Odzysk ciepła ze ścieków

W aspekcie bilansu energetycznego i efektywności energetycznej ścieki kojarzą się przede wszystkim z wytwarzaniem biometanu w procesach fermentacji odpadów podczas ich oczyszczania w oczyszczalni. Jednak stanowią one także jedno z istotnych (po procesach przemysłowych, procesach przetwarzania danych i produkcji żywności) źródeł tzw. ciepła odpadowego.

Potencjał ciepła odpadowego ze ścieków

Według dostępnych szacunków potencjał ciepła odpadowego z oczyszczalni ścieków w Unii Europejskiej wynosi ok. 318 TWh energii rocznie, co stanowi ok. 11% całkowitego potencjału ciepła odpadowego na terenie Wspólnoty, wynoszącego ok. 2860 TWh energii rocznie [1, 2, 3]. Na terenie całej UE, a także Polski, istnieją już i powstają kolejne rozwiązania umożliwiające odzysk ciepła ze ścieków i wykorzystanie go na cele ogrzewania budynków czy produkcji c.w.u. Największe inwestycje realizowane są w skali gmin lub miast i obejmują dostawy ciepła odzyskanego z systemów zagospodarowania ścieków (głównie oczyszczalni i przepompowni) do komunalnych sieci ciepłowniczych. Pojawiają się także rozwiązania na mniejszą skalę, umożliwiające wykorzystanie ciepła odpadowego ze ścieków w miejscu jego powstania, realizowane np. przez spółdzielnie mieszkaniowe dla budynku czy ich grupy (np. ciepło odzyskiwane z przykanalika do zasilania pomp ciepła ogrzewających mieszkania), a nawet rozwiązania w mikroskali dla poszczególnych przyborów (np. prysznice), pomieszczeń czy lokali. Odrębną, choć obiecującą grupą rozwiązań jest wykorzystanie jako dolnego źródła dla pompy ciepła ścieków pochodzenia rolniczego (np. gnojowicy) [4].

Ścieki mają dużą pojemność cieplną, stosunkowo wysoką temperaturę – zależnie od miejsca pomiaru (budynek, przykanalik, dopływ do przepompowni, dopływ do oczyszczalni) wskazywane są wartości od 10 do 20°C, a także przedział wynoszący 15–18°C w skali roku [5, 6, 7] – oraz znaczącą, do pewnego stopnia przewidywalną objętość. Podczas przepływu ścieków od budynku do oczyszczalni powstają zatem znaczne ilości ciepła odpadowego.

Najważniejszym czynnikiem wpływającym na efektywność procesu odzysku ciepła jest temperatura ścieków, która zależy m.in. od:

• pory roku i dnia – nocą temperatura ścieków bytowych może być o 2–3°C niższa niż w dzień;
• rodzaju kanalizacji – kanalizacja bytowa w porównaniu do ogólnospławnej jest bardziej stabilna pod tym względem, a płynące nią ścieki mają wyższą średnią temperaturę roczną – w przypadku kanalizacji ogólnospławnej na obniżenie temperatury wpływa występowanie odpadów;
• rodzaju obiektu wytwarzającego ścieki – np. w przypadku budynków przemysłowych czy usługowych gastronomicznych temperatura ścieków może być wyższa;
• odległości od miejsca wytworzenia ścieków i stanu rur kanalizacyjnych, co wiąże się ze stratami ciepła podczas przepływu ścieków przez system rurowy;
• etapu procesu oczyszczania – ścieki surowe mają temperaturę wyższą niż oczyszczone [5, 6].

Odzysk ciepła ze ścieków może zachodzić bezpośrednio (wówczas ścieki są źródłem dolnym dla pompy ciepła) lub pośrednio, kiedy przed pompą stosowany jest dodatkowy wymiennik ciepła. Metoda bezpośrednia cechuje się wyższymi współczynnikami efektywności odzysku ciepła i niższymi kosztami inwestycyjnymi, co wynika z braku elementów dodatkowych (pośrednich), takich jak wymienniki lub pompy obiegowe. Zaletą metody pośredniej jest jednak większa trwałość i odporność na korozję układu odzysku ciepła ze ścieków, ponieważ wymiennik pośredni cechuje się wysoką odpornością na zanieczyszczenia zawarte w ściekach, a elementy pompy ciepła nie mają bezpośredniego kontaktu ze ściekami.

Zobacz także: Ścieki zamiast soli drogowej? Nowe rozwiązanie z Niemiec

Przykładowym wymiennikiem, który sprawdzi się w tego typu systemach, jest rozwiązanie typu „rura w rurze”, wykonane z odpornej na korozję stali nierdzewnej i przystosowane do współpracy z płynem o dużej lepkości i gęstości, zanieczyszczonym włóknami i cząstkami stałymi. Wymienniki takie buduje się z sekcji o liczbie odpowiedniej do wielkości inwestycji, a pojedyncza składa się z dwóch rur – wewnętrzna rura o mniejszej średnicy prowadzi ścieki, a rura zewnętrzna o większej średnicy to strona wodna. Powstawanie osadów na ścianach jest spowolnione dzięki dużej średnicy rury, dodatkowo w pełni rozbieralna konstrukcja umożliwia mechaniczne oczyszczenie powierzchni w razie nagromadzenia osadów.

Ciepło można odzyskiwać zarówno ze ścieków surowych, jak i oczyszczonych. Ścieki surowe cechują się wyższą temperaturą niż ścieki oczyszczone, co wpływa na większą efektywność energetyczną procesu odzysku ciepła. Obecność mikroorganizmów oraz większe stężenie zanieczyszczeń oznacza trudniejszą eksploatację wymienników i ryzyko spadku ich sprawności (nawet o 50%) ze względu na osadzający się biofilm oraz ich większe narażenie na korozję. Temperatura i strumień przepływu ścieków surowych ulegają też w cyklu rocznym i dobowym większym wahaniom niż ścieków oczyszczonych. Temperatura ścieków ma także istotny wpływ na skuteczność usuwania substancji biogennych w procesach oczyszczania ścieków w oczyszczalni, zatem nadmierne wychłodzenie ścieków w wyniku oddawania ciepła w procesie jego odzysku może zaburzyć pracę zakładu. Dlatego w przypadku układu do odzysku ciepła pracującego na terenie oczyszczalni ścieków korzysta się często ze strumienia ścieków oczyszczonych. Natomiast jeśli ciepło jest odzyskiwane w przepompowni ścieków czy z sieci lub nawet zewnętrznej instalacji kanalizacyjnej przy budynku, stopień odzysku musi być zaplanowany tak, by temperatura ścieków odpływających następnie do oczyszczalni nie spadła poniżej wartości odpowiedniej dla zachodzących w niej biologicznych procesów technologicznych [5, 6]. W przypadku odzysku ciepła ze strumienia ścieków oczyszczonych warto zwrócić uwagę na jeszcze jeden istotny aspekt zrównoważenia środowiskowego tego procesu – do odbiornika ścieków, którym są najczęściej rzeki, może trafić odpływ o wyraźnie niższej temperaturze niż „zwykły” strumień ścieków oczyszczonych. Może to mieć istotny wpływ na poprawę jakości wód w rzekach – przykładowo podwyższona temperatura wody w Odrze była jednym z istotnych czynników zakwitu tzw. złotej algi (Prymnesium parvum) [8].

Rozwiązania dla przyborów sanitarnych i lokali

Ciepło odpadowe pochodzące z wody szarej można wykorzystać już na poziomie pojedynczego pionu kanalizacyjnego. Rozwiązaniem dla całej instalacji (np. obejmującej jeden pion kanalizacyjny) jest rekuperator ciepła z wody szarej – prosty w budowie przepływowy wymiennik pionowy zainstalowany na pionowym odcinku instalacji kanalizacyjnej. Urządzenie ma konstrukcję typu spiralnego – wokół rury kanalizacyjnej owinięty jest miedziany wymiennik spiralny, który przekazuje ciepło płynącej w nim, skierowanej w górę, wodzie zimnej. Konstrukcja wymiennika zapewnia jak największą wymianę ciepła (np. przekrój rur tworzących spiralę jest lekko spłaszczony w miejscu kontaktu z pionem kanalizacyjnym), a zastosowany stop lutowniczy zmniejsza opór cieplny, poprawiając przekazywanie ciepła do wymiennika. Można zastosować kilka konfiguracji takiego wymiennika – najbardziej efektywne wydaje się skierowanie części podgrzanej w ten sposób wody do podgrzewacza c.w.u. (zmniejsza się wówczas nakład energetyczny potrzebny na podgrzanie wody). Bardziej zaawansowanym rozwiązaniem jest połączenie wymiennika (rekuperatora) rurowego z pompą ciepła, dzięki czemu powstaje centrala grzewcza, w której woda podgrzana w wymienniku rurowym stanowi dolne źródło dla pompy ciepła [9].

Przyborem, w którym odzysk ciepła z wody szarej może następować bezpośrednio w miejscu jej powstawania, jest prysznic (natrysk). W tym przypadku dopływ wody użytkowej i odpływ wody szarej następują jednocześnie, można więc wykorzystać bezpośrednie podgrzanie wody zimnej kierowanej do prysznica przez strumień ciepła pozyskiwany z odpływu z prysznica. Uzyskany w ten sposób odzysk energii wynosi 30–75%, zależnie od rodzaju i ustawienia wymiennika ciepła (pion/poziom), wielkości instalacji i natężenia przepływu [10]. Z tego względu rozwiązanie to, choć interesujące, ma stosunkowo długi czas zwrotu z inwestycji.

Rozwiązania dla całych budynków

Przykładem rozwiązania korzystającego ze ścieków na poziomie pojedynczego budynku wielolokalowego jest rozwijana w Holandii i testowana w Amsterdamie instalacja typu „riothermie” (riool – ścieki oraz thermie – ciepło). Pomysł polega na odzyskiwaniu i wykorzystaniu ciepła odpadowego w miejscu jego powstania. Wdrożenie systemu „riothermie” w stolicy Holandii ma na celu przede wszystkim odejście od ogrzewania gazem, ale także zmniejszenie kosztów ogrzewania i przygotowania ciepłej wody dla budynków. Pilotażowa instalacja – obejmująca budynek mieszkalny ze 128 mieszkaniami i akademiki z 479 pokojami – wdrażania jest od II kwartału 2023 r. w spółdzielni Lieven de Key w północnej części Amsterdamu, we współpracy z przedsiębiorstwem wod-kan Waternet, przedsiębiorstwem energetycznym Firan oraz mieszkańcami. Projekt otrzymał dotację od miasta, przy czym podstawowym warunkiem było, by koszty energii ponoszone przez mieszkańców nie wzrosły w porównaniu do obecnych. Pierwszym krokiem było zwiększenie szczelności budynków poprzez wymianę okien (lepsza izolacyjność budynku wpływa na ustabilizowanie temperatury ścieków, a także przyczynia się do bardziej efektywnego wykorzystania pomp ciepła) oraz zamontowanie instalacji PV na dachach. Jako źródło ciepła odpadowego wykorzystane zostaną ścieki, zarówno szare, jak i czarne, pochodzące z domowych urządzeń kanalizacyjnych. Według autorów projektu temperatura ścieków jest w ciągu całego roku stała i wynosi 15–18°C. Za odzysk ciepła ma odpowiadać wymiennik ciepła zamontowany na by-passie od głównego kanału i ogrzewający wodę (zainstalowany przez przedsiębiorstwo wod-kan) kierowaną do mieszkań dodatkową rurą (zamontowaną przez przedsiębiorstwo ciepłownicze).

W ten sposób wymiennik odbierać będzie ciepło od strumienia ścieków i przekazywać do kolejnego elementu nowego systemu – pompy ciepła woda/woda o COP równym 3, która wytworzy wodę o temperaturze zasilania 60–70°C, przeznaczoną do ogrzewania i przygotowania c.w.u. (urządzenia te zainstaluje w mieszkaniach spółdzielnia mieszkaniowa). Pompy ciepła mają być zasilane prądem wytwarzanym w budynkowych instalacjach PV. Zakończenie prac planowane jest na przełomie lat 2024 i 2025 [7].

Inną możliwością bezpośredniego wykorzystania ciepła ze ścieków są tzw. hybrydowe wymienniki ciepła, w których jedna pompa ciepła dla całego budynku wykorzystuje ciepło ze ścieków pozyskiwane z pionu kanalizacyjnego jako źródło dolne.

Rozwiązania dla systemów ciepłowniczych

Dla polskich miast odzysk ciepła odpadowego – w tym ze ścieków – stanowi element strategii osiągania neutralności klimatycznej. W Szlachęcinie k. Poznania od 2020 r. pracuje instalacja kogeneracyjna połączona z pompą ciepła, odzyskująca ciepło odpadowe powstałe w procesie oczyszczania ścieków. Moc cieplna systemu grzewczego wynosi ok. 2,9 MW, a powstałe ciepło kierowane jest do sieci ciepłowniczej w Murowanej Goślinie (5000 mieszkańców). W październiku 2022 r. w Poznaniu podpisano porozumienie dotyczące kolejnej inwestycji. W Centralnej i Lewobrzeżnej Oczyszczalni Ścieków powstają pompy ciepła o mocach 16 i 5 MW. Potencjał odzysku ciepła w ramach tych dwóch inwestycji wynosi 460 tys. GJ rocznie.

Z kolei w Warszawie zaplanowano współpracę komunalnego systemu ciepłowniczego ze stołecznymi oczyszczalniami ścieków „Czajka”, „Południe” i „Pruszków”. Termika, spółka PGNiG, podpisała z Miejskim Przedsiębiorstwem Wodociągów i Kanalizacji umowę na studium wykonalności odzysku ciepła odpadowego zarówno z oczyszczalni, jak i samej sieci kanalizacyjnej. Powstać mają cztery pompy ciepła: w oczyszczalniach „Pruszków” i „Czajka” wykorzystujące ścieki oczyszczone z kolektora prowadzonego przy Elektrociepłowni Siekierki, a w przepompowni Żerań źródłem dolnym będą ścieki surowe. Inspiracją dla tych projektów może się stać realizacja Siemens Energy w sztokholmskiej ciepłowni Hammarby – pracująca od ponad 25 lat i pozostająca największym na świecie źródłem ciepła opartym na pompie ciepła, z wykorzystaniem siedmiu pomp o łącznej mocy 225 MWt.

Największa tego rodzaju inwestycja w Polsce realizowana jest we Wrocławiu przez przedsiębiorstwo ciepłownicze Fortum we współpracy z MPWiK na terenie przepompowni ścieków Port Południe, do której trafiają ścieki z kanalizacji ogólnospławnej z centralnej i południowej części Wrocławia. Odzysk ciepła ze ścieków umożliwi pompa ciepła Wrompa o mocy grzewczej 12,5 MW. Wyprodukowana woda o temperaturze do 85°C zostanie skierowana do systemu ciepłowniczego rurą o średnicy DN 500 i długości ok. 1 km i pozwoli pokryć do 5% zapotrzebowania miasta na ciepło (średnio 2–3%).

Dostawcą pompy ciepła opartej na czynniku chłodniczym R1234ze i ważącej 110 t jest szwajcarska firma Friotherm. Do potrzeb inwestycji dostosowano wymiennik ciepła źródła dolnego (parownika), zarówno pod względem materiałowym, jak i żłobień powierzchni wymiany ciepła. Wymiennik musi być odpowiednio konserwowany, aby zapobiec pogorszeniu jego własności cieplnych przez powstawanie osadów. We wrocławskiej inwestycji zdecydowano się na układ podczyszczania ścieków (ulokowany ok. 13 m pod powierzchnią terenu) – na kratach gęstych, a następnie w procesie sedymentacji i flotacji – oraz na zastosowanie zaworu czterodrogowego na dopływie do parownika, który przez odwrócenie kierunku przepływu ścieków umożliwia oczyszczenie powierzchni wymiennika.

Do parownika ma trafiać 1/3 strumienia ścieków dopływających do przepompowni. Jeśli wielkość strumienia ścieków spadnie poniżej 1600 m3/h, realizowana będzie recyrkulacja strumienia ścieków. Natomiast jeśli temperatura ścieków po procesie odzysku ciepła spadnie do 14°C, odzysk przestanie być prowadzony. Wartość ta wynika z wymagań Oczyszczalni Janówek, do której trafiają ścieki z przepompowni, związanych z wydajnością oczyszczania biologicznego. Z kolei temperatura wytwarzanej wody grzewczej będzie regulowana nadążnie – dostosowywana do temperatury wody w sieci ciepłowniczej na podstawie pomiaru w punkcie przyłączeniowym rury prowadzącej od Wrompy do sieci ciepłowniczej.

Wrompa zasilana będzie 5 MW energii sieciowej mającej odpowiednie świadectwa pochodzenia (na terenie przepompowni nie ma miejsca na adekwatną instalację OZE). COP wynosi 3–3,2, a w przypadku recyrkulacji (kiedy temperatura źródła dolnego jest niższa) nie mniej niż 2,8. Projekt wart jest ok. 100 mln zł (18 mln pochodzi z funduszu EOG, 3 mln z dotacji Skarbu Państwa), a oddanie do użytku zaplanowano na IV kwartał 2024 r.

Literatura

1. Vad Sørensen Sara, Największe na świecie niewykorzystane źródło energii. Ciepło odpadowe, Danfoss, 2023

2. Euroheat & Power, District Heating and Cooling Market Outlook, 2023

3. Connolly David et al., Heat Roadmap Europe: Combining district heating with heat savings to decarbonise the EU energy system, „Energy Policy” Vol. 65, 2014, p. 475–489, https://doi.org/10.1016/j.enpol.2013.10.035

4. Czarniecki Dorian, Słyś Daniel, Możliwości odzysku ciepła odpadowego ze ścieków w gospodarstwach rolno-hodowlanych, „Proceedings of ECOpole” 9(2)/2015, DOI: 10.2429/proc.2015.9(2)067

5. Słyś Daniel, Kordana Sabina, Odzysk ciepła odpadowego w instalacjach i systemach kanalizacyjnych, KaBe, 2022

6. Żogała Alina, Darul Helena, Głodniok Marcin, Zawartka Paweł, Ścieki jako źródło ciepła odpadowego – studium przypadku, „Ecological Engineering & Environmental Technology” 49/2016, s. 208–212, https://doi.org/10.12912/23920629/64525

7. Boztas Senay, A treasure beneath our feet: How the Dutch went down the toilet looking for heat, https://www.theguardian.com/environment/2023/nov/08/how-the-dutch-went-down-the-toilet-looking-for-heat-sewage (dostęp: 1.12.2023)

8. Roelke Daniel, Harmful Algal Species Fact Sheet: Prymnesium parvum (Carter) „Golden Algae”: A Compendium Desk Reference, „Harmful Algal Blooms”, (p. 629–632), DOI: 10.1002/9781118994672.ch16q

9. Joniec Waldemar, Odzysk ciepła z kanalizacji, „Rynek Instalacyjny” 5/2007, https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/instalacje-kanalizacyjne/36268,odzysk-ciepla-z-kanalizacji 

10. McNabola Aonghus, Shields Killian, Efficient drain water heat recovery in horizontal domestic shower drains, „Energy and Buildings”, Vol. 59, 2013

11. Materiały prasowe: Fortum, PGNIG Termika, Aquanet

12. Materiały techniczne: Carrier, EcoPrius, Gazuno, Hexonic, Menerga, Oilan, Siemens