Adaptation option

Ridurre il consumo di acqua per il raffreddamento degli impianti di generazione termica

Il modo più efficiente dal punto di vista energetico di raffreddamento degli impianti termici è l'utilizzo del sistema una tantum, per cui "l'acqua viene prelevata da corpi d'acqua vicini, deviata attraverso un condensatore dove assorbe il calore dal vapore, e quindi scaricato alla sua fonte originale a temperature più elevate. Poiché i sistemi di raffreddamento una volta-attraverso non riciclano l'acqua di raffreddamento, questo porta a volumi molto elevati di prelievo giornaliero di acqua. Le strutture di aspirazione dell'acqua nelle centrali elettriche con raffreddamento una tantum possono uccidere diversi milioni di pesci all'anno e lo scarico termico a valle può anche danneggiare gli organismi acquatici, influenzando l'intero ecosistema acquatico. Inoltre, l'ampio volume d'acqua necessario per operare sistemi di raffreddamento una volta-attraverso rende le centrali elettriche particolarmente vulnerabili in tempi di siccità e di calore estremo" (NDRC 2014).

Il raffreddamento a torre di ricircolo e il raffreddamento a secco sono opzioni di raffreddamento alternative che riducono notevolmente l'uso dell'acqua rispetto ai sistemi di raffreddamento una tantum.

Il raffreddamento a torre di ricircolo prevede ancora un'assunzione di acqua da fonti esterne, ma la quantità prelevata è inferiore del 95 % rispetto ai sistemi di raffreddamento a volta, con una riduzione comparabile degli impatti negativi sugli ecosistemi. L'acqua viene mantenuta in circolazione nel sistema, assorbendo il calore dal vapore utilizzato per generare energia attraverso un condensatore e rilasciandolo attraverso l'evaporazione all'interno di una torre di raffreddamento. Tuttavia, poiché il raffreddamento avviene attraverso l'evaporazione di una frazione dell'acqua prelevata, il raffreddamento a umido a ricircolo può ancora essere problematico in condizioni di grave scarsità d'acqua.

Il raffreddamento a secco si basa sull'aria come mezzo di trasferimento di calore, piuttosto che sull'evaporazione dal circuito del condensatore. Di conseguenza, le perdite d'acqua sono minime. Ci sono due tipi di base di tecniche di raffreddamento a secco disponibili. Il raffreddamento a secco diretto utilizza un condensatore raffreddato ad aria praticamente come in un radiatore dell'automobile. Impiega aria forzata ad alto flusso attraverso un sistema di tubi alettati nel condensatore all'interno del quale circola il vapore. In questo modo trasferisce direttamente il calore del vapore all'aria ambiente. Il raffreddamento di una centrale elettrica in questo modo richiede meno del 10 % dell'acqua utilizzata in un impianto equivalente raffreddato a umido. Circa l'1-1,5 % della produzione della centrale elettrica viene consumata per spingere i grandi ventilatori. Un design alternativo include un circuito di raffreddamento a condensatore come nel raffreddamento a ricircolo a umido, ma l'acqua utilizzata è chiusa e raffreddata da un flusso d'aria attraverso tubi alettati in una torre di raffreddamento. Il calore viene quindi trasferito all'aria per mezzo di un processo meno efficiente del raffreddamento a umido, ma migliorando il raffreddamento a secco diretto, poiché il consumo di energia è solo dello 0,5 % della potenza. Secondo la VIA, ci sono stati 719 sistemi una volta-attraverso, 819 sistemi di ricircolo e solo 61 sistemi di raffreddamento a secco e ibridi installati negli Stati Uniti nel 2012. In assenza di informazioni analoghe per l'UE e supponendo che i livelli di maturità tecnologica si applichino all'incirca al settore dell'energia elettrica nei paesi sviluppati, è possibile presumere che il raffreddamento secco/ibrido conta meno del 4 % di tutti i sistemi di raffreddamento installati negli impianti termici nell'UE.

NDRC, prendendo come riferimento una centrale elettrica a carbone convenzionale, quantifica l'uso dell'acqua di opzioni alternative di raffreddamento in due modi: prelievi d'acqua, cioè quanta acqua viene prelevata dal bacino idrico e poi, eventualmente e parzialmente, restituita ad esso; e il consumo di acqua, cioè quanta parte dell'acqua prelevata viene trasformata in vapore e quindi non direttamente restituita al bacino idrico dopo il raffreddamento. Per i sistemi di raffreddamento a secco, entrambi ammontano a 0 l/MWh. I requisiti di prelievo dell'acqua per i sistemi di raffreddamento una tantum e quelli a ciclo chiuso sono rispettivamente circa 75.710-189,270 litri per megawattora (l/MWh) e 1,890-4,540 l/MWh. Il consumo di acqua, invece, si traduce in circa 380-1,200 l/MWh per once-through e 1,820-4,169 l/MWh per il raffreddamento a ciclo chiuso. Così i sistemi una volta-attraverso prelevano più acqua dal bacino idrico, ma anche restituiscono più acqua ad esso rispetto ai sistemi a ciclo chiuso. Tuttavia, è il processo di ritiro che provoca effetti negativi più gravi sull'ambiente, uccidendo direttamente la fauna fluviale e restituendo l'acqua ad una temperatura superiore agli intervalli ecologicamente desiderabili.

Informazioni di riferimento

Siti Web
Fonte

Dettagli sull'adattamento

Categorie IPCC

Strutturale e fisico: ingegneria e costruzioni, Strutturale e fisico: opzioni tecnologiche

Partecipazione degli attori interessatI

Il coinvolgimento delle parti interessate è una parte importante del processo di autorizzazione per gli impianti di produzione di energia elettrica, ma è difficile estrapolare le implicazioni per una componente specifica dell'impianto. Le torri di raffreddamento, che possono essere alte oltre 50 m, sono probabilmente una delle componenti più visibili di una pianta, e quindi potrebbe esserci opposizione locale all'impatto estetico negativo di un'imponente torre su un paesaggio. Tuttavia, possono essere messe in atto misure di mitigazione e compensazione, ad esempio progettando e posizionando l'impianto al fine di ridurre al minimo la visibilità delle sue infrastrutture più importanti dalle aree abitate vicine, o attraverso lo screening piantando alberi attorno alla pianta e/o costruendo colline artificiali (berms del suolo) che si fondono nel paesaggio naturale e bloccano la vista della pianta. Le comunità locali possono essere compensate direttamente finanziariamente per la perdita di benessere causata dagli impatti estetici subiti, o possono essere intraprese altre azioni compensative, come la costruzione di infrastrutture socialmente utili come parchi, scuole, ecc.

Poiché queste opzioni riducono i prelievi d'acqua da un bacino, si prevede che le parti interessate si avvalgano delle stesse risorse idriche delle centrali elettriche che attuano tali misure. I cambiamenti che ne derivano nei diritti d'uso dell'acqua dovrebbero essere discussi tra tutte le parti interessate e concordati di conseguenza con loro e con le autorità dei bacini idrici.

Successo e fattori limitanti

Il raffreddamento a torre di ricircolo è circa il 40 % più costoso (US DOE, 2009) rispetto al raffreddamento a umido una volta-attraverso, e può essere applicato quando la disponibilità di acqua è limitata o l'impatto dell'ingresso e dell'impingement e degli scarichi termici deve essere ridotto.

Entrambe le opzioni di raffreddamento a secco offrono una flessibilità molto maggiore nella posizione delle nuove centrali elettriche, in quanto diventa indipendente dalla disponibilità di un importante specchio d'acqua. Il principale svantaggio di questa opzione risiede nei suoi costi economici. Con entrambi i tipi di raffreddamento a secco, il trasferimento di calore è significativamente meno efficiente rispetto alle opzioni di raffreddamento "umido", e quindi richiede impianti di raffreddamento molto grandi e meccanicamente complessi. Ciò comporta costi più elevati. Il funzionamento di un sistema di raffreddamento a secco richiede infatti l'1-1,5 % della potenza generata dall'impianto, rispetto allo 0,5 % di un sistema di ricircolo e praticamente zero per una sola operazione. La fisica dell'evaporazione applicata nelle torri di raffreddamento ad umido consente infatti un trasferimento di calore più efficiente di quello da vapore o acqua all'aria tramite alette metalliche, e quindi aumenta l'intera efficienza tecnica ed economica dell'impianto. Si noti che l'efficienza termica e quindi le condizioni economiche di funzionamento variano a seconda delle condizioni climatiche dell'ubicazione degli impianti e possono essere notevolmente diverse in Europa.

Ciò indica una seconda limitazione tecnica del raffreddamento a secco: in un clima caldo, l'aria ambiente con temperature superiori a 40ºC riduce sostanzialmente il potenziale di raffreddamento di un sistema di raffreddamento a secco, rispetto a un sistema "umido", che basa il suo potenziale su temperature molto più basse dei bulbi umidi.

Una possibile via d'uscita potrebbe essere un sistema ibrido a secco/ricircolo. Il raffreddamento a secco potrebbe essere utilizzato in condizioni di scarsità d'acqua e potrebbe essere accoppiato con un uso limitato di un sistema a torre di raffreddamento a ricircolo quando le temperature raggiungono il picco. Il sistema di raffreddamento a torre di ricircolo può essere utilizzato anche durante i periodi in cui c'è un'abbondanza di acqua.

Costi e benefici

Le cifre dei costi variano ovviamente in base alle condizioni specifiche di ogni impianto. Tuttavia, in generale, US DOE (2009) riferisce che i sistemi di raffreddamento a ricircolo a umido sono il 40 % più costosi dei sistemi di passaggio, mentre i sistemi di raffreddamento a secco sono da tre a quattro volte più costosi di un sistema di raffreddamento a umido a ricircolo. Al momento, i sistemi di ricircolo a umido sono considerati la migliore tecnologia disponibile per il raffreddamento degli impianti termici da parte della US Environmental Protection Agency (EPA), perché riducono al minimo l'impatto sugli ecosistemi dell'acqua mantenendo al contempo l'aumento dei costi a prezzi accessibili.

Sul lato positivo, sia i sistemi a ricircolazione che quelli a secco non hanno praticamente alcuna assunzione di acqua e nessun impatto sugli ecosistemi idrici, che possono almeno parzialmente compensare i costi aggiuntivi di capitale e di esercizio, in particolare in condizioni di scarsità d'acqua provocate dai cambiamenti climatici.

Aspetti legali

La scelta del sistema di raffreddamento è una parte importante del design di una centrale elettrica. È soggetto ai processi di autorizzazione applicati per concedere il permesso di costruire e gestire centrali elettriche, che variano da paese a paese. Poiché i sistemi di raffreddamento a secco sono meno efficienti dal punto di vista energetico rispetto ad altri sistemi di raffreddamento, al momento si classificano ultimi nell'ordine delle migliori tecnologie disponibili dell'UE per il raffreddamento e sono superati dal raffreddamento a torre di ricircolo. Sebbene l'uso del raffreddamento a secco non sia escluso, esso è limitato ai luoghi con risorse idriche molto limitate o con particolari preoccupazioni ambientali legate all'uso dell'acqua.

Per le unità di grandi dimensioni, dovrebbero essere prese in considerazione anche le implicazioni di sicurezza relative alla rimozione del calore di decadimento dopo un arresto di emergenza con perdita di potenza.

Le modifiche agli accordi sull'uso dell'acqua derivanti dalla riduzione del fabbisogno idrico degli impianti che attuano tali opzioni dovrebbero essere formalmente concordate con le autorità dei bacini idrici, sulla base di consultazioni con tutte le parti interessate.

Tempo di implementazione

Per i nuovi impianti, il tempo di implementazione è lo stesso degli impianti a cui appartengono. Per i retrofit, varia con le tecnologie. Per sostituire un sistema di passaggio, uno studio sull'ammodernamento delle centrali elettriche costiere californiane (Tetra Tech, 2008) indica un tempo di fermo dell'impianto (per consentire l'installazione e il collegamento del nuovo sistema di raffreddamento) di sei settimane come stima conservativa per gli impianti fossili, mentre l'ammodernamento del sistema di raffreddamento delle centrali nucleari potrebbe richiedere fino a 12 mesi a causa della loro complessità tecnica.

Durata

La durata di vita è la stessa dell'impianto di produzione di energia elettrica a cui appartiene la misura specifica. La durata degli impianti termici varia a seconda della tecnologia: le centrali nucleari, sebbene la loro durata di progettazione sia in genere di 40 anni, possono continuare a funzionare fino a 70 anni(scientific American, 2009), mentre le centrali a combustibile fossile variano tra i 25 e i 50 anni (rispettivamente le centrali a gas naturale e a carbone).