Reduktion af vandforbruget til køling af termiske produktionsanlæg

Den mest energieffektive måde at køle termiske anlæg på er ved hjælp af engangssystemet, hvorved "vand trækkes tilbage fra nærliggende vandområder, omdirigeres gennem en kondensator, hvor den absorberer varme fra dampen og derefter udledes tilbage til sin oprindelige kilde ved højere temperaturer. Fordi engangskølesystemer ikke genbruger kølevandet, fører dette til meget store mængder daglige vandudtag. Vandindtagsstrukturerne på kraftværker med gennemkøling kan dræbe flere millioner fisk årligt, og den termiske udledning nedstrøms kan også skade vandorganismer, der påvirker hele vandøkosystemerne. Desuden gør den store mængde vand, der kræves for at drive engangskølesystemer, kraftværkerne særligt sårbare i perioder med tørke og ekstrem varme" (NDRC 2014).

Recirkulering af tårnkøling og tørkøling er alternative kølemuligheder, der reducerer vandforbruget betydeligt sammenlignet med engangskølesystemer.

Recirkulerende tårnkøling forudser stadig et indtag af vand fra eksterne kilder, men den mængde, der trækkes tilbage, er 95 % lavere end i engangskølesystemer med en sammenlignelig reduktion af de negative virkninger på økosystemerne. Vand holdes cirkulerende i systemet, absorberer varmen fra dampen, der bruges til at generere strøm gennem en kondensator, og frigiver den gennem fordampning i et køletårn. Men da køling finder sted ved fordampning af en brøkdel af det vand, der trækkes tilbage, kan recirkulerende vådkøling stadig være problematisk under forhold med alvorlig vandknaphed.

Tørkøling er afhængig af luft som medium for varmeoverførsel, snarere end fordampning fra kondensatorkredsløbet. Som følge heraf er vandtabet minimalt. Der er to grundlæggende typer af tørkøling teknikker til rådighed. Direkte tørkøling bruger en luftkølet kondensator stort set som i en bil radiator. Det anvender højstrøms tvungen luft gennem et system af finnede rør i kondensatoren, hvori dampen cirkulerer. Det overfører således dampens varme direkte til den omgivende luft. Køling af et kraftværk på denne måde kræver mindre end 10% af det vand, der anvendes i et tilsvarende vådkølet anlæg. Omkring 1-1,5% af kraftværkets output forbruges til at drive de store fans. Et alternativt design omfatter et kondensatorkølekredsløb som i våd recirkulerende køling, men det anvendte vand er lukket og afkølet af en luftstrøm gennem finnede rør i et køletårn. Varme overføres således til luft ved hjælp af en proces, der er mindre effektiv end vådkøling, men forbedres ved direkte tørkøling, da energiforbruget kun udgør 0,5 % af produktionen. Ifølge VVM var der 719 engangssystemer, 819 recirkulerende systemer og kun 61 tørkølings- og hybridsystemer installeret i USA i 2012. I mangel af tilsvarende oplysninger for EU og ud fra den antagelse, at stort set de samme teknologiske modenhedsniveauer gælder for elsektoren i de udviklede lande, er det muligt at antage, at tør-/hybridkøling udgør mindre end 4 % af alle kølesystemer, der installeres i termiske anlæg i EU.

NDRC, der tager udgangspunkt i et konventionelt kulfyret kraftværk, kvantificerer vandforbruget af alternative kølemuligheder på to måder: vandudtag, dvs. hvor meget vand der udtages fra vandbassinet og derefter eventuelt og delvist returneres til det og vandforbrug, dvs. hvor meget af det udtagne vand der omdannes til damp og dermed ikke returneres direkte til vandbassinet efter afkøling. For tørre kølesystemer udgør de begge 0 l/MWh. Kravene til vandudtag for engangskølesystemer og kølesystemer med lukket cyklus er henholdsvis ca. 75 710-189 270 liter pr. megawatttime (l/MWh) og 1 890-4 540 liter/MWh. Vandforbruget resulterer derimod i ca. 380-1 200 l/MWh for gennemløb og 1 820-4 169 l/MWh for køling i lukket cyklus. Således trækker gennemløbssystemer mere vand ud af vandbassinet, men returnerer også mere vand til det end lukkede kredsløbssystemer. Det er imidlertid tilbagetrækningsprocessen, der medfører mere alvorlige negative virkninger på miljøet ved direkte at dræbe flodfaunaen og ved at returnere vand ved en temperatur over de økologisk ønskelige intervaller.

Inddragelse af interessenter er en vigtig del af godkendelsesprocessen for elproduktionsanlæg, men det er vanskeligt at ekstrapolere konsekvenserne for en specifik del af anlægget. Køletårne, som kan være over 50 m høje, er uden tvivl en af de mest synlige komponenter i en plante, og derfor kan der meget vel være lokal modstand mod den negative æstetiske virkning af et imponerende tårn på et landskab. Der kan dog træffes afbødnings- og kompensationsforanstaltninger, f.eks. ved at designe og placere anlægget for at minimere synligheden af dets mest fremtrædende infrastrukturer fra nærliggende beboede områder eller ved at screene det ved at plante træer omkring anlægget og/eller ved at bygge kunstige bakker (jordvolde), der blander sig i det naturlige landskab og blokerer udsigten til anlægget. Lokalsamfundene kan få direkte økonomisk kompensation for det velfærdstab, der er forårsaget af de æstetiske virkninger, eller der kan træffes andre kompenserende foranstaltninger, f.eks. opbygning af socialt nyttig infrastruktur såsom parker, skoler osv.

Da disse muligheder reducerer vandudtag fra et vandløbsopland, forventes de at blive set positivt af interessenter, der er afhængige af de samme vandressourcer som de kraftværker, der gennemfører disse foranstaltninger. De deraf følgende ændringer i brugsrettighederne til vand bør drøftes blandt alle interessenter og aftales med dem og med vandområdemyndighederne i overensstemmelse hermed.

Recirkulering af tårnkøling er ca. 40% dyrere (US DOE, 2009) end en gang gennem vådkøling og kan anvendes, hvor vandtilgængeligheden er begrænset, eller virkningen af indtrængning og impingement og termiske udledninger skal reduceres.

Begge tørkølingsmuligheder giver meget større fleksibilitet i placeringen af nye kraftværker, da det bliver uafhængigt af tilgængeligheden af et stort vandområde. Den største ulempe ved denne løsningsmodel er de økonomiske omkostninger. Med begge typer tørkøling er varmeoverførsel betydeligt mindre effektiv end med "våd" køling, og det kræver derfor meget store og mekanisk komplekse køleanlæg. Dette resulterer i højere omkostninger. Driften af et tørkølingssystem kræver faktisk 1-1,5% af den effekt, der genereres af anlægget, sammenlignet med 0,5 % af et recirkulerende system og næsten nul for en gang igennem. Fordampningsfysikken, der anvendes i våde køletårne, muliggør faktisk en mere effektiv overførsel af varme end den fra damp eller vand til luft via metalfinner og øger dermed hele anlæggets tekniske og økonomiske effektivitet. Bemærk, at termisk effektivitet og dermed økonomiske driftsforhold varierer med de klimatiske forhold på anlæggenes placering og kan være betydeligt forskellige i hele Europa.

Dette peger på en anden teknisk begrænsning af tørkøling: I et varmt klima reducerer den omgivende luft med temperaturer over 40 °C i væsentlig grad et tørt kølesystems kølepotentiale sammenlignet med et "vådt" system, som baserer sit potentiale på meget lavere vådtemperaturer.

En mulig udvej kunne være et hybridt tør-/recirkulerende system. Tørkøling kan anvendes i tilfælde af vandknaphed og kan kombineres med en begrænset anvendelse af et recirkulerende køletårnssystem, når temperaturen topper. Det recirkulationstårn kølesystem kan også bruges i perioder, hvor der er en overflod af vand.

Omkostningstallene varierer naturligvis afhængigt af de enkelte anlægs særlige forhold. Men generelt US DOE (2009) rapporterer, at vådrecirkulationskølesystemer er 40% dyrere end pass-through systemer, mens tørkølingssystemer er tre til fire gange dyrere end et recirkulerende vådkølesystem. I øjeblikket betragtes vådrecirkulationssystemer som den bedste tilgængelige teknologi til termisk anlægskøling af US Environmental Protection Agency (EPA), fordi de minimerer indvirkningen på vandøkosystemer og samtidig holder stigningen i omkostningerne overkommelig.

På plussiden har både recirkulerende og tørre systemer stort set intet vandindtag og ingen indvirkning på vandøkosystemerne, hvilket i det mindste delvist kan kompensere for de ekstra kapital- og driftsomkostninger, navnlig under forhold med vandknaphed som følge af klimaændringer.

Valget af kølesystem er en vigtig del af et kraftværks design. Det er underlagt de godkendelsesprocesser, der anvendes til at give tilladelse til at bygge og drive kraftværker, hvilket varierer fra land til land. Da tørkølingssystemer er mindre energieffektive end andre kølesystemer, rangerer de i øjeblikket sidst i rækkefølgen efter EU's bedste tilgængelige teknologier til køling og overgås af recirkulerende tårnkøling. Anvendelsen af tørkøling er ikke udelukket, men er begrænset til steder med meget begrænsede vandressourcer eller med særlige miljøproblemer i forbindelse med vandanvendelse.

For store enheder bør sikkerhedsmæssige konsekvenser vedrørende fjernelse af henfaldsvarme efter en nødafbrydelse med strømtab også overvejes.

Ændringer af vandanvendelsesaftaler som følge af det reducerede vandbehov i anlæg, der gennemfører disse muligheder, bør aftales formelt med vandområdemyndighederne på grundlag af høringer af alle berørte interessenter.

For nye anlæg er gennemførelsestiden den samme som for de anlæg, de tilhører. For eftermonteringer varierer det med teknologierne. For at erstatte et gennemløbssystem viser en undersøgelse af retrofitting af californiske kystkraftværker (Tetra Tech, 2008) en nedetid for anlægget (for at tillade installation og tilslutning af det nye kølesystem) på seks uger som et konservativt skøn for fossile anlæg, mens retrofitting af kølesystemet på kernekraftværker kan kræve op til 12 måneder på grund af deres tekniske kompleksitet.

Levetiden er den samme som for det elproduktionsanlæg, som den specifikke foranstaltning tilhører. Varmeanlæggenes levetid varierer med teknologien: Atomkraftværker kan, selv om deres designlevetid typisk er 40 år, fortsætte med at fungere i op til 70 år (Scientific American, 2009), mens fossile brændselsanlæg varierer mellem 25 og 50 år (henholdsvis naturgas- og kulkraftværker).