Energiatehokkuuden parantaminen talousveden jakelussa DI Mika Kuronen 20.5.2015 Sisältö Pohjana samanniminen diplomityö, Aalto-yliopisto Tilaaja Tuusulan seudun vesilaitos kuntayhtymä, mukana myös VVY, Vesihuoltolaitosten kehittämisrahasto ja Hyvinkään Vesi Hyötysuhde ja ominaisenergia Kokonaisuus, verkosto Talousveden pumppaus ja energiatehokkuus kysely Kehittämisen prosessi, tiedonkeruu Pumppujen hankinta 1
Hyötysuhde Taajuusmuuttaja Korkea hyötysuhde (yleensä 95 98 %) Maltilliset vaihtelut Vähän vaikutuskeinoja ja selvää vertailutietoa Sähkömoottori Melko korkeat hyötysuhteet (yleensä 88 96 %) Käytössä pääosin maltilliset vaihtelut, ongelmana matalat kuormat Hankintavaiheessa selviä vaihtoehtoja ja vertailutietoa, energiatehokkuusluokat Märkämoottoreilla perinteisesti jopa 5 10 % huonompi hyötysuhde Pumppu Komponenteista matalin hyötysuhde (yleensä 70 85 %) Vaihtelee käytössä voimakkaasti toimintapisteen mukaan Kuormalla pienempi merkitys Ominaisenergia Energiankulutus kuutiota kohti, yleensä Wh/m³ tai kwh/m³ Tavoitteena lopulta ominaisenergian minimointi, mikä ei aina osu suoraan yhteen hyötysuhteen maksimoinnin kanssa Tarkkana minkä yhdistelmän hyötysuhde tai ominaisenergia kyseessä! Esimerkki pumppausenergian jakautumisesta Taajuusmuuttaja 97 %, Sähkömoottori 92 %, Pumppu 75 % Verkostossa hydraulisesta energiasta 21 % häviöihin Verkostosta poistuvassa vedessä on edelleen turhaa energiaa: tarpeettoman korkea paine käyttäjillä, vuotovedet 2
Verkosto Tehokkaiden laitosten painottaminen (prosessi, pumppaus, sijainti) Korkean paineen välttäminen, painepiirijako, vesitornien korot Energiatehokkuuden kannalta hyvä olla runsaasti painepiirejä/paineenkorotuksia Vesitornin suunnitteluvaihe sitoo pitkälti korkotason vuosikymmeniksi Virtaamien tasaaminen Säiliötilavuuksien hyödyntäminen ja laitosten ajotavat Virtausvastukset vähenevät ja pumput voidaan mitoittaa tarkemmin Optimoimalla yksi osa kerrallaan ei välttämättä optimoida kokonaisuutta Ohjaus tehokkaaksi nykyisillä pumpuilla vs. mitoittaa uusia pumppuja Monimutkaisissa järjestelmissä tarkempaan optimointiin päästään käsiksi lähinnä mallintamalla Vesilaitoskysely Talousveden pumppaus ja energiatehokkuus 11 monivalintakysymystä VVY:n jäsenlaitoksille: 287 vastaanottajaa, 92 vastaajaa 15 laitosta > 10 000 m³/vrk 30 laitosta < 1000 m³/vrk Ei tavoittanut VVY:nulkopuolisia laitoksia, joita lukumääräisesti paljon, mutta pieniä Kyselyn voidaan olettaa keränneen enemmän vastauksia asiasta keskimäärin kiinnostuneemmilta ja näin antavan liian positiivisen kuvan 3
Taajuusmuuttajat otettu hyvin laajalti käyttöön, mikä on lähtökohtaisesti positiivinen ilmiö Mahdollistavat matalat kuormat, mikä voi tuottaa myös ongelmia Taajuusmuuttaja ei suoranaisesti muuta pumpun hyvän hyötysuhteen toiminta-aluetta vain skaalaa sitä affiniteettisääntöjen mukaisesti 4
Kaksi vastaajaa kolmesta ilmoitti vesilaitoksen tekevän pumppuvalinnan, neljännes suunnittelijan Tiedonkulku Käyttökustannukset laitokselle Laitosten pumppauksista verkostoon merkittävä osa uppopumpuilla Suoraan kaivosta 23 % ja puhdasvesisäiliöstä uppopumpuilla 18 % vastaajista Näissä merkittävä säästöpotentiaali Uppopumppausten välttäminen Kehittyvät moottoritekniikat Pumppujen elinkaaret pitkiä > 10 vuotta 91 % > 15 vuotta 40 % Energiatehokkuuden parantamisen prosessi Projektin aloitus Kohteiden valinta Tiedonkeruu ja analysointi Toimenpiteet Jälkiseuranta Tavoitteet Henkilöstö, osaaminen Suurimmat pumppaukset, muuttuneet tuotot, vanhat pumput Tiedonkeruun helppous Laitostason ominaisenergia Virtaama, paine, teho/kulutus, pinnankorkeus η ja E s -laskenta,kuvaajia: Q-η, Q-E s, Q-H Säästöjen arviointi, kannattaako toimenpiteisiin ryhtyä? Pumpun tai pumppujen uusiminen Ohjaustapojen muutokset Säästöjen todentaminen Kokemuksista oppiminen 5
Tiedonkeruu Virtaama ja paine yleensä valmiiksi Teho/kulutus usein puuttuu Erilliset tehomittaukset Taajuusmuuttajasta Helppo: laite valmiina ja automaatiossa Tarkkuudessa huomattavia eroja, paranemaan päin? Yleensä sähkömoottorille syötetty teho lisäksi omat häviöt Kulutustiedot sähköyhtiöltä Nykyään tarjolla tuntitasolla lähes kaikista liittymistä Liittymätarkkuus: hyödynnettävyys pumppausten analysointiin vaihtelee (esim. laitokset vs paineenkorotusasemat) Jatkokäsittely Jatkuvaa seurantaa varten tulisi tiedonsiirto sähköyhtiöltä vesilaitokselle saada automatisoitua Tarkastelua voi tehdä myös ilman tehotietoja Tallennuskapasiteetti nykyään halpaa laajamittainen tiedonkeruu maksaa lähinnä aloituskustannukset 6
Pumpun hankinta Ylimitoitus yleistä Rinnanajo, erikokoiset pumput Uusiminen kohtuullisen edullista ja helppoa, mitoitus maltillisella kasvuvaralla Energiakustannukset elinkaaren aikana huomattavasti hankintahintaa suuremmat Esimerkiksi 10 20 kertaiset Laitoksilla tapahtuvissa pumppauksissa usein korkea staattinen nostokorkeus Tavallinen virtaus huomattavasti huippupistettä matalampi Tavallinen nostokorkeus lähellä huippupistettä Toimitaan parhaan hyötysuhteen alueen vasemmalla puolella, jos pumppu mitoitettu suoraan huippupisteeseen Pelkän huippupisteen hyötysuhteen huomioiminen ei kuvaa todellista energiankäyttöä, jos tavallinen käyttö poikkeaa merkittävästi Pumpun hankinta Mitoitus kahden toimintapisteen avulla: 1. Vaadittava huippupiste 2. Tavallista toiminta-aluetta edustava energiankulutuksen kannalta optimoitava piste Ilmoitetaan tarjouspyynnössä selkeästi: Pumpun kyettävä toimimaan pisteessä 1 Pyydetään ilmoittamaan pumppu-moottori-yhdistelmän kokonaishyötysuhde pisteessä 2 Lasketaan energiankulutus hyötysuhteen avulla Kyseinen nostokorkeus ja keskimääräinen vuotuinen vesimäärä Laskenta-aika esim. 10 tai 15 vuotta Vertaillaan pumppuja hankintahinnan ja energiakustannusten perusteella 7
Kehityskohteita Tärkeintä löytää selkeästi huonon hyötysuhteen pumppaukset Perustasolla selvittäminen ei vaikeaa eikä kallista Mitä isompi pumppaus, sitä tarkemmin kannattaa selvittää Pumppuvalinta Tavallisen käyttöalueen energiankäytön huomiointi Ylimitoituksen välttäminen Taajuusmuuttajien häviöt Selkeälle tutkimus- ja vertailutiedolle kysyntää Kokonaisuuden optimointi, verkostohäviöt, energiatehokkuus suunnittelussa mukana (pitkät aikaskaalat) Kiitos Mika Kuronen mika.kuronen@outlook.com FCG Suunnittelu ja tekniikka Oy mika.kuronen@fcg.fi 8