Adaptation option

Verringerung des Wasserverbrauchs für die Kühlung von Wärmeerzeugungsanlagen

Die energieeffizienteste Art der Kühlung thermischer Anlagen ist die Verwendung des Einmalsystems, wobei „Wasser aus nahe gelegenen Gewässern entnommen, durch einen Kondensator umgeleitet wird, wo es Wärme aus dem Dampf absorbiert und dann bei höheren Temperaturen wieder an seine ursprüngliche Quelle abgegeben wird. Da einmalig Kühlsysteme das Kühlwasser nicht recyceln, führt dies zu sehr hohen Mengen an täglichen Wasserentnahmen. Die Wasseraufnahmestrukturen in Kraftwerken mit einmaliger Abkühlung können jährlich mehrere Millionen Fische töten, und die Wärmeeinleitung kann auch Wasserorganismen schädigen und die gesamte aquatische Ökosysteme beeinträchtigen. Darüber hinaus macht das große Wasservolumen, das für den Betrieb von Einmalkühlsystemen benötigt wird, Kraftwerke besonders anfällig in Zeiten von Dürre und extremer Hitze“ (NDRC 2014).

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

Die Umwälzturmkühlung sieht noch eine Aufnahme von Wasser aus externen Quellen vor, aber die entnommene Menge ist 95 % niedriger als in Einmalkühlsystemen, wobei die negativen Auswirkungen auf die Ökosysteme vergleichbar reduziert werden. Wasser wird im System zirkuliert, absorbiert die Wärme aus dem Dampf, der verwendet wird, um Energie durch einen Kondensator zu erzeugen, und es durch Verdunstung innerhalb eines Kühlturms freizusetzen. Da die Kühlung jedoch durch Verdunstung eines Bruchteils des entnommenen Wassers erfolgt, kann eine umlaufende Nasskühlung unter Bedingungen schwerer Wasserknappheit immer noch problematisch sein.

Trockene Kühlung beruht auf Luft als Medium der Wärmeübertragung, anstatt Verdunstung aus dem Kondensatorkreislauf. Dadurch sind die Wasserverluste minimal. Es gibt zwei grundlegende Arten von Trockenkühltechniken. Die direkte Trockenkühlung verwendet so ziemlich einen luftgekühlten Kondensator wie in einem Automobilheizkörper. Es verwendet hohe Strömungsluft durch ein System von Rippenrohren im Kondensator, in dem der Dampf zirkuliert. So überträgt er die Wärme des Dampfes direkt an die Umgebungsluft. Die Kühlung eines Kraftwerks auf diese Weise erfordert weniger als 10 % des Wassers, das in einer gleichwertigen nassgekühlten Anlage verbraucht wird. Rund 1-1,5 % der Leistung des Kraftwerks wird verbraucht, um die großen Ventilatoren anzutreiben. Ein alternatives Design umfasst einen Kondensator-Kühlkreislauf wie bei der Nassumlaufkühlung, aber das verwendete Wasser wird durch einen Luftstrom durch Rippenrohre in einem Kühlturm eingeschlossen und gekühlt. Wärme wird somit mittels eines Prozesses, der weniger effizient ist als die Nasskühlung, an die Luft übertragen, aber die direkte Trockenkühlung verbessert, da der Energieverbrauch nur 0,5 % der Leistung beträgt. Laut UVP gab es 719 Einmalsysteme, 819 Umwälzsysteme und nur 61 Trockenkühl- und Hybridsysteme, die 2012 in den USA installiert wurden. Da für die EU keine analogen Informationen vorliegen und davon ausgegangen wird, dass für den Elektrizitätssektor in den Industrieländern in etwa die gleichen technologischen Reifegrade gelten, kann davon ausgegangen werden, dass die Trocken-/Hybridkühlung weniger als 4 % aller in thermischen Anlagen in der EU installierten Kühlsysteme beträgt.

NDRC quantifiziert unter Berücksichtigung eines konventionellen Kohlekraftwerks den Wasserverbrauch alternativer Kühloptionen auf zwei Arten: Wasserentnahmen, d. h., wie viel Wasser aus dem Wasserbecken entnommen und dann möglicherweise und teilweise zurückgegeben wird; und Wasserverbrauch, das heißt, wie viel des entnommenen Wassers in Dampf umgewandelt wird und somit nach dem Abkühlen nicht direkt in das Wasserbecken zurückgeführt wird. Bei trockenen Kühlsystemen belaufen sie sich beide auf 0 l/MWh. Die Wasserentnahmeanforderungen für Einmalkühl- und geschlossene Kühlsysteme betragen jeweils etwa 75.710-189.270 Liter pro Megawattstunde (l/MWh) bzw. 1,890-4,540 l/MWh. Der Wasserverbrauch hingegen ergibt ca. 380-1,200 l/MWh für Einmal- und 1.820-4,169 l/MWh für geschlossene Kühlung. So entziehen Einmalsysteme 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 mit sich bringt, indem man die Flussfauna direkt tötet und Wasser bei einer Temperatur über den ökologisch wünschenswerten Bereichen zurückgibt.

Referenzinformationen

Webseiten
Quelle

Details zur Anpassung

IPCC -Kategorien

Strukturell und physisch: Design- und bautechnische Optionen, Strukturell und physisch: technologische Optionen

Stakeholderbeteiligung

Die Einbeziehung der Interessenträger ist ein wichtiger Bestandteil des Genehmigungsverfahrens für Stromerzeugungsanlagen, es ist jedoch schwierig, die Auswirkungen auf eine bestimmte Komponente der Anlage zu extrapolieren. Kühltürme, die über 50 m hoch sein können, sind wohl eine der sichtbarsten Komponenten einer Anlage, und daher kann es durchaus lokalen Widerstand gegen die negativen ästhetischen Auswirkungen eines imposanten Turms auf eine Landschaft geben. Es können jedoch Minderungs- und Ausgleichsmaßnahmen ergriffen werden, z. B. durch die Planung und Aufstellung der Anlage, um die Sichtbarkeit ihrer prominentesten Infrastrukturen aus nahegelegenen bewohnten Gebieten zu minimieren, oder indem sie Bäume um die Pflanze pflanzt und/oder künstliche Hügel (Bodenbeeren) baut, die sich in die Naturlandschaft einfügen und den Blick auf die Pflanze blockieren. Lokale Gemeinschaften können direkt finanziell für den durch die ästhetischen Auswirkungen verursachten Wohlfahrtsverlust ausgeglichen werden, oder es können andere Ausgleichsmaßnahmen ergriffen werden, wie z. B. den Aufbau einer sozial nützlichen Infrastruktur wie Parks, Schulen usw.

Da diese Optionen die Wasserentnahme aus einem Becken verringern, werden sie von Interessengruppen erwartet, die sich auf die gleichen Wasserressourcen wie die Kraftwerke stützen, die diese Maßnahmen umsetzen. Die daraus resultierenden Änderungen der Wassernutzungsrechte sollten unter allen Beteiligten erörtert und mit ihnen und den Wassereinzugsbehörden entsprechend vereinbart werden.

Erfolgsfaktoren und Hemmnisse

Die Umwälzturmkühlung ist etwa 40 % teurer (US DOE, 2009) als einmalig nasse Kühlung und kann dort angewendet werden, wo die Wasserverfügbarkeit begrenzt ist oder die Auswirkungen von Entrainment und Impingement und thermischen Entladungen 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 ihren 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 1-1,5 % der von der Anlage erzeugten Leistung, verglichen mit 0,5 % eines Umwälzsystems und praktisch null für einmal. Die Physik der Verdunstung, die in nassen Kühltürmen angewendet wird, ermöglicht in der Tat eine effizientere Wärmeübertragung als die von Dampf oder Wasser in die Luft über Metallflossen und erhöht somit 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 Begrenzung der Trockenkühlung hin: in einem heißen Klima reduziert Umgebungsluft mit Temperaturen über 40 °C das Kühlpotenzial eines trockenen Kühlsystems im Vergleich zu einem „nassen“ System, das sein Potenzial auf deutlich niedrigeren Nasstemperaturen stützt.

Ein möglicher Ausweg könnte ein hybrides Trocken-/Rezirkulationssystem sein. Trockene Kühlung könnte unter Wasserknappheit verwendet werden und könnte mit einer begrenzten Verwendung eines umlaufenden Kühlturmsystems gekoppelt werden, wenn die Temperaturen steigen. Das Umwälzturmkühlsystem kann auch in Zeiten verwendet werden, in denen es eine Fülle von Wasser gibt.

Kosten und Nutzen

Die Kostenzahlen variieren offensichtlich je nach den spezifischen Bedingungen der einzelnen Anlagen. US DOE (2009) berichtet jedoch, dass Nassumlaufkühlsysteme 40 % teurer sind als Durchlaufsysteme, während Trockenkühlsysteme drei- bis viermal teurer sind als ein umlaufendes Nasskühlsystem. Derzeit gelten Nassumlaufsysteme von der US Environmental Protection Agency (EPA) als die beste verfügbare Technologie zur thermischen Anlagenkühlung, da sie die Auswirkungen auf die Wasserökosysteme minimieren und gleichzeitig die Kostensteigerung bezahlbar halten.

Auf der Plusseite haben sowohl Umwälz- als auch Trockensysteme praktisch keine Wasseraufnahme und keine Auswirkungen auf die Wasserökosysteme, was die zusätzlichen Kapital- und Betriebskosten zumindest teilweise kompensieren kann, insbesondere unter Bedingungen der Wasserknappheit durch den Klimawandel.

Rechtliche Aspekte

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

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

Änderungen der Wassernutzungsvereinbarungen aufgrund des geringeren Wasserbedarfs von Anlagen, die diese Optionen umsetzen, sollten auf der Grundlage von Konsultationen mit allen betroffenen Interessenträgern förmlich mit den Wassereinzugsbehörden vereinbart werden.

Umsetzungszeitraum

Für neue Anlagen ist die Implementierungszeit die gleiche wie die Anlagen, zu denen sie gehören. Bei Nachrüstungen variiert es mit den Technologien. Um ein Durchlaufsystem zu ersetzen, zeigt eine Studie zur Nachrüstung kalifornischer Küstenkraftwerke (Tetra Tech, 2008) eine Stillstandszeit der Anlage (um die Installation und den Anschluss des neuen Kühlsystems zu ermöglichen) von sechs Wochen als konservative Schätzung für fossile Anlagen, während die Nachrüstung des Kühlsystems von Kernkraftwerken aufgrund ihrer technischen Komplexität bis zu 12 Monate dauern könnte.

Lebensdauer

Die Lebensdauer entspricht der Stromerzeugungsanlage, zu der die spezifische Maßnahme gehört. Die Lebensdauer der thermischen Anlagen variiert mit der Technologie: Kernkraftwerke, obwohl ihre Lebensdauer in der Regel 40 Jahre beträgt, können bis zu 70 Jahre funktionieren (Wissenschaftlicher Amerikaner, 2009), während fossile Brennstoffe zwischen 25 und 50 Jahren (Erdgas- und Kohlekraftwerke) variieren.