Reduzierung des Wasserverbrauchs zur Kühlung thermischer Erzeugungsanlagen

Die energieeffizienteste Art, thermische Anlagen zu kühlen, ist die Verwendung des Durchlaufsystems, bei dem "Wasser aus nahe gelegenen Wasserkörpern entnommen, durch einen Kondensator umgeleitet wird, wo es Wärme aus dem Dampf aufnimmt und dann bei höheren Temperaturen an seine ursprüngliche Quelle zurückgeführt wird. Da Einmal-Kühlsysteme das Kühlwasser nicht recyceln, führt dies zu sehr hohen täglichen Wasserentnahmen. Die Wasseraufnahmestrukturen in Kraftwerken mit Einmalkühlung können jährlich mehrere Millionen Fische töten, und die thermische Ableitung stromabwärts kann auch Wasserorganismen schädigen und die gesamten aquatischen Ökosysteme beeinträchtigen. Darüber hinaus macht die große Wassermenge, die für den Betrieb von Durchlaufkühlsystemen erforderlich ist, Kraftwerke in Zeiten von Dürre und extremer Hitze besonders anfällig“ (NDRC 2014).

Umwälzturmkühlung und Trockenkühlung sind alternative Kühloptionen, die den Wasserverbrauch im Vergleich zu Ein-Trog-Kühlsystemen erheblich reduzieren.

Die Umwälzturmkühlung sieht immer noch eine Aufnahme von Wasser aus externen Quellen vor, aber die zurückgezogene Menge ist 95% niedriger als in Ein-Trog-Kühlsystemen, mit einer vergleichbaren Verringerung der negativen Auswirkungen auf die Ökosysteme. Wasser zirkuliert im System, absorbiert die Wärme aus dem Dampf, der zur Stromerzeugung durch einen Kondensator verwendet wird, und gibt sie durch Verdunstung in einem Kühlturm ab. Da die Kühlung jedoch durch Verdunstung eines Teils des entnommenen Wassers erfolgt, kann die Umwälzung der Nasskühlung bei starker Wasserknappheit immer noch problematisch sein.

Die Trockenkühlung beruht auf Luft als Medium der Wärmeübertragung und nicht auf Verdunstung aus dem Kondensatorkreislauf. Dadurch sind die Wasserverluste minimal. Es gibt zwei grundlegende Arten von Trockenkühltechniken. Direkte Trockenkühlung verwendet einen luftgekühlten Kondensator so ziemlich wie in einem Automobilheizkörper. Es verwendet High-Flow-Umluft durch ein System von Rippenrohren im Kondensator, in dem der Dampf zirkuliert. Dadurch wird die Wärme des Dampfes direkt an die Umgebungsluft abgegeben. Die Kühlung eines Kraftwerks auf diese Weise erfordert weniger als 10% des Wassers, das in einer gleichwertigen nassgekühlten Anlage verwendet wird. Etwa 1,5-1,5% der Leistung des Kraftwerks werden für den Antrieb der großen Ventilatoren verbraucht. Eine alternative Konstruktion umfasst einen Kondensatorkühlkreislauf wie bei der Nassumwälzkühlung, aber das verwendete Wasser wird durch einen Luftstrom durch Rippenrohre in einem Kühlturm eingeschlossen und gekühlt. Die Wärme wird daher durch ein weniger effizientes Verfahren als die Nasskühlung an die Luft abgegeben, verbessert sich jedoch bei der direkten Trockenkühlung, da der Energieverbrauch nur 0,5% der Leistung beträgt. Laut UVP waren 2012 in den USA 719 Durchlaufsysteme, 819 Umwälzsysteme und nur 61 Trockenkühl- und Hybridsysteme installiert. In Ermangelung entsprechender Informationen für die EU und unter der Annahme, dass für den Stromsektor in den Industrieländern ungefähr die gleichen technologischen Reifegrade gelten, kann davon ausgegangen werden, dass die Trocken-/Hybridkühlung weniger als 4 % aller in Wärmekraftwerken in der EU installierten Kühlsysteme ausmacht.

Die NDRC, die sich auf ein konventionelles Kohlekraftwerk bezieht, quantifiziert die Wassernutzung alternativer Kühlmöglichkeiten auf zwei Arten: Wasserentnahmen, d. h. wie viel Wasser aus dem Wasserbecken entnommen und dann möglicherweise und teilweise wieder in das Wasserbecken zurückgeführt wird, und Wasserverbrauch, d. h. wie viel des zurückgezogenen Wassers in Dampf umgewandelt wird und daher nach der Kühlung nicht direkt in das Wasserbecken zurückgeführt wird. Bei Trockenkühlsystemen betragen beide 0 l/MWh. Die Anforderungen an die Wasserentnahme für Durchlaufkühlsysteme und geschlossene Kreislaufkühlsysteme belaufen sich auf etwa 75 710 - 189 270 Liter pro Megawattstunde (l/MWh) bzw. 1,890 - 4540 l/MWh. Der Wasserverbrauch hingegen führt zu etwa 380 – 1.200 l/MWh für die Durchlaufkühlung und 1.820 – 4.169 l/MWh für die geschlossene Kreislaufkühlung. So entziehen Durchlaufsysteme mehr Wasser aus dem Wasserbecken, geben aber auch mehr Wasser zurück als geschlossene Kreislaufsysteme. Es ist jedoch der Rückzugsprozess, der schwerwiegendere negative Auswirkungen auf die Umwelt hat, indem er die Flussfauna direkt tötet und Wasser bei einer Temperatur über den ökologisch wünschenswerten Bereichen zurückgibt.

Die Einbeziehung der Interessenträger ist ein wichtiger Teil des Genehmigungsverfahrens für Stromerzeugungsanlagen, aber es ist schwierig, die Auswirkungen auf eine bestimmte Komponente der Anlage zu extrapolieren. Kühltürme, die über 50 m hoch sein können, sind wohl einer der sichtbarsten Bestandteile einer Pflanze, und daher kann es durchaus lokale Opposition gegen die negativen ästhetischen Auswirkungen eines imposanten Turms auf eine Landschaft geben. Es können jedoch Minderungs- und Kompensationsmaßnahmen ergriffen werden, z. B. durch Planung und Standort der Pflanze, um die Sichtbarkeit ihrer wichtigsten Infrastrukturen aus nahe gelegenen bewohnten Gebieten zu minimieren, oder durch Screening, indem Bäume um die Pflanze gepflanzt und / oder künstliche Hügel (Bodenkeime) gebaut werden, die sich in die Naturlandschaft einfügen und den Blick auf die Pflanze blockieren. Lokale Gemeinschaften können direkt finanziell für die Wohlfahrtsverluste entschädigt werden, die durch die erlittenen ästhetischen Auswirkungen verursacht werden, oder es können andere Ausgleichsmaßnahmen ergriffen werden, wie der Bau sozial nützlicher Infrastrukturen wie Parks, Schulen usw.

Da diese Optionen die Wasserentnahmen aus einem Becken verringern, wird erwartet, dass sie von den Interessenträgern, die sich auf dieselben Wasserressourcen verlassen wie die Kraftwerke, die diese Maßnahmen umsetzen, positiv bewertet werden. Die sich daraus ergebenden Änderungen der Wassernutzungsrechte sollten unter allen Interessenträgern erörtert und mit ihnen und den Behörden des Wassereinzugsgebiets entsprechend vereinbart werden.

Die Umwälzturmkühlung ist etwa 40% teurer (US DOE, 2009) als die Einmal-Nasskühlung und kann dort eingesetzt werden, wo die Wasserverfügbarkeit begrenzt ist oder die Auswirkungen von Mitnahme und Impingement und thermischen Ableitungen reduziert werden müssen.

Beide Trockenkühloptionen bieten eine viel größere Flexibilität beim Standort neuer Kraftwerke, da sie unabhängig von der Verfügbarkeit eines großen Wasserkörpers werden. Der größte Nachteil dieser Option liegt in den wirtschaftlichen Kosten. Bei beiden Arten der Trockenkühlung ist die Wärmeübertragung deutlich weniger effizient als bei „nassen“ Kühloptionen und erfordert daher sehr große und mechanisch komplexe Kühlanlagen. Dies führt zu höheren Kosten. Der Betrieb eines Trockenkühlsystems erfordert in der Tat 1,5-1,5% der von der Anlage erzeugten Leistung, verglichen mit 0,5% eines Umwälzsystems und praktisch null für einmal durch. Die in Nasskühltürmen angewandte Physik der Verdunstung ermöglicht tatsächlich eine effizientere Wärmeübertragung als die von Dampf oder Wasser über Metalllamellen in die Luft und erhöht damit die gesamte technische und wirtschaftliche Effizienz der Anlage. Beachten Sie, dass die thermische Effizienz und damit die wirtschaftlichen Betriebsbedingungen mit den klimatischen Bedingungen des Standorts der Anlagen variieren und in ganz Europa erheblich unterschiedlich sein können.

Dies deutet auf eine zweite technische Einschränkung der Trockenkühlung hin: In einem heißen Klima verringert die Umgebungsluft mit Temperaturen über 40 ° C das Kühlpotenzial eines Trockenkühlsystems im Vergleich zu einem „nassen“ System, das sein Potenzial auf viel niedrigere Nasskolbentemperaturen stützt.

Ein möglicher Ausweg könnte ein Hybrid-Trocken-/Umwälzsystem sein. Trockenkühlung könnte bei Wasserknappheit eingesetzt werden und könnte mit einem begrenzten Einsatz eines umlaufenden Kühlturmsystems bei hohen Temperaturen gekoppelt werden. Das Umwälzturm-Kühlsystem kann auch in Zeiten verwendet werden, in denen es eine Fülle von Wasser gibt.

Die Kostenangaben variieren natürlich je nach den spezifischen Bedingungen der einzelnen Anlagen. Im Allgemeinen berichtet US DOE (2009) jedoch, dass Nassumwälzkühlsysteme 40% teurer sind als Durchlaufsysteme, während Trockenkühlsysteme drei- bis viermal teurer sind als ein Nassumwälzkühlsystem. Derzeit gelten Nass-Umwälzsysteme von der US-Umweltschutzbehörde EPA als die beste verfügbare Technologie für die thermische Anlagenkühlung, da sie die Auswirkungen auf die Wasserökosysteme minimieren und gleichzeitig den Kostenanstieg erschwinglich halten.

Auf der positiven Seite haben sowohl Kreislauf- als auch Trockensysteme praktisch keine Wasseraufnahme und keine Auswirkungen auf Wasserökosysteme, was die zusätzlichen Kapital- und Betriebskosten zumindest teilweise kompensieren kann, insbesondere unter den Bedingungen der Wasserknappheit aufgrund des Klimawandels.

Die Wahl des Kühlsystems ist ein wichtiger Bestandteil der Auslegung eines Kraftwerks. Es unterliegt den Genehmigungsverfahren für die Erteilung der Genehmigung zum Bau und Betrieb von Kraftwerken, die von Land zu Land unterschiedlich sind. Da Trockenkühlsysteme weniger energieeffizient sind als andere Kühlsysteme, liegen sie derzeit in der Rangfolge der besten verfügbaren Technologien für die Kühlung in der EU an letzter Stelle und werden von der Umwälzturmkühlung übertroffen. Die Nutzung von Trockenkühlung ist zwar nicht ausgeschlossen, beschränkt sich jedoch auf Standorte mit sehr begrenzten Wasserressourcen oder mit besonderen Umweltbelangen im Zusammenhang mit der Wassernutzung.

Bei großen Einheiten sollten auch die Sicherheitsauswirkungen in Bezug auf die Entfernung von Abklingwärme nach einer Notabschaltung mit Leistungsverlust berücksichtigt werden.

Änderungen von Wassernutzungsvereinbarungen, die sich aus dem geringeren Wasserbedarf von Anlagen ergeben, die diese Optionen umsetzen, sollten auf der Grundlage von Konsultationen mit allen betroffenen Interessenträgern förmlich mit den Behörden des Wassereinzugsgebiets vereinbart werden.

Bei neuen Anlagen ist die Umsetzungszeit die gleiche wie bei den Anlagen, zu denen sie gehören. Bei Retrofits variiert es mit den Technologien. Um ein Pass-Through-System zu ersetzen, wird in einer Studie über die Nachrüstung kalifornischer Küstenkraftwerke (Tetra Tech, 2008) als konservative Schätzung für fossile Kraftwerke eine Ausfallzeit der Anlage (um die Installation und den Anschluss des neuen Kühlsystems zu ermöglichen) von sechs Wochen angegeben, während die Nachrüstung des Kühlsystems von Kernkraftwerken aufgrund ihrer technischen Komplexität bis zu 12 Monate dauern könnte.

Die Lebensdauer entspricht der der Stromerzeugungsanlage, zu der die spezifische Maßnahme gehört. Die Lebensdauer von thermischen Anlagen variiert mit der Technologie: Kernkraftwerke, obwohl ihre Lebensdauer in der Regel 40 Jahre beträgt, können bis zu 70 Jahre in Betrieb bleiben (Scientific American, 2009), während Anlagen mit fossilen Brennstoffen zwischen 25 und 50 Jahren variieren (Erdgas- und Kohlekraftwerke).