See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/269928871 COSTES ENERGÉTICOS DEPURACION Conference Paper · March 2014 DOI: 10.13140/2.1.1770.9120 CITATION READS 1 219 1 author: Arturo Albaladejo ACCIONA AGUA S.A. 8 PUBLICATIONS 19 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Arturo Albaladejo on 23 December 2014. The user has requested enhancement of the downloaded file. 1 Costes energéticos de la depuración (2) Arturo Albaladejo Ruiz Dr Ingeniero por la Universidad de Alicante Dr. Profesor Asociado de Ingeniería Civil2 Costes energéticos de la depuración (2) Índice: 1 ¿Por qué ahorro energético en las EDAR? 1. 2. Consumo energético en las EDAR 3 Resumen ratios de consumo energético en las 3. EDAR 4. Conclusiones 5. Tendencias actuales de ahorro energético en EDAR 6 Bibliografía 6. 7. Resumen Conclusiones 3 Costes energéticos de la depuración (2) 1. ¿Por qué ahorro energético en las EDAR? (*1) Para el 2014 es previsible esperar que el coste energético de la O & M de las EDAR sea superior al 60% de los costes totales por: El continuo ti aumento t del d l coste t de d la l energía í en 2013 y 2014. 2014 El bajo aumento de precios del resto de consumos con incrementos del IPC en 2013 del 0,3% El bajo o nulo incremento del coste de la Mano de Obra. La aparición de costes financieros sobre los gastos de Operación y Mantenimiento, que antes no había que soportar. La necesidad de fondos para financiar obras de: Renovación (se empezó a construir EDAR en 1992) Mejora de rendimientos de depuración y de consumo. Ampliación y ejecución de nuevas instalaciones en TODAS las poblaciones. bl i 4 Costes energéticos de la depuración (2) 2. Consumo energético en las EDAR (*2) La energía consumida en una EDAR es, principalmente, eléctrica (salvo en instalaciones con cogeneración) La energía eléctrica en una EDAR se utiliza para: Bombeos (de líquidos y fangos) Soplantes y/o aireadores Calentamiento de digestores Deshidratación fangos (centrífugas, filtros banda, calentamiento) Desinfección (ultravioleta) ( ) Sistemas de desodorización. Terciarios y desalinizaciones. El consumo de energía en una EDAR varía según: El tipo de tratamiento y la tecnología utilizada. Su tamaño y la carga contaminante de entrada. 5 Costes energéticos de la depuración (2) 2. Consumo energético en las EDAR El consumo de energía en una EDAR varía según su tamaño y la carga contaminante de entrada, es decir, los habitantes equivalentes. Recientes estudios han parametrizado para los distintos t tamaños ñ d EDAR por habitantes de h bit t equivalentes, i l t l los siguientes ratios de consumo energético: kWh/m3 MWh/t de DBO5 tratada MWh/t de Sólidos en Suspensión tratados MWh/t de d Nitrógeno Nit ó t t l tratado total t t d MWh/t de Fósforo total tratado. 6 Costes energéticos de la depuración (2) 2.1.Consumo de energía en kWh por m3 tratado 3,00 y = 0,0267x2 - 0,5858x + 3,565 R² = 0,9804 R 0 9804 2,50 kWh/m3 2,00 1,50 1,00 Media 0,57 kWh/m3 0,50 0,00 250 500 1.000 2.000 10.000 20.000 30.000 100.000 150.000 200.000 y mayor... Promedio de kWh/m3 2,99 2,48 2,04 1,90 1,17 0,78 0,81 0,71 0,54 0,29 0,35 Media kWh/m3 0,57 0,57 0,57 0,57 0,57 0,57 0,57 0,57 0,57 0,57 0,57 habitantes equivalentes 7 Costes energéticos de la depuración (2) 2.2. Consumo de energía en MWh / t DBO5 tratado 40,00 y = 52,024x-1,566 R² = 0,9406 35,00 MWh/tt DBO5 tratado 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 M di 1 Media 1,81 81 MWh/ t 5,00 0,00 250 500 1 000 1.000 2 000 2.000 10 000 10.000 20 000 20.000 30 000 30.000 100 000 100.000 150 000 150.000 200 000 200.000 Promedio de DBO5 MWh/t 38,22 16,19 13,84 8,27 4,27 3,35 2,83 2,28 1,14 0,85 1,51 Media DBO5 MWh/t 1,81 1,81 1,81 1,81 1,81 1,81 1,81 1,81 1,81 1,81 1,81 habitantes equivalentes y mayor mayor... 8 Costes energéticos de la depuración (2) 2.3. Consumo de energía en MWh / t SS tratado 60,00 1 539 y = 50,122x 0 122 -1,539 R² = 0,9006 MWh h/t SS tratado os 50,00 40,00 , 30,00 20,00 10,00 Media 1,63 MWh/ t 0,00 250 500 1.000 2.000 10.000 20.000 30.000 100.000 150.000 200.000 y mayor... Promedio de SS MWh/t 30 74 30,74 20 94 20,94 10 88 10,88 12 51 12,51 3 79 3,79 3 13 3,13 2 54 2,54 2 41 2,41 1 49 1,49 0 71 0,71 1 48 1,48 Media SS MWh/t 1,63 1,63 1,63 1,63 1,63 1,63 1,63 1,63 1,63 1,63 1,63 habitantes equivalentes 9 Costes energéticos de la depuración (2) 2.4. Consumo de energía en MWh / t N tratado 250,00 y = 236,26x-1,706 R² = 0,9253 MWH//t de N tratado o 200,00 150,00 100,00 50 00 50,00 Media 19,5 MWh/ t 0,00 250 500 1.000 2.000 10.000 20.000 30.000 100.000 150.000 200.000 Promedio de N tot MWh/t 144,41 91,88 58,28 29,69 11,71 10,14 11,84 9,06 4,16 2,60 4,37 Media N tot MWh/t 19,50 19,50 19,50 19,50 19,50 19,50 19,50 19,50 19,50 19,50 19,50 habitantes equivalentes y mayor... 10 Costes energéticos de la depuración (2) 2.5. Consumo de energía en MWh / t P tratado 800,00 y = 8,5307x2 - 166,45x + 845,76 R² = 0 0,967 967 700,00 MW Wh/t de P trata ado 600,00 500 00 500,00 400,00 300 00 300,00 Media 167,85 MWh/ t 200,00 100,00 0,00 250 500 1.000 2.000 10.000 20.000 30.000 100.000 150.000 200.000 y mayor... Promedio de P tot MWh/t 671,87 562,85 460,65 333,05 156,58 91,69 136,61 129,25 28,90 28,18 34,27 Media P tot MWh/t 167,85 167,85 167,85 167,85 167,85 167,85 167,85 167,85 167,85 167,85 167,85 habitantes equivalentes 11 Costes energéticos de la depuración (2) 3. Resumen ratios de consumo energético en las EDAR Las EDAR de gran tamaño, que tratan elevado número de habitantes equivalentes (> 100.000 h-e) consumen muy por debajo de la media, y que las EDAR de pequeños tamaños (< 2.000 h-e), ), aunque q sean muchas,, tratan p poco volumen entre todas en relación con las grandes, pero consumen hasta 6 veces más energía que la media. Considerando que no todas las EDAR pueden tener eliminación de N y P (principalmente las pequeñas), es mejor adoptar las otras correlaciones: Consumo de C d energía í en kWh por m3 3 tratado t t d por promedio di de d habitante equivalente; Media = 0,57kWh/m3 ; Y= 0,0267 X2 0,5858 X + 3,565 C Consumo d energía de í en MWh / t DBO5 tratado; t t d M di = Media 1,81MWh/t de DBO5 depurada; Y = 52,024 X -1,566 Consumo de energía en MWh / t SS tratado; Media = 1,63 MWh/t d SS depurada; de d d Y = 50,122 50 122 X -1,539 1 539 12 Costes energéticos de la depuración (2) 4. Conclusiones Se debe tender a diseñar EDAR que traten más de 100.000 habitantes equivalentes, para ser eficiente energéticamente, por lo que en la medida de lo posible se debe intentar concentrar los caudales ca dales de aguas ag as residuales para optimizar el consumo energético por m3 tratado,, p por t de DBO5 tratada,, p por t de SS tratada. A partir de esos tamaños el consumo energético se reduce debido a las sinergias que producen las economías í de d escala, l y a que aumentan t las l posibilidades ibilid d de rentabilizar la implantación de sistemas de cogeneración g reutilizando el biogás g p producido,, y el calor de los gases de escape de la combustión para aumentar el rendimiento de los digestores y el secado de los fangos. fangos 13 Costes energéticos de la depuración (2) 4. Conclusiones Evidentemente, Evidentemente además del ahorro energético en las grandes EDAR, se suman las sinergias en otros costes de empleados, costes generales, de compra de productos,.... lo cual es la conclusión mas importante de esta investigación, para planificadores y diseñadores de EDAR urbanas. Los parámetros fijados en el apartado anterior, anterior servirán para comprobar si el diseño y la operación y mantenimiento de las EDAR es el adecuado o se está desviando de lo previsible. • 0,57kWh/m3. (Y= 0,0267 X2 - 0,5858 X + 3,565) • 1,81 MWh/t de DBO5 depurada (Y = 52,024 X -1,566 ) • 1,63 MWh/t de SS depurada (Y = 52,024 X -1,566 ) 14 Costes energéticos de la depuración (2) 4. Conclusiones Para EDAR de tamaños pequeños (< de 500 o 250 h-e), h e) que no se puedan concentrar los caudales para tratarlos en EDAR de mayor y capacidad, p , se deben utilizar otras metodologías y sistemas de depuración mas eficientes energéticamente, ya que el consumo se puede elevar exponencialmente. Existen diferentes metodologías (oxidación total por f fangos activados, ti d macrofitas, fit t tanques I h ff flujo Imhoff, fl j pistón,...) que deberán ser seleccionadas según las condiciones de contorno que se tengan en cada caso. caso 15 Costes energéticos de la depuración (2) 5. Tendencias de ahorro energético en EDAR (*3) 1. 1 2. 3 3. 4. 5 5. 6. 7 7. Diseño de las instalaciones de depuración: Operación de la EDAR: Mantenimiento de equipos e instalaciones: Nuevos sistemas de control: Nuevos equipos de producción de aire: Digestión de fangos: Otras posibilidades de ahorro energético 16 Costes energéticos de la depuración (2) 5.1. Diseño de las instalaciones de depuración Adecuación de la capacidad de los equipos a la demanda real. Diseño de los bombeos con equipos de potencia escalonada para abarcar los caudales punta esperados al mismo tiempo que optimizar el consumo energético diario, por operar p p con equipos q p de menor p potencia q que trabajan j en su punto óptimo de funcionamiento. Incorporación de equipos de aireación acordes a la demandas reales de las instalaciones. instalaciones Modularidad de la instalación. Disponer de varios equipos de menor potencia que permitan adecuarse a la variabilidad de la carga de entrada, antes que tener un único equipo de mayor potencia. potencia 17 Costes energéticos de la depuración (2) 5.1. Diseño de las instalaciones de depuración Sistemas de distribución de aire en los procesos biológicos. Minimizar el caudal de aire que debemos aportar a un proceso biológico manteniendo la cantidad de oxígeno requerido por los microorganismos, fijándonos el valor d l SOTE (%) que relaciona del l i para aguas limpias li i l los kgO2 que son transferidos a la masa de agua por g que es alimentado a los difusores en torno a los q kgO2 1,5-2 Nm3/h por difusor. Selección de materiales. Adecuar los materiales de los equipos a las condiciones ambientales y a las características del producto con el que se va a trabajar. trabajar 18 Costes energéticos de la depuración (2) 5.2. Operación de la EDAR: Parámetros de operación (edad del fango). fango) Operar a una edad de fango fija o variable dependerá de cada instalación, y será función del coste de la energía eléctrica y la gestión de fangos: fangos Siempre y cuando el precio de la gestión de g sea inferior a unos 15 €/t será adecuado fango trabajar con una edad del fango de la EDAR en función de la temperatura, en el caso contrario será conveniente trabajar j con una concentración de fangos fija, independientemente de la temperatura. 19 Costes energéticos de la depuración (2) 5.2. Operación de la EDAR: Líneas en funcionamiento. funcionamiento Si hay varias líneas de tratamiento biológico disponibles es preferible utilizarlas aunque no sea estrictamente necesario ya a que: q e Por una parte el empleo de mayor número de difusores así lo aconsejaría. Por otra la distribución de la biomasa (Kg. SSLM) requerida para llevar a cabo el proceso de depuración en varías líneas supondrá una menor concentración de b t i (g/l bacterias ( /l SSLM) en cada d reactor t biológico, bi ló i l que lo influirá positivamente en el factor alpha (α), que relaciona la transferencia de oxígeno en el fango activado y la transferencia en agua destilada. destilada No obstante habría que tener en cuenta el consumo de los aceleradores de corriente implicados en tal caso. 20 Costes energéticos de la depuración (2) 5.3. Mantenimiento de equipos e instalaciones: El rendimiento de cualquier equipo o elemento de una depuradora se reduce debido a su deterioro por desgastes mecánicos, fenómenos de oxidación, id ió i incrustaciones t i i inorgánicas á i y/u / orgánicas, etc,… El consumo energético del proceso biológico supone el 50–60% del consumo total, por lo que es esencial q q que los equipos q p de suministro y los elementos de distribución de aire (Soplantes y difusores de membrana) se encuentren perfectamente mantenidos. mantenidos Limpiezas químicas “in situ” de las membranas de los difusores para determinar la vida útil de las membranas y d idi ell momento decidir t óptimo ó ti para su renovación ió 21 Costes energéticos de la depuración (2) 5.3. Mantenimiento de equipos e instalaciones: Limpieza automática (física y química) de las camisas de cuarzo de las lámparas de desinfección U.V. Mantenimiento preventivo de los equipos electromecánicos tiene sobre el rendimiento de los mismos y por ende en el consumo energético de la instalación 22 Costes energéticos de la depuración (2) 5.4. Nuevos sistemas de control on-line: Plataforma ATL_EDAR. Instalar diferentes módulos de control: de la aireación para optimizar la eliminación de nutrientes, de la edad de fango, de control del funcionamiento y mantenimiento de los equipos etc. equipos, etc Sistema NIPHO. Utiliza, además de las habituales sondas redox y oxígeno, la señal de pH, pH para el arranque y el paro de la aireación en el biológico. Sistema ACN+. Dirigido Di i id a las l plantas l t con eliminación li i ió de d nutrientes, ti t buscando la eliminación por vía biológica de estos compuestos y el ahorro energético. Presenta la posibilidad de desplazar el consumo energético hacia periodos con tarifas más económicas mediante la determinación de unos niveles de N-NH4 para dirigir la aireación. 23 Costes energéticos de la depuración (2) 5.4. Nuevos sistemas de control on-line: Sistema S ste a ADEX. Co Control: to Adaptativo daptat o Predictivo ed ct o Experto Consecución ajustada de los distintos parámetros de control oxígeno disuelto, control, disuelto redox, redox presiones, presiones etc., etc laminando los valores reales de control, y acercarlos al máximo a la consigna objetivo, evitando así los excesos de aireación, cuanto más se ajusta a la consigna mayor será la optimización. Sistema de control por lógica difusa con 2 niveles: Nivel de control supervisor que establecerá la señal de consigna óptima para la presión de descarga en función de l necesidades las id d de d oxigeno i en cada d momento. t Nivel de control de proceso: con reglas de control independientes para las variables del proceso, oxígeno di disuelto lt y presión ió de d descarga d d las de l soplantes. l t 24 Costes energéticos de la depuración (2) 5.5. Nuevos equipos de producción de aire: Turbos de Levitación magnética. magnética Disminuir al máximo las pérdidas sufridas en la parte mecánica, eliminándola casi por completo, mediante la aplicación de la levitación sobre el eje de la propia turbina. Trabajan a velocidades superiores a las nominales del motor mediante variadores de frecuencia, de esta forma también se puede controlar el caudal. 25 Costes energéticos de la depuración (2) 5.5. Nuevos equipos de producción de aire: Soplantes de tornillo. tornillo Se componen de émbolos rotativos de ejes gemelos, la compresión es interna, es decir entre los ejes. El aire se transporta desde la aspiración hasta la impulsión en el espacio formado entre los dos rotores helicoidales, comprimiendo el aire hasta su presión fi l en la final l impulsión, i l ió t b j d a velocidades trabajando l id d superiores a las nominales del motor, mediante variadores de frecuencia y multiplicadores mecánicos. Los puntos diferenciales son: Compresión: Externa Interna Trasmisión: Correa/Polea Caja de engranajes integrada Silenciador: De placas Liso Filtro: Menor Mayor comparativamente 26 Costes energéticos de la depuración (2) 5.6. Digestión de Fangos: Agitación g del digestor: g Lanzas de gas. Sistema Heatmix Sistema de bomba externa con extracción e impulsión de fango Sistema SCABA Estudio E t di CFD (computational ( t ti l fluid fl id dynamics), d i ) simulando el comportamiento del fango para distintas condiciones de agitación y calculando las potencias mínimas necesarias para tener una adecuada velocidad del fango en la mayor parte del digestor y que, al mismo tiempo, garantice la no existencia de zonas o as muertas ue tas o co con de deficiente c e te ag agitación. tac ó Adecuada labor de limpieza en el digestor, ya que la existencia de materia inerte en el digestor sólo reduce su capacidad, p , disminuyendo y su tiempo p de retención 27 Costes energéticos de la depuración (2) 5.6. Digestión de Fangos: Fase de hidrólisis: Hay varios sistemas para conseguir la reducción del tiempo de hidrólisis: Térmicos (hidrólisis térmica), Mecánicos (sistema de ultrasonidos), Eléctricos (desintegración de fangos a alto voltaje), Químicos (ácido sulfúrico, sulfúrico agua oxigenada, oxigenada hidróxidos metálicos, etc), Biológicos (digestión anaerobia termófila a bajo ti tiempo d retención), de t ió ) Codigestión: Codigestión Digestión anaerobia conjunta de 2 o más sustratos de diferente d e e te o origen ge pa para a mejorar ejo a la ap producción oducc ó de gas gas. 28 Costes energéticos de la depuración (2) 5.7. Otras posibilidades de ahorro energético: Llevar e a la a mayor ayo pa parte e de los os co consumos, su os, e en caso de que sea posible, a las franjas horarias en que el precio de la electricidad es menor. Envío de reboses de centrífuga y espesadores al biológico directamente, y no a cabecera de planta. Trabajar con las centrífugas con la mayor carga posible de sólidos, sólidos siempre que no se empeore la sequedad final obtenida Concentrar lo más posible el fango en los decantadores llegando a valores inferiores al 50% de recirculación, aunque para esto es conveniente disponer de un medidor de altura de manto de fangos y vigilar que no se produzcan desnitrificaciones 29 Costes energéticos de la depuración (2) 5.7. Otras posibilidades de ahorro energético: Utilización de energías alternativas: solar, eólica, hidráulica de emisarios,… Concentrar vertidos de varias poblaciones en EDAR de mayor tamaño. tamaño Instalar tanques de tormenta en redes de alcantarillado unitarias. Tratamientos en redes de alcantarillado Pretratamientos antes de bombeos. Dosificación D ifi ió de d productos d t en pozos. Airamiento en redes ventiladas. Reducir el consumo de agua de la población, ahorraría en consumo de bombeos,… 30 Costes energéticos de la depuración (2) 6. Bibliografía: 1. Artículo en la revista Aguasresiduales.info: g “Influencia de las tarifas eléctricas en los costes de operación y mantenimiento de las depuradoras de aguas residuales” en Febrero 2013, por Arturo Albaladejo Ruiz y Arturo Trapote Jaume. Jaume g 2. Tesis doctoral: “Parametrización del consumo energético en las l depuradoras d d d aguas residuales” de id l ” Julio J li 2013, 2013 por Arturo Albaladejo Ruiz. 3. Artículo en la revista Ingeniería Civil 168/2012, titulado: “Optimización energética en EDAR de la Región de Murcia” por Pedro Simón Andreu, Carlos Lardín Mifsut y M Manuel l Abellán Ab llá Soler. S l 31 View publication stats Costes energéticos de la depuración (2) 7. Resumen de conclusiones: grifo q que g gotea, p pierde una g gota p por segundo, g que significa q g Un g 30 litros al día, que a una media de 0,57kWh/m3, supone desperdiciar el consumo de una bombilla de bajo consumo (14w) durante 1,25 1 25 horas cada día. día Cómo el 60% de los costes de O&M de una EDAR son los energéticos, es necesario aumentar la II+D+i D i en temas de ahorro de energía, como en: • Diseño de las instalaciones de depuración: Adecuación de la capacidad de los equipos a la l demanda d d real, l modularidad, d l id d concentración, t ió sistemas i t d distribución de di t ib ió de d O2. O2 • Operación de la EDAR: controlar la edad del fango y el uso de varias líneas. • Mantenimiento de equipos e instalaciones: Limpiezas de membranas, camisas UV, y mantenimiento. mantenimiento • Sistemas de control: ATL_EDAR, NIPHO, ACN+, ADEX y Control Lógica Difusa. • Equipos de producción de aire: Turbos de levitación magnética y soplantes de tornillo. • Di Digestión ió de d fangos: f agitación, i ió hidrólisis, hid óli i y codigestión di ió • Otras posibilidades de ahorro energético. 32
