Réduction de la consommation d’eau pour le refroidissement des centrales thermiques

Le moyen le plus économe en énergie de refroidissement des centrales thermiques est d’utiliser le système unifié, par lequel «l’eau est retirée des masses d’eau voisines, détournée par un condenseur où elle absorbe la chaleur de la vapeur, puis rejetée à sa source d’origine à des températures plus élevées. Parce que les systèmes de refroidissement ne recyclent pas l’eau de refroidissement, cela entraîne des volumes très élevés de prélèvements d’eau quotidiens. Les structures d’absorption d’eau des centrales électriques avec un refroidissement unique peuvent tuer plusieurs millions de poissons chaque année, et les rejets thermiques en aval peuvent également nuire aux organismes aquatiques, affectant l’ensemble des écosystèmes aquatiques. En outre, le grand volume d’eau nécessaire à l’exploitation de systèmes de refroidissement ponctuels rend les centrales particulièrement vulnérables en période de sécheresse et de chaleur extrême» (NDRC 2014).

Le refroidissement des tours de recirculation et le refroidissement à sec sont des options de refroidissement alternatives qui réduisent considérablement l’utilisation de l’eau par rapport aux systèmes de refroidissement une fois creusés.

Le refroidissement des tours de recirculation prévoit toujours une consommation d’eau provenant de sources externes, mais la quantité retirée est inférieure de 95 % à celle des systèmes de refroidissement une fois creusés, avec une réduction comparable des impacts négatifs sur les écosystèmes. L’eau circule dans le système, absorbant la chaleur de la vapeur utilisée pour produire de l’énergie à travers un condenseur et la libérant par évaporation à l’intérieur d’une tour de refroidissement. Cependant, étant donné que le refroidissement a lieu par évaporation d’une fraction de l’eau retirée, le refroidissement par voie humide peut encore être problématique dans des conditions de pénurie d’eau grave.

Le refroidissement à sec repose sur l’air comme moyen de transfert de chaleur, plutôt que sur l’évaporation du circuit du condenseur. En conséquence, les pertes d’eau sont minimes. Il existe deux types de base de techniques de refroidissement à sec disponibles. Le refroidissement sec direct utilise un condenseur refroidi à l’air à peu près comme dans un radiateur automobile. Il utilise de l’air forcé à haut débit à travers un système de tubes à nageoires dans le condenseur dans lequel circule la vapeur. Il transfère ainsi la chaleur de la vapeur à l’air ambiant directement. Le refroidissement d’une centrale électrique de cette manière nécessite moins de 10 % de l’eau utilisée dans une usine refroidie par voie humide équivalente. Environ 1 à 1,5 % de la puissance de la centrale est consommée pour propulser les grands ventilateurs. Une conception alternative comprend un circuit de refroidissement du condenseur comme dans le refroidissement à recirculation humide, mais l’eau utilisée est fermée et refroidie par un flux d’air à travers des tubes à ailettes dans une tour de refroidissement. La chaleur est ainsi transférée à l’air au moyen d’un procédé moins efficace que le refroidissement par voie humide, mais l’amélioration du refroidissement à sec direct étant donné que la consommation d’énergie n’est que de 0,5 % de la production. Selon l’ EIA, il y avait 719 systèmes ponctuels en place, 819 systèmes de recirculation et seulement 61 systèmes de refroidissement à sec et hybrides installés aux États-Unis en 2012. En l’absence d’informations analogues pour l’UE et en supposant qu’à peu près les mêmes niveaux de maturité technologique s’appliquent au secteur de l’électricité dans l’ensemble des pays développés, il est possible de supposer que le refroidissement sec/hybride représente moins de 4 % de tous les systèmes de refroidissement installés dans les centrales thermiques de l’UE.

NDRC, en prenant comme référence une centrale au charbon conventionnelle, quantifie l’utilisation de l’eau d’autres options de refroidissement de deux façons: les prélèvements d’eau, c’est-à-dire la quantité d’eau prélevée dans le bassin d’eau, puis, éventuellement et partiellement, y sont retournés; et la consommation d’eau, c’est-à-dire la quantité d’eau retirée est transformée en vapeur et donc pas directement retournée dans le bassin d’eau après refroidissement. Pour les systèmes de refroidissement à sec, ils s’élèvent tous deux à 0 l/MWh. Les exigences de prélèvement d’eau pour les systèmes de refroidissement à circuit fermé et de refroidissement à cycle fermé sont, respectivement, d’environ 75 710-189 270 litres par mégawattheure (l/MWh) et de 1 890 à 4 540 l/MWh. La consommation d’eau, d’autre part, se traduit par environ 380-1 200 l/MWh pour une première fois et 1 820-4 169 l/MWh pour le refroidissement en cycle fermé. Ainsi, les systèmes une fois traversés retirent plus d’eau du bassin d’eau, mais y retournent également plus d’eau que les systèmes à cycle fermé. Cependant, c’est le processus de retrait qui a des effets négatifs plus graves sur l’environnement, en tuant directement la faune fluviale et en retournant l’eau à une température supérieure aux plages écologiquement souhaitables.

Catégories du GIEC

Structurel et physique: ingénierie et environnement bâti, Structurel et physique: options technologiques

Participation des parties prenantes

La participation des parties prenantes est un élément important du processus d’autorisation des centrales de production d’électricité, mais il est difficile d’extrapoler les implications pour une composante spécifique de l’installation. Les tours de refroidissement, qui peuvent avoir plus de 50 m de haut, sont sans doute l’un des composants les plus visibles d’une plante, et il peut donc y avoir une opposition locale à l’impact esthétique négatif d’une tour imposante sur un paysage. Cependant, des mesures d’atténuation et de compensation peuvent être mises en place, par exemple en concevant et en installant la plante afin de réduire au minimum la visibilité de ses infrastructures les plus importantes depuis les zones habitées voisines, ou en la sélectionnant en plantant des arbres autour de la plante et/ou en construisant des collines artificielles qui se fondent dans le paysage naturel et bloquent la vue de la plante. Les communautés locales peuvent être directement indemnisées financièrement pour les pertes de bien-être causées par les impacts esthétiques subis, ou d’autres mesures compensatoires peuvent être entreprises, telles que la construction d’infrastructures socialement utiles telles que des parcs, des écoles, etc.

Étant donné que ces options réduisent les prélèvements d’eau d’un bassin, elles devraient être perçues favorablement par les parties prenantes qui s’appuient sur les mêmes ressources en eau que les centrales électriques mettant en œuvre ces mesures. Les changements qui en résultent dans les droits d’utilisation de l’eau devraient être discutés entre toutes les parties prenantes et convenus avec eux et avec les autorités des bassins hydrographiques en conséquence.

Facteurs de réussite et facteurs limitants

Le refroidissement des tours de recirculation est environ 40 % plus cher (US DOE, 2009) qu’un refroidissement par voie humide, et peut être appliqué lorsque la disponibilité de l’eau est limitée ou que l’impact de l’entraînement, de l’empingement et des décharges thermiques doit être réduit.

Les deux options de refroidissement à sec offrent une flexibilité beaucoup plus grande dans l’emplacement des nouvelles centrales, car elles deviennent indépendantes de la disponibilité d’une grande masse d’eau. Le principal inconvénient de cette option réside dans ses coûts économiques. Avec les deux types de refroidissement à sec, le transfert de chaleur est nettement moins efficace qu’avec les options de refroidissement «humide», et nécessite donc des installations de refroidissement très grandes et complexes mécaniquement. Il en résulte des coûts plus élevés. Le fonctionnement d’un système de refroidissement à sec nécessite en fait 1 à 1,5 % de la puissance générée par l’installation, contre 0,5 % d’un système de recirculation et pratiquement zéro pour une fois. La physique de l’évaporation appliquée dans les tours de refroidissement par voie humide permet en effet un transfert de chaleur plus efficace que celui de la vapeur ou de l’eau à l’air via des nageoires métalliques, ce qui augmente l’efficacité technique et économique de l’usine. Notez que l’efficacité thermique et donc les conditions économiques de fonctionnement varient selon les conditions climatiques de l’emplacement des installations et peuvent être considérablement différentes à travers l’Europe.

Il s’agit d’une deuxième limitation technique du refroidissement à sec: dans un climat chaud, l’air ambiant avec des températures supérieures à 40 °C réduit considérablement le potentiel de refroidissement d’un système de refroidissement sec, par rapport à un système «humide», qui fonde son potentiel sur des températures de bulbes humides beaucoup plus basses.

Une issue possible pourrait être un système hybride sec/récirculant. Le refroidissement à sec pourrait être utilisé dans un état de rareté de l’eau et pourrait être couplé à une utilisation limitée d’un système de tour de refroidissement recirculant lorsque la température atteint un pic. Le système de refroidissement de tour de recirculation peut également être utilisé pendant les périodes où il y a une abondance d’eau.

Coûts et bénéfices

Les coûts varient évidemment en fonction des conditions spécifiques de chaque usine. Cependant, en général, le DOE américain (2009) rapporte que les systèmes de refroidissement à recirculation par voie humide sont 40 % plus chers que les systèmes de transbordement, tandis que les systèmes de refroidissement à sec sont trois à quatre fois plus chers qu’un système de refroidissement humide à recirculation. À l’heure actuelle, les systèmes de recirculation par voie humide sont considérés comme la meilleure technologie disponible pour le refroidissement des centrales thermiques par l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA), car ils minimisent l’impact sur les écosystèmes aquatiques tout en maintenant l’augmentation des coûts abordable.

Du côté positif, les systèmes de recirculation et de séchage n’ont pratiquement aucune consommation d’eau et aucun impact sur les écosystèmes aquatiques, ce qui peut au moins partiellement compenser les coûts de capital et d’exploitation supplémentaires, en particulier dans les conditions de pénurie d’eau provoquées par le changement climatique.

Aspects légaux

Le choix du système de refroidissement est une partie importante de la conception d’une centrale électrique. Il est soumis aux procédures d’autorisation appliquées pour accorder l’autorisation de construire et d’exploiter des centrales électriques, qui varient d’un pays à l’autre. Étant donné que les systèmes de refroidissement à sec sont moins économes en énergie que les autres systèmes de refroidissement, ils se classent actuellement au dernier rang dans l’ordre des meilleures technologies disponibles de l’UE pour le refroidissement, et sont dépassés par le refroidissement par tour de recirculation. Bien que l’utilisation du refroidissement à sec ne soit pas exclue, elle se limite à des endroits où les ressources en eau sont très limitées ou à des préoccupations environnementales particulières liées à l’utilisation de l’eau.

Pour les grandes unités, les implications en matière de sécurité concernant l’élimination de la chaleur de désintégration après un arrêt d’urgence avec perte d’énergie devraient également être prises en compte.

Les modifications apportées aux accords d’utilisation de l’eau résultant de la réduction des besoins en eau des installations mettant en œuvre ces options devraient faire l’objet d’un accord formel avec les autorités des bassins hydrographiques, sur la base de consultations avec tous les intervenants concernés.

Temps de mise en œuvre

Pour les nouvelles plantes, le temps de mise en œuvre est le même que celui des plantes auxquelles ils appartiennent. Pour les rénovations, il varie selon les technologies. Pour remplacer un système de transmission, une étude sur la modernisation des centrales californiennes côtières (Tetra Tech, 2008) indique un temps d’arrêt de la centrale (pour permettre l’installation et la connexion du nouveau système de refroidissement) de six semaines en tant qu’estimation prudente pour les centrales fossiles alors que la modernisation du système de refroidissement des centrales nucléaires pourrait nécessiter jusqu’à 12 mois en raison de leur complexité technique.

Durée de vie

La durée de vie est la même que la centrale de production d’électricité à laquelle appartient la mesure spécifique. La durée de vie des centrales thermiques varie selon la technologie: les centrales nucléaires, bien que leur durée de vie de conception soit généralement de 40 ans, peuvent continuer à fonctionner jusqu’à 70 ans (Scientifique américain, 2009), tandis que les centrales à combustibles fossiles varient entre 25 et 50 ans (installations de gaz naturel et de charbon, respectivement).

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Références: