Vodárenské systémy mají velký energetický potenciál

ABSTRACT: Recent developments, including pressures for decarbonisation and the use of energy from renewable sources, have led us to new perspectives on the energy use of water systems in terms of both water and sewerage. We talk to Jiří Rosický from Pražská vodohospodářská společnost about the specific strategies available.

Mezi nejstarší zdroje energie v celých dějinách lidstva musíme nesporně zařadit vodu. Ta je ovšem dnes spíš zdrojem okrajovým. Nebo je tomu jinak?

Elektřina vyráběná na vodních strojích – turbínách – byla z dnešního pohledu čistou energií ještě před tím, než jsme ji začali dělit na čistou a tu ostatní. Je to obnovitelný zdroj energie, nezávislý na fosilních palivech. Využití mechanické síly vodních zdrojů je tedy vlastně jedním z účinných nástrojů k dekarbonizaci. I když v minulosti o čistotu energie v dnešním slova smyslu až tak nešlo. Spíš to byla energie relativně levná. Ale závisí na místních podmínkách a samozřejmě na tom nejdůležitějším – na dostatku vody v okamžiku, kdy energii potřebuji. V tom může být velká přednost vodní energie i dnes, kdy bude potřeba z hlediska flexibility celého energetického systému určitá část pohotových zdrojů. Takových, které při prudkém nárůstu potřeby umí naskočit, obrazně řečeno, na zmáčknutí knoflíku. Například přečerpávací vodní elektrárny, které navíc umí sloužit jako pohotové zásobníky energie. Problém je spíš v tom, že pro nové zdroje energie postavené na vodě se dnes těžko hledá lokalita. Prostor pro rozvoj a využití vodní energie se určitě zmenšil, pořád se ale různá řešení najít dají.

Můžete uvést nějaký hezký příklad?

V systému vodohospodářské infrastruktury v Praze jsou to třeba malé vodní elektrárny na konci štolového přivaděče z úpravny vody Želivka, které byly instalované v nedávné minulosti. Padesátikilometrový přivaděč končí v nádržích vodojemu v Jesenici u Prahy. Překonává velký výškový rozdíl mezi úpravnou vody Želivka u nádrže Švihov a koncovým bodem na okraji Prahy a pracuje s velkým tlakovým spádem. Na samém konci, před vstupem do nádrží vodojemu Jesenice bylo v minulosti velké množství energie uložené v přitékající vodě v podstatě bez užitku rušeno tzv. rozstřikovacími ventily, které regulovaly průtok ve štole a množství přiváděné pitné vody na přítoku do jednotlivých komor vodojemů. Místo nich byly na jednotlivých výtokových místech instalovány vodní turbíny, nebo chcete-li – malé vodní elektrárny. Dříve neužitečně rušená energie je dnes přeměňována na elektrickou. Jednoznačně je to významný příspěvek k výrobě čisté energie z obnovitelných zdrojů, k dekarbonizaci, ale v neposlední řadě také zajímavý finanční přínos do hospodaření celé skupiny Voda Želivka. Přes celkem vysoké využití vodního potenciálu je to tedy doklad, že příležitosti určitě existují. Pražské vodovody a kanalizace se například zabývají možností využít přepravy vody mezi vodojemy na obdobném principu, jako fungují přečerpávací vodní elektrárny. Prostě je třeba hledat.

Vidíme, že jde svým způsobem pořád o klasické využití vodní energie…

Ano, a je prastaré. Také u vodárenských systémů, kde se potenciální energie využívá na přivaděčích pitné vody, to není nic úplně nového. Vývoj posledních let, tlak na dekarbonizaci a využití energie z obnovitelných zdrojů nás ale přivádí i k novým pohledům na energetické využití vodárenských systémů. Tedy obou jeho částí, jak té vodárenské, tak té kanalizační. Tlak na vyšší využívání jejich energetického potenciálu je motivován více méně stálým nárůstem ceny energie, v našem případě hlavně té elektrické. Tady je třeba dodat, že to dnes vyvolává jen intenzivnější přístup k tomu, co už v minulosti vodohospodáři řešili.

Už jsou známé i poměrně nekonvenční způsoby, jak využít vodovodní a kanalizační sítě energeticky. Produkují totiž mnoho odpadního tepla, které lze odebírat. Mají takové možnosti smysl?

Samozřejmě je možné teplo z kanalizační či vodovodní sítě odebírat již po cestě s jeho lokálním využitím. Ale nejsem si jistý, jak efektivní by bylo využívání odpadního tepla získaného například ze stoupaček teplé vody v jednotlivých objektech, které by k tomu měly být dobře izolované. Slušný potenciál však je v obou potrubních systémech – vodovodním i stokovém, přičemž ve stokové síti je pravděpodobně významnější. Možnosti efektivního využití nízkopotenciálního tepla na obou systémech v současné době řeší pro Pražskou vodohospodářskou společnost a Pražské vodovody a kanalizace Stavební fakulta ČVUT. V září bude dokončena komplexní studie o tom, jaké jsou možnosti lokálních zdrojů tepla na obou sítích. Budou stanoveny technické a právní podmínky, za nichž bude možné takové zdroje povolovat a realizovat.

Ale nejvýznamnějším zdrojem může být teplo získané z vyčištěných odpadních vod na konci celého pražského systému. Z pitné vody, kterou odebírají spotřebitelé, se postupně stává voda odpadní. A především prostřednictvím teplé užitkové vody do ní vstoupí poměrně velké množství tepelné energie. Jestliže se teplota pitné vody v síti pohybuje obvykle mezi 8–12 ^oC, vyčištěné odpadní vody na samém konci před vypuštěním z čistírny odpadních vod do Vltavy mají teplotu mezi 15–22 ^oC. Jestliže zaručený odtok z obou vodních linek představuje přibližně 3 m³ za vteřinu, jde o opravdu velký potenciál. Pražská vodohospodářská společnost připravuje využití této energie prostřednictvím Energocentra nízkopotenciálního tepla.

Zaměřujete se tedy hodně na čistírny odpadních vod …

Například v naší Ústřední čistírně odpadních vod zatím není využito velké množství energie, které zůstává ve zpracovaných čistírenských kalech po získání bioplynu. Tu bude třeba v budoucnu využít při finálním termickém zpracování. Na objektech vodárenské infrastruktury je možné instalovat fotovoltaiku a zapojit ji do celkového systému hospodaření s energií. Čistírny odpadních vod dosud především separují z odpadních vod znečištění a tím chrání vodní toky, do nichž jsou vyčištěné vody vypouštěny. V budoucnu se z nich postupně stanou Zařízení na obnovu zdrojů z odpadních vod, ve zkratce ZOZOV. Obdobně jako už běžně existující ZEVO – Zařízení na energetické využití odpadu.

Jak jste na tom s energetickou soběstačností v zařízeních Pražské vodohospodářské společnosti?

Naše společnost je správcem vodohospodářské infrastruktury, která je majetkem hlavního města Prahy. Takže mluvíme o energetické soběstačnosti v jeho zařízeních, která pro něj spravujeme a která provozují Pražské vodovody a kanalizace. Úloha energetické soběstačnosti této vodohospodářské infrastruktury je složitá a zkusím ji popsat na komplexu s největším potenciálem – na Ústřední čistírně odpadních vod (ÚČOV). Mimochodem, čistírny odpadních vod jsou jedním z nejdražších provozů zařízení pro veřejnou potřebu. A podle odborných zdrojů na ně z hlediska energetických požadavků připadá více než 1 % spotřeby elektřiny ve světě. Od roku 2045 bude třeba, aby čistírny byly energeticky soběstačné, přičemž se přepokládá především využití energie z obnovitelných zdrojů, nejlépe vlastních.

Co se tedy v Podbabě chystá?

Investiční strategie na ÚČOV zahrnuje soubor staveb, které by měly být postupně realizovány zhruba do roku 2034. Zmiňoval jsem se o evropské a národní legislativě, která v nejbližší době vstoupí v platnost. Taxonomické kritérium pro čistírnu odpadních vod velikosti ÚČOV bude nejvýše 20 kWh na ekvivalentního obyvatele a rok. Především díky produkci a využití bioplynu jej ÚČOV plní už dnes hodnotou 11,5 kWh na ekvivalentního obyvatele a rok. Po připravované modernizaci a rekonstrukci Kalového a energetického hospodářství se tento parametr ještě výrazně zlepší. Složitější bude splnit očekávaný požadavek na 100% energetickou soběstačnost ÚČOV do roku 2045. V současné době představuje necelých 60 %. Po dokončené modernizaci a rekonstrukci v roce 2034 bude ÚČOV plně soběstačná v tepelné energii a v elektřině to může být až 92 %. Další prostor je ve využití energie ve zpracovaných a odvodněných čistírenských kalech.

Novou vodní linku na pražské čistírně jste spustili v roce 2018 a stála víc než 6,5 miliardy korun bez DPH. Co říká vaše strategie o dalších krocích?

Nová linka se stavěla necelých 35 měsíců a po uvedení do provozu výrazně přispívá ke zlepšení výsledné kvality vyčištěných odpadních vod, které jsou vypouštěny do Vltavy. Teď je třeba modernizovat Stávající vodní linku, postavenou a uvedenou do provozu v šedesátých letech minulého století. Její rekonstrukce a modernizace je součástí dlouhodobého plánu hlavního města Prahy, který byl přijat v roce 2004. Původně zahrnoval šest samostatných etap, v současné době je zřejmě konečný počet dvanáct. Hlavními jsou už dokončená a provozovaná Nová vodní linka, k zahájení stavby připravená Stávající vodní linka a dále Kalové a energetické hospodářství, u kterého letos začne podrobná projektová příprava. Celý soubor staveb by měl v současných cenách stát přibližně 31 mld. Kč bez DPH. Třicet let od stanovení koncepce do dokončení celého souboru je dlouhá doba, ale zároveň ukazuje, o jak složitý problém se jedná. U Stávající vodní linky v současné době probíhá výběrové řízení na zhotovitele. Zahájení stavebních prací přepokládáme v příštím roce, dokončení a uvedení do zkušebního provozu v roce 2028. Kromě toho samozřejmě průběžně probíhá systematická modernizace a obnova vodárenského i kanalizačního systému. V současné době investice v této části pražské vodohospodářské infrastruktury představují přibližně 3,5 mld. Kč bez DPH ročně.

Máte k dispozici pěkné schéma všech těch investic i s harmonogramem. Co si máme představit pod rámečkem Energocentrum?

Vedle historické čistírny odpadních vod Bubeneč, která je významnou technickou památkou, připravujeme stavbu nového objektu. Už jsem zmínil využití tepla na odtoku vyčištěné odpadní vody do řeky. V novém objektu Energocentra nízkopotenciálního tepla z ní velká tepelná čerpadla odeberou 10 ^oC, získané teplo převedou do topné vody a tou bude možné v konečném stavu vytápět více než 80 tisíc domácností s přibližně 200 tisíci obyvatel. Podobný koncept už dnes realizuje Vídeň. Předpokládáme, že v 1. etapě budou tepelná čerpadla s výkonem 90 MW využita k vytápění oblasti Juliska – Veleslavín. Pokud jde o nové obytné celky, tak v úvahu připadá třeba nová zástavba v území Bubny – Zátory. Konečný výkon tepelných čerpadel může být až 180 MW. A projekt Energocentra je zpracováván jako součást celkové Strategie teplárenství, kterou připravuje hlavní město Praha.

Fotovoltaika ještě není v čistírně instalovaná, kdy se to stane?

Fotovoltaika na čistírně bude vedle bioplynu a tepelných čerpadel spíše doplňkovým zdrojem. Ale ani ten nemusí být zanedbatelný. Její přínos závisí hlavně na tom, jestli se nám podaří projednat s partnery osazení fotovoltaických panelů na stropě Nové vodní linky. Ta byla jako jedna z mála čistíren odpadních vod v Evropě pozastavena jako plně zakrytá. Při plném využití ploch, kde je možné fotovoltaické panely teoreticky instalovat, by roční výroba mohla být až kolem 6 000 MWh, což představuje kolem 10 % celkové budoucí roční spotřeby vlastního komplexu ÚČOV bez Energocentra. A to už je samozřejmě zajímavé množství čisté energie, které by mohlo být k dispozici během tří let.

Z čištění odpadní vody zbývá spousta pevných složek, především čistírenské kaly…

Ze znečištění separovaného z odpadních vod čistírenské kaly představují největší objem. Ve vyhnívacích nádržích kalového hospodářství probíhá při teplotě 55 ^oC jejich tzv. anaerobní stabilizace. Je to v podstatě kontrolovaná mikrobiální přeměna organických látek bez přístupu vzduchu, jejímž výsledkem je bioplyn a stabilizovaný kal. Produkce bioplynu v současné době představuje až 17,5 milionů Nm³ za rok a je možné z něj vyrobit na kogeneračních jednotkách až 38 tis. MWh elektrické energie za rok. A k tomu až 45 tis. MWh tepelné energie, která je potřebná pro technologické procesy ve vyhnívacích nádržích. Po připravované modernizaci a rekonstrukci Kalového a energetického hospodářství může produkce bioplynu dosáhnout až 21 mil. Nm³ za rok. To by umožnilo vyrobit až 45 tis. MWh elektrické energie a přibližně 54 tis. MWh energie tepelné. I ta bude potřeba, protože objem nových vyhnívacích nádrží naroste o více než o polovinu proti současnosti.

Na co ještě používáte bioplyn?

Ověřili jsme v podmínkách čistírny pilotním projektem možnost úpravy bioplynu na biometan. Instalované zařízení umožňuje upravit až 2 mil. Nm³ bioplynu na 1,23 mil. Nm³ biometanu. Ten je v současné době těžebním plynovodem vtlačován do středotlaké plynovodní sítě nedaleko od ÚČOV. V současné době je v České republice jen sedm nebo osm takových zařízení, z toho pouze dvě umí dodávat biometan v parametrech zemního plynu do středotlaké plynovodní sítě. Náš biometan je jedním z nich.

Kaly se ale dají přímo spalovat?

To je problém, který musíme řešit v nejbližší budoucnosti. Po částečném využití organické složky ve vyhnívacích nádržích je ve stabilizovaném kalu stále ještě značný tepelný potenciál. Ten je možné využít dalším, termickým zpracováním. Vybudovat takové zařízení však na Císařském ostrově není reálné. Není tu pro něj k dispozici dostatečná plocha a pro spalovací zařízení v uzavřené Trojské kotlině stejně nejsou reálné podmínky. Přitom ve využití této zbývající energie je cesta k zajištění úplné energetické soběstačnosti, která pro nás bude ve střednědobém horizontu nezbytná. Cesta je ve společném projektu na termické zpracování odvodněných stabilizovaných kalů, např. se sesterskou společností Pražské služby v ZEVO Malešice.

Chystáte opravdu velké projekty. Kdo je zaplatí?

Už je také realizujeme. Problém hlavního města Prahy jako vlastníka vodohospodářské infrastruktury ovšem je, že s výjimkou energetických projektů v podstatě nemá šanci získat dotační podporu, jak národní, tak evropskou. Z pohledu možností dotační podpory je Praha hodnocena jako bohatý region. Nová vodní linka realizovaná v letech 2015–2018 stála necelých 7 mld. Kč bez DPH a Praha ji zaplatila v celém rozsahu z investiční části svého rozpočtu. Stavba Stávající vodní linky, kterou v nejbližší době zahájíme, bude v průběhu realizace stavby hrazena z městského rozpočtu, ale vynaložené finanční prostředky budou podle přesně stanoveného plánu městskému rozpočtu kompenzovány z tzv. nájemného, což je významná část vodného a stočného odváděná provozovatelem a spravovaná naší společností. U třetí velké stavby celého komplexu – Kalového a energetického hospodářství – bude zřejmě zvolena podobná cesta. I když tato část ÚČOV má charakter energetického zařízení, takže není vyloučeno, že tady bude možné nějakou dotační podporu získat.

Kromě čtyř velkých celků na ÚČOV běží celá řada dalších staveb obnovy a rozvoje jak v Trojské kotlině, tak na celé vodohospodářské infrastruktuře. Ta je financována téměř výhradně z nájemného, tedy vlastně z vodného a stočného. A nejedná se o malé částky, v současnosti je to ročně přibližně 3,5 mld. Kč bez DPH. Od nás to samozřejmě vyžaduje pečlivé plánování, rozhodování o prioritách jednotlivých investičních akcí a jejich řízení při realizaci. Výsledkem je ale výrazné zlepšení stavu celého systému vodovodů a kanalizací hlavního města Prahy oproti stavu před zhruba dvaceti lety.

Pracujete celý život ve vodárenství, mohl byste formulovat, co se nejvíc mění?

Obor vodovodů a kanalizací je do určité míry konzervativní už ve svém prvotním poslání. Nemění se to základní. Získat vodu ze zdroje, upravit ji na pitnou a dovést v zaručené kvalitě ke spotřebitelům. Po využití ji odvést kanalizačním systémem na čistírnu a po separaci znečištění vloženého spotřebiteli ji vypustit do vodního toku.

Nejvýraznějšími změnami procházejí čistírny odpadních vod a jejich kalová a energetická hospodářství, například z hlediska hledání účinnějších technologických procesů čištění od látek, se kterými se čistírny vod vypořádávají od počátku své existence, ale pro které se postupně stále zpřísňují parametry. Přípustná limitní hodnota jednoho z hlavních parametrů sledovaných na odtoku z čistíren – průměrný celkový dusík – se sníží z 10 mg na litr na 8 mg na litr vyčištěné odpadní vody. To je o 20 %! Důsledkem bude samozřejmě u většiny čistíren potřeba zajistit intenzifikaci současného procesu čištění za cenu vyšších provozních nákladů. Nebo v řadě případů technologickou linku doplnit o další stupeň čištění. V nejbližší budoucnosti bude čistírny nutné doplnit o tzv. kvartérní stupeň čištění, zajišťující odstraňování mikropolutantů.

V našem oboru zdánlivě neběží vývoj takovým tempem, jako třeba u informačních technologií. Ale snaha o ochranu člověka jako spotřebitele i ochranu přírodního prostředí, ve kterém žije, vyvíjí tlak a nedovolí, aby obor stagnoval. Soubor našich projektů směřuje k tomu, aby tyto trendy zachytil a vypořádal se s nimi.

Ing. Jiří Rosický vystudoval České vysoké učení technické, Stavební fakultu, obor Vodní hospodářství a vodní stavby. Pracoval v řadě pozic ve firmě Hydroprojekt (dnes SWECO). Dále působil v Pražských vodovodech a kanalizacích, inženýrské společnosti IKP Consulting Engineers, ČKD Praha DIZ a KK Technology. V současné době je ředitelem sekce strategických projektů obchodní divize Pražské vodohospodářské společnosti a.s. Je autorizovaným inženýrem pro vodní stavby a krajinné inženýrství.