7) 0,30 (7) 0,6 (6) 0,35 (7) 0,30 (7) kwh/pe 22 53 (3) 37 (4) 40 (5) 23 (5) Side 5 af 6
Referencer (1) DANVA og Elsparefonden (1), Hvor meget kan der spares på renseanlægget? Hentet den 14/3 2014: http://www.energibesparelser vand.dk/default.aspx?id=1250&tokenexist=no (2) DANVA og Elsparefonden (2), DANVAs energisparekampagne: 25 % på 5 år, hentet den 17/3 2014: http://www.energibesparelser vand.dk/energisparekampagne 594.aspx (3) DANVA, Succes med energi, hentet den 17/3: http://www.danva.dk/admin/public/download.aspx?file=files%2ffiler%2fmoeder+og+kurser%2ffors yningstr%c3%a6f%2fflemming+andersen.pdf (4) DANVA, Vand i tal 2011, s. 27, hentet den 14/3 2014: http://www.esbjergforsyning.dk/fileadmin/user_upload/vand/benchmarking/vandital2011.pdf (5) European Benchmarking Co operation. 2013 Water & Wastewater benchmark, s. 21, hentet den 09/7 2014 http://www.ib net.org/docs/ebc_ib2011%20public%20report.pdf (6) Ragazzo, P., Falletti, L., Chiucchini, N., og Serra, G. (2013). Management optimization and technologies application: a right approach to balance energy saving needs and process goals. Hentet den 09/07 2014 http://www.iwaponline.com/wpt/008/0028/0080028.pdf (7) Jonasson, M. (2007). Energy Benchmark for Wastewater treatment processes a comparison between Sweden and Austria. Kandidatafhandling. Department of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University. Hentet den 09/07 2014 https://www.iea.lth.se/publications/ms Theses/Full%20document/5247_full_document.pdf (8) McCarty, P.L., Bae, J., og Kim, J. (2011). Domestic Wastewater Treatment as a Net Energy Producer Dan This be Achived? Environmental Science and Technology 45, s. 7100 7106 http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/es2014264 (9) Garrido, J.M, Fdz Polanco, M. og Fdz Polanco, F (2013). Working with energy and mass balances; a conceptual framework to understand the limits of municipal wastewater treatment. Water Science & Technology 67 s. 2294 2301. Side 6 af 6