Riduzione del consumo di acqua per il raffreddamento degli impianti di generazione termica

Il modo più efficiente dal punto di vista energetico per raffreddare gli impianti termici consiste nell'utilizzare il sistema una tantum, in base al quale "l'acqua viene prelevata dai corpi idrici vicini, deviata attraverso un condensatore in cui assorbe il calore dal vapore e quindi scaricata di nuovo alla sua fonte originale a temperature più elevate. Poiché i sistemi di raffreddamento una tantum non riciclano l'acqua di raffreddamento, ciò porta a volumi molto elevati di prelievi giornalieri 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'elevato volume di acqua necessario per il funzionamento dei sistemi di raffreddamento "una tantum" 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 di acqua rispetto ai sistemi di raffreddamento una volta forati.

Il raffreddamento a torre di ricircolo prevede ancora un apporto di acqua da fonti esterne, ma la quantità prelevata è inferiore del 95% rispetto ai sistemi di raffreddamento a ciclo unico, 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 del 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 diretto a secco 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. Trasferisce quindi 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 potenza della centrale elettrica viene consumata per spingere i grandi ventilatori. Un progetto alternativo include un circuito di raffreddamento a condensatore come nel raffreddamento a ricircolo 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 mediante un processo meno efficiente del raffreddamento a umido, ma che migliora il raffreddamento diretto a secco, in quanto il consumo di energia è solo dello 0,5% della produzione. Secondo la VIA, nel 2012 negli Stati Uniti sono stati installati 719 sistemi una tantum, 819 sistemi a ricircolo e solo 61 sistemi di raffreddamento a secco e ibridi. In assenza di informazioni analoghe per l'UE e supponendo che al settore dell'energia elettrica si applichino approssimativamente gli stessi livelli di maturità tecnologica nei paesi sviluppati, è possibile presumere che il raffreddamento a secco/ibrido conti 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 di acqua delle opzioni di raffreddamento alternative in due modi: i prelievi di acqua, cioè quanta acqua viene prelevata dal bacino idrico e quindi, possibilmente e parzialmente, restituita ad esso; e il consumo di acqua, cioè quanta 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 a ciclo chiuso sono, rispettivamente, di circa 75 710-189 270 litri per megawattora (l/MWh) e di 1 890-4 540 l/MWh. Il consumo di acqua, invece, si traduce in circa 380-1.200 l/MWh per il raffreddamento a ciclo chiuso e 1.820-4.169 l/MWh per il raffreddamento a ciclo chiuso. Pertanto, i sistemi una tantum prelevano più acqua dal bacino idrico, ma vi restituiscono anche più acqua rispetto ai sistemi a ciclo chiuso. Tuttavia, è il processo di ritiro che produce effetti negativi più gravi sull'ambiente, uccidendo direttamente la fauna fluviale e restituendo l'acqua a una temperatura superiore agli intervalli ecologicamente desiderabili.

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 uno dei componenti più visibili di un impianto, e quindi potrebbe esserci un'opposizione locale all'impatto estetico negativo di una torre imponente 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 controllandolo piantando alberi intorno all'impianto e / o costruendo colline artificiali (terreni) che si fondono con il paesaggio naturale e bloccano la vista dell'impianto. Le comunità locali possono essere direttamente compensate 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 di acqua da un bacino, dovrebbero essere considerate favorevolmente dai portatori di interessi che dipendono dalle stesse risorse idriche delle centrali elettriche che attuano tali misure. Le conseguenti modifiche dei diritti di utilizzo dell'acqua dovrebbero essere discusse tra tutte le parti interessate e concordate di conseguenza con esse e con le autorità dei bacini idrici.

Il raffreddamento a torre a ricircolo è circa il 40% più costoso (US DOE, 2009) rispetto al raffreddamento a umido una tantum e può essere applicato dove la disponibilità di acqua è limitata o l'impatto di trascinamento e urto e 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 inconveniente 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 "a umido", e pertanto richiede impianti di raffreddamento molto grandi e meccanicamente complessi. Ciò si traduce in 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 a ricircolo e praticamente zero per una volta. La fisica dell'evaporazione applicata nelle torri di raffreddamento a umido consente infatti un trasferimento di calore più efficiente rispetto a quello dal vapore o dall'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 con le condizioni climatiche della posizione degli impianti e possono essere notevolmente diverse in tutta Europa.

Ciò indica una seconda limitazione tecnica del raffreddamento a secco: in un clima caldo, l'aria ambiente con temperature superiori a 40 ° C 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 a bulbo umido molto più basse.

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 abbondanza di acqua.

Le cifre dei costi variano ovviamente con le condizioni specifiche di ogni pianta. Tuttavia, in generale US DOE (2009) riporta che i sistemi di raffreddamento a ricircolo umido sono il 40% più costosi dei sistemi pass-through, 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 a ricircolo umido sono considerati la migliore tecnologia disponibile per il raffreddamento degli impianti termici dall'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (EPA), perché riducono al minimo l'impatto sugli ecosistemi idrici mantenendo al contempo l'aumento dei costi a prezzi accessibili.

Dal lato positivo, sia i sistemi a ricircolo che quelli a secco non hanno praticamente alcuna assunzione di acqua e nessun impatto sugli ecosistemi idrici, che possono almeno in parte compensare i costi aggiuntivi di capitale e operativi, in particolare in condizioni di scarsità d'acqua causata dai cambiamenti climatici.

La scelta del sistema di raffreddamento è una parte importante della progettazione di una centrale elettrica. È soggetto alle procedure di autorizzazione applicate per concedere il permesso di costruire e gestire centrali elettriche, che varia 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 collocano all'ultimo posto nell'ordine delle migliori tecnologie disponibili dell'UE per il raffreddamento e sono superati dal raffreddamento a torre a ricircolo. Sebbene l'uso del raffreddamento a secco non sia escluso, esso è limitato a 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 per la 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 concordate formalmente con le autorità dei bacini idrici, sulla base di consultazioni con tutte le parti interessate.

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

Il ciclo di vita è lo stesso dell'impianto di produzione di energia elettrica cui appartiene la misura specifica. La durata di vita degli impianti termici varia a seconda della tecnologia: gli impianti 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 gli impianti a combustibili fossili variano tra 25 e 50 anni (rispettivamente impianti a gas naturale e a carbone).