Чиста енергия за водния сектор

Водната инфраструктура се нуждае от все повече чиста енергия. Между водата и енергията има стара, дълбока връзка, още от времето на най-древните мелници за зърно. В съвременния свят използваме вода за добиване на електричество чрез ВЕЦ, но и използваме електричество, за да изпомпваме, обработваме и разпределяме водата, докато стигне до потребителите. Отскоро в тази неразривна връзка се намесват и възобновяемите енергийни източници – с надежда за намаляване на вредните ефекти за околната среда. Екологичният ефект от интегрирането на възобновяеми източници във водната система може да е значителен.

Текст: списание Инфрабилд

В посрещането на глобалните нужди от вода потреблението на енергия във водните системи остава възлов въпрос. Ако в стари времена те са разчитали на природните сили и в частност гравитацията, днес водните системи зависят до голяма степен от електроенергията за изпомпване и разпределение на водата. За целта обаче се използват предимно горива – или директно, например чрез употребата на дизелови помпи, или косвено – чрез ток от мрежата, който обаче се добива от въглищни електроцентрали. И двата сценария стават все по-неприемливи заради замърсяването на природата. Възобновяемите ресурси стават популярни поради ползите за околната среда и икономиката, а нерядко имат и други предимства. Новото поколение енергия за управление на водите може да е слънчева, геотермална, водна, вятърна.

Как можем да приложим ВЕИ във водните инфраструктури?

При подсигуряването на водни ресурси ВЕИ намират разнообразни приложения. Възобновяемата енергия може да се използва за захранване на помпите, отговарящи за преноса на вода. Това намалява зависимостта от електрическата мрежа. Технологията може да работи в отдалечени райони, където електрозахранването е непостоянно или изобщо липсва. Нещо повече, в подобни райони местният източник на възобновяема енергия може дори да е по-надежден от електрозахранването от мрежата.

По подобен начин ВЕИ може да захранват съоръженията за филтриране, дезинфекция и химическа обработка на водата. Чистите източници могат да се впрегнат да подсигуряват системите за дистанционно наблюдение. Възобновяемата енергия може да захранва техника за отдалечен мониторинг, в това число сензори, датчици, предаватели.

Особено интересен е сценарият за приложение на ВЕИ за управление на отпадъчни води. Възобновяемите енергийни източници могат да захранват оборудването и процесите в пречиствателните станции за отпадъчни води, включително аериране, смесване и обезвлажняване на утайки. Това намалява въглеродния отпечатък от дейностите по пречистване. От друга страна, същите тези утайки и метанът, които се отделят в пречиствателните станции, могат да осигуряват електроенергия. Биомасата, натрупана от органични отпадъци в процеса на пречистване на отпадъчни води, може да се впрегне за добив на биогаз чрез анаеробно разлагане, а той може да се използва за генериране на електричество или топлина за дейността на станцията. По този начин, макар да не се постига екологична енергийна самодостатъчност, се върви в посока намаляване на потреблението на „мръсен“ ток.

Възобновяемата енергия е особено ценна за инсталациите за обезсоляване на вода – съоръжения, които в много държави са критични. Подобни заводи консумират много енергия и ако тя е от изкопаеми горива, това е проблем за обществото. На фона на всичко това обаче непостоянният характер на популярните ВЕИ прави трудно използването на 100% екоенергия. Поради това нерядко се прибягва до използването на смесени ресурси за производство на ток или интегриране на системи за съхранение на електроенергия. А това на свой ред означава нужда от интелигентни системи за динамично и „умно“ управление на енергията.

Предимства и недостатъци на ВЕИ за водните системи

Слънчевата енергия е сред най-популярните ВЕИ и се добива основно чрез фотоволтаични (PV) панели за генериране на електричество. Хубавото е, че слънце има навсякъде по света. Освен това технологията обещава ниски оперативни разходи след инсталиране. Голям минус обаче е непостоянството на слънчевото греене, следователно и относителната непредвидимост на производство на енергия в зависимост от метеорологичните условия.

Интересен акцент при използването на слънчеви панели е фактът, че водата може да подпомага тяхната работа. Това става по два начина: чрез отмиване на праха и наносите по панелите, което подобрява слънчевата абсорбция, и чрез охлаждане на повърхността им. Второто е причината за рязкото нарастване на интереса към т. нар. плаващи фотоволтаични инсталации – масиви от PV панели, изградени върху водни обекти - езера, най-вече язовири.

Вятърната енергия е рентабилно решение в райони с постоянен вятър, например по крайбрежията. Непостоянството на вятъра в другите видове райони обаче я прави недотам надеждно и рентабилно решение.

Предизвикателство в този случай е земеползването – в подходящите локации ветрогенераторите нерядко се конкурират с други приложения. Понякога се появяват брожения заради визуалното въздействие на „перките“. Потенциалният шум може да смущава живеещите наблизо. Реалистични са и опасенията от вреда за дивата природа.

Микроводни турбини могат да се използват във водните съоръжения за генериране на електричество от течащата вода в тръбопроводи или канали. Това обичайно не е голямо количество енергия, но пък е надеждно и относително постоянно. Освен това е близо до мястото на потребление – самата съществуваща водна инфраструктура.

Енергията от биомаса е особено интересен източник. Биомасата, като органични отпадъци от процесите на пречистване на отпадъчни води, може да произвежда биогаз чрез анаеробно разлагане. После той се използва за производство на електроенергия чрез генератори. Постига се максимална ефективност. Отпадъчните материали, вместо да се изхвърлят, се оползотворяват, намалявайки разходите за управление на отпадъци. Част от суровината за добив на енергия се осигурява на място.

Все пак ефективността на добива на енергия от анаеробно разлагане може да бъде различна – повлияна от промените в състава на утайките и биомасата. Геотермалната енергия остава подценявана в общия енергиен микс. Но точно във ВиК сектора не бива да е така. От земните недра може да се извлича топлинна енергия директно или чрез термопомпени инсталации. Геотермалната енергия може да се използва за отопление и охлаждане на съоръженията за пречистване на вода и прилежащите им сгради, намалявайки потреблението на електроенергия.

Предимството на този подход е, че има надежден, равномерно „работещ“, предвидим и непрекъснат източник на енергия. Големият минус на технологията са високите първоначални инвестиционни разходи за термопомпените модули.

ВЕИ за помпени станции

В сравнение с дизеловата помпа, използването на помпи, захранвани от възобновяеми източници, осигурява няколко предимства по отношение на въздействие върху околната среда, ниво на шум, икономически разчети.

Дизеловата помпа изисква гориво, което струва пари. Цената се влияе от колебанията в цените на изкопаемите горива, определяни от фактори като политика, икономика, войни и природни бедствия в регионите, произвеждащи петрол.

Освен това горивото трябва да се доставя периодично и редовно, а това може да е трудно на отдалечени места. От друга страна водна помпа, която работи със слънчева или вятърна енергия, добивана локално, няма такива разходи за транспортиране на енергоносител.

Освен, че е разход, горенето на дизела отделя вредни емисии, опасни както за човешкото здраве, така и за околната среда. Обратно, водна помпа, базирана на възобновяеми източници, няма вредни емисии. В дългосрочен план обаче трябва да се има предвид, че в края на своя жизнен цикъл и фотоволтаичните панели, и ветрогенераторите трябва да се рециклират – дейност, която далеч не е толкова добре развита, колкото производството и инсталирането на тези технологии.

Фотоволтаичните и вятърните източници на енергия за помпите се отличават с по-ниски оперативни разходи, най-вече за рутинни инспекции и евентуално почистване на соларните панели.

Въпреки условното разделение на видовете възобновяеми източници, приложима е и комбинация от двата: вятър и слънце. Хибридната система с два източника може да осигури постоянно или почти постоянно захранване на помпения механизъм, а когато се произвежда излишна електроенергия, тя може да се подава към мрежата, или – ако обектът е отдалечен от нея – към батерия. В зависимост от интензитета на възобновяемите източници и капацитета на акумулатора може дори да се трупа излишък, който да се използва за друг местен консуматор.

Помпите с възобновяемо захранване предлагат устойчивост и икономическа ефективност, но дизеловите агрегати все още не са готови за „изхвърляне“. При продължително неблагоприятно време те могат да са ценен резервен източник на енергия.

Използването на три източника в хибридна система обаче повишава сложността на инсталацията. Затова въвеждането на ВЕИ предполага проектиране на новото поколение енергийни модули със захранване от възобновяема енергия, където може да има един или два възобновяеми източника плюс система за съхранение на енергия и преобразувателна технология, а като резерв – и дизелов агрегат.

ВЕИ за пречистване на вода

Използването на възобновяема енергия в пречистването на вода е голямо предизвикателство, тъй като сами по себе си процесите на преработване са енергоемки. Картината обаче бавно се променя, тъй като индустрията постоянно търси методи с по-ниско енергопотребление. Например, използването на електрохимични процеси за разделяне на различни частици в разтвор, известно също като електрохимично разделяне, е енергийно ефективна стратегия за възстановяване на околната среда и пречистване на замърсената вода. Но макар електрохимията да използва по-малко енергия от други методи за пречистване, все пак това е неблагоприятно, ако електрическата енергия се извлича предимно от невъзобновяеми източници като изкопаеми горива.

Подобно на помпените системи, пречистващите съоръжения могат да се подпомогнат с местни ВЕИ инсталации. Тъй като обичайно ПСОВ са разположени далеч от градските зони, има възможност да се изградят близко разположени инсталации на възобновяеми енергийни източници, осигуряващи част от необходимата електроенергия. Наземни и покривни фотоволтаични масиви могат да се съчетаят с ветрогенератори, за да осигуряват нулевоемисионно електричество. Освен това двата източника до известна степен се балансират: слънчевите панели произвеждат повече през деня, а ветрогенераторите – повече през нощта.

Привлекателна възможност за пречиствателните станции е производството не енергия от биомаса от органични отпадъци, които остават от процесите на пречистване на водите. Добит чрез анаеробното им разлагане, биогазът може да захранва генератори на ток. Постига се частично „затваряне на кръга“ – местно генерираните отпадъци се превръщат в местно генерирана енергия за собствено приложение.

ВЕИ за мониторинг на качеството на водата

Захранване от възобновяеми източници може да се използва и за мониторинг на качеството на водата в язовири и резервоари. Обичайно сензорите и датчиците за водните параметри консумират малко енергия, така че е напълно постижимо да се захранват от неголеми ВЕИ модули. Това може да включва датчици за киселинност, химически състав, мътност, температура, твърди примеси, ниво.

ВЕИ може да захранва и микропроцесорните модули, необходими за събиране на данните и техния пренос, като може да захранва и мрежовите системи за трансфер на информацията – например WiFi мрежи или Bluetooth.

Тъй като повечето от тези устройства са с ниска консумация на електроенергия, те могат да се захранват от малки ВЕИ модули, например соларни клетки с малки вградени батерии. Най-голямото предимство на този подход е наличието на повече гъвкавост при внедряване на сензорни мрежи на отдалечени и труднодостъпни места.

Интелигентно управление на енергията

Интегрирането на възобновяеми ресурси във водната система без прилагане на стратегии за управление на енергията може да попречи на постигането на ефективност и покриването на целите за намаляване на вредните емисии. Управлението на енергията е потребно заради непостоянния характер на най-популярните видове възобновяеми източници.

Затова все по-съществена роля имат интелигентни енергийни системи. Базирани на „умен“ софтуер, те могат да „жонглират“ с няколко източника на енергия едновременно, например вятър и слънце – и система за съхранение на енергията, например чрез литиево-йонни батерии от комунален клас. Важно в този процес е правилното приоритизиране на дейностите. Например, една фотоволтаична инсталация при помпена система може да бъде настроена така, че първо да осигурява ток на помпите, а при наличие на излишък – да захранва батерията; може да има и подусловие: ако батерията е напълно заредена – да подава излишъка към мрежата. От друга страна, същата система може да бъде настроена, при липсата на електричество от PV модулите, да захранва съоръжението от батерията, а при изчерпването й – да прибегне до резервен дизелов генератор.