Vedenkulutuksen vähentäminen lämpövoimaloiden jäähdytyksessä

Energiatehokkain tapa jäähdyttää lämpölaitoksia on käyttää yhden kerran järjestelmää, jossa "vesi otetaan läheisistä vesimuodostumista, ohjataan lauhduttimen läpi, jossa se imee lämpöä höyrystä, ja sitten päästetään takaisin alkuperäiseen lähteeseen korkeammissa lämpötiloissa. Koska kertakäyttöiset jäähdytysjärjestelmät eivät kierrätä jäähdytysvettä, tämä johtaa erittäin suuriin päivittäisiin vedenottomääriin. Vedenottorakenteet voimalaitoksissa, joissa on kertajäähdytys, voivat tappaa useita miljoonia kaloja vuosittain, ja lämpöpäästö alavirtaan voi myös vahingoittaa vesieliöitä, mikä vaikuttaa koko vesiekosysteemeihin. Lisäksi läpivirtausjäähdytysjärjestelmien käyttämiseen tarvittava suuri vesimäärä tekee voimalaitoksista erityisen haavoittuvia kuivuuden ja äärimmäisen kuumuuden aikoina” (NDRC 2014).

Kierrätystornin jäähdytys ja kuivajäähdytys ovat vaihtoehtoisia jäähdytysvaihtoehtoja, jotka vähentävät huomattavasti veden käyttöä verrattuna kertakäyttöisiin jäähdytysjärjestelmiin.

Kiertoilmatornien jäähdytyksessä ennakoidaan edelleen veden saantia ulkoisista lähteistä, mutta vedetty määrä on 95 prosenttia pienempi kuin kertajäähdytysjärjestelmissä, mikä vähentää vastaavasti ekosysteemeihin kohdistuvia kielteisiä vaikutuksia. Järjestelmässä kiertää vettä, joka imee lämmön höyrystä, jota käytetään sähkön tuottamiseen lauhduttimen kautta, ja vapauttaa sen haihduttamalla jäähdytystornissa. Koska jäähdytys tapahtuu haihduttamalla osa vedetystä vedestä, kierrätettävä märkäjäähdytys voi silti olla ongelmallista olosuhteissa, joissa vettä on erittäin niukasti.

Kuiva jäähdytys perustuu ilmaan lämmönsiirron väliaineena lauhdutinpiiristä haihtumisen sijaan. Tämän seurauksena vesihävikki on minimaalinen. Kuivajäähdytystekniikoita on kahta perustyyppiä. Suora kuivajäähdytys käyttää ilmajäähdytteistä lauhdutinta melko paljon kuin auton jäähdyttimessä. Se käyttää suurivirtaista pakotettua ilmaa lauhduttimessa olevien putkien järjestelmän kautta, jossa höyry kiertää. Näin höyryn lämpö siirtyy suoraan ympäröivään ilmaan. Voimalaitoksen jäähdyttäminen tällä tavoin vaatii alle 10 prosenttia vastaavassa märkäjäähdytteisessä laitoksessa käytetystä vedestä. Noin 1-1,5% voimalaitoksen tuotoksesta kulutetaan suurten tuulettimien kuljettamiseen. Vaihtoehtoinen rakenne sisältää lauhduttimen jäähdytyspiirin, kuten märkässä kierrätetyssä jäähdytyksessä, mutta käytettävä vesi suljetaan ja jäähdytetään ilmavirralla jäähdytystornissa olevien putkien läpi. Näin lämpö siirretään ilmaan prosessilla, joka on vähemmän tehokas kuin märkäjäähdytys, mutta parantaa suoraa kuivajäähdytystä, koska energiankulutus on vain 0,5 prosenttia tuotoksesta. YVA:n mukaan Yhdysvalloissa oli vuonna 2012 käytössä 719 kertakäyttöistä järjestelmää, 819 kierrätysjärjestelmää ja vain 61 kuivajäähdytys- ja hybridijärjestelmää. Koska EU:sta ei ole saatavilla vastaavia tietoja ja jos oletetaan, että sähköalaan sovelletaan kehittyneissä maissa suurin piirtein samoja teknologian kypsyysasteita, voidaan olettaa, että kuiva/hybridijäähdytys kattaa alle 4 prosenttia kaikista EU:n lämpölaitoksiin asennetuista jäähdytysjärjestelmistä.

NDRC, jossa käytetään vertailukohtana tavanomaista hiilivoimalaa, kvantifioi vaihtoehtoisten jäähdytysvaihtoehtojen vedenkäytön kahdella tavalla: vedenotto, eli kuinka paljon vettä otetaan vesialtaasta ja sitten mahdollisesti ja osittain palautetaan siihen; ja vedenkulutus, eli kuinka suuri osa vedetystä vedestä muuttuu höyryksi eikä näin ollen palaa suoraan vesialtaaseen jäähdytyksen jälkeen. Kuivajäähdytysjärjestelmissä ne ovat molemmat 0 l/MWh. Kertajäähdytysjärjestelmien vedenottovaatimukset ovat noin 75 710–189 270 litraa megawattituntia kohti (l/MWh) ja suljetun kierron jäähdytysjärjestelmien 1 890–4 540 litraa megawattituntia kohti. Vedenkulutus puolestaan on noin 380–1 200 l/MWh kertajäähdytyksessä ja 1 820–4 169 l/MWh suljetussa jäähdytyksessä. Näin ollen kertakäyttöiset järjestelmät poistavat enemmän vettä vesialtaasta, mutta myös palauttavat siihen enemmän vettä kuin suljetun syklin järjestelmät. Vetäytymisprosessilla on kuitenkin vakavampia kielteisiä vaikutuksia ympäristöön, sillä se tappaa suoraan jokieläimistön ja palauttaa veden ekologisesti toivottuja vaihteluvälejä korkeampaan lämpötilaan.

Sidosryhmien osallistuminen on tärkeä osa sähköntuotantolaitosten lupamenettelyä, mutta sen vaikutuksia laitoksen tiettyyn osaan on vaikea ekstrapoloida. Jäähdytystornit, jotka voivat olla yli 50 metriä korkeita, ovat luultavasti yksi laitoksen näkyvimmistä komponenteista, ja siksi voi olla paikallista vastustusta vaikuttavan tornin kielteiselle esteettiselle vaikutukselle maisemaan. Lieventäviä ja korvaavia toimenpiteitä voidaan kuitenkin toteuttaa esimerkiksi suunnittelemalla ja sijoittamalla laitos, jotta voidaan minimoida sen merkittävimpien infrastruktuurien näkyvyys läheisiltä asutuilta alueilta, tai seulomalla se istuttamalla puita laitoksen ympärille ja/tai rakentamalla keinotekoisia kukkuloita (maaperämarjoja), jotka sulautuvat luonnonmaisemaan ja estävät kasvin näkymän. Paikallisyhteisöille voidaan maksaa suoraan taloudellista korvausta esteettisistä vaikutuksista aiheutuvista hyvinvoinnin menetyksistä, tai voidaan toteuttaa muita korvaavia toimia, kuten sosiaalisesti hyödyllisen infrastruktuurin, kuten puistojen, koulujen jne. rakentaminen.

Koska nämä vaihtoehdot vähentävät vedenottoa altaasta, sidosryhmien, jotka ovat riippuvaisia samoista vesivaroista kuin näitä toimenpiteitä toteuttavat voimalaitokset, odotetaan suhtautuvan niihin myönteisesti. Tuloksena olevista vedenkäyttöoikeuksien muutoksista olisi keskusteltava kaikkien sidosryhmien kesken ja sovittava niiden ja vesipiiriviranomaisten kanssa.

Kiertoilmatornien jäähdytys on noin 40 prosenttia kalliimpaa (US DOE, 2009) kuin kertajäähdytys märkänä, ja sitä voidaan käyttää, jos veden saatavuus on rajallinen tai jos sisäänajon ja impingementin ja lämpöpäästöjen vaikutusta on vähennettävä.

Molemmat kuivajäähdytysvaihtoehdot tarjoavat paljon enemmän joustavuutta uusien voimalaitosten sijaintiin, koska se tulee riippumattomaksi suuren vesistön saatavuudesta. Tämän vaihtoehdon suurin haittapuoli on sen taloudelliset kustannukset. Molemmissa kuivajäähdytystyypeissä lämmönsiirto on huomattavasti tehottomampaa kuin märkäjäähdytysvaihtoehdoissa, minkä vuoksi se edellyttää erittäin suuria ja mekaanisesti monimutkaisia jäähdytyslaitoksia. Tämä johtaa korkeampiin kustannuksiin. Kuivajäähdytysjärjestelmän toiminta vaatii itse asiassa 1–1,5 prosenttia laitoksen tuottamasta sähköstä, kun taas kierrätysjärjestelmän osuus on 0,5 prosenttia ja kertakäyttöisen järjestelmän osuus lähes nolla. Märkäjäähdytystorneissa käytetty haihdutusfysiikka mahdollistaa itse asiassa tehokkaamman lämmönsiirron kuin höyrystä tai vedestä ilmaan metallisten evien kautta, mikä lisää laitoksen koko teknistä ja taloudellista tehokkuutta. On huomattava, että lämpötehokkuus ja siten taloudelliset toimintaolosuhteet vaihtelevat laitosten sijainnin ilmasto-olosuhteiden mukaan ja voivat vaihdella huomattavasti eri puolilla Eurooppaa.

Tämä viittaa toiseen kuivajäähdytyksen tekniseen rajoitukseen: kuumassa ilmastossa ympäröivä ilma, jonka lämpötila on yli 40 °C, vähentää huomattavasti kuivajäähdytysjärjestelmän jäähdytyspotentiaalia verrattuna märkäjärjestelmään, jonka potentiaali perustuu paljon alhaisempiin märkälämpötilaan.

Mahdollinen tie ulos voisi olla hybridi kuiva / kierrätysjärjestelmä. Kuivajäähdytystä voitaisiin käyttää tilanteessa, jossa vettä on niukasti, ja se voitaisiin yhdistää kierrättävän jäähdytystornijärjestelmän rajalliseen käyttöön, kun lämpötilat ovat korkeita. Kiertoilmatornin jäähdytysjärjestelmää voidaan käyttää myös aikoina, jolloin vettä on runsaasti.

Kustannusluvut vaihtelevat luonnollisesti kunkin laitoksen erityisolosuhteiden mukaan. Yleisesti ottaen US DOE (2009) raportoi kuitenkin, että märkäkiertojäähdytysjärjestelmät ovat 40 prosenttia kalliimpia kuin läpivientijärjestelmät, kun taas kuivajäähdytysjärjestelmät ovat 3–4 kertaa kalliimpia kuin kierrätettävä märkäjäähdytysjärjestelmä. Tällä hetkellä Yhdysvaltain ympäristönsuojeluvirasto (EPA) pitää märkäkiertojärjestelmiä parhaana käytettävissä olevana teknologiana lämpölaitosten jäähdytykseen, koska ne minimoivat veden ekosysteemeihin kohdistuvat vaikutukset ja pitävät kustannusten nousun kohtuuhintaisena.

Sekä kierrätys- että kuivajärjestelmät eivät käytännössä ota vettä eivätkä vaikuta vesiekosysteemeihin, mikä voi ainakin osittain kompensoida ylimääräisiä pääoma- ja toimintakustannuksia erityisesti ilmastonmuutoksen aiheuttamassa veden niukkuudessa.

Jäähdytysjärjestelmän valinta on tärkeä osa voimalaitoksen suunnittelua. Siihen sovelletaan voimalaitosten rakennus- ja käyttöluvan myöntämiseen sovellettavia lupamenettelyjä, jotka vaihtelevat maittain. Koska kuivajäähdytysjärjestelmät eivät ole yhtä energiatehokkaita kuin muut jäähdytysjärjestelmät, ne sijoittuvat tällä hetkellä EU:n parhaiden käytettävissä olevien jäähdytysteknologioiden järjestyksessä viimeiselle sijalle ja ovat korkeammalla kuin kiertävä tornijäähdytys. Kuivajäähdytyksen käyttö ei ole poissuljettua, mutta se rajoittuu paikkoihin, joissa vesivarat ovat hyvin rajalliset tai joissa veden käyttöön liittyy erityisiä ympäristöongelmia.

Suurten yksiköiden osalta olisi otettava huomioon myös turvallisuusvaikutukset, jotka liittyvät hajoamislämmön poistamiseen sähkökatkoksen jälkeen.

Näitä vaihtoehtoja toteuttavien laitosten vähentyneestä vedentarpeesta johtuvista vedenkäyttösopimusten muutoksista olisi sovittava virallisesti vesipiiriviranomaisten kanssa kaikkien asianomaisten sidosryhmien kuulemisen perusteella.

Uusien laitosten osalta täytäntöönpanoaika on sama kuin niiden laitosten, joihin ne kuuluvat. Jälkiasennuksissa se vaihtelee teknologian mukaan. Läpivientijärjestelmän korvaamiseksi Kalifornian rannikkovoimaloiden jälkiasennuksia koskevassa tutkimuksessa (Tetra Tech, 2008) todetaan, että laitoksen seisokkiaika (uuden jäähdytysjärjestelmän asentamisen ja liittämisen mahdollistamiseksi) on fossiilisten voimaloiden osalta varovainen arvio, kun taas ydinvoimaloiden jäähdytysjärjestelmän jälkiasennukset voivat vaatia jopa 12 kuukautta niiden teknisen monimutkaisuuden vuoksi.

Käyttöikä on sama kuin sähköntuotantolaitoksella, johon kyseinen toimenpide kuuluu. Lämpövoimaloiden elinkaari vaihtelee tekniikan mukaan: Vaikka ydinvoimaloiden suunniteltu käyttöikä on tyypillisesti 40 vuotta, ne voivat jatkaa toimintaansa jopa 70 vuotta (Scientific American, 2009), kun taas fossiilisia polttoaineita käyttävät laitokset vaihtelevat 25 ja 50 vuoden välillä (maakaasu- ja hiilivoimalat).