Industrial Electrical Engineering and Automation. Vatten o energi. Föreningen Vatten Göteborg okt

Transkript

1 It takes energy to produce water Vatten o energi lokala o globala utmaningar Gustaf Olsson Lunds Tekniska Högskola Föreningen Vatten Göteborg 11 okt Vatten o energi Föreningen Vatten Göteborg okt PHOTO: Tim Robberts/ Getty Images and water to produce energy Föreningen Vatten Göteborg okt Water for Energy Future water supplies. Extraction & Refining Hydropower will require more energy Fuel Production (Ethanol, hydrogen) Wastewater Treatment Energy Associated with Uses of Water Energy for Water Thermo electric Cooling Extraction and Transmission Drinking Water Treatment Readily accessible fresh water supplies are limited and have been fully allocated in some areas Increased energy for pumping (deeper longer) New technologies to access/treat water will use more energy Impaired, reused, brackish, sea water Vattenresurser Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt

2 Vattentillgångar Vattentillgångar: inom nationer: Har - har inte vatten - % av befolkningen Användning av vatten i världen (2000) Extreme Scarcity Scarcity Stress Adequate Abundant Surplus Ocean/ No Data < ,000 1,000-1,700 1,700-4,000 4,000-10,000 >10,000 Inland Water m 3 /person/year Källa: J. Pittock, ANU, Australien Föreningen Vatten Göteborg okt Överskott Tillfredsställande Kronisk brist 16,3 % 7,8 % 16,7 % 34,7 % Otillräckligt 24,5 % Stress Föreningen Vatten Göteborg okt Industri 21 % Hushåll 10 % 69 % Jordbruk Med nuvarande ökningstakt kommer människan att behöva 40% mer vatten inom 20 år Källa: Wateraid statistics Föreningen Vatten Göteborg okt Australien enskilda hushåll 75% av australiensarna har levt med vattenransonering sedan 2005 Photos J Pittock Trädgårdar i Canberra: vattenransonering sedan December 2002 Källa: James Pittock, Australian Nat Univ Föreningen Vatten Göteborg okt Befolkningsökningen Föreningen Vatten Göteborg okt Befolkningsökningen Föreningen Vatten Göteborg okt

3 Vatten och Befolkningsökningen 8,000,000,000 60% Kommer att bo i städer Innevånare på jorden inom 15 år Politiska ledare måste prioritera återanvändning av vatten och energiåtervinning högt på agendan. Politicians must place water recovery and reuse high on the energy agenda to preempt problems related to ressource scarcity, massive migrations and urbanization. Hantera resursbrist, migration och urbanisering. Föreningen Vatten Göteborg okt Fertility rates in the world Oceania Latin America Asia Africa Less developed regions World total % fertility Föreningen Vatten Göteborg okt Vi kommer att vara 9 miljarder år 2050 Det betyder: nya innevånare på jorden varje dag nya innevånare varje vecka Därav nya stadsbor varje vecka under kommande 40 år Föreningen Vatten Göteborg okt The Land and Oceans have warmed Precipitation patterns have changed Klimatförändringarna Föreningen Vatten Göteborg okt Källa: IPCC Föreningen Vatten Göteborg okt Källa: IPCC Föreningen Vatten Göteborg okt

4 Most of the observed warming in the past 50 years is attributable to human activities World Trade Center 1971 Catastrophic weather-related losses increased 3-fold from 1980s Källa: IPCC Föreningen Vatten Göteborg okt Lake Mead 1971 Mellan 2000 o 2009: 96 % 43 % Kan vara tom inom 10 år Hoover Dam 1971 El för hem Föreningen Vatten Göteborg okt Källa: IPCC Föreningen Vatten Göteborg okt Carbon emissions Relative carbon emissions From E. Jacobs Amsterdam Energy for the water cycle Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt

5 Electric power consumption Clean Water Requires Energy! Electric power consumption Water supply and wastewater treatment: USA 5 % UK 3 % Sweden 1 % Israel 10 % With more advanced water treatment we need more energy Pumping Having efficient pumps Increase efficiency! for adequate flows Operating at dynamically changing flows and pressures Aeration in wastewater treatment Minimize air flow! Adequate compressors Controlling the air flow for variable loads Water distribution Drinking water treatment Pumping to waterworks Water use Waste water treatment Pumping sewage water Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Electric power consumption - Sweden Water0,11 distribution Drinking water treatment 0,13 0,24 Pumping to waterworks kwh/m 3 Water use > 50 0,9-10 Waste water treatment Pumping sewage 0,16 water Desalination sea Desalination brackish Sweden (ave.) Adelaide Energy for pumping 1 m 3 drinking water compared to desalination S Calif Melbourne N Calif 0,09 0,04 0,24 2 1,9 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 2,3 4 Pumping kwh Energy needed to produce 1 m 3 of clean water Seawater Brackish water Biol WW treatment (Germany) Wastewater (high) Wastewater (low) Groundwater Lake or river kwh/m3 Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt

6 Energy for Aeration Key Parameters The electrical power consumption for aeration for nitrification is 50-80% of the total plant consumption Over-design too common! How much oxygen is needed? Can we measure or estimate the need? YES! How much air pressure is needed? Need to be constant? NO! Electrical Energy Per m 3 water: Total kwh Aeration kwh Mixing kwh Flotation kwh Per kwh: kg removed NH 4 -N (total) kg removed NH 4 -N (aeration) kg removed BOD (aeration) Heat Energy Heating the sludge Heat content of effluent water Biogas Gas production for el. power Other g removed P per g chemicals a global Föreningen network Vatten for Göteborg water professionals okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Water for energy production Vatten o energi i konflikt Georgia Power önskade utnyttja Chattahoochee River för kylvatten till kraftverk. NEJ Georgia vill minska vattenflödet från reservoarer till Apalachicola-floden. Florida protesterar: minskat flöde riskerar utrotningshotade arter. Alabama protesterar: hot att stänga kärnreaktorn Farley Nuclear Plant S-N Water Transfer Project, China 1 etapp klar 2007 Allt klart 2050 Flöde lika stort som Rhen Source: S-N Water Transfer Corporation, PRC Föreningen Vatten Göteborg okt Källa: A. Hoffman, DoE, USA Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt

7 Upper Yangtze Basin, China Vattenanvändning Liter per person o dag Vattenanvändningen Nordamerika Europa Utvecklingsland Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Kostnad för vatten % av lönen Kostnad för vatten Kostnad för vatten Tanzania 5,7 Uganda 3,2 Pakistan 1,1 UK 0,01 USA 0, % av lönen Föreningen Vatten Göteborg okt Phnom Penh, Kambodja Manila, Filippinerna Jakarta, Indonesien Dhaka, Bangladesh USA Sverige Frankrike 1,6 4,7 0,3 0,4 0,5 2 1, USD per m 3 Föreningen Vatten Göteborg okt Köpenhamn Atlanta, Georgia Memphis, Tennessee Las Vegas, Nevada $ för de första 15 m3 Föreningen Vatten Göteborg okt

8 Kostnaden för dåligt vatten.. Kostnaden för Afrika på grund av brist på rent vatten and sanitet: 28 miljarder US$ eller 5% av BNP Länder söder om Sahara har råd att utnyttja 4% av sina förnyelsebara vattenresurser % i industriländer. Fattigdom och svält måste bekämpas. Då kan man också lösa vattenfrågan Källa: Världsbanken Utbildning och levnadsvillkor 440 miljoner skoldagar förloras varje år på grund av vattenrelaterade sjukdomar 11% fler flickor går i skolan om det finns sanitetsmöjligheter 40 miljarder arbetstimmar (25 miljoner heltidsarbeten) används varje år för att bära vatten i Afrika Hushåll på landsbygden i Afrika använder 26% av sin tid för att hämta vatten. Det är vanligen kvinnornas roll Om vi halverar antalet människor som ej har tillgång till rent vatten Minskad diarré ger 270 millioner skoldagar ger 3200 millioner arbetsdagar för åldrarna Minskade kostnader för sjukdomsbehandling, cirka 1,7 miljarder US$ per år Vi har inte råd att låta bli! Föreningen Vatten Göteborg okt Källa: Wateraid statistics Föreningen Vatten Göteborg okt Källa: UN Development Report Föreningen Vatten Göteborg okt Consumption of drinking water cities in the world Consumption of drinking water cities in the world Water charge compared to GDP Consumption Tariff Föreningen Vatten Göteborg okt Consumption From 0.34 to 650 litres From to 3.13 USD/m 3 Tariff Föreningen Vatten Göteborg okt Total charge GDP Föreningen Vatten Göteborg okt

9 Cost for water (SEK) in Swedish households 9 municipalities Fixed and total water cost 104 cities Progressive pricing - Greece Price per household Cost in USD for 200 m 3 Cost in Volume m 3 Föreningen Vatten Göteborg okt City number Föreningen Vatten Göteborg okt Volume Föreningen Vatten Göteborg okt Valueof water priceof water Water use and price Water use and price Cost in Volume 100 cities Liters/cap/day US$/m 3 Source: IWA 100 cities A ratio of 2000! Liters/cap/day US$/m 3 A ratio of 200! Source: IWA Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt

10 Domestic water consumption Water consumption Cost of water - % of income liters/cap/day USA Australia Canada 800 China Germany The Netherlands Source: IWA 140 India liters/cap/day USA Australia Domestic Agriculture Industry Canada China Germany The Netherlands Source: IWA India % of income ,7 1,1 0,006 0,013 USA UK Pakistan Tanzania Source: IWA Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Cost of water - US$/m 3 Consumer behaviour Demand side management Manila, Philippines 4,7 Phnom Penh, Cambodia 1,6 Dhaka - Bangladesh 0,4 Germany 1,9 USA 0, US$/m3 Source: Water atlas Water users generally unaware of their own consumption Changes in behavior are constrained by habit and lack of knowledge Governments and water companies need to step in to change habits The consumers form a big part of the decision making process Open loop solutions Timers on sprinklers, washing machines, dishwashers Feedforward Irrigation based on weather, models etc. Feedback Irrigation based on moisture measurements Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt

11 What can we do? Example UK UK water industry 5 MtCO 2 e (2006/07) Wastewater treatment Domestic use Water distribution Water treatment Pumping drinking water Warm water in the home ~35 MtCO 2 e 0,11 0,14 0,03 0,48 Corresponds to 5% of the GHG Source: Trevor Bishop, UK Föreningen Vatten Göteborg okt , kg CO 2 e/m 3 To deliver cold and clean drinking water (Sweden) kwh / m , To heat the water from 15 C to 60 C (plus losses!) The lesson: decrease the warm water consumption! Föreningen Vatten Göteborg okt We can influence the power use and the water use! Saving energy at home Warm water use (kitchen + bathroom) Refrigerators Washing machine Dishwasher Air conditioners Heating systems Lamps Saving hot water saves energy Föreningen Vatten Göteborg okt Det finns flera sätt att begränsa tiden för dusch.. Föreningen Vatten Göteborg okt Vatten för att driva etanoldriven bil Vatten för att odla säd eller majs för etanol Nära liter vatten per mil för en etanoldriven bil Ref: Michael Webber Univ. of Texas-Austin. Föreningen Vatten Göteborg okt Sverige: Ca 500 miljoner plastflaskor I Sverige dricker vi 284 miljoner liter flaskvatten per år Över 30 liter per person ton koldioxid motsvarande bilar Föreningen Vatten Göteborg okt

12 Attityder till vatten 3000 gånger dyrare. Mångdubbelt större klimatpåverkan Flaskvatten kr/l Nästan lika bra som kranvatten! Kranvatten 1,5 öre/l Smart water grids Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt The smart water grid A smart, intelligent, grid should.. Why do we need it? Delivers water from suppliers to consumers using a wide spectrum of sensors digital communication computer control remotely controlled actuators. Be self-healing (detects, analyzes, responds, restores) Empower and incorporate the consumer Be tolerant of security attack Accommodate a variety of production options Optimize asset use - minimize O&M costs Be a significant contributor to preserving our environment Minimum water use Minimum carbon footprint In the grid operation At the customer Consistent water quality Ensure safe delivery Föreningen Vatten Göteborg okt Ensure the reliability of water supply Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt

13 What is new? Keep track of A SCADA system for grids (Supervisory Control and Data Acquisition) Water from many sources Surface water Groundwater Desalination Water reuse Rainwater harvesting Many different water uses Drinking water Washing Toilet flushing Irrigation Street cleaning How to manage - automatically All the water flowing in the system consumer behaviour demand side requirements leakages appearing as bursts and slow leakages electrical power use In real time Applied in process industries Here: Demand management Consumers act in their own way Partly controllable Wide geographical area Wide area grid control Local control at the demand side Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Task 1: Ensure water quality Task 2: Minimize water usage Task 3: Efficient operation Monitor water intake water transmission Calculate propagation of pollutants water age Analytical tools to find deviations from normal operation Customer behaviour Efficient machinery at the user Demand side management, e.g. irrigation Online water pricing indirect control of water usage Minimize carbon footprint Grid operation pumping, pressure control Water use Water is energy Detect and localize leakages automatically Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt

14 Increasing flows of data Tack! Gustaf Olsson Lund University, Sweden Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt Föreningen Vatten Göteborg okt