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Le moyen le 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 par un condenseur où elle absorbe la chaleur de la vapeur, puis renvoyée 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 conduit à des volumes très élevés de prélèvements d'eau quotidiens. Les structures de prise d'eau des centrales électriques à 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 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» (CNDR,2014).
Le refroidissement par tour de recirculation 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 creux unique.
Le refroidissement des tours de recirculation prévoit toujours une prise d’eau provenant de sources externes, mais la quantité prélevée 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 circule 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 grave pénurie d'eau.
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 à l'air à peu près comme dans un radiateur d'automobile. Il utilise de l'air forcé à haut débit à travers un système de tubes à ailettes dans le condenseur à l'intérieur duquel la vapeur circule. Il transfère ainsi directement la chaleur de la vapeur à l’air ambiant. Refroidir une centrale de cette manière nécessite moins de 10% de l'eau utilisée dans une centrale refroidie par voie humide équivalente. 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 par 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 à l'air au moyen d'un processus moins efficace que le refroidissement humide, mais en améliorant le refroidissement sec direct, car la consommation d'énergie n'est que de 0,5% de la production. Selon EIA, il y avait 719 systèmes à passage unique 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 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.
NDRC, en prenant comme référence une centrale 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 partiellement réinjectée dans celui-ci; et la consommation d’eau, c’est-à-dire la quantité d’eau prélevée qui est transformée en vapeur et n’est donc pas directement renvoyée dans le bassin après refroidissement. Pour les systèmes de refroidissement à sec, ils s'élèvent tous deux à 0 l/MWh. Les exigences en matière de prélèvement d’eau pour les systèmes de refroidissement à passage unique et les systèmes de refroidissement à 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, en revanche, se traduit par environ 380 à 1 200 l/MWh pour le refroidissement en cycle unique et 1 820 à 4 169 l/MWh pour le refroidissement en cycle fermé. Ainsi, les systèmes à passage unique retirent plus d'eau du bassin d'eau, mais y renvoient 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 ramenant l'eau à une température supérieure aux fourchettes écologiquement souhaitables.
Détails supplémentaires
Détails de l'adaptation
Catégories du GIEC
Structurel et physique: ingénierie et environnement bâti, Structurel et physique: options technologiquesParticipation des parties prenantes
La participation des parties prenantes est un élément important du processus d’autorisation pour les centrales de production d’électricité, mais il est difficile d’extrapoler les implications pour un composant spécifique de la centrale. Les tours de refroidissement, qui peuvent mesurer 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 réduire au minimum la visibilité de ses infrastructures les plus importantes depuis les 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 d'un bassin, elles devraient être perçues favorablement par les parties prenantes qui dépendent des 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 elles et avec les autorités des bassins hydrographiques en conséquence.
Facteurs de réussite et facteurs limitants
Le refroidissement par tour de recirculation est environ 40% plus cher (USDOE, 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 les rejets thermiques doivent être réduits.
Les deux options de refroidissement à sec offrent une plus grande flexibilité dans l'emplacement des nouvelles centrales électriques, car elles deviennent indépendantes de la disponibilité d'une importante masse d'eau. L'inconvénient majeur 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 fait 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 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 installations, et peuvent être considérablement différentes à travers 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 humide beaucoup plus basses.
Une issue possible pourrait être un système hybride sec/récirculation. Le refroidissement à sec pourrait être utilisé en cas de pénurie d'eau et pourrait être associé à une utilisation limitée d'un système de tour de refroidissement à recirculation lorsque les températures culminent. Le système de refroidissement de la tour de recirculation peut également être utilisé pendant les périodes où il y a une abondance d'eau.
Coûts et avantages
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 à recirculation humide sont 40% plus chers que les systèmes de passage, tandis que les systèmes de refroidissement à sec sont trois à quatre fois plus chers qu'un système de refroidissement à recirculation humide. À l'heure actuelle, les systèmes de recirculation 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 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 d'investissement et d'exploitation supplémentaires, en particulier dans les conditions de pénurie d'eau provoquées par le changement climatique.
Aspects juridiques
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 occupent actuellement la dernière place dans 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 ont 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 aux accords d'utilisation de l'eau résultant de la réduction des besoins en eau des usines mettant en œuvre ces options devraient faire l'objet d'un accord officiel avec les autorités des bassins hydrographiques, sur la base de consultations avec toutes les parties prenantes concernées.
Délai de mise en œuvre
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 côtières californiennes (Tetra Tech, 2008) indique un temps d’arrêt de la centrale (pour permettre l’installation et le raccordement du nouveau système de refroidissement) de six semaines comme 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.
Durée de vie
La durée de vie est la même que celle de la centrale de production d’électricité 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 prévue 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 au gaz naturel et au charbon, respectivement).
Informations de référence
Sites Web :
Références:
EEE, (2019). Défis et possibilités d'adaptation pour le système énergétique européen. Rapport 1/2019 de l’AEE.
NDRC, (2014). Refroidissementdes centrales électriques et impacts associés: la nécessité de moderniser les centrales électriques américaines et de protéger nos ressources en eau et nos écosystèmes aquatiques. BREF DE LA NDRC 14-04-c.
Commission du développement durable (2006). Le rôle de l'énergie nucléaire dans une économie à faible intensité de carbone - Document 3: Impacts de l'énergie nucléaire sur le paysage, l'environnement et les communautés. Rapports de la DDC & Documents.
US-DOE, (2009). Besoins en eau pour les technologies existantes et émergentes des centrales thermoélectriques. DOE/NETL-402/080108.
Publié dans Climat-ADAPT: Nov 22, 2022
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