Izzivi upravljanja pametnih vodnih sistemov – EOL 143

Na sliki od leve proti desni: dr. Milenko Roš iz SDZV na Vodnih dnevih 2019 v Portorožu v družbi z zaslužnima profesorjema dr. Hallvardom Ødegaardom z norveške Univerze za znanost in tehnologijo v Trondheimu in dr. Gustafom Olssonom z Univerze v Lundu na Švedskem (foto: arhiv SDZV)

Potrebno bo vpeljati nov način razmišljanja, kako v prihodnosti pametno in celostno upravljati kompleksne vodne sisteme. Pametnega upravljanja vodnih sistemov si ne moremo predstavljati brez naprednih sistemov meritev, regulacij in avtomatizacij (MRA), ki od leta 1970 pomagajo operaterjem pri zagotavljanju stabilnega obratovanja ob zelo spremenljivih vhodnih razmerah. Pametni sistemi so tisti sistemi, ki se hitro odzivajo na spremembe in so sposobni po morebitnih motnjah hitro vzpostaviti normalno obratovanje. Sočasno morajo zagotavljati čim nižje obratovalne stroške, to je porabo energije in ostalih virov. Odločanje pri pametnih sistemih lajšajo informacije, ki jih odločevalcem ponujajo tri skupine podatkov – vpogled v podatke o masnih tokovih, podatke o razpoložljivih virih vode, energije in kemikalij ter podatke, pridobljene z meritvami in analizami. Z drugimi besedami ta tridimenzionalni sistem pomeni, da s pomočjo meritev, analiz in modelov neprestano krožijo informacije in povratne regulacije med razpoložljivimi viri vode, energije, kemikalij in dejanskimi masnimi obremenitvami. Celota je povezana v enovit avtomatiziran sistem, ki deluje po tako imenovanem »MAD« principu. Oznaka M (M kot Measure) pomeni, da potrebujemo ustrezne meritve v času in prostoru, ki nam pomagajo razumeti stanje sistema. Na voljo so številni komercialno dostopni multiparametrski senzorji, ki jih lahko enostavno namestimo na različnih mestih v procesu. Pred izbiro vrste merilnika je potrebno poznati namen meritve. Za pridobitev zanesljivih in verodostojnih podatkov je potrebno senzorje ustrezno vzdrževati in kontrolirati.

Podatki, ki jih pridobimo preko merilnikov, morajo biti ustrezno pregledani, analizirani, razumljeni in interpretirani, da dobimo uporabne podatke (A kot Analyse). Neustrezne podatke je treba prepoznati in jih izločiti iz sistema odločanja. Velik izziv današnjega časa je iz velike količine podatkov pridobiti ključne podatke in jih nato uporabiti za odločanje. Odločitve (D kot Determine) vedno temeljijo na določenih predhodnih ugotovitvah in morajo sprožiti ustrezno akcijo. Da celoten sistem deluje pametno, je nujno v sistem obratovanja vključiti zaposlene na vseh položajih, saj mora pri celostnem upravljanju prav vsak odigrati svojo vlogo.

Prehod proti integriranemu planiranju in obratovanju v prihodnosti v prvi vrsti zahteva dobro poznavanje celotnega sistema upravljanja z vodami in razpoložljivosti obnovljivih virov energije. Na vodni sistem je treba gledati celostno. To vključuje vse – od razpoložljive vrste vodnih virov, načinov priprave vode in za kakšen namen, do distribucijskih sistemov vode, načinov odvajanja in čiščenja odpadne vode ter odvajanja vode v okolje.

Podjetja, katerih naloga je zagotavljanje ustrezne količine in kvalitete pitne vode v vodovodnih sistemih, se bodo zato soočala z novimi izzivi. Urbanizacija, rast prebivalstva ter gospodarska rast bodo zahtevali zadostno količino in kakovost vode, ki je na drugi strani zaradi neugodnih vremenskih sprememb ne bo v zadostni količini ali pa bo potrebno urediti predčiščenje zaradi njene onesnaženosti. V svetu so že znani pametni sistemi upravljanja vodovodnih sistemov, ki uporabljajo prediktivne modele. Tako znajo z njihovo pomočjo časovno napovedati pričakovano porabo vode različnih odjemalcev ter razpoložljivo količino vode in delovanja naprav za pripravo vode na podlagi vremenskih podatkov. Meritve na celotnem sistemu se skupaj s podatki modela zaključijo v celoto avtomatiziranega upravljanja vodovodnega sistema, ki v največji možni meri uporablja obnovljive vire električne energije. Sočasno bo potrebno spremeniti tudi miselnost o kvaliteti vode za namen uporabe. Vsi vodni viri bodo postali enako pomembni, ne samo podzemna in površinska voda, temveč tudi čiščena voda, deževnica in slana voda. Ponovna uporaba čiščene vode ali deževnice za splakovanje sanitarij, zalivanje vrtov ali čiščenje ulic bo vsekakor velik korak k pametnemu upravljanju vodnih sistemov.

Pri pripravi pitne vode bomo s pametnim upravljanjem izboljšali kvaliteto čiščene vode in sočasno zmanjšali obratovalne stroške. Znani so podatki o zmanjšanju porabe kemikalij pri pripravi pitne vode za 15 %. Pri distribuciji pitne vode je glavni izziv zagotavljanje ustrezne količine vode ob čim nižjih energijskih vložkih. Tradicionalno se kritični tlak v cevovodu regulira v glavnem črpališču pitne vode, presežek tlaka pa se reducira na tlačnih ventilih. Zaradi velikega nihanja tlaka med dnevom se na vodovodnih ceveh pojavijo mehanske poškodbe, kar poveča možnost puščanja in vodnih izgub. Z naprednim vodenjem lahko poskrbimo, da preko merilnikov tlaka merimo minimalni tlak v cevovodih, ki ga nato popravljamo z delovanjem tlačnih črpalk dolvodno do uporabnikov. Na ta način zmanjšamo porabo električne energije in možnost mehanskih poškodb.

Po razvejanem sistemu kanalizacijskih cevi s črpališči se pretaka mešanica komunalne, industrijske in tudi padavinske vode, ki se v času povečanih padavin prosto odvaja v naše okolje brez čiščenja. Na kanalizacijskih sistemih se že vgrajujejo zadrževalniki prvega naliva, ki zadržijo najbolj obremenjeno vodo in se nato kontrolirano odvajajo na čiščenje na čistilno napravo. Pametni vodni sistemi prihodnosti bodo delovali na način, da bodo preko senzorjev na sistemu znali prepoznati vdore infiltracijske in padavinske vode, ki jih bo potrebno iz sistema nato izločiti. V črpališčih bodo nameščeni senzorji nivoja, ki bodo preko nadzornega sistema meritve pretoka odpadne vode na vtoku na čistilno napravo regulirali delovanje črpališč. Na ta način se bo zagotovil bolj enakomeren pretok odpadne vode na čistilno napravo in preprečilo odvajanje neprečiščene vode v okolje. Na čistilnih napravah se že sedaj uporabljajo številne regulacijske zanke, kot so vnos zraka, nitratni recikel, starost blata, obarjanje fosforja. Prihodnost vodenja čistilne naprave bo torej v enovitem upravljanju celotnega sistema, kar pomeni – ”kar danes prečistimo v liniji vode, se jutri pozna na liniji blata.” Sistem je med seboj zelo povezan in soodvisen. Velik izziv pametnega vodenja vodnih sistemov bo predstavljal tudi zmanjševanje toplogrednih plinov na čistilni napravi. Razumevanje kompleksnih procesov čiščenja odpadne vode in njihove soodvisnosti je olajšano z uporabo naprednih matematičnih orodij, ki so že komercialno dostopna.

Kaj pa posamezniki? Poraba energije za ravnanje z vodo v gospodinjstvu je znatno višja, kot je poraba energije za dobavo in čiščenje. Za gretje vode porabimo okoli 30 – 50 kWh/m³ električne energije, kar je za 10 do 20-krat več, kot je porabimo za distribucijo pitne vode ali za čiščenje odpadne vode. Po statističnih podatkih več kot 90 % energije, vezane na vodni krog, porabimo v naših domovih, zato je o smotrni rabi vode in energije v gospodinjstvu smiselno ozavestiti vsakega občana. Pametni merilniki energije, ki so že vgrajeni v domove, so prikazali zmanjšanje porabe energije od 5 do 20 %. Podobno bi pametni merilniki porabe vode po oceni lahko zmanjšali porabo vode do 29 % (odvisno od lokacije). Uporaba pametnih merilnikov vode je počasnejša, kot je uporaba merilnikov električne energije tudi zaradi zadostne količine vode, kar pa se bo po napovedih lahko zelo hitro spremenilo. Thames Water ima za London do leta 2020 namen vgraditi 400.000 pametnih merilnikov v gospodinjstva in tako zmanjšati porabo vode, ki jo občasno že primanjkuje.

Vzpostaviti moramo pametne sisteme vodenja za pametne uporabnike. Kljub temu, da uporabljamo različne merilnike, analize in odločitve, mora biti naš namen enak – in to je ustrezna storitev za čim nižjo porabo virov. Vsi skupaj morajo stremeti k čim večji vzdržnosti ravnanja z našim okoljem.