Намаляване на потреблението на вода за охлаждане на топлоелектрически централи

Най-енергийно ефективният начин за охлаждане на термалните инсталации е чрез използването на система, при която "водата се изтегля от близките водни обекти, отклонява се през кондензатор, където абсорбира топлината от парата и след това се изхвърля обратно към първоначалния си източник при по-високи температури. Тъй като еднократните охладителни системи не рециклират охлаждащата вода, това води до много големи обеми ежедневно изтегляне на вода. Структурите за всмукване на вода в електроцентралите с еднократно охлаждане могат да убият няколко милиона риби годишно, а термичното изхвърляне надолу по веригата също може да навреди на водните организми, засягайки всички водни екосистеми. Освен това големият обем вода, необходим за експлоатацията на еднократни охладителни системи, прави електроцентралите особено уязвими по време на суша и екстремни горещини“ (НКРР, 2014 г.).

Рециркулиращите охладителни кули и сухото охлаждане са алтернативни възможности за охлаждане, които значително намаляват потреблението на вода в сравнение с охладителните системи с еднократно охлаждане.

Рециркулиращите охладителни кули все още предвиждат прием на вода от външни източници, но изтегленото количество е с 95 % по-малко, отколкото при охладителните системи с еднократно охлаждане, със сравнимо намаляване на отрицателните въздействия върху екосистемите. Водата се поддържа циркулираща в системата, като абсорбира топлината от парата, използвана за генериране на енергия чрез кондензатор, и я освобождава чрез изпаряване в охладителна кула. Въпреки това, тъй като охлаждането се извършва чрез изпаряване на част от изтеглената вода, рециркулацията на мокро охлаждане все още може да бъде проблематична в условия на сериозен недостиг на вода.

Сухото охлаждане разчита на въздуха като среда за пренос на топлина, а не на изпаряване от кондензаторната верига. В резултат на това загубите на вода са минимални. Съществуват два основни вида техники за сухо охлаждане. Директното сухо охлаждане използва кондензатор с въздушно охлаждане почти както в автомобилен радиатор. Той използва високоскоростен принудителен въздух през система от перкови тръби в кондензатора, в който циркулира парата. По този начин топлината на парата се пренася директно в околния въздух. Охлаждането на електроцентрала по този начин изисква по-малко от 10 % от водата, използвана в еквивалентна инсталация с мокро охлаждане. Около 1-1,5% от мощността на централата се използва за задвижване на големите вентилатори. Алтернативният дизайн включва охладителна верига на кондензатора, както при мокро рециркулиращо охлаждане, но използваната вода е затворена и охладена от поток въздух през перкови тръби в охладителна кула. По този начин топлината се прехвърля във въздуха чрез процес, който е по-малко ефективен от мокрото охлаждане, но се подобрява при директно сухо охлаждане, тъй като потреблението на енергия е само 0,5 % от изходната мощност. Според ОВОС през 2012 г. в САЩ са инсталирани 719 системи с еднократно въвеждане, 819 рециркулационни системи и само 61 системи за сухо охлаждане и хибридни системи. При липсата на аналогична информация за ЕС и ако се приеме, че приблизително едни и същи равнища на технологична зрялост се прилагат за електроенергийния сектор в развитите държави, е възможно да се приеме, че сухото/хибридното охлаждане представлява по-малко от 4 % от всички охладителни системи, инсталирани в топлоелектрически централи в ЕС.

NDRC, като взема за отправна точка конвенционална въглищна електроцентрала, определя количествено използването на вода от алтернативните възможности за охлаждане по два начина: изтегляне на вода, т.е. колко вода се взема от водния басейн и след това, евентуално и частично, се връща в него; и потреблението на вода, т.е. каква част от изтеглената вода се преобразува в пари и следователно не се връща директно във водния басейн след охлаждане. За системите за сухо охлаждане и двете възлизат на 0 l/MWh. Изискванията за изтегляне на вода за еднократни охладителни системи и охладителни системи със затворен цикъл са съответно около 75 710—189 270 литра за мегаватчас (l/MWh) и 1890—4540 l/MWh. Консумацията на вода, от друга страна, води до около 380—1 200 l/MWh за еднократно охлаждане и 1 820—4 169 l/MWh за охлаждане със затворен цикъл. По този начин еднократните системи изтеглят повече вода от водния басейн, но също така връщат повече вода в него, отколкото системите със затворен цикъл. Процесът на изтегляне обаче води до по-сериозни отрицателни последици за околната среда, като пряко убива речната фауна и връща водата при температура над екологично желаните диапазони.

Участието на заинтересованите страни е важна част от процеса на издаване на разрешения за централи за производство на електроенергия, но е трудно да се екстраполират последиците за конкретен компонент на централата. Охлаждащите кули, които могат да бъдат високи над 50 метра, са може би един от най-видимите компоненти на растението и следователно може да има местна опозиция на отрицателното естетическо въздействие на внушителната кула върху пейзажа. Въпреки това могат да бъдат въведени смекчаващи и компенсаторни мерки, например чрез проектиране и разполагане на инсталацията, за да се сведе до минимум видимостта на най-известните ѝ инфраструктури от близки населени райони, или чрез скрининг чрез засаждане на дървета около инсталацията и/или чрез изграждане на изкуствени хълмове (почвени масиви), които се сливат с естествения ландшафт и блокират гледката към инсталацията. Местните общности могат да бъдат пряко компенсирани финансово за загубата на благосъстояние, причинена от понесените естетически въздействия, или могат да бъдат предприети други компенсаторни действия, като например изграждане на социално полезна инфраструктура като паркове, училища и др.

Тъй като тези варианти намаляват водочерпенето от даден басейн, се очаква те да бъдат възприети положително от заинтересованите страни, които разчитат на същите водни ресурси като електроцентралите, прилагащи тези мерки. Произтичащите от това промени в правата за ползване на вода следва да бъдат обсъдени между всички заинтересовани страни и съгласувани съответно с тях и с органите на водните басейни.

Охлаждането с рециркулационни кули е с около 40% по-скъпо (US DOE, 2009 г.) от еднократното мокро охлаждане и може да се прилага, когато наличието на вода е ограничено или въздействието на улавянето и въздействието и термичните зауствания трябва да бъдат намалени.

И двата варианта за сухо охлаждане осигуряват много по-голяма гъвкавост при разполагането на нови електроцентрали, тъй като те стават независими от наличието на основен воден обект. Основният недостатък на този вариант е неговата икономическа цена. И при двата вида сухо охлаждане преносът на топлина е значително по-малко ефективен, отколкото при „мокрите“ възможности за охлаждане, и следователно изисква много големи и механично сложни охладителни инсталации. Това води до по-високи разходи. Експлоатацията на система за сухо охлаждане изисква всъщност 1-1,5 % от мощността, генерирана от инсталацията, в сравнение с 0,5 % от рециркулационната система и почти нула за еднократно преминаване. Физиката на изпарението, прилагана в мокрите охладителни кули, всъщност позволява по-ефективен пренос на топлина от тази от пара или вода във въздуха чрез метални перки и по този начин увеличава цялата техническа и икономическа ефективност на централата. Следва да се отбележи, че топлинната ефективност и следователно икономическите условия на експлоатация се различават в зависимост от климатичните условия на местоположението на централите и могат да бъдат значително различни в цяла Европа.

Това показва второ, техническо ограничение на сухото охлаждане: при горещ климат околният въздух с температури над 40 °C значително намалява потенциала за охлаждане на система за сухо охлаждане в сравнение с „мокра“ система, която основава своя потенциал на много по-ниски температури по мокрия термометър.

Възможен изход може да бъде хибридна суха/рециркулираща система. Сухото охлаждане може да се използва в условия на недостиг на вода и може да бъде съчетано с ограничено използване на рециркулираща охладителна система, когато температурите достигнат своя връх. Рециркулиращата охладителна система на кулата може да се използва и по време на периоди, в които има изобилие от вода.

Стойностите на разходите очевидно варират в зависимост от специфичните условия на всяка централа. Въпреки това, като цяло US DOE (2009 г.) съобщава, че мокрите рециркулационни охладителни системи са с 40% по-скъпи от проходните системи, докато сухите охладителни системи са три до четири пъти по-скъпи от рециркулиращата мокра охладителна система. В момента мокрите рециркулационни системи се считат за най-добрата налична технология за охлаждане на термични инсталации от Агенцията за опазване на околната среда на САЩ (EPA), тъй като те свеждат до минимум въздействието върху водните екосистеми, като същевременно поддържат увеличението на разходите достъпно.

От друга страна, както рециркулационни, така и сухи системи на практика не поемат вода и не оказват въздействие върху водните екосистеми, което може поне частично да компенсира допълнителните капиталови и оперативни разходи, по-специално в условията на недостиг на вода, предизвикан от изменението на климата.

Изборът на охладителна система е важна част от проектирането на електроцентралата. Тя подлежи на процедурите за издаване на разрешения, прилагани за предоставяне на разрешение за изграждане и експлоатация на електроцентрали, които са различни в отделните държави. Тъй като системите за сухо охлаждане са по-малко енергийно ефективни от другите охладителни системи, в момента те се нареждат на последно място по ред на най-добрите налични технологии на ЕС за охлаждане и са изпреварени от охлаждането с рециркулационни кули. Въпреки че използването на сухо охлаждане не е изключено, то е ограничено до места с много ограничени водни ресурси или със специфични опасения за околната среда, свързани с използването на вода.

За големи блокове следва да се вземат предвид и последиците за безопасността, свързани с отстраняването на топлината от разпада след аварийно изключване със загуба на мощност.

Измененията на споразуменията за използване на водата, произтичащи от намалените нужди от вода на инсталациите, прилагащи тези варианти, следва да бъдат официално договорени с органите, отговарящи за водните басейни, въз основа на консултации с всички засегнати заинтересовани страни.

За новите инсталации срокът за изпълнение е същият като за инсталациите, към които принадлежат. Що се отнася до преоборудването, то варира в зависимост от технологиите. За да се замени системата за прехвърляне, проучване относно модернизирането на калифорнийските крайбрежни електроцентрали (Tetra Tech, 2008 г.) показва престой на централата (за да се даде възможност за инсталиране и свързване на новата охладителна система) от шест седмици като консервативна оценка за централите с изкопаеми горива, докато модернизирането на охладителната система на атомните електроцентрали може да изисква до 12 месеца поради техническата им сложност.

Експлоатационният срок е същият като този на централата за производство на електроенергия, към която принадлежи конкретната мярка. Продължителността на живота на топлоелектрическите централи варира в зависимост от технологията: атомните електроцентрали, въпреки че проектният им експлоатационен срок обикновено е 40 години, могат да продължат да функционират до 70 години (Scientific American, 2009 г.), докато централите, работещи с изкопаеми горива, варират между 25 и 50 години (съответно централи за природен газ и въглищни електроцентрали).