A hőerőművek hűtési célú vízfogyasztásának csökkentése

A hőerőművek hűtésének legenergiahatékonyabb módja az egyszer áteresztő rendszer használata, amelynek során "a vizet kivonják a közeli víztestekből, egy kondenzátoron keresztül elvezetik, ahol elnyeli a hőt a gőzből, majd magasabb hőmérsékleten visszavezetik az eredeti forrásba. Mivel az egyszer áteresztő hűtőrendszerek nem hasznosítják újra a hűtővizet, ez nagyon nagy mennyiségű napi vízkivételhez vezet. Az egyszer áthűthető erőművek vízfelvételi struktúrái évente több millió halat ölhetnek meg, és a folyásirányban történő hőkibocsátás károsíthatja a vízi szervezeteket is, ami az egész vízi ökoszisztémát érinti. Emellett az egyszer használatos hűtőrendszerek működtetéséhez szükséges nagy mennyiségű víz különösen sebezhetővé teszi az erőműveket aszály és szélsőséges hőség idején” (NDRC 2014).

A visszakeringető toronyhűtés és a szárazhűtés olyan alternatív hűtési lehetőségek, amelyek jelentősen csökkentik a vízfelhasználást az egyszer használatos hűtőrendszerekhez képest.

Az újrakeringtető toronyhűtés továbbra is külső forrásokból származó vízbevitelt irányoz elő, de a kivont mennyiség 95%-kal alacsonyabb, mint az egyszer használatos hűtőrendszerekben, és az ökoszisztémákra gyakorolt negatív hatások is hasonló mértékben csökkennek. A víz folyamatosan kering a rendszerben, elnyeli a hőt a gőzből, amely a kondenzátoron keresztül áramot termel, és a hűtőtoronyon belüli párolgáson keresztül felszabadítja. Mivel azonban a hűtés a kivont víz egy részének elpárologtatásával történik, a nedves hűtés visszaforgatása továbbra is problémás lehet súlyos vízhiány esetén.

A száraz hűtés a levegőre mint a hőátadás közegére támaszkodik, nem pedig a kondenzátorkörből történő elpárologtatásra. Ennek eredményeként a vízveszteség minimális. A száraz hűtési technikáknak két alapvető típusa áll rendelkezésre. A közvetlen száraz hűtés léghűtéses kondenzátort használ, ugyanúgy, mint egy autó radiátorában. Nagy áramlású kényszerlevegőt alkalmaz a kondenzátorban lévő cápacsövek rendszerén keresztül, amelyen belül a gőz kering. Így a gőz hőjét közvetlenül a környezeti levegőbe továbbítja. Egy erőmű ilyen módon történő hűtéséhez az egyenértékű, nedves hűtésű erőműben felhasznált víz kevesebb mint 10%-ára van szükség. Az erőmű teljesítményének mintegy 1-1,5 %-át a nagy ventilátorok meghajtására használják fel. Az alternatív kialakítás magában foglal egy kondenzátor hűtőkört, mint a nedves újrakeringtető hűtésben, de a felhasznált vizet egy hűtőtoronyban lévő cérnázott csöveken keresztüli levegőáramlás zárja és hűti. A hőt így a nedves hűtésnél kevésbé hatékony, de a közvetlen száraz hűtést javító eljárással juttatják a levegőbe, mivel az energiafelhasználás csak a teljesítmény 0,5%-át teszi ki. A környezeti hatásvizsgálat szerint 2012-ben az USA-ban 719 egyszer áteresztő rendszert, 819 újrakeringető rendszert, és csak 61 szárazhűtési és hibrid rendszert telepítettek. Az EU-ra vonatkozó hasonló információk hiányában, és feltételezve, hogy a fejlett országokban nagyjából azonos technológiai érettségi szintek vonatkoznak a villamosenergia-ágazatra, feltételezhető, hogy a száraz/hibrid hűtés az EU hőerőműveiben telepített összes hűtőrendszer kevesebb mint 4%-át teszi ki.

A Nemzeti Fejlesztési és Reformbizottság egy hagyományos széntüzelésű erőművet alapul véve kétféleképpen számszerűsíti az alternatív hűtési lehetőségek vízhasználatát: vízkivételek, azaz mennyi vizet vesznek ki a vízgyűjtőből, majd – lehetőség szerint és részben – visszajuttatnak abba; valamint a vízfogyasztás, vagyis az, hogy a kivont víz mekkora része alakul át gőzzé, és így nem kerül vissza közvetlenül a vízmedencébe a hűtést követően. Száraz hűtésű rendszerek esetében mindkettő 0 l/MWh. Az egyszer áteresztő hűtőrendszerekre és a zárt ciklusú hűtőrendszerekre vonatkozó vízkivételi követelmények körülbelül 75 710–189 270 liter/megawattóra (l/MWh), illetve 1890–4 540 l/MWh. A vízfogyasztás viszont 380–1200 l/MWh-t eredményez az egyszeri átvezetés, és 1820–4 169 l/MWh-t a zárt ciklusú hűtés esetében. Így az egyszer áteresztő rendszerek több vizet vonnak ki a vízgyűjtőből, de több vizet is visszajuttatnak, mint a zárt ciklusú rendszerek. A kivonási folyamat azonban súlyosabb negatív hatást gyakorol a környezetre azáltal, hogy közvetlenül megöli a folyami állatvilágot, és az ökológiailag kívánatos tartományok feletti hőmérsékleten visszajuttatja a vizet.

Az érdekelt felek bevonása fontos része a villamosenergia-termelő erőművek engedélyezési folyamatának, de nehéz extrapolálni az erőmű egy adott elemére gyakorolt hatásokat. Az 50 m-nél magasabb hűtőtornyok vitathatatlanul a növény egyik legláthatóbb alkotóelemei, ezért előfordulhat, hogy helyi ellenállás van az impozáns torony tájra gyakorolt negatív esztétikai hatásával szemben. Mérséklési és kompenzációs intézkedések azonban bevezethetők, például a növény megtervezésével és elhelyezésével annak érdekében, hogy a közeli lakott területekről a lehető legkisebb legyen a legkiemelkedőbb infrastruktúráinak láthatósága, vagy a növény körüli fák ültetésével és/vagy mesterséges dombok (talajhordók) építésével, amelyek beleolvadnak a természetes tájba és megakadályozzák a növény kilátását. A helyi közösségek közvetlenül pénzügyileg kompenzálhatók az elszenvedett esztétikai hatások által okozott jóléti veszteségekért, vagy más kompenzációs intézkedések tehetők, például társadalmilag hasznos infrastruktúra, például parkok, iskolák stb. építése.

Mivel ezek a lehetőségek csökkentik a vízgyűjtőből történő vízkivételt, az érdekelt felek várhatóan kedvezően ítélik meg azokat, mivel ugyanazokra a vízforrásokra támaszkodnak, mint az ezen intézkedéseket végrehajtó erőművek. A vízhasználati jogok ebből eredő változásait valamennyi érdekelt féllel meg kell vitatni, és azokról meg kell állapodni velük és a vízgyűjtő területek hatóságaival.

A visszaforgatott toronyhűtés körülbelül 40%-kal drágább, mint az egyszeri nedves hűtés (US DOE, 2009), és ott alkalmazható, ahol a víz rendelkezésre állása korlátozott, vagy csökkenteni kell a befogás és az ütközés, valamint a termikus kisülések hatását.

Mindkét száraz hűtési lehetőség sokkal nagyobb rugalmasságot biztosít az új erőművek elhelyezésében, mivel függetlenné válik a nagy vízkészlet rendelkezésre állásától. Ennek a lehetőségnek a legnagyobb hátránya a gazdasági költségeiben rejlik. Mindkét típusú szárazhűtés esetében a hőátadás lényegesen kevésbé hatékony, mint a „nedves” hűtési lehetőségek esetében, ezért nagyon nagy és mechanikusan összetett hűtőberendezéseket igényel. Ez magasabb költségeket eredményez. A szárazhűtési rendszer működtetése valójában az erőmű által termelt energia 1-1,5 %-át igényli, szemben az újrakeringető rendszer 0,5 %-ával, és gyakorlatilag nulla az egyszeri átvezetéshez. A nedves hűtőtornyokban alkalmazott párolgási fizika valójában hatékonyabb hőátadást tesz lehetővé, mint a gőzből vagy vízből a levegőbe fém uszonyokon keresztül, és ezáltal növeli az üzem teljes műszaki és gazdasági hatékonyságát. Megjegyzendő, hogy a termikus hatékonyság és ezáltal a gazdasági működési feltételek a növények helyének éghajlati viszonyaitól függően változnak, és Európa-szerte jelentősen eltérhetnek.

Ez a száraz hűtés egy második, technikai korlátozására utal: forró éghajlaton a 40 °C feletti hőmérsékletű környezeti levegő jelentősen csökkenti a száraz hűtőrendszer hűtési potenciálját a „nedves” rendszerhez képest, amely a potenciálját sokkal alacsonyabb nedves hőmérsékletekre alapozza.

A lehetséges kiút lehet egy hibrid száraz / keringető rendszer. A száraz hűtés vízhiány esetén alkalmazható, és a hőmérséklet csúcsértéke esetén a visszakeringető hűtőtorony-rendszer korlátozott használatával párosulhat. A visszakeringető toronyhűtő rendszer olyan időszakokban is használható, amikor bőséges a víz.

A költségadatok nyilvánvalóan eltérnek az egyes üzemek sajátos körülményeitől függően. Általánosságban azonban a US DOE (2009) jelentése szerint a nedves újrakeringető hűtőrendszerek 40%-kal drágábbak, mint az áteresztő rendszerek, míg a száraz hűtőrendszerek háromszor-négyszer drágábbak, mint a nedves újrakeringető hűtőrendszerek. Jelenleg a nedves újrakeringtető rendszereket az Egyesült Államok Környezetvédelmi Ügynöksége (EPA) a termikus növények hűtésének elérhető legjobb technológiájának tekinti, mivel minimalizálják a vízi ökoszisztémákra gyakorolt hatást, miközben a költségek növekedését megfizethetővé teszik.

Ráadásul mind a visszaforgató, mind a száraz rendszereknek gyakorlatilag nincs vízbevitelük, és nincs hatásuk a vízi ökoszisztémákra, ami legalább részben kompenzálhatja a tőke- és működési többletköltségeket, különösen az éghajlatváltozás okozta vízhiány körülményei között.

A hűtőrendszer kiválasztása az erőmű tervezésének fontos része. Az erőművek építésére és üzemeltetésére vonatkozó engedély megadásához alkalmazott engedélyezési eljárások hatálya alá tartozik, amelyek országonként eltérőek. Mivel a szárazhűtési rendszerek kevésbé energiahatékonyak, mint más hűtőrendszerek, jelenleg az elérhető legjobb uniós hűtési technológiák rangsorában az utolsó helyen állnak, és a visszaforgatott toronyhűtés megelőzi őket. Bár a száraz hűtés használata nincs kizárva, az csak azokra a helyszínekre korlátozódik, ahol nagyon korlátozottak a vízkészletek, vagy ahol a vízhasználattal kapcsolatban különös környezetvédelmi aggályok merülnek fel.

Nagy egységek esetében figyelembe kell venni a bomlási hőnek az áramkimaradással járó vészhelyzeti leállítást követő eltávolításával kapcsolatos biztonsági vonatkozásokat is.

A vízhasználati megállapodásoknak az e lehetőségeket végrehajtó létesítmények csökkentett vízigényéből eredő módosításairól hivatalosan meg kell állapodni a vízgyűjtő területekért felelős hatóságokkal, az összes érintett érdekelt féllel folytatott konzultációk alapján.

Az új üzemek esetében a végrehajtási idő megegyezik azon üzemekével, amelyekhez tartoznak. Az utólagos átalakítások esetében ez a technológiáktól függően változik. Az áteresztő rendszer kiváltása érdekében a kaliforniai part menti erőművek utólagos átalakításáról szóló tanulmány (Tetra Tech, 2008) óvatos becslésként hat hetes leállást jelez az erőműben (az új hűtőrendszer telepítésének és összekapcsolásának lehetővé tétele érdekében) a fosszilis erőművek esetében, míg az atomerőművek hűtőrendszerének utólagos átalakítása műszaki összetettségük miatt akár 12 hónapot is igénybe vehet.

Az élettartam megegyezik azzal a villamosenergia-termelő létesítménnyel, amelyhez az adott intézkedés tartozik. A hőerőművek élettartama a technológiától függően változik: az atomerőművek, bár tervezési élettartamuk jellemzően 40 év, akár 70 évig is működhetnek (Scientific American, 2009), míg a fosszilis tüzelőanyaggal működő erőművek 25 és 50 év között mozognak (földgáz-, illetve szénerőművek).