Μείωση της κατανάλωσης νερού για ψύξη μονάδων παραγωγής θερμικής ενέργειας

Ο πιο ενεργειακά αποδοτικός τρόπος ψύξης των θερμικών εγκαταστάσεων είναι η χρήση του συστήματος «μιας χρήσης», σύμφωνα με το οποίο «το νερό αποσύρεται από τα κοντινά υδατικά συστήματα, εκτρέπεται μέσω ενός συμπυκνωτή όπου απορροφά θερμότητα από τον ατμό και στη συνέχεια απορρίπτεται πίσω στην αρχική του πηγή σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Επειδή τα συστήματα ψύξης μίας χρήσης δεν ανακυκλώνουν το νερό ψύξης, αυτό οδηγεί σε πολύ μεγάλους όγκους ημερήσιων αντλήσεων νερού. Οι δομές πρόσληψης νερού σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με ψύξη μπορεί να σκοτώσουν αρκετά εκατομμύρια ψάρια ετησίως και η θερμική απόρριψη κατάντη μπορεί επίσης να βλάψει τους υδρόβιους οργανισμούς, επηρεάζοντας ολόκληρα τα υδάτινα οικοσυστήματα. Επιπλέον, ο μεγάλος όγκος νερού που απαιτείται για τη λειτουργία συστημάτων ψύξης μίας χρήσης καθιστά τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής ιδιαίτερα ευάλωτους σε περιόδους ξηρασίας και ακραίας ζέστης» (NDRC 2014).

Η ψύξη πύργου ανακυκλοφορίας και η ξηρή ψύξη είναι εναλλακτικές επιλογές ψύξης που μειώνουν σημαντικά τη χρήση νερού σε σύγκριση με τα συστήματα ψύξης που χρησιμοποιούνται μία φορά.

Η ψύξη των πύργων ανακυκλοφορίας εξακολουθεί να προβλέπει την πρόσληψη νερού από εξωτερικές πηγές, αλλά η ποσότητα που αποσύρεται είναι κατά 95 % χαμηλότερη από ό,τι στα συστήματα ψύξης που χρησιμοποιούνταν άπαξ, με συγκρίσιμη μείωση των αρνητικών επιπτώσεων στα οικοσυστήματα. Το νερό εξακολουθεί να κυκλοφορεί στο σύστημα, απορροφώντας τη θερμότητα από τον ατμό που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας μέσω ενός συμπυκνωτή και απελευθερώνοντάς την μέσω εξάτμισης μέσα σε έναν πύργο ψύξης. Ωστόσο, δεδομένου ότι η ψύξη πραγματοποιείται μέσω εξάτμισης ενός κλάσματος του νερού που αποσύρεται, η ανακυκλοφορία της υγρής ψύξης μπορεί να εξακολουθεί να είναι προβληματική σε συνθήκες σοβαρής λειψυδρίας.

Η ξηρή ψύξη βασίζεται στον αέρα ως μέσο μεταφοράς θερμότητας και όχι στην εξάτμιση από το κύκλωμα του συμπυκνωτή. Ως αποτέλεσμα, οι απώλειες νερού είναι ελάχιστες. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι τεχνικών ξηρής ψύξης. Η άμεση ξηρή ψύξη χρησιμοποιεί έναν αερόψυκτο συμπυκνωτή λίγο πολύ όπως σε ένα θερμαντικό σώμα αυτοκινήτων. Χρησιμοποιεί εξαναγκασμένο αέρα υψηλής ροής μέσω ενός συστήματος σωλήνων με πτερύγια στον συμπυκνωτή μέσα στον οποίο κυκλοφορεί ο ατμός. Ως εκ τούτου, μεταφέρει απευθείας τη θερμότητα του ατμού στον ατμοσφαιρικό αέρα. Η ψύξη μιας μονάδας ηλεκτροπαραγωγής με αυτόν τον τρόπο απαιτεί λιγότερο από το 10% του νερού που χρησιμοποιείται σε μια ισοδύναμη μονάδα υγρής ψύξης. Περίπου το 1-1,5% της παραγωγής του σταθμού καταναλώνεται για να ωθήσει τους μεγάλους ανεμιστήρες. Ένας εναλλακτικός σχεδιασμός περιλαμβάνει ένα κύκλωμα ψύξης συμπυκνωτή όπως στην ψύξη με υγρή ανακυκλοφορία, αλλά το νερό που χρησιμοποιείται περικλείεται και ψύχεται από μια ροή αέρα μέσω πτερυγίων σωλήνων σε έναν πύργο ψύξης. Η θερμότητα μεταφέρεται έτσι στον αέρα μέσω μιας διαδικασίας λιγότερο αποδοτικής από την υγρή ψύξη, αλλά βελτιώνεται στην άμεση ξηρή ψύξη, δεδομένου ότι η χρήση ενέργειας είναι μόνο 0,5% της παραγωγής. Σύμφωνα με την ΕΠΕ, υπήρχαν 719 συστήματα μίας χρήσης, 819 συστήματα ανακυκλοφορίας και μόνο 61 συστήματα ξηρής ψύξης και υβριδικά συστήματα εγκατεστημένα στις ΗΠΑ το 2012. Ελλείψει ανάλογων πληροφοριών για την ΕΕ και με την παραδοχή ότι περίπου τα ίδια επίπεδα τεχνολογικής ωριμότητας ισχύουν για τον τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας σε όλες τις ανεπτυγμένες χώρες, είναι δυνατόν να υποτεθεί ότι η ξηρή/υβριδική ψύξη αντιστοιχεί σε λιγότερο από το 4 % του συνόλου των συστημάτων ψύξης που είναι εγκατεστημένα σε θερμικούς σταθμούς στην ΕΕ.

Η NDRC, λαμβάνοντας ως σημείο αναφοράς μια συμβατική μονάδα ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα, ποσοτικοποιεί τη χρήση νερού εναλλακτικών επιλογών ψύξης με δύο τρόπους: αντλήσεις νερού, δηλαδή πόση ποσότητα νερού λαμβάνεται από τη λεκάνη απορροής και στη συνέχεια, ενδεχομένως και εν μέρει, επιστρέφεται σε αυτήν· και η κατανάλωση νερού, δηλαδή η ποσότητα του νερού που αποσύρεται μετατρέπεται σε ατμό και, ως εκ τούτου, δεν επιστρέφεται απευθείας στη λεκάνη απορροής μετά την ψύξη. Για τα συστήματα ξηρής ψύξης, και τα δύο ανέρχονται σε 0 l/MWh. Οι απαιτήσεις υδροληψίας για συστήματα ψύξης μίας χρήσης και ψύξης κλειστού κύκλου είναι, αντίστοιχα, περίπου 75.710 - 189.270 λίτρα ανά μεγαβατώρα (l/MWh) και 1.890 - 4.540 l/MWh. Από την άλλη πλευρά, η κατανάλωση νερού έχει ως αποτέλεσμα περίπου 380 – 1.200 l/MWh για ψύξη μίας χρήσης και 1.820 – 4.169 l/MWh για ψύξη κλειστού κύκλου. Έτσι, τα συστήματα άπαξ διέλευσης αποσύρουν περισσότερο νερό από τη λεκάνη απορροής, αλλά και επιστρέφουν περισσότερο νερό σε αυτήν από τα συστήματα κλειστού κύκλου. Ωστόσο, είναι η διαδικασία απόσυρσης που επιφέρει σοβαρότερες αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον, σκοτώνοντας άμεσα την πανίδα των ποταμών και επιστρέφοντας το νερό σε θερμοκρασία πάνω από τις οικολογικά επιθυμητές περιοχές.

Η συμμετοχή των ενδιαφερόμενων μερών αποτελεί σημαντικό μέρος της διαδικασίας έγκρισης για τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά είναι δύσκολο να παρεκταθούν οι επιπτώσεις για μια συγκεκριμένη συνιστώσα του σταθμού. Οι πύργοι ψύξης, οι οποίοι μπορεί να είναι πάνω από 50 μέτρα ύψος, είναι αναμφισβήτητα ένα από τα πιο ορατά συστατικά ενός φυτού και ως εκ τούτου μπορεί να υπάρχει τοπική αντίθεση στην αρνητική αισθητική επίδραση ενός επιβλητικού πύργου σε ένα τοπίο. Ωστόσο, μπορούν να τεθούν σε εφαρμογή μέτρα μετριασμού και αντιστάθμισης, για παράδειγμα με τον σχεδιασμό και τη χωροθέτηση της μονάδας προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η ορατότητα των σημαντικότερων υποδομών της από κοντινές κατοικημένες περιοχές, ή με τον έλεγχο της με τη φύτευση δέντρων γύρω από τη μονάδα και/ή με την κατασκευή τεχνητών λόφων (έδαφος) που αναμειγνύονται στο φυσικό τοπίο και εμποδίζουν τη θέα της μονάδας. Οι τοπικές κοινότητες μπορούν να αποζημιωθούν άμεσα οικονομικά για την απώλεια ευημερίας που προκλήθηκε από τις αισθητικές επιπτώσεις που υπέστησαν ή μπορούν να αναληφθούν άλλες αντισταθμιστικές δράσεις, όπως η κατασκευή κοινωνικά χρήσιμων υποδομών, όπως πάρκα, σχολεία κ.λπ.

Δεδομένου ότι οι επιλογές αυτές μειώνουν τις απορροφήσεις νερού από μια λεκάνη, αναμένεται να θεωρηθούν ευνοϊκές από τα ενδιαφερόμενα μέρη που βασίζονται στους ίδιους υδάτινους πόρους με τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής που εφαρμόζουν τα εν λόγω μέτρα. Οι επακόλουθες αλλαγές στα δικαιώματα χρήσης νερού θα πρέπει να συζητηθούν μεταξύ όλων των ενδιαφερόμενων μερών και να συμφωνηθούν αναλόγως με αυτά και με τις αρχές των λεκανών απορροής.

Η ψύξη των πύργων ανακυκλοφορίας είναι περίπου 40% ακριβότερη (US DOE, 2009) από ό,τι η ψύξη με υγρή μέθοδο, και μπορεί να εφαρμοστεί όταν η διαθεσιμότητα νερού είναι περιορισμένη ή πρέπει να μειωθούν οι επιπτώσεις της εμπλοκής και της πρόσκρουσης και των θερμικών απορρίψεων.

Και οι δύο επιλογές ξηρής ψύξης παρέχουν πολύ μεγαλύτερη ευελιξία στη θέση των νέων σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, καθώς γίνεται ανεξάρτητη από τη διαθεσιμότητα ενός μεγάλου όγκου νερού. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της επιλογής έγκειται στο οικονομικό της κόστος. Και με τους δύο τύπους ξηρής ψύξης, η μεταφορά θερμότητας είναι σημαντικά λιγότερο αποδοτική από ό,τι με τις επιλογές «υγρής» ψύξης και, ως εκ τούτου, απαιτεί πολύ μεγάλες και μηχανικά πολύπλοκες μονάδες ψύξης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερο κόστος. Η λειτουργία ενός συστήματος ξηρής ψύξης απαιτεί στην πραγματικότητα το 1-1,5% της ισχύος που παράγεται από τη μονάδα, σε σύγκριση με το 0,5% ενός συστήματος ανακυκλοφορίας και σχεδόν μηδενικό για μια φορά. Η φυσική της εξάτμισης που εφαρμόζεται σε υγρούς πύργους ψύξης επιτρέπει στην πραγματικότητα μια πιο αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας από εκείνη από τον ατμό ή το νερό στον αέρα μέσω μεταλλικών πτερυγίων και ως εκ τούτου αυξάνει ολόκληρη την τεχνική και οικονομική αποδοτικότητα του εργοστασίου. Επισημαίνεται ότι η θερμική απόδοση και, ως εκ τούτου, οι οικονομικές συνθήκες λειτουργίας ποικίλλουν ανάλογα με τις κλιματικές συνθήκες της τοποθεσίας των μονάδων και μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ανά την Ευρώπη.

Αυτό δείχνει έναν δεύτερο, τεχνικό περιορισμό της ξηρής ψύξης: σε θερμό κλίμα, ο ατμοσφαιρικός αέρας με θερμοκρασίες άνω των 40 °C μειώνει σημαντικά το ψυκτικό δυναμικό ενός συστήματος ξηρής ψύξης, σε σύγκριση με ένα «υγρό» σύστημα, το οποίο βασίζει το δυναμικό του σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες υγρού βολβού.

Μια πιθανή διέξοδος θα μπορούσε να είναι ένα υβριδικό σύστημα ξηρής/ανακυκλοφορίας. Η ξηρή ψύξη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε κατάσταση λειψυδρίας και θα μπορούσε να συνδυαστεί με περιορισμένη χρήση ενός συστήματος πύργου ψύξης ανακυκλοφορίας όταν οι θερμοκρασίες κορυφώνονται. Το σύστημα ψύξης πύργου ανακυκλοφορίας μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί κατά τη διάρκεια περιόδων στις οποίες υπάρχει αφθονία νερού.

Τα στοιχεία κόστους προφανώς διαφέρουν ανάλογα με τις ειδικές συνθήκες κάθε μονάδας. Ωστόσο, σε γενικές γραμμές, το US DOE (2009) αναφέρει ότι τα συστήματα ψύξης με υγρή ανακυκλοφορία είναι 40% ακριβότερα από τα συστήματα διέλευσης, ενώ τα συστήματα ξηρής ψύξης είναι τρεις έως τέσσερις φορές ακριβότερα από ένα σύστημα ψύξης με υγρή ανακυκλοφορία. Επί του παρόντος, τα συστήματα υγρής ανακυκλοφορίας θεωρούνται η καλύτερη διαθέσιμη τεχνολογία για την ψύξη των θερμικών εγκαταστάσεων από την Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος των ΗΠΑ (EPA), επειδή ελαχιστοποιούν τις επιπτώσεις στα υδάτινα οικοσυστήματα διατηρώντας παράλληλα την αύξηση του κόστους προσιτή.

Από την άλλη πλευρά, τόσο τα συστήματα ανακυκλοφορίας όσο και τα ξηρά συστήματα δεν έχουν σχεδόν καμία πρόσληψη νερού και καμία επίπτωση στα υδάτινα οικοσυστήματα, γεγονός που μπορεί τουλάχιστον εν μέρει να αντισταθμίσει το πρόσθετο κόστος κεφαλαίου και λειτουργίας, ιδίως σε συνθήκες λειψυδρίας που προκαλούνται από την κλιματική αλλαγή.

Η επιλογή του συστήματος ψύξης αποτελεί σημαντικό μέρος του σχεδιασμού ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής. Υπόκειται στις διαδικασίες αδειοδότησης που εφαρμόζονται για τη χορήγηση άδειας κατασκευής και λειτουργίας σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, οι οποίες ποικίλλουν από χώρα σε χώρα. Δεδομένου ότι τα συστήματα ξηρής ψύξης είναι λιγότερο ενεργειακά αποδοτικά από άλλα συστήματα ψύξης, επί του παρόντος κατατάσσονται τελευταία στη σειρά των Βέλτιστων Διαθέσιμων Τεχνολογιών της ΕΕ για την ψύξη και ξεπερνούν την ψύξη πύργου ανακυκλοφορίας. Μολονότι η χρήση ξηρής ψύξης δεν αποκλείεται, περιορίζεται σε τοποθεσίες με πολύ περιορισμένους υδάτινους πόρους ή με ιδιαίτερες περιβαλλοντικές ανησυχίες που σχετίζονται με τη χρήση νερού.

Για τις μεγάλες μονάδες, θα πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη οι επιπτώσεις στην ασφάλεια όσον αφορά την απομάκρυνση της θερμότητας αποσύνθεσης μετά από διακοπή λειτουργίας έκτακτης ανάγκης με απώλεια ισχύος.

Οι τροποποιήσεις των συμφωνιών χρήσης νερού που προκύπτουν από τις μειωμένες ανάγκες σε νερό των μονάδων που εφαρμόζουν αυτές τις επιλογές θα πρέπει να συμφωνούνται επίσημα με τις αρχές των λεκανών απορροής, βάσει διαβουλεύσεων με όλα τα επηρεαζόμενα ενδιαφερόμενα μέρη.

Για τις νέες μονάδες, ο χρόνος υλοποίησης είναι ο ίδιος με εκείνον των μονάδων στις οποίες ανήκουν. Για μετασκευές, ποικίλλει ανάλογα με τις τεχνολογίες. Για την αντικατάσταση ενός συστήματος μετακύλισης, μια μελέτη σχετικά με τη μετασκευή των παράκτιων σταθμών ηλεκτροπαραγωγής της Καλιφόρνιας (Tetra Tech, 2008) δείχνει ότι ο χρόνος διακοπής λειτουργίας του σταθμού (για να καταστεί δυνατή η εγκατάσταση και η σύνδεση του νέου συστήματος ψύξης) είναι έξι εβδομάδες ως συντηρητική εκτίμηση για τους σταθμούς ορυκτής προέλευσης, ενώ η μετασκευή του συστήματος ψύξης των πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής θα μπορούσε να απαιτήσει έως και 12 μήνες λόγω της τεχνικής πολυπλοκότητάς τους.

Η διάρκεια ζωής είναι η ίδια με τη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην οποία ανήκει το συγκεκριμένο μέτρο. Η διάρκεια ζωής των θερμικών εγκαταστάσεων ποικίλλει ανάλογα με την τεχνολογία: οι πυρηνικοί σταθμοί, αν και η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής τους είναι συνήθως 40 έτη, μπορούν να συνεχίσουν να λειτουργούν έως και 70 έτη (Scientific American, 2009), ενώ οι σταθμοί ορυκτών καυσίμων κυμαίνονται μεταξύ 25 και 50 ετών (σταθμοί φυσικού αερίου και άνθρακα, αντίστοιχα).