HÅVA – Hållbarhetsanalys för värmeåtervinning ur avloppsvatten

2016-2021 undersökte projektet HÅVA om värmeåtervinning kan implementeras i stor skala utan oacceptabel påverkan på avloppssystemet och miljön? Här sammanfattar vi resultaten från projektet.

Uppvärmning av tappvarmvatten utgör lejonparten av den totala energianvändningen i den urbana vattencykeln, upp till 90 procent. Uppskattningar visar att 780 till 1 150 kWh per person och år används i svenska hushåll i form av varmvatten. Denna energi hamnar huvudsakligen i avloppsvattnet. Variationerna i varmvattenanvändning är stora och det går att göra besparingar på brukarnivå. Ändå finns det stor potential för energieffektivisering genom värmeåtervinning ur avloppsvatten med värmeväxlare och värmepumpar.

I många kommuner är värmeåtervinning ur kommunalt avloppsvatten i dag förbjuden eller kraftigt begränsad på fastighetsnivå genom skrivningar i Allmänna bestämmelser för VA-anläggning (ABVA). Det krävs bättre förståelse av värmeåtervinningens system­påverkan för att avgöra hur, eller om, detta bör regleras utan att i onödan begränsa en stor potential för energieffektivisering. Syftet med projektet var att bidra till ökad kunskap om värmeåtervinning ur avloppsvatten och hur det påverkar avloppsvattenreningen.

Värmeåtervinning ur avlopp är lovande ur ett energiperspektiv, men det finns också utmaningar på systemnivå där motstridiga målsättningar inte har undersökts fullt ut. Om värmeåtervinningen resulterar i lägre inloppstemperatur för avloppsvattnet till reningsverket kan det leda till försämrad rening och ökade utsläpp till recipienten av framför allt kväve, samt till ökade driftskostnader för energi och kemikalier.

Systemstudie

Projektrapporten redovisar en systemstudie som har utförts för att undersöka vilken effekt som värmeåtervinning i olika positioner (från byggnad till reningsverk) och olika omfattning får på systemet i stort när det gäller energiåtervinning, vattentemperatur och avloppsvattenrening. I det undersökta systemet ingår hela avloppssystemet från uppkomsten av avloppsvatten i fastigheter över ledningsnätet till rening i reningsverk och utsläpp till recipient. Kopplingen till och effekten på den integrerade el- och vär­meproduktionen vid kraftvärmeverk har också undersökts.

En matematisk modell för flöde, temperatur och föroreningsbelastning av avloppsvatten har byggts upp. Modellen inkluderar generering av hushållsspillvatten, energibalans i byggnad, ledningsnät och reningsverk, drift- och reningsprocesser på reningsverk, samt energiåtervinning med värmeväxlare och värmepumpar i olika delar av systemet. Tre fallstudier har utförts i Linköping, Malmö och Lidingö där olika aspekter av frågeställningen har undersökts. Simuleringar har utförts av värmeåtervinning i fyra principiellt olika positioner och för olika andelar av avloppsvattnet (0 till 100 procent).

Resultaten från mätningar och simuleringar visar att den genomsnittliga opåverkade avloppsvattentemperaturen ut från lägenhetsbyggnader är 18 till 25 °C beroende på bland annat kallvattentemperatur. Simulering i Linköping av värmeåtervinning med värmeväxlare i duschar visar att temperaturen sänks med mellan 1,5 och 4,2 °C (årsmedelvärde) från byggnaden. Vid värmeväxling av det samlade avloppsvattnet från fastighet sänks temperaturen med upp till 2,3 °C (årsmedelvärde). Temperatursänkningen är större vintertid, upp till 3,4 °C. De stora variationerna beror på utrustningens effektivitet och temperaturskillnaden i värmeväxlaren.

I ledningsnätet går energi förlorad till omgivande mark och luft. Inloppstemperaturen till reningsverket skiljer sig signifikant mellan olika platser beroende på bland annat ledningsnätets storlek och status. Simuleringar av värmeåtervinning uppströms renings­verket i antingen byggnader eller ledningsnäten visar att inloppstemperaturen sänks i varierande grad. Vid värmeåtervinning i byggnader sänks temperaturen mest om åtgärden görs på duschar; vid en inkopplingsandel på 90 procent av duscharna med värmeåtervinning nås i genomsnitt en temperatursänkning på 1,0 °C vid inloppet till reningsverket (simuleringar för Linköping). Större temperatursänkning, 2,5 °C, uppnås bara vid simulering av 60 till 90 procent värmeåtervinning med värmepumpar i det kommunala spillvattennätet. Påverkan på inloppstemperaturen varierar över dygnet, veckan och året.

De temperatursänkningar som uppmättes i studien visade sig inte ha någon signifi­kant påverkan på reningseffekten i avloppsreningsverket. Med tanke på osäkerheterna i modellen har ingen signifikant ökning av ammonium- och totalkväve i utgående vat­ten påvisats. Större och jämnare temperatursänkningar än vad värmeåtervinningen visade sig åstadkomma har också simulerats. Med upp till 3 °C temperatursänkning av inkommande avloppsvatten visade simuleringar av Linköpings och Käppalaförbundets avloppsreningsverk viss ökning av ammonium- och totalkväve men utan att överskrida gällande utsläppsvillkor när verken drivs med oförändrad driftstrategi och belastning. Sänkt avloppsvattentemperatur kan, utifrån lokala förutsättningar, i vissa fall påverka avloppsreningsverket utöver den nuvarande reningsprestandan (inklusive kväveav­skiljning) som utvärderats i den här studien. Kapacitetsgränsen för anläggningen kan sänkas och sedimenteringsprocesserna kan påverkas negativt.

Mängden återvunnen värme är störst vid värmeåtervinning i duschar, 120 till 330 kWh per person och år. Undantaget är sommartid då värmeåtervinning med värmepumpar på en större del av flödet i ledningsnätet kan ta ut mer energi totalt sett. Simuleringarna med värmepumpar har dock stora osäkerheter eftersom en skalbar generell värmepumps­modell har använts; platsspecifika faktorer påverkar prestanda mycket i verkliga fall.

Värmeåtervinningen påverkar det integrerade energisystemet på olika sätt beroende på vilken energikälla den återvunna värmen ersätter. Minskat värmeunderlag för kraft­värme leder samtidigt till minskad produktion och försäljning av el och värme, vilket i sin tur leder till sämre ekonomiskt resultat för energibolaget. Samtidigt visar simuleringar av det integrerade energisystemet i Linköping (inklusive kompensatorisk elproduktion för bortfallet lokalt) att växthusgasutsläppen ökar med cirka 63 g CO2e (koldioxidekvi­valenter) per kWh återvunnen avloppsvattenvärme. Detta gäller kraftvärme och inte generellt för andra uppvärmningsmetoder såsom eluppvärmning eller fjärrvärme utan kombinerad elproduktion. Möjliga framtida förändringar av energisystemet har inte beaktats.

Kostnaden för och vinsten med värmeåtervinning tillfaller den som tar ut och åter­brukar värmen om inte andra avtal sluts. Det gäller fastighetsägarna i fastigheter och VA-organisationen på reningsverk. Om det inte går att visa att värmeåtervinning påver­kar avloppssystemet negativt bör det utredas om det är rimligt att hindra kunderna från att återvinna den energi som de själva värmt upp vattnet med.

Finansiering

Projektet finansieras av forskningsrådet Formas, Svenskt Vatten Utveckling och deltagande projektparter.

Projektkoordinator och kontaktperson

Magnus Arnell, Forskare RISE och Lunds universitet
E-post: magnus.arnell@ri.se

 

Målsättning

  • Göra en kunskapssammanställning för värmeåtervinning ut avloppsvatten.
  • Utveckla en systemövergripande simuleringsmodell som inkluderar varmvattenanvändning, värmeåtervinning, energibalanser samt reningseffekten på reningsverket.
  • Genomföra hållbarhetsanalys i tre fallstudier för Malmö, Linköping och Lidingö där modellen testas.

Publikationer

Arnell, M., Saagi, R. (2020) Modelling of heat recovery equipment. Technical Report. Division of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University, LUTEDX/(TEIE-7280)/1-8/(2020), Lund, Sweden.,

Visa publikation

Wärff, C (2020) Household wastewater generation model. Technical report. Division of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University, LUTEDX/(TEIE-7279)/1-29/(2020), Lund, Sweden. ,

Visa publikation

Reyes, D. (2019) Modelling heat recovery for urban wastewater systems – a case study from Malmö Department of Chemical Engineering, Lund University,

Visa publikation

Arnell, M., Lundin, E., Jeppsson, U. (2017) Sustainability Analysis for Wastewater Heat Recovery – Literature Review. Technical report, Division of Industrial Electrical Engineering and Automation, Lund University, LUTEDX/(TEIE-7267)/1-41/(2017).,

Visa publikation

Wärff, C., Arnell, M., Sehlén, R. Jeppsson, U. (2020) Modelling heat recovery potential from household wastewater Water, Science & Technology, DOI: https://doi.org/10.2166/wst.2020.103

Visa publikation
Alla publikationer

Projektmedlemmar från Sweden Water Research och ägarbolagen

Partners i projektet