Las Lineas Base de Intensidad Comparativa Gestión Energias WERF... · Las Lineas Base de...
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Leader in Distributed Wastewater Systems
Las Lineas Base de IntensidadEnergetica. Evaluacion
Comparativa
Dr. Eugenio Giraldo
Septiembre , 2015
9/23/2015 Slide: 2
Contents
• Introduccion
• Estudios Antecedentes• Estados Unidos y Europa
• Evaluaciones comparativas (Benchmarking)
• La importancia de la sub-medicion
• Adaptacion a condiciones locales
• Uso de la herramienta
• Ejemplos
• Que hacer
• Conclusiones
9/23/20152
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Porque son importantes los costos de energia
Monthly O&M Fee per customer vs Size
0
5
10
15
20
25
1.8 8 15
Treated Flow (MGD)
$/c
usto
mer
mo
nth
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
% t
ota
l O
&M
fe
e
Total Fee, $/customer month Sludge Disposal, % total Electric Energy, % total
• La energia representa 20-30% de los costos de O&M en USA
• Probablemente mas en Latinoamerica
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Introduction
• Como hago para saber si la PTAR usamucha energia?
• Cuanto puedo ahorrar si hago un plan de optimizacion energetica?
• Cual es el impacto en la tarifa?
• Necesito una herramienta de evaluacioncomparativa simple de usar
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Estados Unidos y Europa
• Europa usa una unidad
per capita basada en gr
de DBO or gr de DQO
contributed por persona y
por dia
• Ver Tabla de la izquierda
– kWh/ pe ano
– Wh/ pe dia
• USA utiliza energia por
unidad de volumen de
agua tratada
– kWh/MG
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Comparasion de Indicadores
– Practico
– Todas las plantas miden
el caudal tratado
– Todas las plantas tienen
recibos de energia
electrica
– Amplia base de datos
– Facil de calcular
– Ciertos procesos claves
dependen de la DBO y
no directamente del
volumen de agua a tratar
– Dificil de comparar
cuando la DBO cambia
– Se necesita tres
parametros bien medidos
– DBO, Caudal, Energia
– Mas acertado para ciertos
procesos v.gr Aireacion
– No refleja consumos
asociados a bombeos u
otros
• Influente
• Recirculacion
• UV
• Membranas
– Base de datos es limitada
Por volumen Por gr de DBO
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Ejemplo del uso de indicadores
• El uso energetico depende del tamano
• Las plantas mas pequenas usan mas energia
• Amplias variaciones entre diferentes tecnologias
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Ejemplo de variacion entre plantas
• Muy alta variacion 1-5 MWh/MG
• Oportunidad para optimizar
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La importancia de compararse
• La evaluacion comparativa permite cuantificar los
ahorros potenciales y tomar decisiones
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Estudio de sub-medicion
• El tratamiento secundario consume el 30-60% de la energia
– Aireacion
– Bombeo de retorno
– Recirculaciones
Summary of NYSERDA Sub-Metering Study
Plant Size Total
MGD
% of
Total kWh/MG
kWh/lb BOD
removed kWh/MG
Trickling Filter Goshen 0.5 50% 327 0.82 653
AS- Coarse Bubble Aeration Arlington 4 60% 1,003 1.02 1,665
Yonkers 90 56% 557 0.54 994
AS- Fine Bubble Aeration- Panel Bergen 30 33% 922 0.60 2,800
Marsh Creek 4 39% 417 0.14 1,076
Secondary Treatment Aeration Plant
Energy Intensity Secondary
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Estudio de Submedicion
• Gran cantidad de procesos
• Alta variabilidad entre e intra procesos
Summary of NYSERDA Sub-Metering Study
Plant Size
MGD % of Total kWh/MG
Trickling Filter partial 49% Chemung 5.7 758 70% 531
Coarse Bubble Aeration Gloversville 6.7 1888 64% 1208
Ithaca 1415 67% 948
Fine Bubble Aeration- Panel Frank Van Lare 96 782 68% 532
Albany North 22.9 1253 60% 752
Pure Oxygen Tonawanda 21.4 1634 52% 850
Oxidtion Ditch Walkhill 2.8 2674 85% 2273
Secondary Treatment Aeration Plant
Energy Intensity Wet Stream
Nitrificationtotal
kWh/MG
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Comparacion de indicadores de intensidad
energetica: El caso de la aireacion
Item Units USA Colombia Austria
Unit BOD5 lb BOD5 /cap d 0.17 0.132 0.134
g BOD5/ cap d 77 60 61
CBOD5 mg O2/L 204 428 290
CBODu mg O2/L 245 514 348
Sludge Production mg CODx/L 92 193 130
Net Oxygen Demand mg O2/L 153 321 217
Unit WW flow gal/cap d 100 37 55
L /cap d 379 140 210
Field Aeration Efficiency lb O2/kWh 2.24 2.24 2.24
Energy intensity Aeration CBOD kWh/MG aeration 500 1000 700
kWh/m3 0.13 0.26 0.18
Energy intensity Aeration CBOD kWh/lb BOD5 removed 0.29 0.28 0.29
Wh/pe d 50 37 39
kWh/pe y 18 13 14
• Flow base and PE indicators are not directly comparable
• En el caso de la aireacion la base apropiada es kWh/gr BOD
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Desarrollo de la herramienta
• Desarrollo de indicadores por proceso basado enestudios existentes en USA
• Clasificacion los procesos de acuerdo a quiencontrola: DBO o Caudal
• Normalizacion a la DBO usando 10 State Standards
• Ajuste a diferentes condiciones de DBO y Caudal
• Obtencion de caracteristicas tipicas para condiciones Latinoamericanas
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Separacion de Procesos de Acuerdo a quien
Controla
• Controlado por Caudal
• Controlado por DBO or NKT
kWh/MG kWh/kg BOD Flow Controlled BOD controlled TKN Controlled
Wastewater Pumping 220 0.29 yes no no
Preliminary and Primary TreatmentOdor Control 150 0.19 yes yes yes
Grit Removal Aerated 130 0.17 yes no no
Grit Removal Vortex 160 0.21 yes no no
Primary Clarifiers 30 0.04 yes no no
Ballasted Sedimentation 75 0.10 yes no no
Chemically Enhanced Primary Treatment, CEPT 35 0.05 yes no no
Secondary TreatmentTrickling Filters 330 0.43 partially yes yes
Biological Nutrient Removal BNR mixing 110 0.14 yes no no
Aeration without nitrification 500 0.65 no yes no
Aeration with Nitrification 1,000 1.30 no yes yes
Nitrite Shunt - Denitrif 0.00 no yes yes
Secondary Clarifiers 85 0.11 yes has some impact no
Sequencing Batch Reactors 1,090 1.41 partially yes yes
Membrane Bioreactor 2,700 3.50 partially yes yes
Influence of Flow and Load on Energy Use
ProcessEnergy Intensity USA
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Ejemplo: Lodos Activados Convencionales A1
• Seleccion de Condiciones locales
• Seleccion de Procesos
• Dos Resultados: Uso Tipico y Uso Optimizado
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Ejemplo: Lodos Activados Convencionales A1
• Incluye Digestion Anaerobia con generacion Electrica
464 33%
604 42%
BAT Savings
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Ejemplo: Lodos Activados Convencionales A1
• Buena Correspondencia 1425 kWh/MG = 0.38 kWh/m3
• Ver Ejemplo
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Uso de la Herramienta de Evaluacion Comparativa
• Ajuste a las condiciones locales del pais
– Consumo de agua per capita, DBO y NKT del influente (Opcional)
– O seleccione Latinoamerica como opcion
• Ingrese el tamano de la planta
• Seleccione los procesos
• Corra el macro
• Resultados
– Consumo total: Tipico y Optimizado
– Consumo por proceso: Tipico y Optimizado
– Tablas y Graficas
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Ejemplo Lodos Activados para DBO y SS
• Presenta condiciones tipicas y optimizadas
Herramienta de Evaluacion Comparativa de la Eficiencia Energetica de una PTARpor Eugenio Giraldo
Ingrese la DBO5 del agua residual de su PTAR mg/L 428
Ingrese el valor del NKT del agua residual de su PTAR mg/L 70
Contribucion Porcentaje Contribucion Porcentaje
kWh/m3% kWh/m3 %
Bombeo del Agua Residual 1 0.06 9% 0.05 11%
Tratamiento Preliminar y Primario 0.04 6% 0.04 9%
Control de Olores 0
Desarenador Aireado 1 0.03 5% 0.03 7%
Desarenador de Vortice 0
Clarificador Primario 1 0.01 1% 0.01 2%
Sedimentacion Lastrada 0
Tratmiento Primario Quimicamente Asistido 0
Tratamiento Secundario 0.30 46% 0.16 38%
Filtros Percoladores 0
Mezcla en tratamiento con Remocion de Nutrientes 0
Aireacion sin Nitrificacion 1 0.28 42% 0.14 33%
Aireacion con Nitrificacion 0
Nitrificacion-Desnitrificacion 0
Clarificadores Secundarios 1 0.02 3% 0.02 5%
SBR - Reactores Secuenciales por Tandas 0
Bioreactor de Membrana 0
Optimizada a la mejor Practica
Proceso Unitario Presencia
Intensidad Energetica Tipica
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Ejemplo: Lodos Activados para DBO y SS
• Presenta Totales Tipicos y Optimizados
• Presenta potencial tipico de generacion de biogas
Manejo de Lodos 0.09 14% 0.03 8%
Digestion Aerobica 0
Digestion Anaerobica 1 0.06 9% 0.01 2%
Espesador por Gravedad -Bandas 1 0.02 3% 0.01 3%
Espesador por Aire Disuelto 0
Espesador Centrifugo 0
Filtro Prensa de Bandas 0
Prensa de Tornillo 1 0.01 2% 0.01 2%
Deshidratacion por Centrifuga 0
Secado Termico 0
Filtracion y Desinfeccion 0.00 0.00
Desinfeccion por UV 0
Filtracion en lecho 0
Filtros de superficie-malla fina 0
Suministro de Agua potable y de proceso 0
Potencia de Edificacion y Sitio (edificios, iluminacion, Aire Acondicionado, Computadores, etc)1 0.17 25% 0.14 34%
Recuperacion de Energia (Combustion del Biogas) 1 -0.31 -47% -0.38 -92%
0
Total Sin Generacion 0.66 0.41
Neto Despues de Generacion Electrica con Biogas 0.35 0.03
Contribucion Porcentaje Contribucion Porcentaje
kWh/m3% kWh/m3 %
Optimizada a la mejor Practica
Proceso Unitario Presencia
Intensidad Energetica Tipica
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Ejemplo: Lodos Activados DBO y SS
• Uso total
= 0.66
kWh/m3
• Vs
• 0.38
kWh/m3 in
the US
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Para que sirve?
• Paso inicial en la evaluacion
• Da una idea clara de los sobrecostos y de losahorros que se pueden lograr.
• Provee el soporte necesario para iniciarevaluaciones mas detalladas
• No es una herramienta de diseno pero ayudaa identificar procesos mas eficientes para explorar en mas detalle.
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Como usar la herramienta
• Busque una(s) factura(s) de energia para la PTAR
• Encuentre el total de kWh facturado para el periodo
• Calcule los kWh por dia = Total kWh / numerode dias en el periodo de facturacion
• Encuentre el caudal de agua tratadapromedio para el mismo periodo en m3/dia
• Cacule los kWh /m3
• Compare con los resultados de la herramienta
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Ejemplo: PTAR Remocion de DBO y Solidos con
lodos activados
• Produce una estimacion de los ahorros posibles al hacer
un plan de optimizacion energetica de la PTAR
Renglon Item Unidades Valor Actual
1 Poblacion Servida pe 100,000
2 Caudal Tratado m3/d 14,000
3 Total de Energia Facturada en el periodo de facturacion kWh 357,789
4 Periodo de facturacion dias 30
5=3/4 Uso diario de energia electrica kWh/dia 11,926
6=5/2 Intensidad Energetica kWh/m3 0.85
7 Valor Total a pagar en la factura US$ 46,513
8=7/3 Costo de la energia electrica US$/kWh 0.13$
Costo Anual Energia Electrica de la PTAR US$/ano 565,902$
US$/ hogar ano 22.6$
Ahorros Potenciales con Co-generacion tipica US$/ano 202,639$
US$/ hogar ano 8.1$
% 36%
Ahorros Potenciales con Optimizacion Energetica US$/ano 290,825$
US$/ hogar ano 11.63$
% 51%
Ahorros Potenciales con Optimizacion y Co-generacion US$/ano 545,973$
US$/ hogar ano 21.8$
% 96%
De la factura electrica
Comentarios
Del medidor de caudal
De la factura electrica
De la factura electrica
Ejemplo de Evaluacion para una PTAR
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Que hacer despues de la evaluacion?
• Auditoria energetica
• En donde enfocarse– Aireacion
• Limpieza de los equipos v.gr. Membranas de aireacion
• Calibracion de sensores v.gr. Oxigeno disuelto
• Control automatico del oxigeno disuelto
• Cambio de equipos v.gr. Tipo de aireador, soplador
– Bombeos –• Opitmizacion de bomba,
• motores
– Manejo de lodos• Aprovechamiento del gas?
– Edificaciones
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Y para diseno que?
• Da una idea de los procesos mas
eficientes pero no es una herramienta de
diseno
• Algunos conceptos claves que se
exploraran mas adelante
– Enrutar la DBO del influente a procesos de
digestion anaerobia para:
• Reducir la demanda de oxigeno en la aireacion
• Producir mas metano y producir mas energia
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Conclusiones
• Se desarrollo una herramienta de evaluacion
comparativa de intensidad energetica de
PTAR que usa la experiencia desarrollada en
los EEUU y se aplica a condiciones locales de
Latinoamerica
• La herramienta permite estimar el potencial de
ahorros en energia en una PTAR y enfocar los
esfuerzos subsiguientes
• Permite evaluar impactos energeticos de
diferentes configuraciones
Leader in Distributed Wastewater Systems
Gracias por su atencion!
Septiembre, 2015