Η κατανάλωση ενέργειας αντιπροσωπεύει μεγάλο μέρος του λειτουργικού κόστους των μονάδων επεξεργασίας λυμάτων. Ο τρόπος χρήσης των νέων τεχνολογιών και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης και τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στη διαδικασία παροχής νερού και επεξεργασίας νερού έχει γίνει το επίκεντρο πολλών μονάδων επεξεργασίας λυμάτων στον κόσμο. Σήμερα θα σας παρουσιάσουμε την εφαρμογή της ηλιακής ενέργειας σε αρκετές εγκαταστάσεις λυμάτων στις Ηνωμένες Πολιτείες.

Επιτροπή υγιεινής των προαστίων της Ουάσιγκτον, μονάδα επεξεργασίας λυμάτων Senecaand Western Branch, Germantown & Upper Marlboro, Μέριλαντ

Η επιτροπή υγιεινής των προαστίων της Ουάσιγκτον (WSSC) έχει δημιουργήσει δύο ανεξάρτητους ηλιακούς φωτοβολταϊκούς σταθμούς ισχύος 2 MW, καθένας από τους οποίους μπορεί να αντισταθμίσει την ετήσια αγορά ηλεκτρικής ενέργειας που συνδέεται με το δίκτυο περίπου 3278 MWh/έτος. Και τα δύο φωτοβολταϊκά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάζονται σε ανοιχτούς χώρους πάνω από το έδαφος, δίπλα στη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων. Η Standard Solar επιλέχθηκε ως ανάδοχος EPC και η Washington Gas Energy Services (WGES) ήταν ο ιδιοκτήτης και πάροχος PPA. Η AECOM βοηθά την WSSC να εξετάσει τα έγγραφα σχεδιασμού των προμηθευτών EPC για να εξασφαλίσει την υψηλή ποιότητα του συστήματος.

Η AECOM υπέβαλε επίσης έγγραφα περιβαλλοντικής άδειας στο Υπουργείο Περιβάλλοντος του Μέριλαντ (MDE) για να διασφαλίσει ότι το ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα συμμορφώνεται με τους τοπικούς περιβαλλοντικούς κανονισμούς. Και τα δύο συστήματα συνδέονται με τον πελάτη της συσκευής υποβάθμισης 13.2 kV/ 480 V και βρίσκονται ανάμεσα στον μετασχηματιστή και τυχόν ρελέ ή διακόπτες κυκλώματος που προστατεύουν τη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων. Λόγω της επιλογής των σημείων διασύνδεσης και της παραγωγής ηλιακής ενέργειας που μερικές φορές (αν και σπάνια) υπερβαίνει την επιτόπια κατανάλωση ρεύματος, έχουν εγκατασταθεί νέα ρελέ για να αποτρέψουν την επιστροφή της ισχύος εξόδου στο δίκτυο. Η στρατηγική διασύνδεσης των εγκαταστάσεων της μονάδας επεξεργασίας λυμάτων της Blue Plains της DC Water είναι πολύ διαφορετική από αυτή του WSSC και απαιτεί πολλαπλές μεθόδους διασύνδεσης, κυρίως λαμβάνοντας υπόψη ότι υπάρχουν δύο κύριοι τροφοδότες ηλεκτρικής ενέργειας που διακλαδίζονται σε τρεις κύριους ηλεκτρικούς μετρητές και αντίστοιχα κυκλώματα μέσης τάσης.

Μονάδα επεξεργασίας λυμάτων Hill Canyon, Thousand Oaks, Καλιφόρνια

Η μονάδα επεξεργασίας λυμάτων Hill Canyon κατασκευάστηκε το 1961, με ημερήσια ικανότητα επεξεργασίας περίπου 38,000 τόνων, και είναι γνωστή για την εξαιρετική περιβαλλοντική της διαχείριση. Η μονάδα αποχέτευσης είναι εξοπλισμένη με συσκευή επεξεργασίας τριών σταδίων και τα επεξεργασμένα λύματα μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν ως ανακτηθέν νερό. Το 65% της κατανάλωσης ενέργειας στο εργοτάξιο παράγεται από μια μονάδα συμπαραγωγής 500 κιλοβάτ και ένα ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα 584 κιλοβάτ DC (500 κιλοβάτ AC). Το ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα είναι εγκατεστημένο σε μια δεξαμενή υπερχείλισης ως στρώμα ξήρανσης βιοστερεών, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8. Αυτά τα αρθρωτά εξαρτήματα είναι εγκατεστημένα σε έναν ανιχνευτή μονού άξονα πάνω από την υψηλότερη στάθμη του νερού και όλες οι ηλεκτρικές συσκευές είναι εγκατεστημένες στη μία πλευρά του το κανάλι για να ελαχιστοποιηθεί η διείσδυση νερού. Το σύστημα έχει σχεδιαστεί για να χρειάζεται μόνο να εγκαταστήσει τις κάθετες αγκυρώσεις της προβλήτας στην υπάρχουσα τσιμεντένια πλάκα πυθμένα της πισίνας, μειώνοντας την ποσότητα κατασκευής που απαιτείται για την παραδοσιακή πασσάλωση ή θεμέλια. Το ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα εγκαταστάθηκε στις αρχές του 2007 και μπορεί να αντισταθμίσει το 15% των τρεχουσών αγορών του δικτύου.

Ventura County Waterworks District, Moorpark Reclaimed Water Plant, Moorpark, California

Περίπου 2.2 εκατομμύρια γαλόνια (περίπου 8330 m3) λυμάτων από 9,200 χρήστες ρέουν στην Εγκατάσταση Αποκατάστασης Νερού Moorpark κάθε μέρα. Το στρατηγικό σχέδιο 2011-2016 της κομητείας Ventura περιελάμβανε πέντε «βασικούς τομείς», συμπεριλαμβανομένων του «περιβάλλοντος, της χρήσης γης και των υποδομών». Οι ακόλουθοι είναι οι βασικοί στρατηγικοί στόχοι σε αυτόν τον συγκεκριμένο τομέα: «Εφαρμογή οικονομικά αποδοτικών μέτρων εξοικονόμησης ενέργειας και μείωσης των εκπομπών μέσω ανεξάρτητης λειτουργίας, περιφερειακού σχεδιασμού και συνεργασίας δημόσιου/ιδιωτικού τομέα».

Το 2010, η υδάτινη περιοχή No. 1 της κομητείας Ventura συνεργάστηκε με την AECOM για τη διερεύνηση φωτοβολταϊκών συστημάτων. Τον Ιούλιο του 2011, η περιοχή έλαβε ένα ταμείο βραβείου απόδοσης φωτοβολταϊκού έργου 1.13 MW στο Moorpark Waste Reclamation Facility. Η περιοχή έχει περάσει από μια μακρά διαδικασία Αίτησης για Πρόταση (RFP). Τελικά, στις αρχές του 2012, η ​​RECsolar έλαβε την άδεια για το έργο για την έναρξη της μελέτης και κατασκευής του φωτοβολταϊκού συστήματος. Το φωτοβολταϊκό σύστημα τέθηκε σε χρήση τον Νοέμβριο του 2012 και έλαβε άδεια παράλληλης λειτουργίας.

Το σημερινό ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα μπορεί να παράγει περίπου 2.3 εκατομμύρια κιλοβατώρες ηλεκτρικής ενέργειας κάθε χρόνο, κάτι που μπορεί σχεδόν να αντισταθμίσει το 80% της ηλεκτρικής ενέργειας που αγοράζεται από το εργοστάσιο ύδρευσης από το δίκτυο. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 9, το σύστημα παρακολούθησης μονού άξονα παράγει 20% περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από το παραδοσιακό σύστημα σταθερής κλίσης, επομένως η συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έχει βελτιωθεί. Πρέπει να σημειωθεί ότι όταν ο άξονας είναι στην κατεύθυνση βορρά-νότου και η συστοιχία δυαδικών ψηφίων βρίσκεται στην ανοιχτή περιοχή, το σύστημα παρακολούθησης μονού άξονα έχει την υψηλότερη απόδοση. Το εργοστάσιο ανακύκλωσης απορριμμάτων Mookpark χρησιμοποιεί γειτονικές γεωργικές εκτάσεις για να παρέχει το καλύτερο μέρος για φωτοβολταϊκά συστήματα. Τα θεμέλια του συστήματος παρακολούθησης στοιβάζονται στη δοκό με φαρδιά φλάντζα υπόγεια, γεγονός που μειώνει σημαντικά το κόστος κατασκευής και τον χρόνο. Κατά τη διάρκεια ολόκληρου του κύκλου ζωής του έργου, η περιοχή θα εξοικονομήσει περίπου 4.5 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ.

Camden County Municipal Public Utilities Administration, New Jersey

Το 2010, η αρχή δημοτικών υπηρεσιών κοινής ωφελείας της κομητείας Camden (CCMUA) έθεσε έναν τολμηρό στόχο της χρήσης 100% ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που είναι φθηνότερη από την τοπική ηλεκτρική ενέργεια για την επεξεργασία των 60 εκατομμυρίων γαλονιών που παράγονται ανά ημέρα (περίπου 220,000 m³) λυμάτων. Η CCMUA συνειδητοποιεί ότι τα ηλιακά φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν τέτοιες δυνατότητες. Ωστόσο, η μονάδα επεξεργασίας λυμάτων CCMUA αποτελείται κυρίως από ανοιχτές δεξαμενές αντίδρασης και οι παραδοσιακές ηλιακές συστοιχίες στέγης δεν μπορούν να σχηματίσουν μια συγκεκριμένη κλίμακα για την παροχή ενέργειας.

Παρά το γεγονός αυτό, η CCMUA εξακολουθεί να είναι ανοικτός διαγωνισμός. Ο κ. Helio Sage, που συμμετείχε στον διαγωνισμό, εξέφρασε την πεποίθησή του ότι μέσω κάποιων επιπλέον έργων, πάνω από την ανοιχτή δεξαμενή καθίζησης θα αναπτυχθεί φωτοβολταϊκό σύστημα παρόμοιο με ηλιακό γκαράζ. Δεδομένου ότι το έργο έχει νόημα μόνο εάν η CCMUA μπορεί να επιτύχει άμεση εξοικονόμηση ενέργειας, ο σχεδιασμός του συστήματος δεν πρέπει να είναι μόνο στιβαρός, αλλά και οικονομικά αποδοτικός.

Τον Ιούλιο του 2012, το CCMUA Solar Center εγκαινίασε ένα ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα παραγωγής ενέργειας 1.8 MW, το οποίο αποτελείται από περισσότερα από 7,200 ηλιακά πάνελ και καλύπτει μια ανοιχτή πισίνα 7 στρεμμάτων. Η καινοτομία του σχεδιασμού έγκειται στην εγκατάσταση του συστήματος στέγασης ύψους 8-9 ποδιών, το οποίο δεν θα παρεμβαίνει στη χρήση, λειτουργία ή συντήρηση άλλων πισινών εξοπλισμού.

Η ηλιακή φωτοβολταϊκή δομή είναι αντιδιαβρωτική (αλατόνερο, ανθρακικό οξύ και υδρόθειο) σχεδιασμός και τροποποιημένο κουβούκλιο που κατασκευάζεται από τη Schletter (γνωστός προμηθευτής φωτοβολταϊκών συστημάτων βραχίονα, συμπεριλαμβανομένων των θυρών αυτοκινήτων). Σύμφωνα με τον ΟΛΠ, η CCMUA δεν έχει κεφαλαιουχικές δαπάνες και δεν ευθύνεται για τυχόν έξοδα λειτουργίας και συντήρησης. Η μόνη οικονομική ευθύνη της CCMUA είναι να πληρώσει μια σταθερή τιμή για την ηλιακή ενέργεια για 15 χρόνια. Η CCMUA εκτιμά ότι θα εξοικονομήσει εκατομμύρια δολάρια σε ενεργειακό κόστος.

Υπολογίζεται ότι το ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα θα παράγει περίπου 2.2 εκατομμύρια κιλοβατώρες (kWh) ηλεκτρικής ενέργειας κάθε χρόνο και η απόδοση που βασίζεται στον διαδραστικό ιστότοπο CCMUA θα είναι καλύτερη. Ο ιστότοπος εμφανίζει την τρέχουσα και τη συσσωρευμένη παραγωγή ενέργειας και τα περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά και αντικατοπτρίζει την τρέχουσα παραγωγή ενέργειας σε πραγματικό χρόνο, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

West Basin Municipal Water District, EI Segundo, Καλιφόρνια

Το West Basin Municipal Water District (West Basin Municipal Water District) είναι ένα δημόσιο ίδρυμα αφιερωμένο στην καινοτομία από το 1947, παρέχοντας πόσιμο και ανακυκλωμένο νερό στα 186 τετραγωνικά μίλια του δυτικού Λος Άντζελες. Το West Basin είναι η έκτη μεγαλύτερη υδάτινη περιοχή στην Καλιφόρνια, εξυπηρετώντας σχεδόν ένα εκατομμύριο ανθρώπους.

Το 2006, η West Basin αποφάσισε να εγκαταστήσει ηλιακά φωτοβολταϊκά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στις εγκαταστάσεις του ανακυκλωμένου νερού, ελπίζοντας να αποκομίσει μακροπρόθεσμα οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη. Τον Νοέμβριο του 2006, η Sun Power βοήθησε τη West Basin να εγκαταστήσει και να ολοκληρώσει τη φωτοβολταϊκή συστοιχία, η οποία αποτελείται από 2,848 μονάδες και παράγει 564 κιλοβάτ συνεχούς ρεύματος. Το σύστημα είναι εγκατεστημένο στην κορυφή της υπόγειας δεξαμενής αποθήκευσης επεξεργασίας σκυροδέματος στην περιοχή. Το ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα παραγωγής ενέργειας του West Basin μπορεί να παράγει περίπου 783,000 κιλοβατώρες καθαρής ανανεώσιμης ενέργειας κάθε χρόνο, ενώ μειώνει το κόστος των δημόσιων εγκαταστάσεων κατά περισσότερο από 10%. Από την εγκατάσταση του φωτοβολταϊκού συστήματος το 2006, η σωρευτική παραγωγή ενέργειας τον Ιανουάριο του 2014 ήταν 5.97 γιγαβάτ (GWh). Η παρακάτω εικόνα δείχνει το φωτοβολταϊκό σύστημα στο West Basin.

Rancho California Water District, Santa Rosa Reclaimed Water Plant, Murrieta, California

Από την ίδρυσή της το 1965, η περιφέρεια Rancho California Water District (Rancho California Water District, RCWD) παρέχει υπηρεσίες επεξεργασίας πόσιμου νερού, επεξεργασίας λυμάτων και επαναχρησιμοποίησης νερού σε περιοχές σε ακτίνα 150 τετραγωνικών μιλίων. Η περιοχή εξυπηρέτησης είναι η Temecula/RanchoCalifornia, συμπεριλαμβανομένης της πόλης Temecula, τμημάτων της πόλης Murrieta και άλλων περιοχών στην κομητεία Riverside.

Το RCWD έχει όραμα στραμμένο προς το μέλλον και είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στο περιβάλλον και στο στρατηγικό κόστος. Αντιμέτωποι με το αυξανόμενο κόστος των δημόσιων εγκαταστάσεων και το ετήσιο ενεργειακό κόστος άνω των 5 εκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ, εξέτασαν την παραγωγή ηλιακής φωτοβολταϊκής ενέργειας ως εναλλακτική λύση. Πριν εξετάσει τα ηλιακά φωτοβολταϊκά συστήματα, το διοικητικό συμβούλιο του RCWD αξιολόγησε μια σειρά επιλογών ανανεώσιμης ενέργειας, συμπεριλαμβανομένης της αιολικής ενέργειας, των αντληθέντων δεξαμενών αποθήκευσης κ.λπ.

Τον Ιανουάριο του 2007, υπό την αιγίδα του Προγράμματος Ηλιακής Ενέργειας της Καλιφόρνια, το RCWD έλαβε βραβείο απόδοσης μόνο 0.34 $ ανά κιλοβατώρα ηλεκτρικής ενέργειας εντός πέντε ετών υπό τη δικαιοδοσία της τοπικής δημόσιας επιχείρησης. Το RCWD ασκεί τον ΟΛΠ μέσω της SunPower, χωρίς κεφαλαιουχικές δαπάνες. Η RCWD χρειάζεται μόνο να πληρώσει για την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από το φωτοβολταϊκό σύστημα. Το φωτοβολταϊκό σύστημα χρηματοδοτείται, ανήκει και λειτουργεί από την SunPower.

Από την εγκατάσταση του φωτοβολταϊκού συστήματος 1.1 MW DC της RCWD το 2009, η περιοχή απολαμβάνει πολλά οφέλη. Για παράδειγμα, το Santa Rosa Water Reclamation Facility (Santa Rosa Water Reclamation Facility) μπορεί να εξοικονομήσει 152,000 $ ΗΠΑ σε κόστος ετησίως, αντισταθμίζοντας περίπου το 30% των ενεργειακών αναγκών της μονάδας. Επιπλέον, καθώς η RCWD επιλέγει Πιστώσεις Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (REC) που σχετίζονται με το φωτοβολταϊκό της σύστημα, μπορεί να μειώσει περισσότερες από 73 εκατομμύρια λίβρες επιβλαβών εκπομπών άνθρακα στα επόμενα 30 χρόνια και έχει θετικό αντίκτυπο στην αγορά στο περιβάλλον.

Το ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα αναμένεται να εξοικονομήσει έως και 6.8 εκατομμύρια δολάρια σε κόστος ηλεκτρικής ενέργειας για την περιοχή τα επόμενα 20 χρόνια. Το ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα που είναι εγκατεστημένο στο εργοστάσιο RCWD Santa Rosa είναι ένα σύστημα παρακολούθησης κλίσης. Σε σύγκριση με το παραδοσιακό σύστημα σταθερής κλίσης, ο ρυθμός απόδοσης παραγωγής ενέργειας είναι περίπου 25% υψηλότερος. Επομένως, είναι παρόμοιο με το φωτοβολταϊκό σύστημα μονού άξονα και σταθερό Σε σύγκριση με το σύστημα κλίσης, η σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας είναι επίσης σημαντικά βελτιωμένη. Επιπλέον, το λοξό σύστημα παρακολούθησης απαιτεί μεγαλύτερη περιοχή για να αποφευχθεί η απόφραξη της σκιάς γραμμή προς γραμμή και πρέπει να είναι προσανατολισμένο σε ευθεία γραμμή. Το λοξό σύστημα παρακολούθησης έχει τους περιορισμούς του. Παρόμοια με το σύστημα παρακολούθησης μονού άξονα, πρέπει να κατασκευαστεί σε ανοιχτό και απεριόριστο ορθογώνιο χώρο.