Bakgrund

Klimatförändringar, översvämningar, ökade miljökrav och en åldrad infrastruktur bidrar till ökade krav på de kommunala vatten- och avloppsverksamheterna. Ständigt pumpas stora mängder vatten i de kommunala VA- systemen. För att få ett hållbart system är det viktigt att alla dessa pumpningar sker så effektivt och energisnålt som möjligt – både ur ett miljömässigt och ekonomiskt perspektiv.

Utan mätning vet vi ganska lite. Mätning på objektnivå, såsom pumpar, ger oss ovärderlig information för energioptimering och förebyggande underhåll.

Hur mycket energi kan sparas vid pumpning av kommunalt avloppsvatten och dricksvatten?

Tillsammans med fyra VA-organisationer i Blekinge har projektet undersökt energibesparingspotential i utvalda pumpsystem.

Kommunerna har själva fått samla in mätdata och information för utvalda pumpstationer. Därefter har konsulter arbetat fram föreslag på nyckeltal som ger en fingervisning om hur pumpstationerna och ledningsnäten mår.

Syftet var att utveckla och inspirera till framtida energieffektiviseringsarbete med fokus på:

• Insamla mätdata
• Identifiera nyckeltal
• Ekonomisk långsiktighet
• Åtgärdsförslag

Projektet

Energieffektivisering i kommunala VA-pumpsystem pågick under 2017 – 2018 och är en del av det större projektet Driv i Blekinge. Projektets mål var att utveckla och demonstrera ett arbetssätt för energieffektivisering i kommunala vattenpumpsystem. Projektets målgrupp var Blekinges fem kommuner.

Finansiärer

Europeiska Regionala Utvecklingsfonden (ERUF), Länsstyrelsen Blekinge, Sparbanken i Karlshamns Näringslivsstiftelse

Projektägare

NetPort Science Park(svb)

Projektledare

Tobias Johansson, NetPort Science Park.

Layout och text

Rapporten är framtagen av projektet “Driv i Blekinge” med hjälp av konsulter ifrån Sweco. Alla eventuella felaktigheter och brister står jag dock som författare ensam för. (Tobias Johansson, 2018)

Projektupplägg

Val av anläggning

Projektet har fokuserat på anläggningar i de kommunala avlopps- och dricksvattenledningsnäten vars energianvändning till största delen går till pumpning. Projektets utvalda anläggningar är därför avloppspumpstationer (spillvatten) och tryckstegringsstationer (dricksvatten). Reningsverk exkluderades eftersom det går mycket energi till andra processer utöver pumpning.

Gällande de svenska avloppsledningsnäten står spillvattenpumpstationer för den överlägset största andelen av elanvändning, se fördelningen i cirkeldiagrammet nedan.

Källa: Svenskt vatten utveckling (SVU)

Motsvarande siffror för Sveriges dricksvattenledningsnät visar att den största elanvändningen går åt till tryckstegring, se nedan.

Källa: Svenskt vatten utveckling (SVU)

För att lyckas komma igång med energieffektiviseringsarbetet rekommenderas generellt att fokusera på större anläggningar. En lämplig strategi är att ta fram en lista över samtliga anläggningar utifrån total energianvändning och välja ut de anläggningar som använder mest. Dvs fokusera på 20% av de anläggningar som står för 80% av den totala energiförbrukningen.

Indata

Nyckeltal

En organisation som lyckas hitta ett bra system för uppföljning av nyckeltal har mycket att vinna. Det är en utmaning att ta fram smarta nyckeltal som är enkla att räkna på, repeterbara och jämförbara mellan olika anläggningar.

Det finns en poäng att sätta nyckeltal och följa år efter år.

Projektets nyckeltal

Inom projektets ramar har ett antal förslag på nyckeltal beräknats.
Beroende på om det är avloppsvatten eller dricksvatten som pumpas har olika nyckeltal tagits fram. I projektet har vi använt oss av färger för att tydliggöra status på de analyserade pumpanläggningarna – grön, gul och röd.

Grön - Väl fungerande anläggning avseende energianvändning. Ej behov av åtgärd.
Gul - Tillfredsställande. Ej prioriterad att åtgärda.
Röd - Anläggningen har en hög energianvändning och är prioriterad att åtgärda.

Pumpenergifaktor (PEF)

Nyckeltalet används som stöd vid bedömning av pumparnas prestanda och beräknas enligt formeln:

TE är den teoretiskt framräknade pumpenergin som beräknas genom att den totala volymen utpumpat vatten (V_tot), multipliceras med den teoretiska uppfordringshöjden (H_tot) dividerat med 367:

Vattenförlustfaktor (VFF)

Vattenförlustfaktorn (VFF) är ett nyckeltal som talar om eventuella vattenförluster vid pumpning i dricksvattensystem. Det verkliga flödet divideras med det förväntade.

Tillskottattenfaktor (TVF)

Tillskottsvattenfaktorn ger en siffra på hur mycket vatten som faktiskt pumpas genom en avloppspumpstation i förhållande till den ”rena” spillvattenförbrukningen (debiterad vattenförbrukning).

Tillskottsvattenfaktor - Energi (TVF_Energi)

Nyckeltalet ger en siffra på hur energianvändningen ökar vid påverkan av tillskottsvatten jämfört vid torrvädersperiod. Faktor 1 = ”ren” spillvattenförbrukning vid torrväder.
För att beräkna detta nyckeltal krävs tillgänglig nederbördsdata samt debiterad vattenförbrukning för aktuellt område.

Mätutrustning

Ringa in problemet

Nyckeltalen ska hjälpa till att zooma in ett eventuellt problemområde. Ett första steg kan vara att jämföra den totala energianvändningen mot den energi som går åt till att driva pumparna. Om det är en liten station utan betydande mängd övrig utrustning bör pumpenergin utgöra en stor andel av den totala energianvändningen. Om inte kan det vara idé att undersöka andra komponenter i anläggningen såsom ventilation, uppvärmning, avfuktare, belysning etc.

Beräkningsverktyg

Vid inköp av energikrävande produkter, såsom pumpar, är det viktigt att tänka långsiktigt. Att inte bara välja utifrån lägsta inköpspris eller återbetalningstid utan även vilken produkt som har lägst energikostnader och är billigast att underhålla. Energikostnaderna utgör ofta en större del av de totala kostnaderna än investeringskostnaderna. Med hjälp av LCC (Life Cycle Cost), livscykelkostnad, kan man jämföra kostnaderna mellan konkurrerande produkter under hela deras brukstid. LCC som verktyg tar hänsyn till både ekonomiska och miljömässiga värden.

Källor: (VARIM, 2011 Powerpoint) (Energimyndigheten, Manual till verktyg för beräkning av livscykelkostnad, 2017

Det LCC-verktyg som använts i projektet går att ladda ner här:

• LCC_Driv_Pumpstationer.xlsx (42 kb)

Detta verktyg är baserat på VARIMs förenklade LCC- modell för pumpsystem. Det innehåller ett tillägg på driftskostnader som utvecklades i projektet ENVA.

Exempel på LCC-Analys:

Det är viktigt att tänka på att LCC är ett verktyg för att utvärdera två eller flera olika system, vilket kräver att det finns alternativa tekniska lösningar för jämförelse. Bra ingångsdata är förutsättningen för ett bra resultat.

Projektets resultat

Resultatdiskussion

Framtiden

Vad kan vi lära oss av projektet?

Från de allra flesta kommunala vattenpumpanläggningar går det att finna någon form av driftdata. Dock kan denna vara mer eller mindre lättillgänglig, relevant och korrekt. Med lite tidsinvestering finns stora möjligheter att utnyttja all denna data och ta fram nyckeltal som är enkla att räkna på, repeterbara och jämförbara mellan olika anläggningar. En organisation som lyckas hitta ett bra system för uppföljning av nyckeltal har mycket att vinna i senare skede. Dels kan det ge en direkt överblick och fingervisning till vilka anläggningar som fungerar bra eller mindre bra. Det gör det lättare att göra en prioriteringsordning för vilka anläggningar som bör stå först i kö att åtgärda. En annan viktig funktion med nyckeltal är att kunna följa upp anläggningen över tid och att kunna utvärdera investeringar. LCC är ett bra verktyg att använda sig av inför inköp av pumpar, frekvensomformare mm. Det LCC-verktyg som använts i projektet är relativt användarvänligt och särskilt anpassat för pumpsystem. Vid eventuella förändringar, såsom pumpbyten, är det viktigt att tänka på helheten så man inte skapar nya problem. En pump som är anpassad till lägre flöden kan sänka energianvändningen avsevärt. Men det är givetvis viktigt att det finns en backup i händelse av fel eller extremflöde. En mindre pump bidrar även till att vattnet ut från stationen får en lägre hastighet vilket i sin tur kan innebära driftproblem. Det är av stor vikt att inför framtida åtgärder analysera nya förutsättningar inom pumpstationernas upptagningsområde. För att lyckas etablera rutiner kring energieffektiviserings-arbetet krävs tid och engagemang. Förhoppningsvis kan detta projekt kan väcka idéer för framtida handlingar!

Mätutrustning

Att införskaffa kunskap om pumparnas egenskaper och anläggningens utformning är nödvändigt för att kunna genomföra kloka beslut om förbättringsåtgärder. Ta en funderare över aktuell mätutrustning, vad finns där idag och hur kan man använda den? För att bedöma en enskild pump krävs separat elmätning och gångtider. För att studera tillskottsvatten i spillvattensystem krävs flödesmätning samt debiterad vattenförbrukning inom avrinningsområdet. Nederbördsdata är värdefull information då man studerar spillvattenstationer. Separat elmätning/pump är nödvändig för att bedöma varje enskild pumps skick. Tryckmätning är av vikt för att kunna bedöma en pumps verkliga prestanda.

Metodik – Energieffektivisera pumpstationer

Appendix

I projektet har sex stycken pumpstationer analyserats. Beräkningsgången har skiljt sig åt för varje pumpstation eftersom typen av indata och dess kvalitet har varierat. Gemensamt för beräkningarna har varit att utgå från energiperspektivet vid eventuella förslag på dimensionering och pumpbyten. Det kan finnas ytterligare krav som tillkommer vid framtida åtgärder av pumpstationerna. LCC-analyser har utförts enligt den modell som togs fram i projektet ENVA.

Svängsta Tryckstegringsstation

Anläggningsinfo

¹ 2016 års data

Antaganden

För att bedöma pumpstationens energieffektivitet har en systemkurva satts upp. I denna har pumpstationen antagits pumpa allt vatten till vattentornet som då fungerar som magasin. Pumparna är utrustade med frekvensomriktare. Pump 1 antas arbeta konstant och pump 2 går igång vid behov. Den tredje pumpen antas endast vara reserv för att klara en högre belastning, exempelvis vid brandvattenuttag även om en annan pump skulle vara ur funktion.

Nyckeltal

Framräknade nyckeltal för stationen ger indikation på en fungerande anläggning ur energisynpunkt. Pumpenergifaktorn (PEF) beräknas till cirka 1,6 vilket kan anses som tillfredsställande. Två av tre pumpar är dessutom nyligen utbytta och det kan därför inte motiveras att göra ett byte. VFF på 1,1 tyder på att stationen inte lider av någon vattenläcka.

I renvattenanläggningar där PEF > 2 rekommenderas någon form av åtgärd >för att sänka pumparnas energianvändning.

Analys

De nuvarande pumparna bedöms i en djupare analys att vara överdimensionerade vilket bidrar till att pumparna jobbar med en lägre verkningsgrad. Verkningsgraden har uppskattats till 48%, vilket ur energiperspektiv ändå gör det intressant att titta på andra pumpval inför framtiden. Medelflödet är beräknat till 8,1 l/s. Vattentornet anses har tillräckligt stor volym för att försörja ett brandvattenuttag. En mindre pump skulle, utifrån nämnda antaganden, klara av driftförhållandena väl. LCC-analys visar att två nya, mindre pumpar skulle kunna sänka energiförbrukningen med 27%.

I detta exempel har LCC-analys utförts på pumpar med frekvensomriktare som monteras i anslutning till motorn. Effekten vid driftpunkten är 6,53 kW och enligt ovan antagande antar vi att en pump är igång konstant. Pumpens (inkl. frekvensomriktare) verkningsgrad vid driftpunkten skulle teoretiskt ligga på cirka 66%. De ekonomiska vinsterna är dock marginella och felmarginalen i beräkningarna pga. bristande dataunderlag kan mycket väl vara större än den beräknade ekonomiska vinsten. Därför rekommenderas inte ett pumpbyte utan vidare analys.

Karlavägen avloppspumpstation

Anläggningsinfo

Antaganden

Styrningen har uppskattats genom att granska gångtiderna. Det är till synes vanligare att två pumpar körs samtidigt än att enbart en pump arbetar. Ibland går alla tre pumparna samtidigt. Utifrån drifttiderna förenklades beräkningarna genom att anta att två pumpar körs tillsammans under 80% av tiden. Detta ger ett medelflöde på 75,6 l/s under drift. Vid detta flöde krävs en tryckhöjd på ungefär 6 meter vattenpelare vilket inkluderar friktionsförluster.

Nyckeltal

Nyckeltalen påvisar dels en relativt hög pumpenergifaktor vilket ger anledning att fundera kring dimensionering av anläggningen. TVF påvisar att stora mängder extra vatten pumpas, långt över den normala spillvattenanvändningen, vilket tydligt ses leda till en högre energianvändning (TVF_Energi).

Nyckeltalen påvisar dels en hög pumpenergifaktor vilket ger anledning att fundera kring dimensionering av anläggningen. TVF tyder på att stora mängder extra vatten pumpas, långt över den normala spillvattenanvändningen, vilket tydligt ses leda till en högre energianvändning (TVF_Energi).

Analys

Utifrån analysen bedöms pumparna vara kraftigt överdimensionerade och arbetat med en låg verkningsgrad, 24 %. Det är dock osäkert om frekvensomriktarens förbrukning ingår i den beräknade energianvändningen för den nuvarande uppställningen och verkningsgraden kan därför vara en underskattning.

Åtgärdsförslag

De nuvarande pumparna är så pass gamla att de bör bytas ut inom en snar framtid. Pumpstationen bör kunna dimensioneras med betydligt mindre pumpar.

Viktigt är att hastigheten i ledningen ut från stationen överstiger 0.7 m/s. En lägre hastighet ökar risken för sedimentation

Det finns ingen pumpapplikation som klarar det dimensionerade flödet på ett rimligt sätt utan frekvensstyrning. LCC-analysen visar även att det troligtvis är ekonomiskt lönsamt att byta ut pumparna. Ett tänkbart alternativ där man ligger bra till på pumpkurvan två stycken pumpar med märkeffekten 7,5 kW. Ett sådant system konsumerar runt 7,4 kW i drift om frekvensomriktaren inkluderas. Verkningsgraden för systemet skulle hamna på ca 60% och ca 77% för pumparna. Förslaget skulle teoretiskt innebära att nyckeltalet PEF (pumpenergifaktorn) skulle sjunka från 4,1 till 1,7 samt generera en energibesparing med 60 %.
Ett annat alternativ är att välja en större pump som körs relativt konstant och sen toppas upp av en sekundär pump vid behov.
Innan detta görs bör dimensionering ses över utifrån de lokala förhållandena och ett platsbesök på pumpstationen genomföras så att inga viktiga aspekter missas som kräver större pumpar.

Tillskottsvatten

Ett annat problem för stationen är att det förekommer en betydande tillförsel av tillskottsvatten. Ren spillvattenanvändning inom Karlavägens avrinningsområde har uppskattats till ca 2 350 m3/dygn. Pumpad volym varierar i dataserien mellan 2692 – 13091 m3/dygn. Den ökade energianvändningen på grund av allt detta tillskottsvatten uppgår till uppskattningsvis 61 000 kWh/år. Vid ett pris om 1 kr/kWh skulle detta innebära en kostnadsökning på ca 61 000 SEK/år. Dock varierar mängden tillskottsvatten från år till år.

Leråkra tryckstegringsstation

Anläggningsinfo

¹Teoretiskt beräknad ledning baserat på det tryck som har uppmätts efter pumparna.

Antaganden

Pumpstationen antas vara styrd så att en pump går konstant, en pump toppar upp vid behov och en pump är reserv för att klara av högre belastning även om en pump är ur funktion. Beräkningarna utgår från att en pump ska klara av ett flöde på 42,4 l/s och kunna ge ett tryck på 54 mVp. Flödesberäkningarna utgår från data under en mätkampanj samt jämförelse mot det totala årsmedelflödet.
Den statiska lyfthöjden har uppmätts till 47 meter. Tryckförluster till följd av friktion har approximerats med hjälp av tillgänglig information.

Nyckeltal

Utifrån tillgänglig indata visar nyckeltalen på en väl fungerande anläggning, både avseende pumpning och inga tecken på läckor i systemet.

Utifrån tillgänglig indata visar nyckeltalen på en väl fungerande anläggning utifrån energisynpunkt. Det verkar heller inte vara problem med läckor i systemet.

^* VFF < 1 är orimligt bra. Vid aktuell beräkning är den verkligt förbrukade mängden dricksvatten uppskattad utifrån schablonvärden och antal abonnenter.

När vi jämför med dagens situation antar vi att det är under detta driftförhållande som den absolut största mängden energin förbrukas. Då kommer en kostnadsanalys för detta driftförhållande ge en bra indikation på om det skulle vara ekonomiskt försvarbart att byta ut pumparna.

Analys

Det är relativt få pumpar som klarar de höga flödena som behövs i denna tryckstegringsstation och dagens pumpar ser ut att fungera väl. Verkningsgraden uppskattas till 62 %. Denna siffra kan dock vara något överskattad eftersom det är osäkert om frekvensomriktaren är inräknad i förbrukningen.
LCC-analys av alternativa pumpar har utförts utifrån antagna driftförhållanden. Det finns pumpar på marknaden som teoretiskt skulle kunna sänka energianvändningen något- men inte så mycket att det är ekonomiskt försvarbart att genomföra ett byte. Skillnaderna i energianvändning är också små och ligger väl inom felmarginalen i dessa beräkningar då det finns stora mätosäkerheter.

Gamla Nynäs avloppspumpstation

Anläggningsinfo

I Gamla Nynäs pumpas det avloppsvatten med två Flygtpumpar från 2015 och 2010. Utgående ledning har en innerdiameter på 400 mm. I oktober 2017 installerades det en flödesmätare på stationen och data från denna har använts för att ta fram ett dimensionerande flöde.

Antaganden

Efter en analys av gångtider och energidata visade det sig att pumparna hade gått ovanligt mycket under slutet på december 2017. Hela tidsperioden användes för att ta fram ett dimensionerande flöde eftersom en hög belastning i december troligtvis är vanligt. Driftpunkten som användes i beräkningarna var 41 l/s med en tryckhöjd på 4 meter vattenpelare. Vid analys av gångtiderna ser det ut som en pump går mer eller mindre konstant vilket antogs vara troligt driftförhållande för pumpstationen. Ett sådant antagande bygger på att pumpgropen är stor nog för att kompensera för kraftiga variationer i inflödet.

Nyckeltal

Nyckeltalen påvisar en väl fungerande pumpning (PEF=1,8). Däremot är det tydligt att det förekommer stora mängder tillskottsvatten i systemet, enligt TVF pumpas cirka 4 ggr den faktiska spillvattenanvändningen. Den ökade energianvändningen till följd av tillskottsvatten ökar inte med samma faktor (TVF_energi=1,7) vilket är positivt.

Analys

Hastigheten i ledningen ut från pumpstationen blir 0,33 m/s vid det antagna flödet på 41 l/s vilket indikerar att ledningen är kraftigt överdimensionerad. För att undvika sedimentation i ledning bör flödet ligga över 0,7 m/s. Dagens verkningsgrad har uppskattats till 53% men det är osäkert om energiförbrukningen har inkluderat frekvensomriktaren och därför kan verkningsgraden ha överskattats något.

Viktigt är att hastigheten i ledningen ut från stationen överstiger 0.7 m/s. En lägre hastighet ökar risken för sedimentation.

Åtgärdsförslag

Utifrån stationens rådande förhållande är det svårt att hitta pumpar som skulle vara mer energisnåla än de befintliga. Det är i dagsläget även fördelaktigt med större pumpar för att kunna gå upp i flöde under med jämna mellanrum och på så vis rensa röret från sedimenterat material till följd av låg hastighet i utgående ledning. Om det förekommer driftproblem med befintlig tryckledning ut från stationen kan det vara lämpligt att ersätta denna mot en med mindre tvärsnitt. Avloppspumpstationen ser ut att pumpa mycket tillskottsvatten. Den rena spillvattenanvändningen inom Gamla Nynäs avrinningsområde beräknas uppgå till ca 1095 m3/dygn. Den faktiska pumpade volymen varierar i dataserien mellan 2900 – 6527 m3/dygn. Det som är positivt är att den stora mängden tillskottsvatten inte verkar innebära att energianvändningen stiger med samma faktor.

Innerhamnen avloppspumpstation

Anläggningsinfo

Innerhamnen avloppspumpstation är utrustad med 4 stycken 13,5 kilowattspumpar som installerades 2014. De är inte försedda med någon frekvensstyrning.

Nyckeltal

Pumpenergifaktorn på 5,7 är hög och ger anledning att fundera kring alternativa pumpval i framtiden. Tillskottsvattenfaktorn på 1,7 för mätserien kan anses som tillfredsställande.

Analys

Driftpunkten har uppskattats genom att granska mätdata över drifttider och flöden. Uppfordringshöjden uppskattades genom hydrauliska beräkningar baserade på ledningsdimensioner och ledningslängder. Verkningsgraden hos de befintliga pumparna beräknas till 53 - 60 %. Idag finns ingen frekvensstyrning för pumparna vilket skulle kunna vara en framtida energibesparingsåtgärd. Utförda LCC-analyser visar på en energibesparingspotential på 26 – 33 %.
I detta fall fanns endast datainsamlingsunderlag för anläggningens totala elanvändning. Pumparnas elanvändning har därför uppskattats. I anläggningen finns annan utrustning, såsom elradiatorer och luktreducering, som drar okänd mängd el.

Alfahillsvägen avloppspumpstation

Anläggningsinfo

Alfahillsvägens avloppspumpstation är en mindre pumpstation med cirka 400 pe anslutna. Här finns 2 stycken frekvensstyrda pumpar från 2015 med en märkeffekt på 15 kW.

Nyckeltal

Den framräknade pumpenergifaktorn på 16,4 är anmärkningsvärt hög. Tillskottsvattenfaktorn på 2,7 tyder även på att mycket tillskottsvatten pumpas.

Analys

Driftpunkten har uppskattats utifrån att granska mätdata över drifttider och flöden (volym/dag). De befintliga pumparna beräknas arbeta med en verkningsgrad på mellan 25 - 30 %. Det går att hitta pumpar på marknaden som kan arbeta med en betydligt bättre verkningsgrad, upp emot 75 %, under det antagna normala driftförhållandet. För de LCC-analyser som utförts visar en energibesparingspotential på mellan 47 – 72 %. Det alternativ som innebär störst energibesparing är dock inte ekonomiskt försvarbart. En svårighet med mindre avloppspumpstationer, såsom Alfahillsvägen, är att det förekommer betydligt större flödesvariationer jämfört mot pumpstationer med ett större antal anslutna. Att flödet varierar kraftigt försvårar möjligheten att hitta en pumplösning som fungerar optimalt i de flesta lägen.

Generellt bör man för mindre pumpstationer se över möjligheten att samla flöden från flera små pumpstationer till en större pumpstation. Detta beror givetvis på topografin och hur de anslutna fastigheter är placerade i området.