Smanjenje potrošnje vode za hlađenje termoelektrana

Energetski najučinkovitiji način hlađenja termoelektrana je korištenje protočnih sustava, pri čemu se "voda povlači iz obližnjih vodnih tijela, preusmjerava kroz kondenzator gdje apsorbira toplinu iz pare, a zatim ispušta natrag u svoj izvorni izvor na višim temperaturama. Budući da jednostruki rashladni sustavi ne recikliraju rashladnu vodu, to dovodi do vrlo velikih količina dnevnih povlačenja vode. Strukture unosa vode u elektranama s protočnim hlađenjem mogu ubiti nekoliko milijuna riba godišnje, a toplinsko ispuštanje nizvodno također može naštetiti vodenim organizmima, utječući na cijele vodene ekosustave. Osim toga, zbog velike količine vode potrebne za rad jednoprotočnih sustava hlađenja elektrane su posebno osjetljive u vrijeme suše i ekstremne topline” (NDRC 2014.).

Reciklirajuće hlađenje tornja i suho hlađenje alternativne su mogućnosti hlađenja koje znatno smanjuju potrošnju vode u usporedbi s jednokratnim rashladnim sustavima.

U recirkulacijskom hlađenju tornjeva i dalje se predviđa unos vode iz vanjskih izvora, ali povučena količina je 95 % niža nego u jednokratnim rashladnim sustavima, uz usporedivo smanjenje negativnih učinaka na ekosustave. Voda cirkulira u sustavu, apsorbira toplinu iz pare koja se koristi za proizvodnju energije kroz kondenzator i oslobađa je isparavanjem unutar rashladnog tornja. Međutim, budući da se hlađenje odvija isparavanjem dijela vode koja je povučena, recirkulirajuće mokro hlađenje i dalje može biti problematično u uvjetima velike nestašice vode.

Suho hlađenje oslanja se na zrak kao medij prijenosa topline, a ne na isparavanje iz kruga kondenzatora. Kao rezultat toga, gubitak vode je minimalan. Dostupne su dvije osnovne vrste tehnika suhog hlađenja. Direktno suho hlađenje koristi zrakom hlađeni kondenzator gotovo kao u automobilskom radijatoru. Upotrebljava visokoprotočni prisilni zrak kroz sustav izrezanih cijevi u kondenzatoru unutar kojeg cirkulira para. Time se toplina pare izravno prenosi na okolni zrak. Za hlađenje elektrane na taj način potrebno je manje od 10 % vode koja se upotrebljava u ekvivalentnom vlažno hlađenom postrojenju. Oko 1-1,5% snage elektrane troši se za pogon velikih ventilatora. Alternativni dizajn uključuje kondenzatorski rashladni krug kao u mokrom recirkulirajućem hlađenju, ali voda koja se koristi zatvorena je i hlađena protokom zraka kroz izrezane cijevi u rashladnom tornju. Toplina se stoga prenosi u zrak postupkom koji je manje učinkovit od mokrog hlađenja, ali poboljšava se izravnim suhim hlađenjem jer potrošnja energije iznosi samo 0,5 % izlazne snage. Prema procjeni utjecaja na okoliš u SAD-u je 2012. bilo ugrađeno 719 sustava za jednostruki protok, 819 sustava za recirkulaciju i samo 61 sustav za suho hlađenje i hibridni sustav. U nedostatku analognih informacija za EU i pod pretpostavkom da se približno iste razine tehnološke zrelosti primjenjuju na sektor električne energije u razvijenim zemljama, moguće je pretpostaviti da suho/hibridno hlađenje čini manje od 4 % svih sustava hlađenja ugrađenih u termoelektrane u EU-u.

NDRC, uzimajući kao referencu konvencionalnu elektranu na ugljen, kvantificira upotrebu vode u alternativnim mogućnostima hlađenja na dva načina: vađenja vode, tj. koliko se vode uzima iz vodenog bazena i zatim, po mogućnosti i djelomično, vraća u njega; i potrošnja vode, tj. koliko se povučene vode pretvara u paru i stoga se ne vraća izravno u vodeni bazen nakon hlađenja. Za sustave suhog hlađenja oboje iznose 0 l/MWh. Zahtjevi za odvod vode za jednopropusne sustave hlađenja i sustave hlađenja zatvorenog ciklusa iznose oko 75 710 – 189 270 litara po megavatsatu (l/MWh) odnosno 1,890 – 4,540 l/MWh. S druge strane, potrošnja vode rezultira s oko 380 – 1200 l/MWh za jednostruki provod i 1,820 – 4,169 l/MWh za hlađenje u zatvorenom ciklusu. Tako jednoprotočni sustavi izvlače više vode iz vodenog bazena, ali i vraćaju više vode u njega od sustava zatvorenog ciklusa. Međutim, upravo proces povlačenja donosi ozbiljnije negativne učinke na okoliš, izravnim ubijanjem riječne faune i vraćanjem vode na temperaturi iznad ekološki poželjnih raspona.

Sudjelovanje dionika važan je dio postupka odobravanja postrojenja za proizvodnju električne energije, ali teško je ekstrapolirati posljedice za određenu komponentu postrojenja. Rashladni tornjevi, koji mogu biti visoki preko 50 m, vjerojatno su jedna od najvidljivijih komponenti biljke, pa stoga može postojati lokalno protivljenje negativnom estetskom utjecaju impozantnog tornja na krajolik. Međutim, mogu se uvesti mjere ublažavanja i kompenzacije, na primjer projektiranjem i postavljanjem biljke kako bi se smanjila vidljivost njezine najistaknutije infrastrukture iz obližnjih naseljenih područja ili njezinim pregledom sadnjom stabala oko biljke i/ili izgradnjom umjetnih brežuljaka (trbuha) koji se uklapaju u prirodni krajolik i blokiraju pogled na biljku. Lokalnim zajednicama može se izravno financijski nadoknaditi gubitak dobrobiti uzrokovan pretrpljenim estetskim učincima ili se mogu poduzeti druge kompenzacijske mjere, kao što je izgradnja društveno korisne infrastrukture kao što su parkovi, škole itd.

Budući da se tim opcijama smanjuje povlačenje vode iz bazena, očekuje se da će ih dionici pozitivno promatrati oslanjajući se na iste vodne resurse kao i elektrane koje provode te mjere. O promjenama u pravima korištenja vode koje iz toga proizlaze trebalo bi raspravljati među svim dionicima i u skladu s time dogovoriti se s njima i s tijelima za vodne bazene.

Obnovljivo hlađenje tornja je oko 40 % skuplje (US DOE, 2009) od jednokratnog mokrog hlađenja i može se primijeniti ako je dostupnost vode ograničena ili je potrebno smanjiti utjecaj prianjanja i ometanja te toplinskih ispuštanja.

Obje mogućnosti suhog hlađenja pružaju mnogo veću fleksibilnost u lokaciji novih elektrana jer postaju neovisne o dostupnosti velikog vodnog tijela. Glavni nedostatak te opcije leži u njezinim gospodarskim troškovima. Kad je riječ o objema vrstama suhog hlađenja, prijenos topline znatno je manje učinkovit nego kad je riječ o „vlažnim” mogućnostima hlađenja te su stoga potrebna vrlo velika i mehanički složena postrojenja za hlađenje. To dovodi do većih troškova. Za rad sustava suhog hlađenja zapravo je potrebno 1 – 1,5 % energije proizvedene u postrojenju, u usporedbi s 0,5 % recirkulacijskog sustava i gotovo nula za jednopropusni sustav. Fizika isparavanja koja se primjenjuje u vlažnim rashladnim tornjevima zapravo omogućuje učinkovitiji prijenos topline od one iz pare ili vode u zrak putem metalnih peraja, čime se povećava cjelokupna tehnička i ekonomska učinkovitost postrojenja. Imajte na umu da se toplinska učinkovitost, a time i gospodarski uvjeti rada, razlikuju ovisno o klimatskim uvjetima lokacije postrojenja i mogu se znatno razlikovati diljem Europe.

To upućuje na drugo, tehničko ograničenje suhog hlađenja: u vrućoj klimi, okolnim zrakom s temperaturama iznad 40 °C znatno se smanjuje potencijal hlađenja sustava suhog hlađenja u usporedbi s „mokrim” sustavom, koji svoj potencijal temelji na znatno nižim temperaturama vlažnih žarulja.

Mogući izlaz mogao bi biti hibridni suhi/povratni sustav. Suho hlađenje moglo bi se upotrebljavati u uvjetima nestašice vode i moglo bi se kombinirati s ograničenom upotrebom recirkulirajućeg sustava rashladnih tornjeva kada temperature dosegnu vrhunac. Sustav hlađenja recirkulirajućeg tornja može se koristiti i tijekom razdoblja u kojima postoji obilje vode.

Podaci o troškovima očito se razlikuju ovisno o posebnim uvjetima svakog postrojenja. Međutim, općenito, američki DOE (2009.) navodi da su mokri recirkulirajući sustavi hlađenja 40 % skuplji od prolaznih sustava, dok su sustavi suhog hlađenja tri do četiri puta skuplji od recirkulirajućeg sustava mokrog hlađenja. Trenutno, mokri recirkulacijski sustavi smatraju se najboljom dostupnom tehnologijom za hlađenje termoelektrana od strane Američke agencije za zaštitu okoliša (EPA), jer minimiziraju utjecaj na vodne ekosustave, a istovremeno održavaju povećanje troškova pristupačnim.

S druge strane, i recirkulacijski i suhi sustavi nemaju gotovo nikakav unos vode ni utjecaj na vodne ekosustave, što može barem djelomično nadoknaditi dodatne kapitalne i operativne troškove, posebno u uvjetima nestašice vode uzrokovane klimatskim promjenama.

Odabir sustava hlađenja važan je dio dizajna elektrane. Podliježe postupcima odobrenja koji se primjenjuju za izdavanje dozvole za izgradnju i rad elektrana, koji se razlikuju od zemlje do zemlje. Budući da su sustavi suhog hlađenja manje energetski učinkoviti od drugih sustava hlađenja, trenutačno su na posljednjem mjestu prema redoslijedu najboljih dostupnih tehnologija EU-a za hlađenje i nadređeni su recirkulacijskim hlađenjem tornjeva. Iako upotreba suhog hlađenja nije isključena, ograničena je na lokacije s vrlo ograničenim vodnim resursima ili s posebnim ekološkim problemima povezanima s upotrebom vode.

Za velike jedinice također bi trebalo razmotriti sigurnosne implikacije koje se odnose na uklanjanje topline raspada nakon gašenja u slučaju nužde s gubitkom energije.

Izmjene sporazuma o korištenju vode koje proizlaze iz smanjenih potreba postrojenja za vodom koja provode te mogućnosti trebalo bi formalno dogovoriti s tijelima za vodne bazene na temelju savjetovanja sa svim pogođenim dionicima.

Vrijeme provedbe za nova postrojenja jednako je vremenu provedbe za postrojenja kojima pripadaju. Za naknadnu ugradnju razlikuje se ovisno o tehnologijama. Kako bi se zamijenio prolazni sustav, studija o naknadnoj ugradnji kalifornijskih priobalnih elektrana (Tetra Tech, 2008.) ukazuje na prekid rada elektrane (kako bi se omogućila ugradnja i povezivanje novog sustava hlađenja) od šest tjedana kao konzervativnu procjenu za fosilne elektrane, dok bi za naknadnu ugradnju sustava hlađenja nuklearnih elektrana moglo biti potrebno do 12 mjeseci zbog njihove tehničke složenosti.

Životni vijek jednak je vijeku postrojenja za proizvodnju električne energije kojem pripada određena mjera. Životni vijek termoelektrana varira ovisno o tehnologiji: nuklearne elektrane, iako je njihov životni vijek obično 40 godina, mogu nastaviti s radom do 70 godina (Scientific American, 2009.), dok elektrane na fosilna goriva variraju između 25 i 50 godina (postrojenja na prirodni plin i ugljen).