Snížení spotřeby vody pro chlazení tepelných elektráren

Nejúspornějším způsobem chlazení tepelných elektráren je použití průchozího systému, kdy "voda je odebírána z blízkých vodních útvarů, odváděna přes kondenzátor, kde absorbuje teplo z páry, a poté vypouštěna zpět do svého původního zdroje při vyšších teplotách. Protože jednorázové chladicí systémy nerecyklují chladicí vodu, vede to k velmi vysokým objemům denního odběru vody. Struktury příjmu vody v elektrárnách s jednorázovým chlazením mohou zabít několik milionů ryb ročně a tepelný výboj po proudu může také poškodit vodní organismy a ovlivnit celé vodní ekosystémy. Kromě toho velký objem vody potřebný k provozu jednorázových chladicích systémů činí elektrárny obzvláště zranitelnými v době sucha a extrémního tepla“ (NDRC 2014).

Chladicí věže s recirkulací a suché chlazení jsou alternativní možnosti chlazení, které výrazně snižují spotřebu vody ve srovnání s chladícími systémy, které se používají pouze jednou.

Chladicí věže s recirkulací stále předpokládají přívod vody z vnějších zdrojů, ale odebrané množství je o 95 % nižší než u chladicích systémů s jednou korytou, se srovnatelným snížením negativních dopadů na ekosystémy. Voda je udržována v oběhu v systému, absorbuje teplo z páry používané k výrobě energie prostřednictvím kondenzátoru a uvolňuje ji odpařováním v chladicí věži. Avšak vzhledem k tomu, že chlazení probíhá odpařováním zlomku odebrané vody, může být recirkulační mokré chlazení stále problematické v podmínkách závažného nedostatku vody.

Suché chlazení se spoléhá na vzduch jako na médium přenosu tepla, spíše než na odpařování z okruhu kondenzátoru. V důsledku toho jsou ztráty vody minimální. K dispozici jsou dva základní typy technik suchého chlazení. Přímé suché chlazení používá vzduchem chlazený kondenzátor téměř stejně jako v automobilovém chladiči. Využívá vysokoprůtokový nucený vzduch prostřednictvím systému žebrovaných trubek v kondenzátoru, ve kterém obíhá pára. Tím přenáší teplo páry přímo do okolního vzduchu. Chlazení elektrárny tímto způsobem vyžaduje méně než 10 % vody použité v rovnocenném zařízení chlazeném za mokra. Přibližně 1-1,5% výkonu elektrárny je spotřebováno na pohon velkých ventilátorů. Alternativní konstrukce zahrnuje chladicí okruh kondenzátoru jako v mokrém recirkulačním chlazení, ale použitá voda je uzavřena a chlazena proudem vzduchu přes žebrované trubky v chladicí věži. Teplo se tak přenáší do vzduchu pomocí procesu, který je méně účinný než chlazení za mokra, ale zlepšuje přímé suché chlazení, protože spotřeba energie činí pouze 0,5 % výstupu. Podle posouzení vlivů na životní prostředí bylo v USA v roce 2012 nainstalováno 719 jednorázových systémů, 819 recirkulačních systémů a pouze 61 systémů suchého chlazení a hybridních systémů. Vzhledem k tomu, že pro EU nejsou k dispozici obdobné informace, a za předpokladu, že se na odvětví elektřiny ve vyspělých zemích vztahují přibližně stejné úrovně vyspělosti technologií, lze předpokládat, že suché/hybridní chlazení představuje méně než 4 % všech chladicích systémů instalovaných v tepelných elektrárnách v EU.

NDRC s odkazem na konvenční uhelnou elektrárnu kvantifikuje využívání vody alternativními možnostmi chlazení dvěma způsoby: odběry vody, tj. kolik vody je odebráno z povodí a poté případně a částečně vráceno do něj; a spotřeba vody, tj. kolik odebrané vody se přemění na páru, a tudíž se po ochlazení nevrátí přímo do povodí. U suchých chladicích systémů dosahují oba hodnoty 0 l/MWh. Požadavky na odběr vody pro chladicí systémy s jedním průchodem a chladicí systémy s uzavřeným cyklem činí přibližně 75 710–189 270 litrů na megawatthodinu (l/MWh) a 1 890–4 540 l/MWh. Naproti tomu spotřeba vody činí přibližně 380–1 200 l/MWh při průchozím chlazení a 1 820–4 169 l/MWh při chlazení v uzavřeném cyklu. Jednorázové systémy tak odebírají z povodí více vody, ale také do něj vracejí více vody než systémy s uzavřeným cyklem. Je to však proces stažení, který přináší závažnější negativní účinky na životní prostředí tím, že přímo zabíjí říční faunu a vrací vodu při teplotě nad ekologicky žádoucí rozmezí.

Zapojení zúčastněných stran je důležitou součástí povolovacího postupu pro zařízení na výrobu elektřiny, ale je obtížné extrapolovat důsledky pro konkrétní složku zařízení. Chladicí věže, které mohou být vysoké více než 50 m, jsou pravděpodobně jednou z nejviditelnějších složek rostliny, a proto může existovat místní opozice vůči negativnímu estetickému dopadu impozantní věže na krajinu. Lze však zavést zmírňující a kompenzační opatření, například navržením a umístěním rostliny s cílem minimalizovat viditelnost její nejvýznamnější infrastruktury z blízkých obydlených oblastí nebo jejím prověřováním výsadbou stromů kolem rostliny a/nebo výstavbou umělých kopců (půdních bermů), které se mísí s přírodní krajinou a blokují výhled na rostlinu. Místní komunity mohou být přímo finančně kompenzovány za ztrátu blahobytu způsobenou utrpěnými estetickými dopady nebo mohou být podniknuta jiná kompenzační opatření, jako je budování společensky užitečné infrastruktury, jako jsou parky, školy atd.

Vzhledem k tomu, že tyto možnosti snižují odběr vody z povodí, očekává se, že je zúčastněné strany, které se spoléhají na stejné vodní zdroje jako elektrárny provádějící tato opatření, budou vnímat příznivě. Výsledné změny práv na užívání vody by měly být projednány mezi všemi zúčastněnými stranami a odpovídajícím způsobem dohodnuty s nimi a s orgány povodí.

Recirkulační chlazení věže je přibližně o 40 % dražší (US DOE, 2009) než chlazení jednou prostřednictvím mokrého chlazení a lze jej použít tam, kde je omezená dostupnost vody nebo kde je třeba snížit dopad zadržování a impingementu a tepelných výbojů.

Obě možnosti suchého chlazení poskytují mnohem větší flexibilitu při umístění nových elektráren, protože se stávají nezávislými na dostupnosti velkého vodního útvaru. Hlavní nevýhoda této možnosti spočívá v jejích ekonomických nákladech. U obou typů suchého chlazení je přenos tepla výrazně méně účinný než u „vlhkého“ chlazení, a proto vyžaduje velmi velká a mechanicky složitá chladicí zařízení. To vede k vyšším nákladům. Provoz suchého chladicího systému vyžaduje ve skutečnosti 1–1,5 % energie vyrobené elektrárnou ve srovnání s 0,5 % recirkulačního systému a prakticky nulu pro jednorázový provoz. Fyzika odpařování aplikovaná v mokrých chladicích věžích umožňuje ve skutečnosti účinnější přenos tepla než ten z páry nebo vody do vzduchu prostřednictvím kovových žeber, a tím zvyšuje celkovou technickou a ekonomickou účinnost zařízení. Všimněte si, že tepelná účinnost a tím i ekonomické podmínky provozu se liší podle klimatických podmínek umístění zařízení a mohou se v Evropě značně lišit.

To poukazuje na druhé, technické omezení suchého chlazení: v horkém klimatu okolní vzduch při teplotách nad 40 °C podstatně snižuje chladicí potenciál suchého chladicího systému ve srovnání s „vlhkým“ systémem, který svůj potenciál zakládá na mnohem nižších teplotách vlhkého teploměru.

Možným východiskem by mohl být hybridní suchý/recirkulační systém. Suché chlazení by mohlo být použito v podmínkách nedostatku vody a mohlo by být spojeno s omezeným používáním recirkulačního systému chladicí věže, když teploty vrcholí. Chladicí systém recirkulační věže může být také použit v obdobích, kdy je dostatek vody.

Údaje o nákladech se samozřejmě liší podle konkrétních podmínek každého zařízení. Obecně však US DOE (2009) uvádí, že mokré recirkulační chladicí systémy jsou o 40 % dražší než průchozí systémy, zatímco suché chladicí systémy jsou třikrát až čtyřikrát dražší než recirkulační mokré chladicí systémy. Mokré recirkulační systémy jsou v současné době považovány americkou Agenturou pro ochranu životního prostředí (EPA) za nejlepší dostupnou technologii pro chlazení tepelných zařízení, protože minimalizují dopad na vodní ekosystémy a zároveň udržují nárůst nákladů cenově dostupný.

Na druhou stranu recirkulační i suché systémy nemají prakticky žádný příjem vody a žádný dopad na vodní ekosystémy, což může alespoň částečně kompenzovat dodatečné kapitálové a provozní náklady, zejména v podmínkách nedostatku vody způsobeného změnou klimatu.

Volba chladicího systému je důležitou součástí návrhu elektrárny. Podléhá povolovacím postupům použitým k udělení povolení k výstavbě a provozu elektráren, které se v jednotlivých zemích liší. Vzhledem k tomu, že systémy suchého chlazení jsou méně energeticky účinné než jiné systémy chlazení, řadí se v současné době na poslední místo v pořadí nejlepších dostupných technologií EU pro chlazení a jsou překonány recirkulačním chlazením věží. Ačkoli použití suchého chlazení není vyloučeno, je omezeno na místa s velmi omezenými vodními zdroji nebo se zvláštními environmentálními obavami souvisejícími s využíváním vody.

U velkých jednotek by měly být rovněž zváženy bezpečnostní důsledky týkající se odstranění rozkládajícího se tepla po nouzovém odstavení se ztrátou energie.

Změny dohod o využívání vody vyplývající ze snížené potřeby vody v zařízeních provádějících tyto možnosti by měly být formálně dohodnuty s orgány povodí na základě konzultací se všemi dotčenými zúčastněnými stranami.

U nových závodů je doba realizace stejná jako u závodů, ke kterým patří. U modernizací se liší v závislosti na technologiích. Jako náhradu za průchozí systém uvádí studie o dovybavení kalifornských pobřežních elektráren (Tetra Tech, 2008) šestitýdenní odstávky elektrárny (aby bylo možné instalovat a propojit nový chladicí systém) jako konzervativní odhad pro fosilní elektrárny, zatímco dovybavení chladicího systému jaderných elektráren by vzhledem k jejich technické složitosti mohlo vyžadovat až 12 měsíců.

Životnost je stejná jako u zařízení na výrobu elektřiny, k němuž konkrétní opatření patří. Životnost tepelných zařízení se liší podle technologie: jaderné elektrárny, ačkoli jejich projektovaná životnost je obvykle 40 let, mohou fungovat až 70 let (Scientific American, 2009), zatímco elektrárny na fosilní paliva se pohybují mezi 25 a 50 lety (elektrárny na zemní plyn a uhelné elektrárny).