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

La manière la plus économe en énergie de refroidir les centrales thermiques est d'utiliser le système à passage unique, par lequel «l'eau est retirée des masses d'eau voisines, détournée à travers 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 à passage unique ne recyclent pas l'eau de refroidissement, cela entraîne des volumes très élevés de prélèvements d'eau quotidiens. Les structures de prise d'eau dans les centrales électriques avec refroidissement une fois par an peuvent tuer plusieurs millions de poissons chaque année, et le rejet thermique en aval peut également nuire aux organismes aquatiques, affectant l'ensemble des écosystèmes aquatiques. En outre, le volume important d’eau nécessaire au fonctionnement des systèmes de refroidissement à passage unique rend les centrales électriques particulièrement vulnérables en période de sécheresse et de chaleur extrême» (NDRC 2014).

Le refroidissement par tour recirculante et le refroidissement à sec sont des options de refroidissement alternatives qui réduisent considérablement la consommation d'eau par rapport aux systèmes de refroidissement à cuve unique.

Le refroidissement des tours recirculées prévoit toujours un apport d’eau provenant de sources externes, mais la quantité retirée est inférieure de 95 % à celle des systèmes de refroidissement à creux unique, avec une réduction comparable des incidences négatives sur les écosystèmes. L'eau est maintenue en circulation dans le système, absorbant la chaleur de la vapeur utilisée pour générer de l'énergie à travers un condenseur et la libérant par évaporation dans une tour de refroidissement. Cependant, étant donné que le refroidissement a lieu par évaporation d'une fraction de l'eau prélevée, la recirculation du refroidissement 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 direct à sec utilise un condenseur refroidi par 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 ailettes dans le condenseur dans lequel la vapeur circule. Il transfère ainsi directement la chaleur de la vapeur à l’air ambiant. Le refroidissement d'une centrale électrique de cette manière nécessite moins de 10% de l'eau utilisée dans une centrale équivalente refroidie par voie humide. Environ 1-1,5% de la production de la centrale est consommée pour propulser les grands ventilateurs. Une autre conception comprend un circuit de refroidissement à condensateur comme dans le refroidissement par recirculation humide, mais l'eau utilisée est enfermée et refroidie par un flux d'air à travers des tubes à ailettes dans une tour de refroidissement. La chaleur est ainsi transférée dans l'air au moyen d'un procédé moins efficace que le refroidissement par voie humide, mais améliorant le refroidissement direct à sec, car la consommation d'énergie n'est que de 0,5% de la production. Selon l’EIA, 719 systèmes uniques étaient en place, 819 systèmes de recirculation et seulement 61 systèmes de refroidissement à sec et hybrides étaient 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 les pays développés, il est possible de supposer que le refroidissement sec/hybride compte pour moins de 4 % de tous les systèmes de refroidissement installés dans les centrales thermiques de l’UE.

La NDRC, en prenant comme référence une centrale électrique au charbon classique, quantifie l’utilisation de l’eau des options de refroidissement alternatives de deux manières: les prélèvements d’eau, c’est-à-dire la quantité d’eau prélevée dans le bassin versant puis, éventuellement et partiellement, y retournée; et la consommation d’eau, c’est-à-dire la quantité d’eau prélevée transformée en vapeur et donc non directement renvoyée dans le bassin versant après refroidissement. Pour les systèmes de refroidissement à sec, ils s'élèvent tous deux à 0 l/MWh. Les besoins en eau pour les systèmes de refroidissement à circuit unique et les systèmes de refroidissement en cycle fermé sont respectivement d’environ 75 710 à 189 270 litres par mégawattheure (l/MWh) et de 1 890 à 4 540 l/MWh. La consommation d’eau, quant à elle, se traduit par environ 380 – 1 200 l/MWh pour une fois et 1 820 – 4 169 l/MWh pour le refroidissement en cycle fermé. Ainsi, les systèmes à passage unique retirent plus d'eau du bassin versant, mais y retournent également plus d'eau que les systèmes à cycle fermé. Cependant, c'est le processus de retrait qui entraîne 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.

La participation des parties prenantes est un élément important du processus d’autorisation des installations 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. Toutefois, des mesures d’atténuation et de compensation peuvent être mises en place, par exemple en concevant et en installant la plante afin de minimiser la visibilité de ses infrastructures les plus importantes à partir des zones habitées voisines, ou en la criblant en plantant des arbres autour de la plante et/ou en construisant des collines artificielles (bermes de sol) qui se fondent dans le paysage naturel et bloquent la vue de la plante. Les communautés locales peuvent être directement indemnisées financièrement pour la perte de bien-être causée par les impacts esthétiques subis, ou d'autres actions 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 dans un bassin, elles devraient être considérées favorablement par les parties prenantes qui dépendent des mêmes ressources en eau que les centrales électriques qui mettent 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 en conséquence avec elles et avec les autorités des bassins hydrographiques.

Le refroidissement par tour 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 et de l'impact et des rejets thermiques doit être réduit.

Les deux options de refroidissement à sec offrent beaucoup plus de flexibilité dans l'emplacement des nouvelles centrales électriques, 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 mécaniquement complexes. Il en résulte des coûts plus élevés. Le fonctionnement d'un système de refroidissement à sec nécessite en effet 1-1,5% 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 fait un transfert de chaleur plus efficace que celui de la vapeur ou de l'eau à l'air via des ailettes métalliques, et augmente ainsi toute l'efficacité technique et économique de l'installation. Notez que l'efficacité thermique et donc les conditions économiques d'exploitation varient en fonction des conditions climatiques de l'emplacement des centrales, et peuvent être considérablement différentes dans toute l'Europe.

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

Une issue possible pourrait être un système hybride sec/recirculant. Le refroidissement à sec pourrait être utilisé en cas de pénurie d'eau et pourrait être couplé à une utilisation limitée d'un système de tour de refroidissement en recirculation lorsque les températures atteignent un pic. Le système de refroidissement de la tour de recirculation peut également être utilisé pendant les périodes où il y a une abondance d'eau.

Les chiffres des coûts varient évidemment en fonction des conditions spécifiques de chaque usine. Cependant, en général, US DOE (2009) rapporte que les systèmes de refroidissement par recirculation humide sont 40% plus chers que les systèmes de transmission, tandis que les systèmes de refroidissement par voie sèche sont trois à quatre fois plus chers qu'un système de refroidissement par voie humide par 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'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis, car ils minimisent l'impact sur les écosystèmes aquatiques tout en maintenant l'augmentation des coûts abordables.

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

Le choix du système de refroidissement est un élément important 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 de l'ordre des meilleures technologies disponibles dans l'UE pour le refroidissement et sont surclassés par le refroidissement par tour de recirculation. Bien que l'utilisation du refroidissement à sec ne soit pas exclue, elle est limitée aux endroits où les ressources en eau sont très limitées ou qui présentent 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 en décomposition après un arrêt d'urgence avec perte de puissance devraient également être prises en compte.

Les modifications des accords d'utilisation de l'eau résultant de la réduction des besoins en eau des usines mettant en œuvre ces options devraient être officiellement convenues avec les autorités des bassins hydrographiques, sur la base de consultations avec toutes les parties prenantes concernées.

Pour les nouvelles installations, le délai de mise en œuvre est le même que pour les installations auxquelles elles appartiennent. Pour les rénovations, cela varie en fonction des technologies. Pour remplacer un système de transmission, une étude sur la modernisation des centrales électriques côtières californiennes (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, tandis que la modernisation du système de refroidissement des centrales nucléaires pourrait nécessiter jusqu’à 12 mois en raison de leur complexité technique.

La durée de vie est la même que celle de la centrale électrique à laquelle appartient la mesure spécifique. La durée de vie des centrales thermiques varie en fonction de la technologie: les centrales nucléaires, bien que leur durée de vie nominale soit généralement de 40 ans, peuvent continuer à fonctionner jusqu’à 70 ans (Scientific American, 2009), tandis que les centrales à combustibles fossiles varient entre 25 et 50 ans (centrales à gaz naturel et à charbon, respectivement).