February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 1 

Water Week 2009 

Dr. Mark Husmann, Pöyry Environment GmbH, 

Germany 

Improving energy efficiency in waste water treatment: What emerging countries can learn from experience 

gained in the developed world

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 2 

Development of energy prices and demand 

• End­user petroleum product prices & average crude oil import costs 

Source: www.iea.org 

2005  2006  2007  2008 

• Worldwide primary energy demand by region (scenario) 

Source: International Energy Agency, 2006 

Mega To

ns of O

il Eq

uivalent

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 3 

The Significance of Energy in Waste Water Treatment 

Distribution of Full Costs ­ Germany 

Distribution of Full Costs – China 

percentage of energy costs 

is comparable 

Others 12% 

Discharge fee 4% 

Sludge disposal 4% 

Personnel 15 % 

Energy 14% 

Depreciation 27% 

Interest 24% 

Cost of Capital 53% 

Energy 16% 

Personnel 3% 

Chemical 12% 

Disposal 10% 

Maintenance 6% 

0 

5 

10 

15 

20 

25 

30 

35 

40 

Maintenance  Disposal  Chemical  Personnel  Energy 

Percentag

e of Ope

x

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 4 

Energy consumption of wastewater treatment plants in Germany 

• Electricity consumption of all 10.200 WWTP in Germany ca. 4.4 TWh/a 

≈ 35 kWh/(PE design ∙a) or 0.4 kWh/m³ 

≈ 0.7 % of the total electricity consumption in Germany 

≈ 3 Mio. t CO 2 ­equivalents 

• WWTP are the biggest single energy consumers of municipalities with a share of 20% of the total energy consumption. (source: German Federal Environmental Agency, 2008) 

In developing and middle developed countries the share can be expected considerably higher

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 5 

Projects we have worked on recently 

20 *) detailed 5.0 2,750,000 Colombia 1 WWTP 

40 basic 0,9 650,000 China 1 WWTP 

Ongoing detailed 0.4 200,000 France 1 WWTP 

25 (Ø) basic 12.5 9,000,000 Brazil 2 WWTP 

76 **) (Ø) basic 1.3 1,140,000 Tunisia 5 WWTP 

44 (Ø) detailed 6.2 4,460,000 Germany 42 WWTP 

[%] [m³/s] 

18,200,000 

P.E. 

42 (Ø) 26.3 52 WWTP 

Possible reduction of 

energy demand 

Basic or detailed analysis 

Influent Country Amount 

*)  Executed during the design phase **) Achieved by conversion of the process from aerobic to anaerobic sludge stabilization with energy recovery

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 6 

What are the targets? 

• Main targets – Reduction of energy consumption – Increase of energy production (self­supply) 

• Side targets – Improvement of effluent quality – Improvement of process stability

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 7 

Criteria for further decisions on a general basis 

• Target values:  Determined in several surveys of representative WWTP 

• Ideal values:  Developed at a model of an ideal WWTP (technical and electro­technical equipment of best available technology, high efficient process technology, …) 

Energy evidence (example)  Status Quo  Target value  Ideal value 

Total specific energy consumption per p.e.  51  kWh/p.e. a  36  kWh/p.e. a  28  kWh/p.e. a 

Specific energy consumption aerated basin per p.e.  33  kWh/p.e. a  23  kWh/p.e. a  18  kWh/p.e. a 

Degree of gas reuse  56  %  98 %  99 % 

Degree of gas conversion to power / electricity  0  %  30 %  31 % 

Specific gas production per kg oSS intake  370  l/kg oSS  450  l/kg oSS  475  l/kg oSS 

Degree of independent supply  Heat  97  %  97 %  98 % Electricity  0  %  49 %  65 % 

Δ target value 

­ 15  kWh/p.e. a 

­ 10  kWh/p.e. a 

+ 42 % 

+ 30 % 

+ 80  l/kg oSS 

0 % + 49 %

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 8 

General results 

• Reduction of energy consumption – Improvement of efficiency of individual units/aggregates – Adjustment of the process – Optimization of operating methods – Adapted measurement and control technology 

•  Improvement of the degree of self­supply in energy 

Measures: 

0 

10 

20 

30 

40 

50 

60 

70 

< 10.000  10.000 ­ 50.000  50.000 ­ 100.000  > 100.000 

nominal capacity [PE] 

specific el. con

sumption 

[kWh/(PE*a)] 

as­is state WWTP  reference value  ideal value 

Average results of all executed studies 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 

< 10.000  10.000 ­ 50.000  50.000 ­ 100.000  > 100.000 

Nominal capacity [PE] 

Degree of self sup

ply [%

] 

electricity as­is  electricity opt.  Heat as­is  Heat opt. 

Average results of all executed studies

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 9 

ca. 2 m 

efficiency: 40 % 4,5 Wh/(m³*m) at 3 m³/s 

→ saving potential: 340 MWh/a 

→ approx. 40 TUSD/a 

Recommended Measures – Reduction of hydraulic losses

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 10 

Recommended measures – Change from aerobic to anaerobic sludge stabilization 

1 kg oSS to be degraded 

Aerobic 

Anaerobic 

Ca. 2.3 kg O2 

1.2 kWh Electricity 

consumption 

Use of Combined Heat and Power Unit (CHPU) 

0.8 m 3 

Biogas Ca. 5.2 kWh Energy 

1.5 kWh Electr. (30%) 

3.1 kWh Heat (59%) 

generation 

Option A  Option B  Option C  Option D Process  Biological BOD, N 

and P removal Biological BOD, N and P removal 

Biological BOD, N and P removal 

Biological BOD, N and P removal 

Primary Settling  yes  yes  no  no Sludge stabilization  no  yes, anaerobic  no  yes, aerobic 

15 Mio USD  19 Mio USD  17 Mio USD  18 Mio USD 

Cost of Capital  1,4 Mio USD/a  1,7 Mio USD/a  1,5 Mio USD/a  1,6 Mio USD/a Energy costs  0,8 Mio USD/a  0,5 Mio USD/a  0,8 Mio USD/a  1,3 Mio USD/a Personnel costs  0,1 Mio USD/a  0,1 Mio USD/a  0,1 Mio USD/a  0,1 Mio USD/a Chemical costs  0,4 Mio USD/a  0,4 Mio USD/a  0,5 Mio USD/a  0,3 Mio USD/a Disposal costs  0,5 Mio USD/a  0,3 Mio USD/a  0,5 Mio USD/a  0,4 Mio USD/a Maintenance costs  0,2 Mio USD/a  0,2 Mio USD/a  0,2 Mio USD/a  0,2 Mio USD/a Total yearly costs  3,4 Mio USD/a  3,2 Mio USD/a  3,5 Mio USD/a  3,8 Mio USD/a Ratio  100%  94%  103%  112% 

Total investment costs 

Effective yearly costs

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 11 

Recommended measures – Optimization of Aeration 

• Reduction of necessary aeration energy 

• Exchange of destroyed aerators 

WWTP  with 115,000 PE (design 190,000 PE), change to intermittent aeration of the aerobic basin 

Demand to date: aerators:  1,854,000 kWh/a recirculation pumps:  164,948 kWh/a TOTAL:  2,018,948 kWh/a 

à 175,850 USD/a Demand optimized: Saving potential:  15 – 20 % 

302,842 kWh/a à  26,380 USD/a 

Required Investment: Analyzers, installation:  45,500 USD

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 12 

Lessons learned 

• Problem: – Acquisition of these type of projects in developing or middle developed countries is quite tough, as: •  In many projects the focus is just on investment costs and not on total yearly costs (incl. operational costs) 

•  Once the plant is in operation, there is no more money available for further optimization. •  Even a possible optimization is obvious, clients are hesitating to invest further money 

• Solution: – Germany launched an energy efficiency program, where studies have been funded by the Government (70% of the consulting costs). As a result  more than 80% of potential beneficiaries executed these studies. 

– Something similar was financed by KfW for first studies in Tunisia 

• Precondition: – Studies must be executed by external, not previously involved and experienced consultants

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 13 

Lessons learned 

• Costs: – Costs for the studies without traveling costs and accommodation: 

•  Basic analysis:  5 TUSD – 10 TUSD à just first hints (not recommended) •  Detailed analysis:  depending on size and technology 

• Further investments: – All suggestions for optimization need a cost/benefit (C/B) calculation, considering the savings in operation costs and the investment costs including amortization 

– Only measures with a cost/benefit ratio < 1 shall be carried out •  Immediate measures C/B << 1 with low investments < 20 TUSD •  Intermediate measures C/B < 1 with investments of approx. 20 – 150 TUSD •  Long term measures C/B ≤ 1 with investments > 150 TUSD 

0 

20.000 

40.000 

60.000 

80.000 

100.000 

120.000 

140.000 

160.000 

180.000 

200.000 

0  200.000  400.000  600.000  800.000  1.000.000  1.200.000  1.400.000  1.600.000  1.800.000  2.000.000 

Size of WWTP [PE] 

Cos

ts [U

SD]

February 18, 2009 Energy efficiency in WWTP 14 

Thank you for your attention