Energy efficiency analysis of water treatment plants in Kenya referring to the energy-water nexus concept

Abstract

Parameters used so far in the frame of the ’Water-Energy Nexus’ related considerations in water supply either don’t isolate the geographical characteristic of each water distribution network, but is necessary to equally compare different utilities, or they use as a reference a technically not reachable minimum energy demand for pumping, which makes it harder to take economic decisions. Consequently this parameters are not considered as suitable for this investigation, where economic benefits will get highlighted through a scientific approach. The approach therefor is to first introduce benchmark parameters for having an evaluation of the current state. With the two new benchmark parameters presented in this work, it is possible to compare equally the attainable efficiency of different treatment plants and indicate the performance of the maintenance program in use. The ’Degree of efficiency’ compares the theoretical, with state of the art equipment electric energy demand with the actual measured electric energy. The ’Consistency to design’ compares the theoretical initial electric energy demand of the equipment in use with the actual measured electric energy. To calculate the theoretical energy demands utility specific data about pumps, motors, pumped amount of water, elevation and pipes had to be collected and processed. In a next step the two new parameters are applied in the routine of utilities. The integration is done in form of a direct feedback for maintenance actions and decision support for investments in energy consuming parts. A suggested procedure for operator is further presented in this work. It was found out that there are big energy saving potentials in the investigated plants. Five plants were under investigation and the efficiency is in a range between 53 % to 78 %. At one plant the operational data was not submitted from the operators, at another plant more detailed data would be needed, which makes it three plants where results are presented. The ’Consistency to design’ was because of a lack of data from the manufacturers just able to calculate in one plant, and is 83%. Combining the results with offers from pump and motor manufacturers, which include the whole implementation such as on-site inspection, transport, installation,... leads to a payback period for an investment in new equipment of approx. one and a half to two and a half years, thanks to electric energy saving.

Parameter, welche bis jetzt im Rahmen des ’Water-Energy Nexus’ Verwendung finden, werden aufgrund folgender Charakteristiken nicht in dieser Arbeit angewandt: Die geografischen Grundvoraussetzungen (Höhendifferenzen, Netzwerkgröße,...) beeinflussen die notwenige Pumpenergie maßgebend und werden in einigen Parametern nicht berücksichtigt, was es unmöglich macht verschiedene Anlagen fair miteinander zu vergleichen. Andere Parameter verwenden als Basisreferenz eine technisch nicht zu erreichende minimale Pumpenergie, folglich lassen sich aus diesen Parametern keine Investitionsentscheidungen ableiten. Herangehensweise dieser Arbeit ist es, Benchmark Parameter zu identifizieren, die es ermöglichen, die aktuelle Performance in Zahlen abzubilden. Diese neuen Parameter ermöglichen es verschiedene Anlagen fair miteinander zu vergleichen und darüber hinaus wirtschaftliche Entscheidungen daraus abzuleiten. Der ’Degree of efficiency’ vergleicht den theoretischen, mit Pumpen und Motoren die dem Stand der Technik entsprechen, erreichbaren Energiebedarf mit dem gemessenen verbrauchten Energiebedarf. Die ’Consistency to design’ vergleicht den theoretischen Energiebedarf der aktuell verwendeten Ausrüstung mit dem gemessenen verbrauchten Energiebedarf. Um die jeweiligen theoretischen Energiebedarfe zu errechnen mussten Informationen über verwendete Pumpen, Motoren, Rohrleitungen und Betriebsparameter wie die Menge an gepumpten Wasser mit den zugehörigen Stromverbrauchen vor Ort gesammelt werden. In einem nächsten Schritt werden die zwei neuen Parameter in den täglichen Ablauf integriert. Dies passiert in Form von direkter Rückmeldung für Wartungsarbeiten und als Entscheidungshilfe für Investitionen in energieverbrauchende Komponenten. In dieser Arbeit wird ein konkreter Anwendungsvorschlag präsentiert. Die Energieeffizienz liegt in einem Bereich von 53% bis 78%. Fünf Trinkwasseraufbereitungsanlagen wurden untersucht. Die benötigten operativen Daten einer Anlage wurden nicht übermittelt, bei einer anderen wären detailliertere Daten notwendig, folglich liegen die Ergebnisse von drei Anlagen vor. Die ’Consistency to design’ liegt bei einer der Anlagen bei 83%, und konnte aufgrund von nicht zur Verfügung stehender Herstellerdaten nur bei dieser berechnet werden. Diese Ergebnisse in Kombiniation mit den aktuellen Preisen für effizientere Pumpen und Motoren, inklusive aller Nebenkosten wie Installation, Transport,... führen zu einer Amortisationszeit von ungefähr eineinhalb bis zweieinhalb Jahren.