Ūdens patēriņa samazināšana termoelektrostaciju dzesēšanai

Visenergoefektīvākais termoelektrostaciju dzesēšanas veids ir vienreizējās lietošanas sistēma, saskaņā ar kuru "ūdens tiek paņemts no tuvējām ūdenstilpēm, novirzīts caur kondensatoru, kur tas absorbē siltumu no tvaika, un pēc tam novadīts atpakaļ uz sākotnējo avotu augstākā temperatūrā. Tā kā vienreizējās dzesēšanas sistēmas nepārstrādā dzesēšanas ūdeni, tas rada ļoti lielus daudzumus ikdienas ūdens. Ūdens ieplūdes struktūras spēkstacijās ar vienreizēju dzesēšanu katru gadu var nogalināt vairākus miljonus zivju, un termiskā izplūde lejup pa straumi var kaitēt arī ūdens organismiem, ietekmējot visas ūdens ekosistēmas. Turklāt lielais ūdens daudzums, kas vajadzīgs, lai darbinātu vienreizējās dzesēšanas sistēmas, padara spēkstacijas īpaši neaizsargātas sausuma un ārkārtēja karstuma laikā” (NDRC 2014).

Recirkulācijas torņa dzesēšana un sausā dzesēšana ir alternatīvas dzesēšanas iespējas, kas ievērojami samazina ūdens patēriņu salīdzinājumā ar vienreizējām dzesēšanas sistēmām.

Recirkulācijas torņu dzesēšana joprojām paredz ūdens uzņemšanu no ārējiem avotiem, bet izņemtais daudzums ir par 95 % mazāks nekā vienreizējās dzesēšanas sistēmās, līdzīgi samazinot negatīvo ietekmi uz ekosistēmām. Sistēmā tiek uzturēta ūdens cirkulācija, absorbējot siltumu no tvaika, ko izmanto, lai ražotu enerģiju caur kondensatoru, un atbrīvojot to caur iztvaikošanu dzesēšanas tornī. Tomēr, tā kā dzesēšana notiek, iztvaicējot daļu no izņemtā ūdens, recirkulācijas mitrā dzesēšana joprojām var būt problemātiska smaga ūdens trūkuma apstākļos.

Sausā dzesēšana balstās uz gaisu kā siltuma pārneses līdzekli, nevis iztvaikošanu no kondensatora ķēdes. Tā rezultātā ūdens zudumi ir minimāli. Ir pieejami divi sausās dzesēšanas paņēmienu pamatveidi. Tiešā sausā dzesēšana izmanto gaisa dzesēšanu kondensatoru gandrīz tāpat kā automašīnas radiatorā. Tajā izmanto augstas plūsmas piespiedu gaisu caur izolētu cauruļu sistēmu kondensatorā, kurā cirkulē tvaiks. Tādējādi tā tieši pārnes tvaika siltumu apkārtējā gaisā. Šādai spēkstacijas dzesēšanai ir vajadzīgi mazāk nekā 10 % ūdens, ko izmanto līdzvērtīgā slapjā dzesēšanas iekārtā. Aptuveni 1-1,5% no elektrostacijas jaudas tiek patērēti, lai darbinātu lielos ventilatorus. Alternatīva konstrukcija ietver kondensatora dzesēšanas kontūru tāpat kā mitrā recirkulācijas dzesēšanā, bet izmantotais ūdens tiek slēgts un atdzesēts ar gaisa plūsmu caur finierētām caurulēm dzesēšanas tornī. Tādējādi siltums tiek pārnests uz gaisu, izmantojot procesu, kas ir mazāk efektīvs nekā mitrā dzesēšana, bet uzlabojas tiešā sausā dzesēšana, jo enerģijas patēriņš ir tikai 0,5 % no izlaides. Saskaņā ar IVN 2012. gadā ASV bija ieviestas 719 vienreizējas lietošanas sistēmas, 819 recirkulācijas sistēmas un tikai 61 sausās dzesēšanas un hibrīda sistēma. Tā kā nav analogas informācijas par ES un pieņemot, ka attīstīto valstu elektroenerģijas nozarē ir aptuveni vienāds tehnoloģiskās gatavības līmenis, var pieņemt, ka sausā/hibrīdā dzesēšana veido mazāk nekā 4 % no visām dzesēšanas sistēmām, kas uzstādītas termoelektrostacijās ES.

NDRC, par atsauci ņemot parastu ogļu spēkstaciju, nosaka alternatīvu dzesēšanas iespēju ūdens izmantojumu divos veidos: ūdens izņemšana, tas ir, cik daudz ūdens tiek ņemts no ūdens baseina un pēc tam, iespējams un daļēji, tajā atgriezts; un ūdens patēriņš, t. i., cik daudz izņemtā ūdens tiek pārveidots tvaikos un tādējādi pēc dzesēšanas netiek tieši atgriezts ūdens baseinā. Sausās dzesēšanas sistēmām tie abi ir 0 l/MWh. Ūdens izsūknēšanas prasības vienreizējām dzesēšanas sistēmām un slēgta cikla dzesēšanas sistēmām ir attiecīgi aptuveni 75 710–189 270 litri uz megavatstundu (l/MWh) un 1890–4540 l/MWh. Savukārt ūdens patēriņš ir aptuveni 380–1200 l/MWh vienreizējas izmantošanas gadījumā un 1820–4169 l/MWh slēgta cikla dzesēšanas gadījumā. Tādējādi vienreizējas lietošanas sistēmas atņem vairāk ūdens no ūdens baseina, bet arī atdod tam vairāk ūdens nekā slēgta cikla sistēmas. Tomēr tas ir izņemšanas process, kas rada nopietnāku negatīvu ietekmi uz vidi, tieši nogalinot upju faunu un atgriežot ūdeni temperatūrā, kas pārsniedz ekoloģiski vēlamos diapazonus.

Ieinteresēto personu iesaistīšana ir svarīga daļa no atļauju piešķiršanas procesa elektroenerģijas ražošanas iekārtām, taču ir grūti ekstrapolēt ietekmi uz konkrētu iekārtas komponentu. Dzesēšanas torņi, kas var būt vairāk nekā 50 m augsti, iespējams, ir viens no redzamākajiem auga komponentiem, un tāpēc var būt vietēja opozīcija iespaidīga torņa negatīvajai estētiskajai ietekmei uz ainavu. Tomēr ietekmes mazināšanas un kompensācijas pasākumus var ieviest, piemēram, projektējot un izvietojot iekārtu tā, lai līdz minimumam samazinātu tās visievērojamākās infrastruktūras redzamību no tuvējām apdzīvotām teritorijām, vai skrīningā stādot kokus ap iekārtu un/vai būvējot mākslīgus pakalnus (augsnes bermus), kas ieplūst dabiskajā ainavā un bloķē skatu uz iekārtu. Vietējās kopienas var saņemt tiešu finansiālu kompensāciju par labklājības zudumu, ko radījusi estētiskā ietekme, vai arī var veikt citus kompensējošus pasākumus, piemēram, veidot sociāli noderīgu infrastruktūru, piemēram, parkus, skolas utt.

Tā kā šie risinājumi samazina ūdens ieguvi no baseina, paredzams, ka ieinteresētās personas, kas paļaujas uz tiem pašiem ūdens resursiem kā spēkstacijas, kuras īsteno šos pasākumus, tos vērtēs pozitīvi. No tā izrietošās izmaiņas ūdens izmantošanas tiesībās būtu jāapspriež starp visām ieinteresētajām personām un jāvienojas ar tām un attiecīgi ar ūdens baseina iestādēm.

Recirkulācijas torņa dzesēšana ir par aptuveni 40 % dārgāka (US DOE, 2009) nekā vienreizēja mitrā dzesēšana, un to var izmantot, ja ūdens pieejamība ir ierobežota vai ja ir jāsamazina iespiešanās un saskares, kā arī termisko noplūžu ietekme.

Abas sausās dzesēšanas iespējas nodrošina daudz lielāku elastību jaunu spēkstaciju atrašanās vietā, jo tā kļūst neatkarīga no lielas ūdenstilpes pieejamības. Šā risinājuma galvenais trūkums ir tā ekonomiskās izmaksas. Ar abiem sausās dzesēšanas veidiem siltuma pārnese ir ievērojami mazāk efektīva nekā ar “mitrās” dzesēšanas iespējām, un tāpēc tai ir vajadzīgas ļoti lielas un mehāniski sarežģītas dzesēšanas iekārtas. Tas rada lielākas izmaksas. Sausās dzesēšanas sistēmas darbībai faktiski ir vajadzīgi 1–1,5 % no spēkstacijas saražotās enerģijas salīdzinājumā ar 0,5 % no recirkulācijas sistēmas un gandrīz nulli vienreizējas caurplūdes gadījumā. Iztvaikošanas fizika, ko izmanto mitrās dzesēšanas torņos, faktiski ļauj efektīvāk pārnest siltumu no tvaika vai ūdens uz gaisu caur metāla spurām un tādējādi palielina rūpnīcas tehnisko un ekonomisko efektivitāti. Ņemiet vērā, ka termiskā efektivitāte un līdz ar to ekspluatācijas ekonomiskie apstākļi atšķiras atkarībā no klimatiskajiem apstākļiem iekārtu atrašanās vietā un var ievērojami atšķirties visā Eiropā.

Tas norāda uz otru, tehnisku ierobežojumu sausās dzesēšanas jomā: karstā klimatā apkārtējais gaiss, kura temperatūra pārsniedz 40 °C, būtiski samazina sausās dzesēšanas sistēmas dzesēšanas potenciālu salīdzinājumā ar “slapjo” sistēmu, kuras potenciāla pamatā ir daudz zemāka mitrā termometra temperatūra.

Iespējamā izeja varētu būt hibrīda sausā/recirkulācijas sistēma. Sauso dzesēšanu varētu izmantot ūdens trūkuma apstākļos, un to varētu apvienot ar recirkulācijas dzesēšanas torņa sistēmas ierobežotu izmantošanu, kad temperatūra sasniedz maksimumu. Recirkulācijas torņa dzesēšanas sistēmu var izmantot arī periodos, kad ir ūdens pārpilnība.

Izmaksu rādītāji acīmredzami atšķiras atkarībā no katras iekārtas konkrētajiem apstākļiem. Tomēr kopumā US DOE (2009) ziņo, ka dzesēšanas sistēmas ar mitro cirkulāciju ir par 40 % dārgākas nekā caurplūdes sistēmas, savukārt sausās dzesēšanas sistēmas ir trīs līdz četras reizes dārgākas nekā dzesēšanas sistēmas ar mitro cirkulāciju. Pašlaik ASV Vides aizsardzības aģentūra (EPA) mitrās recirkulācijas sistēmas uzskata par labāko pieejamo tehnoloģiju termoelektrostaciju dzesēšanai, jo tās samazina ietekmi uz ūdens ekosistēmām, vienlaikus saglabājot izmaksu pieaugumu pieejamu.

Turklāt gan recirkulācijas, gan sausās sistēmas praktiski neuzņem ūdeni un neietekmē ūdens ekosistēmas, kas var vismaz daļēji kompensēt papildu kapitāla un ekspluatācijas izmaksas, jo īpaši klimata pārmaiņu izraisītā ūdens trūkuma apstākļos.

Dzesēšanas sistēmas izvēle ir svarīga spēkstacijas konstrukcijas daļa. Uz to attiecas atļauju piešķiršanas procedūras, ko piemēro, lai piešķirtu atļauju būvēt un ekspluatēt elektrostacijas, un šīs procedūras dažādās valstīs atšķiras. Tā kā sausās dzesēšanas sistēmas ir mazāk energoefektīvas nekā citas dzesēšanas sistēmas, pašlaik tās ierindojas pēdējā vietā ES labāko pieejamo dzesēšanas tehnoloģiju secībā un tiek pārspētas ar recirkulācijas torņu dzesēšanu. Lai gan sausās dzesēšanas izmantošana nav izslēgta, tā attiecas tikai uz vietām ar ļoti ierobežotiem ūdens resursiem vai ar īpašām vides problēmām, kas saistītas ar ūdens izmantošanu.

Attiecībā uz lielām iekārtām būtu jāņem vērā arī ietekme uz drošību saistībā ar sabrukšanas siltuma aizvākšanu pēc avārijas izslēgšanas ar elektroenerģijas zudumu.

Par grozījumiem ūdens izmantošanas nolīgumos, kas izriet no samazinātām ūdens vajadzībām stacijās, kuras īsteno šīs iespējas, būtu oficiāli jāvienojas ar ūdens baseina iestādēm, pamatojoties uz apspriešanos ar visām skartajām ieinteresētajām personām.

Attiecībā uz jaunām iekārtām ieviešanas laiks ir tāds pats kā iekārtām, kurām tās pieder. Modernizācijā tas atšķiras atkarībā no tehnoloģijām. Lai aizstātu caurlaides sistēmu, pētījumā par Kalifornijas piekrastes spēkstaciju modernizāciju (Tetra Tech, 2008) kā piesardzīga aplēse fosilajām spēkstacijām ir norādīts, ka spēkstacijas dīkstāve (lai varētu uzstādīt un pieslēgt jauno dzesēšanas sistēmu) ir sešas nedēļas, savukārt kodolspēkstaciju dzesēšanas sistēmas modernizācijai to tehniskās sarežģītības dēļ varētu būt vajadzīgi līdz pat 12 mēnešiem.

Darbības laiks ir tāds pats kā elektroenerģijas ražošanas stacijai, pie kuras pieder konkrētais pasākums. Termoelektrostaciju kalpošanas laiks atšķiras atkarībā no tehnoloģijas: lai gan kodolspēkstaciju projektētais ekspluatācijas laiks parasti ir 40 gadi, tās var turpināt darboties līdz pat 70 gadiem (Scientific American, 2009), savukārt fosilā kurināmā spēkstacijas svārstās no 25 līdz 50 gadiem (attiecīgi dabasgāzes un ogļu spēkstacijas).