Energetický audit vodárenských systémů

Vodárenské systémy a soustavy jsou obrovským konzumentem energie, přičemž je tato energie dodávána prakticky výhradně ve formě elektrické energie. Celosvětově činí spotřeba elektrické energie použité na čerpání a úpravy vody pro obyvatelstvo a průmysl 2-3 %. Pokud je vzata do úvahy celosvětová spotřeba energie, pak je spotřeba elektrické energie pro čištění a čerpání vody za rok 2014 v rozmezí 418 – 627 TWh.

Úvod

Vodárenské systémy a soustavy jsou obrovským konzumentem energie, přičemž je tato energie dodávána prakticky výhradně ve formě elektrické energie. Celosvětově činí spotřeba elektrické energie použité na čerpání a úpravy vody pro obyvatelstvo a průmysl 2-3 % (Alliance to save energy, 2015). Pokud je vzata do úvahy celosvětová spotřeba energie, která za rok 2015 činí 20 900 TWh, je pak spotřeba elektrické energie pro čištění a čerpání vody za rok 2014 v rozmezí 418 – 627 TWh. Například celková spotřeba elektrické energie v roce 2014 v České republice byla 57 TWh (ČEZ, 2015). To znamená, že celosvětově spotřebovaná elektrická energie pro úpravu a čerpání vody za jeden rok by stačila na pokrytí spotřeby elektrické energie celé České republiky na 7-10 let. Je tedy zřejmé, že je potřeba věnovat pozornost tomu, jestli se někde zbytečně neplýtvá energií. K tomuto účelu se provádí energetický audit, který slouží jednak k porovnání jednotlivých vodárenských soustav mezi sebou, ale i k analýze, kde se v systému spotřebovává energie nejvíce. Následně se vyhodnocuje, zda není možné nějakým způsobem snížit energii vstupující do vodárenských systémů.

Energetický audit

Pod pojmem energetický audit si lze představit prověření či přezkoumání jednotlivých částí vodárenských systémů v oblasti spotřeby energie.

Energetický audit může sloužit k více účelům, které lze stručně shrnout takto:

• porovnání vodárenských systémů mezi sebou,
• výběr části vodárenského systému k podrobnému zkoumání,
• detailní průzkum jednotlivých prvků a identifikace problémového místa.

Prvním účelem je porovnání jednotlivých vodárenských systémů mezi sebou. Doposud se systémy porovnávaly a stále většinou porovnávají pomocí jediného ukazatele a to kolik je potřeba energie (kWh) na jeden m³ dodané vody. Srovnání vodárenských systémů pomocí tohoto ukazatele však není objektivní, jelikož každý vodárenský systém je jedinečný a má svá specifika. Tím největším problémem při stávajícím posuzování energetické náročnosti je to, jaký vodní zdroj se používá, jak je výškově umístěn oproti spotřebišti (respektive úpravně vody) a jak daleko se nachází od spotřebiště (úpravny vody).

Další účel, ke kterému může energetický audit sloužit, je identifikace té části vodárenského systému, kde dochází k největší spotřebě (ztrátě) energie. Nebo také k té části, kde je energie největší přebytek.

Je-li identifikována část vodovodního systému, na kterou je potřeba se zaměřit, přistupuje se k podrobné analýze konkrétní části. To například znamená, že je věnována pozornost jednotlivým vodovodní řady nebo na úseky přiváděcích a zásobovacích řadů. Z této podrobné analýzy se určí ty prvky sítě, kde dochází k největším ztrátám energie. V praktické aplikaci to může znamenat, že například při čerpání vody do vodojemu je některý úsek „velkým spotřebitelem“ energie. Následná cost-benefit analýza pak může ukázat, že investice do rekonstrukce tohoto úseku může mít velmi krátkou návratnost díky energii uspořené při čerpání.

Energetický audit může být prováděn na různé úrovni. Podle zadání auditu se volí dekompozice vodárenského systému na jednotlivé prvky a části, které jsou následně zkoumány. Dekompozice posuzovaného systému je analogická s tvorbou matematického modelu. I zde se uplatňují zjednodušující předpoklady jako např. snižování počtu odběrných míst apod.

Nevýhodou podrobného energetického auditu vodovodní sítě je potřeba hydraulického modelu posuzovaného systému. Model musí být kalibrován pro běžné provozní stavy (Kovář, Ručka, 2013). Dále je potřeba, aby model umožňoval kvazi-dynamickou analýzu.

Přístup k provádění energetického auditu

V současnosti je ve světě nejvíce uplatňován přístup dle (Cabrera et al., 2010). Z prezentované metodiky hodnocení navrženého v tomto příspěvku vychází většina dalších autorů zabývající se energetickým auditem. Samotný příspěvek popisuje audit vodovodní sítě. Zvolený přístup však umožňuje aplikovat tento postup i pro větší vodárenské soustavy.

Prvním krokem auditu je výpočet jednotlivých druhů energie spotřebovávané ve vodovodní síti, ale také energie dodané odběratelům. Jednotlivé druhy energie, které se vyskytují v síti, prezentuje následující tab. 1.

Obvykle se simulace provádí pro jeden rok, tudíž se hodnoty jednotlivých členů uvedených v tabulce stanoví pro toto období. Jsou-li stanoveny tyto hodnoty, přikročí se k samotnému hodnocení vodovodní sítě. Hodnocení je rozděleno na dvě části. První jsou dvě kontextové konstanty a druhým jsou indikátory energetické účinnosti.

• Kontextové ukazatele
  • C₁ – Ukazuje jaký poměr energie, která vstupuje do systému je přírodní
    

     - hodnota kolísá mezi 0 a 1, ideální případ je 1 – veškerá energie je přírodního původu (není potřeba čerpat)

  • C₂ – Bere do úvahy jak náročný je z energetického hlediska vodovodní systém. Tento ukazatel je poměr mezi minimální energií vyžadovanou odběrateli a energií pro uspokojení stejných požadavků v ideální síti – všechna odběrná místa stejná výška, žádné ztráty ani tření. Hodnota se pohybuje od 1 do nekonečna, přičemž čím blíže číslu 1, tím více se systém podobá ideální síti
• Indikátory energetické účinnosti
  • I₁ – přebytek dodávané energie – je poměr mezi reálným množstvím energie vstupujícím do systému a minimální potřebnou energií. Hodnota je vyšší nebo rovna 1. Čím blíže číslu 1, tím méně přebytečné energie je do systému dodáváno;
  • I₂ – energetická účinnost sítě – je měření účinnosti sítě a to tak, že je to poměr mezi množstvím skutečné dodané energie odběratelům a skutečným množstvím energie dodané do systému;
  • I₃ – energie ztracená třením – tento ukazatel vyjadřuje hydraulickou kapacitu sítě, neboť je to poměr mezi energií ztracenou třením a skutečnou energií do systému vstupující. Nabývá hodnoty 0 až 1, přičemž hodnoty velmi blízko 0 znamenají praktickou eliminaci ztrát třením;
  • I₄ – ztráty energie způsobené ztrátami vody – tento ukazatel bere do úvahy energii ztracenou ve vodě uniklé z vodovodního systému, a to tak, že je to poměr mezi energií obsaženou přímo v uniklé vodě, k níž je přičtena energie k překonání zvýšených ztrát třením vyvolaných vodou, která z potrubí uniká, a skutečnou celkovou energií do systému vstupující. Nabývá hodnot 0 až 1, a čím blíže číslu 0, tím méně energie se ztrácí vlivem ztrát vody;
  • I₅ – uspokojení požadavků – tento ukazatel je poměr mezi skutečnou celkovou energií dodanou odběratelům a minimální potřebnou energií k uspokojení všech požadavků odběratelů. Může teoreticky nabývat hodnot 0 až nekonečno, číslo menší než 1 však znamená, že nejsou uspokojeny všechny požadavky.

Tímto způsobem je tedy většinou prováděn energetický audit v zahraničí. V současnosti někteří autoři navrhli další rozšíření či modifikaci tohoto hodnocení, zejména jsou pak navrženy modifikace jednotlivých indikátorů či přidání dalších indikátorů. Základní princip auditu zůstává však stejný. Příklady tohoto rozšíření uvádí např. (Cabrera et al., 2014), (Carriҫo et al., 2014), (Lenzi et al., 2013) a (Mamade, 2014).

Aby bylo možné jakoukoliv metodiku energetického auditu použít, je potřeba mít k dispozici správný rozsah požadovaných informací k provedení auditu. Bude-li například metodika svým rozsahem příliš podrobná, bude vyžadovat velké množství vstupních dat. Naopak bude-li tato metodika řešena pouze povrchově, bude sice vyžadovat minimum dat, ovšem výsledek dosažený auditem nebude příliš významný a nebude možné na jeho základě činit další rozhodnutí. Metodika popsaná výše je někde uprostřed mezi těmito dvěma extrémy.

Velmi důležité při provádění energetického auditu je stanovit dopředu, k čemu má audit sloužit. Na základě tohoto rozhodnutí se stanoví množství potřebných vstupních informací. Například je-li účelem porovnání velkých vodárenských soustav, které obsahují několik desítek spotřebišť, dojde k redukci odběrných míst. Z jednoho spotřebiště je možné udělat jedno odběrné místo. Tímto způsobem se zjednodušují i ostatní prvky systému. Vznikne tak určitý objem vstupních dat. Naopak pokud je předmětem energetického auditu jeden konkrétní vodovodní systém, není potřeba nic zjednodušovat a vznikne podobný objem vstupních dat. Zjednodušeně řečeno, objem vstupních dat se příliš nemění, pokud se postupuje od posouzení největšího celku k nejmenšímu. Jsou vytipovány a posouzeny nejproblémovější dílčí části a následně jsou posouzeny jednotlivé prvky systému.

Závěr

Protože každý vodovodní systém je jedinečný, není lehké vyvinout univerzální postup, který by dokázal mezi sebou detailně porovnat různé vodovodní systémy. Toto porovnání by navíc nemělo být zatíženo chybou, kterou způsobuje jedinečnost každého systému (výškové uspořádání – morfologie spotřebiště a umístění zdroje vody). Tyto problémy jsou řešeny zavedením minimální energie požadované k uspokojení všech požadavků a rozlišení vstupní energie na přírodní a uměle dodanou. Tento v zahraničí rozšířený koncept energetického auditu může být použit jak pro porovnání velkých vodárenských systémů, tak pro předběžný výběr nejproblémovější části systému a také například pro detailní zkoumání problémových částí vodovodů. Podle toho, k jakému účelu je energetický audit zpracováván, je zvolen vhodný formát vstupních dat. Objem dat pro všechny varianty použití může zůstávat přibližně stejný objem vstupních dat, postupuje-li se od největších celků k nejmenším. Tento koncept je tedy poměrně univerzální nástroj k provedení energetického auditu a široké uplatnění by u nás mohl naleznout v oblasti energetické náročnosti vodárenských systémů a soustav.

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 "AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie" podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I" a projektu specifického výzkumu Vysokého učení technického v Brně FAST-S-15-2924 Citlivostní analýza technických ukazatelů a jejich vah při hodnocení technického stavu veřejných vodovodů.