Šilumos gamybos įrenginiams vėsinti suvartojamo vandens kiekio mažinimas

Efektyviausias šiluminių įrenginių aušinimo būdas yra naudoti vienkartinę sistemą, pagal kurią "vanduo pašalinamas iš netoliese esančių vandens telkinių, nukreipiamas per kondensatorių, kuriame jis sugeria šilumą iš garų, ir tada išleidžiamas atgal į pradinį šaltinį aukštesnėje temperatūroje. Kadangi vienkartinio aušinimo sistemos neperdirba aušinimo vandens, tai lemia labai didelį kasdienio vandens ištraukimo kiekį. Elektrinių vandens įsiurbimo struktūros su vienkartiniu vėsinimu kasmet gali nužudyti kelis milijonus žuvų, o šilumos išleidimas pasroviui taip pat gali pakenkti vandens organizmams, darydamas poveikį visoms vandens ekosistemoms. Be to, dėl didelio vandens kiekio, reikalingo vienkartinio vėsinimo sistemoms veikti, elektrinės tampa ypač pažeidžiamos sausros ir itin didelio karščio laikotarpiais“ (NDRC, 2014 m.).

Recirkuliacinis bokšto aušinimas ir sausas aušinimas yra alternatyvūs aušinimo variantai, kurie žymiai sumažina vandens sunaudojimą, palyginti su vienkartinio aušinimo sistemomis.

Naudojant recirkuliacinį bokšto vėsinimą vis dar numatoma, kad vanduo bus imamas iš išorės šaltinių, tačiau pašalintas kiekis yra 95 proc. mažesnis nei vienkartinio vėsinimo sistemose, o neigiamas poveikis ekosistemoms sumažėja panašiai. Sistemoje nuolat cirkuliuoja vanduo, kuris sugeria šilumą iš garų, naudojamų energijai generuoti per kondensatorių, ir atleidžia ją išgarindamas aušinimo bokšte. Tačiau, kadangi vėsinama išgarinant dalį pašalinto vandens, recirkuliacinis šlapias vėsinimas vis tiek gali kelti problemų esant dideliam vandens trūkumui.

Sausas aušinimas priklauso nuo oro kaip šilumos perdavimo terpės, o ne garavimo iš kondensatoriaus grandinės. Dėl to vandens nuostoliai yra minimalūs. Yra dviejų pagrindinių tipų sauso aušinimo būdai. Tiesioginis sausas aušinimas naudoja oru aušinamą kondensatorių beveik taip pat, kaip automobilio radiatoriuje. Jis naudoja didelio srauto priverstinį orą per nukirstų vamzdžių sistemą kondensatoriuje, kuriame cirkuliuoja garai. Taip garo šiluma tiesiogiai patenka į aplinkos orą. Tokiu būdu jėgainei aušinti reikia mažiau nei 10 proc. vandens, sunaudojamo lygiavertėje šlapiuoju būdu aušinamoje jėgainėje. Apie 1-1,5% elektrinės produkcijos sunaudojama dideliems ventiliatoriams varyti. Alternatyvi konstrukcija apima kondensatoriaus aušinimo grandinę, pvz., Šlapią recirkuliacinį aušinimą, tačiau naudojamas vanduo yra uždarytas ir aušinamas oro srautu per aušinimo bokšto vamzdžius su pelekais. Taigi šiluma į orą perduodama taikant procesą, kuris yra ne toks efektyvus kaip aušinimas šlapiuoju būdu, tačiau pagerinamas tiesioginiu sausuoju aušinimu, nes sunaudojama tik 0,5 proc. pagaminamos energijos. Remiantis PAV, 2012 m. JAV buvo įdiegta 719 vienkartinio veikimo sistemų, 819 recirkuliacinių sistemų ir tik 61 sauso aušinimo ir hibridinė sistema. Nesant analogiškos informacijos apie ES ir darant prielaidą, kad išsivysčiusių šalių elektros energijos sektoriui taikomi maždaug tokie patys technologijų brandos lygiai, galima daryti prielaidą, kad sausasis ir (arba) hibridinis vėsinimas sudaro mažiau nei 4 proc. visų ES šiluminėse elektrinėse įrengtų vėsinimo sistemų.

NDRC, remdamasi įprastine anglimis kūrenama elektrine, kiekybiškai įvertina alternatyvių aušinimo būdų vandens naudojimą dviem būdais: vandens pašalinimą, t. y. kiek vandens paimama iš vandens baseino ir po to, galbūt ir iš dalies, grąžinama į jį; ir vandens suvartojimą, t. y. kiek paimto vandens virsta garais ir todėl po aušinimo nėra tiesiogiai grąžinama į vandens baseiną. Sauso aušinimo sistemose jie abu yra 0 l/MWh. Vienkartinio ir uždarojo ciklo aušinimo sistemų vandens išleidimo reikalavimai yra atitinkamai apie 75 710–189 270 litrų per megavatvalandę (l/MWh) ir 1 890–4 540 l/MWh. Kita vertus, suvartojamo vandens kiekis yra maždaug 380–1 200 l/MWh vienkartinio veikimo atveju ir 1 820–4 169 l/MWh uždarojo ciklo vėsinimo atveju. Taigi vienkartinės sistemos pašalina daugiau vandens iš vandens baseino, bet taip pat grąžina į jį daugiau vandens nei uždarojo ciklo sistemos. Tačiau būtent pašalinimo iš rinkos procesas daro rimtesnį neigiamą poveikį aplinkai, nes tiesiogiai žudo upių fauną ir grąžina vandenį, kurio temperatūra viršija ekologiniu požiūriu pageidautinas ribas.

Suinteresuotųjų subjektų dalyvavimas yra svarbi leidimų išdavimo elektros energijos gamybos jėgainėms proceso dalis, tačiau sunku ekstrapoliuoti poveikį konkrečiam jėgainės komponentui. Aušinimo bokštai, kurių aukštis gali būti didesnis nei 50 m, be abejonės, yra vienas iš labiausiai matomų augalo komponentų, todėl gali būti vietos pasipriešinimas neigiamam estetiniam įspūdingo bokšto poveikiui kraštovaizdžiui. Tačiau poveikio švelninimo ir kompensavimo priemonės gali būti taikomos, pavyzdžiui, projektuojant ir pastatant įrenginį, kad būtų kuo labiau sumažintas jo svarbiausios infrastruktūros matomumas iš netoliese esančių gyvenamųjų vietovių, arba tikrinant jį sodinant medžius aplink augalą ir (arba) statant dirbtines kalvas (dirvožemio bermas), kurios įsilieja į natūralų kraštovaizdį ir blokuoja augalo vaizdą. Vietos bendruomenėms gali būti tiesiogiai kompensuojama už gerovės nuostolius, patirtus dėl estetinio poveikio, arba gali būti imamasi kitų kompensacinių veiksmų, pavyzdžiui, kuriant visuomenei naudingą infrastruktūrą, pavyzdžiui, parkus, mokyklas ir kt.

Kadangi šios galimybės mažina vandens išleidimą iš baseino, tikimasi, kad jas palankiai vertins suinteresuotieji subjektai, kurie naudojasi tais pačiais vandens ištekliais kaip ir šias priemones įgyvendinančios elektrinės. Visi suinteresuotieji subjektai turėtų aptarti su tuo susijusius vandens naudojimo teisių pakeitimus ir dėl jų atitinkamai susitarti su jais ir su vandens baseinų institucijomis.

Recirkuliacinis bokšto aušinimas yra apie 40 proc. brangesnis (JAV DOE, 2009 m.) nei vienkartinis drėgnas aušinimas ir gali būti taikomas tais atvejais, kai vandens prieinamumas yra ribotas arba reikia sumažinti sulaikymo ir trukdžių bei šiluminių išleidimų poveikį.

Abi sauso aušinimo galimybės suteikia daug daugiau lankstumo naujų elektrinių vietoje, nes ji tampa nepriklausoma nuo pagrindinio vandens telkinio prieinamumo. Didžiausias šios galimybės trūkumas yra jos ekonominės sąnaudos. Naudojant abiejų rūšių sausąjį vėsinimą, šilumos perdavimas yra gerokai mažiau efektyvus nei naudojant šlapiojo vėsinimo galimybes, todėl reikia labai didelių ir mechaniškai sudėtingų vėsinimo įrenginių. Tai lemia didesnes išlaidas. Sauso aušinimo sistemos veikimui iš tiesų reikia 1–1,5 proc. jėgainės pagamintos energijos, palyginti su 0,5 proc. recirkuliacinės sistemos ir beveik nulinės vertės vienkartinio veikimo režimu. Drėgnuose aušinimo bokštuose taikoma garinimo fizika iš tikrųjų leidžia efektyviau perduoti šilumą nei iš garų ar vandens į orą per metalinius pelekus ir taip padidina visą techninį ir ekonominį įrenginio efektyvumą. Atkreipkite dėmesį į tai, kad šiluminis naudingumas, taigi ir ekonominės veiklos sąlygos, skiriasi priklausomai nuo įrenginių buvimo vietos klimato sąlygų ir gali labai skirtis visoje Europoje.

Tai rodo antrą techninį sausojo vėsinimo apribojimą: esant karštam klimatui, aplinkos oras, kurio temperatūra viršija 40 °C, gerokai sumažina sausojo vėsinimo sistemos vėsinimo potencialą, palyginti su šlapiąja sistema, kurios potencialas grindžiamas daug mažesne drėgnuoju termometru išmatuota temperatūra.

Galima išeitis galėtų būti hibridinė sausa / recirkuliacinė sistema. Sausas aušinimas galėtų būti naudojamas esant vandens trūkumui ir galėtų būti derinamas su ribotu recirkuliacinės aušinimo bokšto sistemos naudojimu, kai temperatūra yra aukščiausia. Recirkuliacinė bokšto aušinimo sistema taip pat gali būti naudojama laikotarpiais, kai yra daug vandens.

Akivaizdu, kad sąnaudų duomenys skiriasi atsižvelgiant į konkrečias kiekvienos gamyklos sąlygas. Tačiau apskritai JAV DOE (2009 m.) praneša, kad šlapio recirkuliacinio aušinimo sistemos yra 40 proc. brangesnės nei praeinančios sistemos, o sauso aušinimo sistemos yra nuo trijų iki keturių kartų brangesnės nei recirkuliacinio drėgno aušinimo sistema. Šiuo metu JAV aplinkos apsaugos agentūra (EPA) šlapias recirkuliacines sistemas laiko geriausia turima šiluminių įrenginių aušinimo technologija, nes jos sumažina poveikį vandens ekosistemoms, tuo pačiu išlaikydamos sąnaudų padidėjimą prieinamą.

Be to, ir recirkuliacinės, ir sausos sistemos beveik negauna vandens ir nedaro poveikio vandens ekosistemoms, o tai gali bent iš dalies kompensuoti papildomas kapitalo ir veiklos išlaidas, visų pirma dėl klimato kaitos susidarius vandens trūkumo sąlygoms.

Aušinimo sistemos pasirinkimas yra svarbi elektrinės konstrukcijos dalis. Jai taikomos leidimų išdavimo procedūros, taikomos suteikiant leidimą statyti ir eksploatuoti elektrines, kurios įvairiose šalyse skiriasi. Kadangi sausojo vėsinimo sistemos yra mažiau efektyvios energijos požiūriu nei kitos vėsinimo sistemos, šiuo metu jos užima paskutinę vietą pagal ES geriausias turimas vėsinimo technologijas ir yra pralenktos recirkuliacinio aušinimo bokštuose. Nors neatmetama galimybė naudoti sausąjį vėsinimą, jis taikomas tik tose vietose, kuriose vandens ištekliai yra labai riboti arba kuriose kyla tam tikrų su vandens naudojimu susijusių aplinkosaugos problemų.

Didelių įrenginių atveju taip pat reikėtų atsižvelgti į poveikį saugai, susijusį su skilimo šilumos pašalinimu po avarinio išjungimo, kai prarandama galia.

Dėl vandens naudojimo susitarimų pakeitimų, susijusių su sumažėjusiais įrenginių vandens poreikiais įgyvendinant šias galimybes, turėtų būti oficialiai susitarta su vandens baseinų valdžios institucijomis, remiantis konsultacijomis su visais susijusiais suinteresuotaisiais subjektais.

Naujų įrenginių atveju įgyvendinimo laikas yra toks pat kaip ir įrenginių, kuriems jie priklauso. Kalbant apie modernizavimą, jis skiriasi priklausomai nuo technologijų. Siekiant pakeisti pereinamąją sistemą, Kalifornijos pakrantės elektrinių modernizavimo tyrime („Tetra Tech“, 2008 m.) nurodyta, kad šešių savaičių elektrinės prastova (kad būtų galima įrengti ir prijungti naują aušinimo sistemą) yra konservatyvus iškastinių elektrinių įvertis, o atominių elektrinių aušinimo sistemos modifikavimui dėl jų techninio sudėtingumo gali prireikti iki 12 mėnesių.

Eksploatavimo trukmė yra tokia pati kaip ir elektros energijos gamybos įrenginio, kuriam taikoma konkreti priemonė. Šiluminių elektrinių gyvavimo trukmė skiriasi priklausomai nuo technologijos: branduolinės elektrinės, nors jų projektavimo trukmė paprastai yra 40 metų, gali veikti iki 70 metų (Scientific American, 2009), o iškastinio kuro elektrinės – nuo 25 iki 50 metų (atitinkamai gamtinių dujų ir anglies elektrinės).