Podczas gdy jeszcze niedawno wszelkie gazy powstające w oczyszczalniach ścieków były po prostu spalane, innowacyjne przedsiębiorstwa komunalne walczą dziś o każdą kilowatogodzinę energii ukrytej w ściekach i ich pochodnych. Stadtwerke Trier w Niemczech od lat demonstruje, jak skutecznie zwiększyć potencjał energetyczny przefermentowanych osadów i osadów ściekowych poprzez zwiększenie ich wydajności energetycznej. Obiekt nie tylko mechanicznie i biologicznie oczyszcza ścieki od dziesiątek tysięcy mieszkańców regionu, ale także dostarcza mnóstwo prądu i ciepła: energia ta w średnim rocznym okresie całkowicie zasila oczyszczalnię ścieków, ale to nie wszystko. W przyszłości zabezpieczy także działalność powstającego w pobliżu parku energetyczno-technicznego - wraz ze spektakularnym, neutralnym pod względem emisji CO2 centrum danych. Już w 2017 roku Związek Przedsiębiorstw Komunalnych (Verband Kommunaler Unternehmen) przyznał projektowi samowystarczalności energetycznej nagrodę za innowacyjność VKU. Jednak istotne kroki transformacyjne na drodze od pogromcy energii do generatora prądu dopiero teraz stają się nieuchronne.
Do tej pory bowiem biologicznie aktywny osad był po prostu przenoszony ze zbiorników do wież fermentacyjnych w celu wytworzenia gazu kanalizacyjnego, który jest wykorzystywany do wytworzenia do około 2,7 mln kWh energii rocznie w dwóch instalacjach kogeneracyjnych i tym samym stanowi podstawę projektu samowystarczalności energetycznej. Jednak od lata 2021 roku tworzące się w wieży fermentacyjnej osady ściekowe, które wcześniej mogły być wykorzystywane przez rolników jedynie jako nawóz, mogą być teraz przetwarzane na miejscu na energię poprzez odwodnienie materiału i późniejsze spalanie w zależności od potrzeb. Ma to sens nie tylko dlatego, że transport osadów ściekowych kosztuje dużo pieniędzy i energii, a osadów ściekowych nie można już wykorzystywać na gruntach rolnych na podstawie nowego rozporządzenia obowiązującego od początku roku, ale również dlatego, że suchy osad jest łatwy do przechowywania jako ciało stałe. Może on zostać wykorzystany jako źródło energii, jeśli np. zakładowa instalacja fotowoltaiczna, która dostarcza około 70.000 kWh rocznie, nie może dostarczyć prądu lub zapotrzebowanie na prąd i ciepło jest szczególnie wysokie, czy to w samym zakładzie, czy w sąsiednim parku energetycznym.
Kontrola zanieczyszczeń sieciowych
Nie dziwi więc fakt, że aby zapewnić sprawne działanie tak skomplikowanego systemu zoptymalizowanego pod kątem samozużycia, należy zwrócić szczególną uwagę na najwyższą jakość sieci energetycznej. Dzieje się tak dlatego, że w sytuacji, gdy w sieci energetycznej włącza się i wyłącza kilku odbiorców z dużym obciążeniem, mamy zagrożenie "zanieczyszczeniami sieciowymi" spowodowanymi harmonicznymi pojawiającymi się podczas przełączania lub sterowania. Brzmi to może niegroźnie, ale rzeczywiście może zachwiać całą siecią, bo zakłócenia poszczególnych urządzeń mogą się w niej sumować. Efektem jest migotanie światła, czujniki nie działają już prawidłowo, wypadają bezpieczniki.
Bez środków zaradczych niepożądane wahania wpływają na stabilność sieci w całym zakładzie, dlatego dostawcy energii nie mogą tolerować takich zanieczyszczeń sieci i wywierają presję na swoich klientów, aby usunęli przyczynę. Tak było również w Stadtwerke Trier; po analizie sieci w 2018 roku zakupiono aktywny filtr harmoniczny, który powinien był wyeliminować problemy. Ten centralny filtr okazał się jednak niewystarczający do zablokowania zakłóceń w sieci. 'W tym czasie zepsuło się kilka zasilaczy i generatorów w naszej Pompowni Osadu 2' - wspomina Volker Lex, który jest odpowiedzialny za technologię pomiarów elektrycznych, kontroli i regulacji w inżynierii automatyki w Stadtwerke Trier. Powodem była wymagana obróbka wstępna osadu w celu zwiększenia produkcji gazu ściekowego. Fale ultradźwiękowe kruszą osad powoli płynący w rurach w drodze do wieży fermentacyjnej, jednak ta "dezintegracja" osadu generowała lokalne harmoniczne w sieci energetycznej.
Również tutaj zainstalowano filtry aktywne, aby wyeliminować ten problem. Jednak po tych doświadczeniach dział handlowy szybko zdał sobie sprawę, że samo leczenie objawów będzie na dłuższą metę nieekonomiczne. Skupiając się na kosztach, bardziej atrakcyjne wydawało się zapobieganie pojawianiu się problemów poprzez wdrożenie urządzeń generujących niski stopień zanieczyszczenia sieci. Najpóźniej wraz z realizacją zgodnej z EMC (kompatybilność elektromagnetyczna) stacji przesyłowej dla parku energetyczno-technicznego osiągnięto punkt, w którym należało dokładniej przeanalizować kwestię zanieczyszczeń sieci powodowanych przez napędy. Dzieje się tak, ponieważ w przypadku regulacji prędkości i częstotliwości przez silniki o dużej mocy pojawiają się zauważalne harmoniczne, które nie zawsze mogą być tolerowane, dlatego należy wprowadzić środki zaradcze.
Wartość, która przewyższa normy i wytyczne
Aby osiągnąć poziom zanieczyszczeń sieci poniżej 10 %, wystarczy już standardowa seria napędów regulacyjnych ABB ACQ580 do wody i ścieków, jeśli dodatkowo zastosowany zostanie filtr pasywny. Jednak zgodnie z zaproszeniem do składania ofert w ramach projektu wartość THDi - "całkowite zniekształcenie harmoniczne" energii elektrycznej (i) - musiała wynosić poniżej 6 %. Aby to osiągnąć, nie było innego wyjścia, jak tylko zastosować wariant napędu ACQ580 o bardzo niskiej zawartości harmonicznych (ULH). W rzeczywistości przemiennik ULH może zredukować stopień zanieczyszczenia sieci do poziomu poniżej 3 % - co jest poziomem pomijalnym. Dzieje się tak dlatego, że wartość ta przewyższa specyfikacje wytycznych IEEE519 i G5/4, a także normy IEC61000-3-12.
Łącznie 12 szt. napędów o ultra niskiej harmonicznej zostało wdrożonych w systemie odwadniania osadu, który został oddany do użytku w Trewirze latem 2021 roku. System ten jest kolejnym krokiem na drodze do powstania kombinowanej instalacji suszenia i spalania, dzięki której Stadtwerke Trier mogą oferować okolicznym gminom tę formę przekształcania osadów ściekowych jako usługę rozpoczynającą się w późniejszym czasie. Wysuszony osad ściekowy przechowywany latem w dużych silosach może być następnie spalany zimą, gdy wzrasta zapotrzebowanie na energię.
Dwie wirówki dekantacyjne producenta Flottweg (Vilsbiburg), które są sercem systemu odwadniania ścieków, są sterowane przez napędy ACQ580 ULH. Napęd ULH wskazuje, że nie mamy tu do czynienia ze standardowym napędem, ale raczej z takim, który posiada zintegrowany monitoring sieci. Aktywny mostek wejściowy IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) tłumi zarówno harmoniczne niższego, jak i wyższego rzędu we współpracy z dławikiem mocy. Spośród różnych dostępnych technologii pozwalających skutecznie przeciwdziałać zanieczyszczeniom sieciowym, tylko rozwiązanie ABB ULH eliminuje konieczność instalowania w sieci dodatkowych filtrów, które pogorszyłyby wydajność. Dzieje się tak dzięki zintegrowanemu układowi mostka aktywnego. W praktyce gwarantuje to współczynnik mocy na poziomie 1. Ponieważ sieć nie musi dostarczać żadnej mocy biernej, urządzenia takie jak kable, rozdzielnice i transformatory mogą być projektowane bardziej oszczędnie. Dodatkowo napięcie jest w pełni dostępne dla napędu ULH podczas pracy, dzięki czemu ma on lepszą sprawność, podczas gdy standardowy napęd z filtrem pasywnym często równa się ok. 5% utracie napięcia i odpowiednio zmniejszonej sprawności.
Kolejną cechą napędu jest jego solidna konstrukcja. Zintegrowane płytki drukowane pokryte wieloma powłokami wytrzymują dzięki swojej ochronie antykorozyjnej bezpośrednio w sektorze kanalizacji, gdzie opary z osadów mogą nawet częściowo przedostać się przez kanały kablowe do szafek sterowniczych i wpłynąć na komponenty.
Co się liczy w praktyce
Volker Lex z Stadtwerke Trier jako powód zastosowania technologii wymienia przede wszystkim nieskomplikowane interfejsy. Kierownik zespołu T-DL EMSR i technologii sterowania chwali łatwość obsługi dzięki wyraźnemu tekstowi na dobrze skonstruowanym wyświetlaczu, który oferuje duże korzyści dla personelu obsługującego i konserwującego. "Nie ma nic gorszego niż skrót" - zauważa na podstawie codziennych doświadczeń. Mike Schröder, który odpowiada za cały obiekt jako kierownik budowy w grupie przedsiębiorstw Wolf & Sofsky (Zweibrücken), podkreśla tę ocenę: 'Napędy są znacznie łatwiejsze w obsłudze niż porównywalne produkty innych producentów', zauważa kierownik projektu po całkowicie bezproblemowym uruchomieniu urządzeń latem 2021 roku. 'Wirówki startują i zatrzymują się bez problemów w każdej chwili'.
Zasadniczo zawsze może dojść do zakłóceń na napędzie, zaznacza ekspert ds. ścieków Volker Lex. Stadtwerke Trier nie posiada w magazynie urządzeń zastępczych na takie przypadki, ale raczej skonfigurowało systemy z jednej strony z redundancją, a z drugiej strony operatorzy mogą w razie awarii przełączyć się na rozruch bezpośredni lub łagodny. 'Ale chociaż używamy napędów ABB od wielu lat, tylko raz pojawił się problem i w tym przypadku producent natychmiast nas wsparł', wspomina Lex. Z perspektywy czasu jest on bardzo zadowolony z decyzji o wyborze napędów ABB. 'Współpraca układa się dobrze, jesteśmy dobrze wspierani'. Jest również zadowolony z oceny cyklu życia przeprowadzonej przez Dział Serwisu, gdzie wymieniono wszystkie napędy i zaplanowano działania mające na celu osiągnięcie dłuższej żywotności.
Dlatego Lex ma wszelkie powody, aby z optymizmem patrzeć na kolejne etapy wdrażania w operacjach suszenia i spalania osadów ściekowych, które wykorzystają pozostałą część potencjału energetycznego ukrytego w ściekach. Ilość energii, jaką możemy uzyskać z takiej oczyszczalni ścieków, jest już fantastyczna" - mówi mistrz elektrotechniki, który nawet po kilku latach pracy w Stadtwerke Trier nie przestaje być zdumiony.
tekst oryginalny ABB: https://new.abb.com/news/detail/101010/clean-network-for-fantastic-energy-output-in-wastewater-treatment
