Vermindering van het waterverbruik voor de koeling van thermische opwekkingsinstallaties

De meest energie-efficiënte manier om thermische installaties te koelen is het eenmalige systeem, waarbij "water wordt onttrokken aan nabijgelegen waterlichamen, omgeleid door een condensor waar het warmte van de stoom absorbeert en vervolgens bij hogere temperaturen terugvloeit naar de oorspronkelijke bron. Omdat once-through koelsystemen het koelwater niet recyclen, leidt dit tot zeer grote hoeveelheden dagelijkse wateronttrekkingen. De wateropnamestructuren in energiecentrales met eenmalige koeling kunnen jaarlijks enkele miljoenen vissen doden, en de thermische lozing stroomafwaarts kan ook aquatische organismen schaden, waardoor de hele aquatische ecosystemen worden aangetast. Bovendien maakt de grote hoeveelheid water die nodig is om eenmalige koelsystemen te gebruiken elektriciteitscentrales bijzonder kwetsbaar in tijden van droogte en extreme hitte” (NDRC 2014).

Recirculerende torenkoeling en droge koeling zijn alternatieve koelopties die het waterverbruik aanzienlijk verminderen in vergelijking met eenmalige koelsystemen.

Recirculerende torenkoeling voorziet nog steeds in een inname van water uit externe bronnen, maar de onttrokken hoeveelheid is 95 % lager dan in koelsystemen die eenmaal zijn afgekoeld, met een vergelijkbare vermindering van de negatieve effecten op ecosystemen. Water blijft circuleren in het systeem, absorbeert de warmte van de stoom die wordt gebruikt om stroom op te wekken via een condensor en geeft deze vrij door verdamping in een koeltoren. Aangezien koeling echter plaatsvindt door verdamping van een fractie van het onttrokken water, kan het opnieuw circuleren van natte koeling nog steeds problematisch zijn in omstandigheden van ernstige waterschaarste.

Droge koeling is afhankelijk van lucht als het medium van warmteoverdracht, in plaats van verdamping uit het condensatorcircuit. Hierdoor zijn de waterverliezen minimaal. Er zijn twee basistypen droge koeltechnieken beschikbaar. Directe droge koeling maakt gebruik van een luchtgekoelde condensor, ongeveer zoals in een autoradiator. Het maakt gebruik van geforceerde lucht met hoge stroming door een systeem van vinnenbuizen in de condensor waarin de stoom circuleert. Zo wordt de warmte van de stoom rechtstreeks naar de omgevingslucht overgebracht. Het koelen van een elektriciteitscentrale op deze manier vereist minder dan 10% van het water dat wordt gebruikt in een gelijkwaardige natgekoelde installatie. Ongeveer 1-1,5% van het vermogen van de centrale wordt verbruikt om de grote ventilatoren voort te stuwen. Een alternatief ontwerp omvat een condensorkoelcircuit zoals bij natte recirculerende koeling, maar het water dat wordt gebruikt, wordt ingesloten en gekoeld door een luchtstroom door vinnen buizen in een koeltoren. Warmte wordt dus overgebracht naar lucht door middel van een proces dat minder efficiënt is dan natte koeling, maar verbetert bij directe droge koeling, aangezien het energieverbruik slechts 0,5% van de output bedraagt. Volgens EIA waren er in 2012 in de VS 719 systemen voor eenmalig gebruik, 819 recirculatiesystemen en slechts 61 systemen voor droge koeling en hybride systemen geïnstalleerd. Bij gebrek aan vergelijkbare informatie voor de EU en ervan uitgaande dat voor de elektriciteitssector in de ontwikkelde landen ongeveer dezelfde technologische maturiteitsniveaus gelden, kan worden aangenomen dat droge/hybride koeling minder dan 4 % uitmaakt van alle koelsystemen die in thermische installaties in de EU worden geïnstalleerd.

De NDRC, die een conventionele kolencentrale als referentie neemt, kwantificeert het watergebruik van alternatieve koelopties op twee manieren: wateronttrekkingen, d.w.z. hoeveel water uit het waterbassin wordt gehaald en vervolgens, mogelijk en gedeeltelijk, naar het waterbassin wordt teruggevoerd; en waterverbruik, d.w.z. hoeveel van het teruggetrokken water wordt omgezet in damp en dus niet direct na afkoeling naar het waterbassin terugvloeit. Voor droge koelsystemen bedragen ze beide 0 l/MWh. De vereisten voor het onttrekken van water aan systemen voor eenmalige koeling en koelsystemen met een gesloten cyclus bedragen respectievelijk ongeveer 75 710 - 189 270 liter per megawattuur (l/MWh) en 1.890 - 4.540 l/MWh. Het waterverbruik daarentegen resulteert in ongeveer 380-1 200 l/MWh voor eenmalig gebruik en 1 820-4 169 l/MWh voor koeling met gesloten cyclus. Zo halen once-through systemen meer water uit het waterbekken, maar geven ze er ook meer water aan terug dan closed-cycle systemen. Het is echter het terugtrekkingsproces dat ernstigere negatieve effecten op het milieu teweegbrengt, door de rivierfauna rechtstreeks te doden en door water terug te brengen bij een temperatuur boven de ecologisch wenselijke bereiken.

Betrokkenheid van belanghebbenden is een belangrijk onderdeel van de vergunningsprocedure voor elektriciteitscentrales, maar het is moeilijk om de gevolgen voor een specifiek onderdeel van de installatie te extrapoleren. Koeltorens, die meer dan 50 m hoog kunnen zijn, zijn misschien wel een van de meest zichtbare componenten van een plant, en daarom kan er heel goed lokaal verzet zijn tegen de negatieve esthetische impact van een imposante toren op een landschap. Er kunnen echter mitigatie- en compensatiemaatregelen worden genomen, bijvoorbeeld door de plant te ontwerpen en te situeren om de zichtbaarheid van de meest prominente infrastructuur vanuit nabijgelegen bewoonde gebieden tot een minimum te beperken, of door deze te screenen door bomen rond de plant te planten en / of door kunstmatige heuvels (bodembermen) te bouwen die opgaan in het natuurlijke landschap en het uitzicht op de plant blokkeren. Lokale gemeenschappen kunnen rechtstreeks financieel worden gecompenseerd voor het welzijnsverlies als gevolg van de geleden esthetische gevolgen, of er kunnen andere compenserende maatregelen worden genomen, zoals het bouwen van sociaal nuttige infrastructuur zoals parken, scholen, enz.

Aangezien deze opties de onttrekking van water uit een bekken verminderen, zullen zij naar verwachting gunstig worden beoordeeld door belanghebbenden die op dezelfde watervoorraden vertrouwen als de energiecentrales die deze maatregelen uitvoeren. De daaruit voortvloeiende veranderingen in watergebruiksrechten moeten door alle belanghebbenden worden besproken en met hen en met de waterbekkenautoriteiten dienovereenkomstig worden overeengekomen.

Recirculerende torenkoeling is ongeveer 40% duurder (US DOE, 2009) dan eenmalige natte koeling en kan worden toegepast wanneer de beschikbaarheid van water beperkt is of de impact van insluiting en impingement en thermische lozingen moet worden verminderd.

Beide droge koelopties bieden veel meer flexibiliteit in de locatie van nieuwe energiecentrales, omdat deze onafhankelijk wordt van de beschikbaarheid van een groot waterlichaam. Het grootste nadeel van deze optie ligt in de economische kosten. Bij beide soorten droge koeling is warmteoverdracht aanzienlijk minder efficiënt dan bij “natte” koelopties, en daarom zijn zeer grote en mechanisch complexe koelinstallaties nodig. Dit resulteert in hogere kosten. De werking van een droog koelsysteem vereist in feite 1-1,5% van het door de installatie opgewekte vermogen, vergeleken met 0,5% van een recirculatiesysteem en vrijwel nul voor een keer door. De fysica van verdamping toegepast in natte koeltorens maakt in feite een efficiëntere overdracht van warmte mogelijk dan die van stoom of water naar lucht via metalen vinnen, en verhoogt dus de hele technische en economische efficiëntie van de installatie. Merk op dat de thermische efficiëntie en dus de economische bedrijfsomstandigheden variëren naargelang van de klimatologische omstandigheden van de locatie van de installaties, en in heel Europa aanzienlijk kunnen verschillen.

Dit wijst op een tweede, technische beperking van droge koeling: in een warm klimaat vermindert omgevingslucht met temperaturen boven 40 °C het koelpotentieel van een droog koelsysteem aanzienlijk in vergelijking met een “nat” systeem, dat zijn potentieel baseert op veel lagere natte lamptemperaturen.

Een mogelijke uitweg zou een hybride droog/recirculerend systeem kunnen zijn. Droge koeling kan worden gebruikt in omstandigheden van waterschaarste en kan worden gekoppeld aan een beperkt gebruik van een recirculerend koeltorensysteem wanneer de temperaturen pieken. Het recirculerende torenkoelsysteem kan ook worden gebruikt tijdens perioden waarin er een overvloed aan water is.

De kostencijfers variëren uiteraard afhankelijk van de specifieke omstandigheden van elke installatie. Over het algemeen meldt US DOE (2009) echter dat natte recirculerende koelsystemen 40% duurder zijn dan doorvoersystemen, terwijl droge koelsystemen drie tot vier keer duurder zijn dan een recirculerend nat koelsysteem. Op dit moment worden natte recirculatiesystemen door het Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) beschouwd als de beste beschikbare technologie voor thermische installatiekoeling, omdat ze de impact op waterecosystemen minimaliseren en de stijging van de kosten betaalbaar houden.

Aan de positieve kant hebben zowel recirculerende als droge systemen vrijwel geen wateropname en geen impact op waterecosystemen, wat ten minste gedeeltelijk de extra kapitaal- en exploitatiekosten kan compenseren, met name in omstandigheden van waterschaarste als gevolg van klimaatverandering.

De keuze van het koelsysteem is een belangrijk onderdeel van het ontwerp van een elektriciteitscentrale. Het is onderworpen aan de vergunningsprocedures die worden toegepast om toestemming te verlenen voor de bouw en exploitatie van elektriciteitscentrales, die van land tot land verschillen. Aangezien droge koelsystemen minder energie-efficiënt zijn dan andere koelsystemen, staan ze op dit moment op de laatste plaats in de volgorde van de beste beschikbare EU-technologieën voor koeling en worden ze overtroffen door recirculerende torenkoeling. Hoewel het gebruik van droge koeling niet is uitgesloten, is het beperkt tot locaties met zeer beperkte watervoorraden of met bijzondere milieuproblemen in verband met watergebruik.

Voor grote eenheden moet ook rekening worden gehouden met veiligheidsimplicaties met betrekking tot de verwijdering van vervalwarmte na een noodstop met stroomverlies.

Wijzigingen van watergebruiksovereenkomsten als gevolg van de verminderde waterbehoeften van installaties die deze opties uitvoeren, moeten formeel worden overeengekomen met waterbekkenautoriteiten, op basis van overleg met alle betrokken belanghebbenden.

Voor nieuwe installaties is de uitvoeringstijd dezelfde als voor de installaties waartoe zij behoren. Voor retrofits varieert het met de technologieën. Ter vervanging van een doorvoersysteem wordt in een studie over de aanpassing van Californische kustenergiecentrales (Tetra Tech, 2008) een uitvaltijd van de centrale (om de installatie en aansluiting van het nieuwe koelsysteem mogelijk te maken) van zes weken aangegeven als een conservatieve schatting voor fossiele centrales, terwijl de aanpassing van het koelsysteem van kerncentrales vanwege hun technische complexiteit tot 12 maanden kan vergen.

De levensduur is dezelfde als die van de elektriciteitsproductie-installatie waartoe de specifieke maatregel behoort. De levensduur van thermische installaties varieert met de technologie: kerncentrales, hoewel hun ontwerplevensduur doorgaans 40 jaar is, kunnen tot 70 jaar blijven functioneren (Scientific American, 2009), terwijl installaties voor fossiele brandstoffen variëren tussen 25 en 50 jaar (respectievelijk aardgas- en kolencentrales).