Odzysk ciepła z kanalizacji

Jednym z kierunków pozyskania ciepła z odprowadzanych ścieków jest opracowanie małego wymiennika umiejscowionego w pobliżu ujścia ciepłych ścieków do instalacji kanalizacyjnej. Ten kierunek został wybrany, gdyż wg szacunków w krajach UE jest ok. 58 mln zmywarek, 232 mln pralek i 63 mln pryszniców, które pochłaniają blisko 90% całkowitej energii wykorzystanej do ogrzewania wody użytkowej w gospodarstwach domowych. Daje to w przybliżeniu 26 500 TJ energii cieplnej. Prace nad wdrożeniem takiego wymiennika prowadzi stowarzyszenie Low­heat [5].

Wymiennik ma odzyskać 50% energii zużytej do ogrzania wody, a jego koszt zakupu nie powinien wynosić więcej niż ok. 200 EUR. Wprowadzenie do powszechnego stosowania takich wymienników pozwoliłoby zmniejszyć całkowite zużycie energii w budynkach mieszkalnych o 7%, co daje oszczędności ok. 1000 kWh rocznie dla jednego mieszkania, a w skali Europy pozwoli zaoszczędzić 10 mld kWh energii. W ramach tego projektu w firmie Pera [6] opracowano wymiennik Warmit ze stali nierdzewnej i tworzywa, który w optymalnych warunkach odzyskuje do 50% ciepła z wody użytej pod prysznicem.Natomiast w USA, w ramach projektu dotowanego przez DOE Iventions Program [8] opracowano urządzenie o nazwie GFX.

Jest to prosty w budowie przepływowy wymiennik pionowy odzyskujący ciepło ze ścieków w budynkach. Wymiennik ten instaluje się w dostępnej, pionowej części przewodu kanalizacyjnego (pionu) w budynku. Urządzenie składa się z 3'' lub 4'' rury, przez którą przepływają ciepłe ścieki oraz ½'' miedzianej spirali owiniętej wokół rury kanalizacyjnej. Ciepło jest przekazywane ze ścieków przepływających przez pion, do zimnej wody płynącej jednocześnie ku górze w spirali okalającej tę rurę. Rury w spirali są lekko spłaszczone w miejscu, w którym dotykają pionu, a specjalny stop lutowniczy łączący spiralę z pionem zmniejsza rezystancję cieplną i poprawia tym samym transfer energii. Kluczem do opatentowania tego urządzenia było spostrzeżenie, że ścieki tworzą biofilm wewnątrz rur kanalizacyjnych, gdy spływają swobodnie w otwartym kanale, a to istotnie spowalnia ich przepływ i tym samym zwiększa efektywność transferu ciepła ze spływających ścieków do spirali otaczającej rurę.

Badania przeprowadzone przez Pennsylvania Power and Light [7] wykazały, że koszt montażu GFX w mieszkaniach zwraca się po 2÷5 latach. Badania zostały przeprowadzone na zamontowanym GFX (koszt 500 USD), a oszczędności sięgnęły 800÷2300 kWh rocznie, w zależności od liczby łazienek w budynku. Opłacalność takiej inwestycji rosła wraz z liczbą codziennych kąpieli pod prysznicem. Ponadto, oprócz redukcji kosztów energii, zastosowanie tego wymiennika pozwala na skrócenie czasu potrzebnego na podgrzanie wody, a ma to znaczenie, jeśli w danej chwili z prysznica korzysta więcej osób niż zazwyczaj.

Drugi kierunek poszukiwania technologii odzysku ciepła z kanalizacji opiera się na wykorzystaniu dużych wymienników oraz pomp ciepła. Pierwsze badania w Europie nad wykorzystaniem ciepła w budynkach mieszkalnych ze ścieków odprowadzanych do kanalizacji rozpoczęto w latach 80. w Szwajcarii. Zbudowano kilkanaście prototypów urządzeń, jednak nie znalazły one powszechnego zastosowania. Wysokie koszty inwestycyjne i niska sprawność ówczesnych pomp ciepła nie zachęcały do takich inwestycji. Przed kilku laty idea odzysku ciepła z kanalizacji ponownie zaczęła być aktualna. Propaguje ją m.in. program „EnergieSchweiz für Infrastrukturanlagen” [2], w który zaangażowane są m.in. branżowe zrzeszenia zawodowe. Obecnie ceny paliw, a szczególnie oleju opałowego zachęcają do ponownego zainteresowania się tymi rozwiązaniami. W Szwajcarii działa 29 takich instalacji, a kilkanaście następnych jest w fazie projektowania.

Pilotażowe inwestycje z różnymi rozwiązaniami technologicznymi powstały w Niemczech oraz Austrii (wzrasta zainteresowanie ich szerszym zastosowaniem). Według szacunków niemieckich, w 10% istniejących budynków mieszkalnych można zapewnić energię na pokrycie zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania i wodę użytkową z odzysku ciepła z kanalizacji [1]. Instalacje do odzysku ciepła z kanalizacji zapewniają dodatkowe źródło energii w długiej perspektywie czasowej. Pozwalają na niezależne uzyskiwanie energii do wytwarzania ciepła w okresie grzewczym i chłodu latem. Inwestycje te wpływają na zmniejszenie emisji CO2 i oszczędzanie energii pierwotnej oraz na zmniejszenie zależności od paliw kopalnych.

Latem temperatura wody w kanalizacji wynosi ok. 20°C, zimą spada do 10÷12°C. Ciepło zawarte w ściekach można odzyskać dzięki zastosowaniu specjalnych wymienników umiejscowionych w dolnej części grawitacyjnego kanału kanalizacyjnego. Wymienniki mogą być elementem nowych sieci lub mogą być dodawane do istniejących już kanałów (fot. 2., 3., 4., 5. dostępne w galerii).

Ścieki napływające do przewodu kanalizacyjnego na długości rurociągu z wymiennikiem oddają ciepło i jest ono poprzez medium kierowane do pompy ciepła (rys. 3.). To rozwiązanie podnosi efektywność pompy ciepła do takiego poziomu, że jest ona w stanie zapewnić odpowiednią temperaturę (ok. 50°C) do ogrzewania. Natomiast w okresie letnim pompy ciepła mogą przekazywać ciepło do kanalizacji i dostarczać chłód do budynków. Obecnie pompy ciepła osiągają COP powyżej 4,5, a nawet 5. To oznacza, że jedna jednostka energii elektrycznej daje 5 jednostek ciepła. Prawie 1,5 kWh ciepła można uzyskać z 1 m3 ścieków o różnicy temperatur 1 K pomiędzy ściekami i chłodnym medium. Np. zbiorczy kanał kanalizacyjny o przepływie 100 l/s może dostarczyć ok. 500 kW ciepła.

Uzyskiwanie energii, jak to przedstawiono na rys. 4., można z powodzeniem prowadzić w trzech miejscach: w budynkach, sieciach kanalizacyjnych oraz kanałach wychodzących z oczyszczalni. Urządzenia do odzysku ciepła można instalować bezpośrednio przy urządzeniu (np. przy zlewie lub umywalce), ale wówczas okresowe korzystanie z tego urządzenia i mała ilość ścieków nie pozwolą na efektywne wykorzystanie tego rozwiązania do współpracy z pompami ciepła. Rozwiązanie to jest zasadne w dużych budynkach, jak np. szpitale, hotele, gdzie stale i systematycznie korzysta się z urządzeń wprowadzających ciepłe ścieki do kanalizacji.

Największy potencjał odzyskiwanej energii ze ścieków ma miejsce w kanałach zbiorczych na terenach z budynkami zamieszkania zbiorowego i biurowcach, które to budynki są jednocześnie dużymi odbiorcami energii na potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej wody, a także potrzebują w okresach letnich chłodu. Problemem w sieciach kanalizacyjnych z wymiennikami mogą być osadzające się na ich powierzchni części stałe i biofilm, które będą powodować obniżenie sprawności instalacji odzysku ciepła nawet o 50%. Dlatego kanały te wymagają systematycznych, okresowych kontroli i profesjonalnego czyszczenia. W celu minimalizacji zjawiska osadzania się biofilmu na powierzchni wymienników w kanałach stosuje się specjalne pokrycia, a także blachy miedziane.

Zjawisko osadzania się części stałych i powstawania biofilmu w takim stopniu, jak ma to miejsce w nieczyszczonych ściekach, nie zachodzi w przypadku sieci odprowadzających ścieki z oczyszczalni. Jednak znalezienie w bezpośrednim sąsiedztwie dużego odbiorcy dla energii uzyskiwanej z kolektorów odprowadzających ścieki z oczyszczalni jest trudne. Energię tę można by spożytkować do osuszania osadów ściekowych lub do włączenia jej w procesy zachodzące w oczyszczalni, ewentualnie do ogrzewania pomieszczeń o różnym przeznaczeniu.

Układy odzysku ciepła ze ścieków mogą być monowalentne lub współpracować z różnymi urządzeniami grzewczymi w rożnych kombinacjach (rys. 5.). Biwalentny układ optymalnie wykorzystuje ciepło ze ścieków i nie wymaga nadmiernych nakładów inwestycyjnych.

Wykorzystanie układów do odzysku ciepła ze ścieków z ich niskimi kosztami eksploatacyjnymi oraz okresowymi przeglądami i czyszczeniem kanałów wobec rosnących kosztów tradycyjnych urządzeń grzewczych wykorzystujących olej opalowy sprawia, że są one coraz bardziej opłacalne.

Realizacje układów odzysku ciepła ze ścieków powinny być poprzedzone bardzo starannymi obliczeniami. Nie można zapominać, że podstawowym zadaniem instalacji i sieci kanalizacyjnych jest sprawne odprowadzanie ścieków do oczyszczalni oraz ich oczyszczenie. Wykorzystanie ciepła ze ścieków zależy od bardzo wielu czynników, np. od:

• temperatury ścieków w przewodach kanalizacyjnych,
• ich ilości (natężenia chwilowego i średniego przepływu),
• zagęszczenia,
• przekroju poprzecznego kanału,
• odległości pomiędzy wymiennikiem a odbiorcą ciepła,
• wielkości przepływu i możliwości wykorzystania odzyskanego ciepła przez odbiorcę,
• innych warunków sanitarnych w kanale i wynikających z jego budowy.

W praktyce może być popełnionych wiele błędów na etapie projektowania układów odzyskiwania ciepła z kanalizacji. Są to m.in. błędne oszacowanie ilości ścieków bytowych i deszczowych; przewymiarowanie urządzeń, w tym pomp; nadmierny hałas pomp ciepła; nieuwzględnianie powstawania biofilmu na wymienniku; niewystarczająca dokumentacja i brak odpowiednich uzgodnień pomiędzy stronami. Znalezienie gotowych, uniwersalnych rozwiązań dla tego typu układów w literaturze jest niemożliwe, gdyż każdy przypadek różni się bardzo wieloma danymi, począwszy od ilości ścieków i ich natężenia przepływu oraz stosunku ścieków bytowych i deszczowych po rodzaj kanału odprowadzającego ścieki, materiał z jakiego jest wykonany, jego rozmiary i przekrój poprzeczny.

Szacunki niemieckie wskazują na dość duży potencjał odzysku ciepła z kanalizacji, szczególnie na terenach z budynkami zamieszkania zbiorowego [1]. Praktycznie każda gmina o liczbie 50 tys. mieszkańców może wyodrębnić po 15 osiedli lub skupisk budynków, w których można stosować odzysk ciepła z kanalizacji.

Pierwsze realizacje w Niemczech wskazują na potrzebę dalszego wdrażania układów do odzysku ciepła z kanalizacji. Np. zespół szkół z internatem w Bawarii został wyposażony w układ odzysku ciepła z kanalizacji wraz z pompami ciepła, agregatem kogeneracyjnym i kotłami szczytowymi. Układ ten zapewnia ok. 70% zapotrzebowania budynków na ciepło do celów grzewczych i przygotowania c.w.u. Jak kształtuje się ono w poszczególnych miesiącach ilustruje rys. 6. Kotły są używane tylko do pokrycia zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania w miesiącach chłodniejszych i to w niewielkiej ilości, w stosunku do poprzedniego maksymalnego zapotrzebowania w ilości 800 kW podczas zimowych miesięcy.

Innym przykładem realizacji jest instalacja w Zwingen w Szwajcarii (rys. 7.). Osiedle 31 domów jednorodzinnych od 1999 r. wykorzystuje instalację odzysku ciepła z pobliskiego kanału kanalizacyjnego tylko do potrzeb ogrzewania. Kocioł gazowy kondensacyjny pokrywa szczytowe zapotrzebowanie na energię cieplną. Instalacja osiąga roczny stopień pracy na poziomie 4,5 – choć był planowany w wysokości 5; zakładany plan nie został zrealizowany, gdyż ścieki osadzające się na wymienniku są brudne (do kanalizacji włączono ścieki z papierni). Schłodzenie ścieków wynosi poniżej 0,1 K. Pierwotna funkcja kanalizacji nie jest zakłócona.

Inwestycja w instalację odzysku ciepła z sieci kanalizacyjnej wymaga uwzględnienia kilku specyficznych uwarunkowań różniących ją od typowych inwestycji. Przede wszystkim należy zidentyfikować optymalne obiekty, dokonać analizy finansowej planowanych technicznych rozwiązań i zidentyfikować ewentualne środki na dofinansowanie inwestycji oraz znaleźć odpowiednią formę finansowania. Trzeba też rozpoznać stosunki własnościowe i przeprowadzić negocjacje pomiędzy stronami, a szczególnie pomiędzy przedsiębiorstwem wod-kan a dostawcą energii cieplnej i mieszkańcami.

Literatura

1. Mitsdoerffer R., Christ O., Moeser C., Zum Heizen und Kühlen gibt es Abwasser, Wasserwirtschaft Wassertechnik 11-12/2006.
2. www.infrastrukturanlagen.ch.
3. Müller E., Schmid F., Stodtmeister W., Kobel B., Heizen und Kühlen mit Abwasser. In: Ratgeber für Bauherrn und Kommunen, 2005.
4. Buri R., Kobel B., Energie aus Kanalabwasser – Leitfaden für Ingenieure und Planer, Institut Energie in Infrastrukturanlagen, Zürich 2005.
5. www.lowheat.iphe.org.uk.
6. www.pera.com.
7. Tomlinson J. J., Heat Recovery from Wastewater Using a Gravity-Film Heat Exchanger, Federal Energy Management Program, U.S. Department of Energy (DOE), DOE/EE-0247, July 2005.
8. www.eren.doe.gov.
9. www.gfxtechnology.com.