应用报告 玛尔丽斯堡：通往 水务能源中和之道 300 公吨 降低二氧化碳年排放 量的最佳实践 drives.danfoss.cn 2 Danfoss Drives · BE424615700015zh-000101 挑战 为城市居民提供生活用水和卫生服务需要耗费大量资 源。这种挑战只会随着全球发展和人口增长而不断升 级。如今，经济的高效节能解决方案可以大幅降低供水 行业的能耗，尤其是在污水处理厂的能耗。 如果不采取措施，到 2030 年，全球与水相关的能耗将增 1 加 100%。 解决方案： 污水厂变身能源生产企业 丹麦奥尔胡斯的玛尔丽斯堡污水处理厂 (WWTP) 能够 生成的能量远远高于为 20 万人处理污水所需的能量。 事实上，玛尔丽斯堡污水处理厂生成的能量非常多，完 全可以保障饮用水供应所需的能量。 玛尔丽斯堡污水处 理厂为水务能源中和开创出一条新路，展示如何将能源 与水脱离开来。 • • 玛尔丽斯堡污水处理厂生成的能源足以满足整个城 市 20 万人口的水循环需求，总投资回报时间估计为 4.8 年 剩余能量由电能 (50%) 和热能 (50%) 组成 1. https://iea.blob.core.windows.net/assets/77ecf96c-5f4b-4d0d-9d93d81b938217cb/World_Energy_Outlook_2018.pdf Danfoss Drives · BE424615700015zh-000101 3 水是气候保护行动的关键 挖掘废水管理的绿色潜力 水至关重要。水是生命之源，同时也 是应对气候变化的关键。捍卫公众人 权，为公众提供干净饮用水和卫生设 备需要耗费大量资源。 根据国际能源署 (IEA) 的统计，全球 水务行业每年能耗大约为 1.2 亿吨， 几乎相当于澳大利亚的能源使用 总量。1 如果不采取任何行动，截至 2030 年，全球与水相关的能耗将会 提高 100%。2 世界需要更多的水和更 少的碳排放。能源效率必能打破这条 曲线。 如果供水和水处理领域能够充分利 用所有可行、且经济合算的能源效率 方案，充分挖掘能量回收潜力，那么 3 这些领域就蕴藏着巨大的节能潜力。 一个显而易见的出发点就是污水处 理厂，这是全球大多数城市都会有的 市政设施。污水处理厂通常由市政当 局运营，耗电量占到城市总电量的 4 30-40%。 对于污水处理公司而言，电 费往往是位居人力成本之后的第二 5 大运营成本。 废水中含有大量可以利用的内在能 量，将废水能源加以妥当管理，即可 转化为中性能源，在消耗能量的同 时，不断产生能量，通过正确的做法 实现更多目标。因此，污水处理厂潜 力无限，完全可以从耗能者变身为能 源生产者。 2. https://iea.blob.core.windows.net/assets/77ecf96c-5f4b-4d0d-9d93-d81b938217cb/World_Energy_Outlook_2018.pdf 3. https://iea.blob.core.windows.net/assets/77ecf96c-5f4b-4d0d-9d93-d81b938217cb/World_Energy_Outlook_2018.pdf 4. https://www.epa.gov/sustainable-water-infrastructure/energy-efficiency-water-utilities 5. https://link.springer.com/article/10.1007/s11157-018-9478-x 4 Danfoss Drives · BE424615700015zh-000101 丹麦奥胡斯玛尔丽斯堡 污水处理厂 所有人：奥胡斯 Vand 公司 集水区：20 万 (人口) 建筑简介：30 年以上 Danfoss Drives · BE424615700015zh-000101 5 供水和污水处理系统 水的处理和配送能耗涉及泵送地下 水，净化地下水使其变成饮用水，再将 饮用水泵送到集水区的消费者手中。 污水传送能耗主要在泵站，泵站将污 水从消费者居所泵送到污水处理厂。 WWTP 集中了污水处理厂的所有能耗 6 Danfoss Drives · BE424615700015zh-000101 20 万人口的 能源中和水务管理 玛尔丽斯堡污水处理厂 污水处理是一个能源密集型的过程，需要全天不间断运行。 将水从下水道往下泵送到 处理厂需要耗能，在曝气池、内部泵运行和污泥处理中也会产生大量能耗。 污水处理厂在发电和供热方面都有 巨大的产能潜力。在丹麦奥胡斯市， 由奥胡斯 Vand 公司运营的玛尔丽斯 堡污水处理厂成功减少了能源消耗， 同时提高了能源产量，足以与集水区 总的水循环（即饮用水供应和污水处 理）能耗相匹配，从而有效地将水与 能源分离开来。 这一成功的基础涉及两级战略：降低 能耗，同时提高能源产量。 2005 年，奥胡斯 Vand 公司开始在玛 尔丽斯堡集水区提高能源效率和能 源产量。在整个水循环系统中，几乎 所有配备电机的设备（总计 125 台） 都配置了变频器，实现可控性，确保 达至最佳性能所需的适当能量。在这 些变频器的控制下，污泥平衡效果更 好，能源生产得以改善。 污水处理厂内安装了一系列智能传 感器。它们实时提供重要信息，可自 动计算变频驱动装置的设置点。因 此，玛尔丽斯堡污水处理厂可实现高 能效运行。 与此同时，玛尔丽斯堡污水处理厂也 是一座生产能源的生物冶炼厂。 2010 年，奥胡斯 Vand 公司开始对污水处 理机制的这一层面进行改进。工厂利 用产生的沼气从家庭废水中生产能 源。污泥从废水中提取出来，然后泵 入消化池。 这些气体产生的沼气（主要是甲烷） ， 燃烧后产生热量和电力。 在 2016 年至 2021 年期间，玛尔丽斯 堡污水处理厂产生的能源比处理废 水所需的能源要多近 100%。产生的 能源也可以用于为该区域供应饮用 水。这意味着玛尔丽斯堡污水处理厂 产生的能源足以满足整个集水区水 循环的需求，包括饮用水输送和废水 处理，基本上将水与能源分离。据估 计，70% 的改进之处得益于过程优化 和数字化。 Danfoss Drives · BE424615700015zh-000101 7 将水与能源分离开来 无需补充 立等可用 玛尔丽斯堡集水区的能源平衡水平 平均为 100%，但随着季节和年份的 变动，该水平也在上下波动。通过污 泥发电时，我们需要将预期设定在现 实水平：对于这些基于生物的工艺过 程，由于输入量、含量和有时不可预 测的化学成分不同，发电量和能耗总 是会发生自然变化。 尽管生物能源的生成过程比大多数 人所知的要更复杂，但它们已在多个 污水处理厂实施，全都运行稳定。由 于生物学的复杂性，不可能将过程直 接从一个厂复制到另一个厂；而是每 个新工厂都需要单独的可行性研究。 这些工厂运行非常平顺，目前来看， 成熟运营的工厂已经在 3 年内实现 过程控制设备的投资回报 (ROI)。 值得注意的是，工厂并没有采用太阳 能或风能它既没有从食品行业的脂 肪、油脂 (FOG) 中补能，也没有通过其 它工厂的污泥补能。所有废水来自组 合式污水管网系统。玛尔丽斯堡污水 处理厂产生的所有能源均来自普通 家庭废水，占总量的 90%。 10 9 8 Energy self sufficiency 能效自给自足 GWh/年 GWh/year 7 6 5 4 3 2 1 0 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 Energy self sufficiency 能效自给自足 能耗 - 水处理和分配 Energy consumption - Water treatment and distribution 发电量 Power production 能耗 - 玛尔丽斯堡污水处理厂 Energy consumption - Marselisborg wastewater treatment plant Excess heat production 过剩热能生产 8 105% 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Danfoss Drives · BE424615700015zh-000101 能耗 - 污水运输 Energy consumption - Wastewater transport 玛尔丽斯堡污水处理厂的能源生产 几乎涵盖了整个水循环 能耗 2016-2021 年 平均值 330 万 水处理，分配 (kWh) 70 万 废水运输 (kWh) 330 万 玛尔丽斯堡污水处理厂 (kWh) 720 万 总能耗 (kWh) 能源生产 发电量 (kWh) 470 万 能源总产量 (kWh) 680 万 210 万 产热量 (kWh) 自我供能等级 废水处理过程、电力和热量 (%) 208% 玛尔丽斯堡集水区总的水循环 94% 过程控制设备的 平均投资回报期 估计为 3年 Danfoss Drives · BE424615700015zh-000101 9 从耗能者变身产能者 高效水处理指南 玛尔丽斯堡污水处理厂为全球城市指明了能源中和水务之道。 简而言之，需要两个步 骤：避免使用不需要的能源，充分利用污水自身的能量。 1. 基准界定 测量 能量表显示供水和污水处理中都使用了多少能量。 评估 找到最有吸引力的节能机会。 2. 降低能耗 本地数字化 通过安装实时传感器和变频器 来搭建本地控制回路，确保更 高效地利用能源。 3. 提高能源产量 高效组件 切换至更高效的组件， 例如高速涡轮鼓风机。 整体数字化 选择合适的过程控制措施实现节能，这样会产生双重效果。节约 能源，提供更多的污泥用于生产天然气，这些污泥可以通过热电 联产 (CHP) 过程转化为电能或热能。 10 Danfoss Drives · BE424615700015zh-000101 整体数字化 将本地控制回路整合到全面、 自动、实时的过程中，让整个 设施都采用数字过程控制。 Danfoss Drives · BE424615700015zh-000101 11 Taarnby 污水处理厂 在大哥本哈根的 Taarnby 市，新能源中心为企业和市民提供区域供冷和供热服务。独特的能源中