Zmniejszenie zużycia wody do chłodzenia elektrociepłowni

Najbardziej energooszczędnym sposobem chłodzenia elektrociepłowni jest zastosowanie systemu jednoprzelotowego, w którym "woda jest pobierana z pobliskich zbiorników wodnych, przekierowywana przez skraplacz, gdzie pochłania ciepło z pary, a następnie odprowadzana z powrotem do pierwotnego źródła w wyższych temperaturach. Ponieważ systemy chłodzenia jednorazowo nie przetwarzają wody chłodzącej, prowadzi to do bardzo dużych ilości dziennego poboru wody. Struktury ujęć wody w elektrowniach z jednokrotnym chłodzeniem mogą zabijać kilka milionów ryb rocznie, a zrzut termiczny w dół rzeki może również szkodzić organizmom wodnym, wpływając na całe ekosystemy wodne. Ponadto duża ilość wody wymagana do działania systemów chłodzenia jednorazowo sprawia, że elektrownie są szczególnie narażone w czasach suszy i ekstremalnych upałów” (NDRC 2014).

Chłodzenie wieżowe z recyrkulacją i chłodzenie na sucho są alternatywnymi opcjami chłodzenia, które znacznie zmniejszają zużycie wody w porównaniu z systemami chłodzenia jednorazowego.

Recyrkulacyjne chłodzenie wież nadal przewiduje pobór wody ze źródeł zewnętrznych, ale wycofana ilość jest o 95 % niższa niż w systemach chłodzenia jednopokładowego, przy porównywalnym zmniejszeniu negatywnego wpływu na ekosystemy. Woda jest utrzymywana w obiegu w systemie, pochłaniając ciepło z pary używanej do generowania energii przez skraplacz i uwalniając ją przez odparowanie w wieży chłodniczej. Ponieważ jednak chłodzenie odbywa się poprzez odparowanie ułamka pobranej wody, recyrkulacyjne chłodzenie na mokro może nadal być problematyczne w warunkach poważnego niedoboru wody.

Chłodzenie na sucho opiera się na powietrzu jako medium wymiany ciepła, a nie na parowaniu z obwodu skraplacza. W rezultacie straty wody są minimalne. Dostępne są dwa podstawowe rodzaje technik chłodzenia na sucho. Bezpośrednie chłodzenie suche wykorzystuje chłodzony powietrzem skraplacz prawie tak samo jak w grzejniku samochodowym. Wykorzystuje wymuszone powietrze o wysokim przepływie przez system żebrowanych rur w skraplaczu, w którym krąży para. W ten sposób bezpośrednio przenosi ciepło pary wodnej do otaczającego powietrza. Chłodzenie elektrowni w ten sposób wymaga mniej niż 10% wody zużywanej w równoważnej instalacji chłodzonej na mokro. Około 1-1,5% mocy elektrowni jest zużywane do napędzania dużych wentylatorów. Alternatywna konstrukcja obejmuje obwód chłodzenia skraplacza, jak w chłodzeniu recyrkulacyjnym na mokro, ale używana woda jest zamknięta i chłodzona przez przepływ powietrza przez rury żebrowane w wieży chłodniczej. Ciepło jest zatem przenoszone do powietrza w procesie mniej wydajnym niż chłodzenie na mokro, ale poprawiającym się w przypadku bezpośredniego chłodzenia na sucho, ponieważ zużycie energii wynosi tylko 0,5% mocy wyjściowej. Według OOŚ w 2012 r. w USA zainstalowano 719 systemów jednorazowych, 819 systemów recyrkulacyjnych oraz tylko 61 systemów chłodzenia na sucho i systemów hybrydowych. Wobec braku analogicznych informacji dla UE i przy założeniu, że mniej więcej te same poziomy dojrzałości technologicznej mają zastosowanie do sektora energii elektrycznej w krajach rozwiniętych, można założyć, że chłodzenie suche/hybrydowe stanowi mniej niż 4 % wszystkich systemów chłodzenia zainstalowanych w elektrowniach cieplnych w UE.

NDRC, przyjmując za punkt odniesienia konwencjonalną elektrownię węglową, określa ilościowo zużycie wody przez alternatywne opcje chłodzenia na dwa sposoby: poboru wody, czyli ilości wody pobieranej z basenu wodnego, a następnie, ewentualnie i częściowo, zwracanej do niego; oraz zużycie wody, czyli to, jaka część pobranej wody jest przekształcana w parę, a zatem nie jest bezpośrednio zwracana do basenu wodnego po ochłodzeniu. W przypadku systemów chłodzenia na sucho obie wartości wynoszą 0 l/MWh. Wymogi dotyczące poboru wody dla systemów chłodzenia jednokrotnego i chłodzenia w cyklu zamkniętym wynoszą odpowiednio około 75 710–189 270 litrów na megawatogodzinę (l/MWh) i 1 890–4540 l/MWh. Z drugiej strony zużycie wody wynosi około 380–1 200 l/MWh w przypadku chłodzenia jednokrotnego i 1 820–4169 l/MWh w przypadku chłodzenia w cyklu zamkniętym. W ten sposób systemy jednoprzelotowe pobierają więcej wody z basenu, ale także zwracają do niego więcej wody niż systemy o obiegu zamkniętym. Jednak to proces wycofywania powoduje poważniejsze negatywne skutki dla środowiska, bezpośrednio zabijając faunę rzeczną i odprowadzając wodę w temperaturze powyżej pożądanych z ekologicznego punktu widzenia zakresów.

Zaangażowanie zainteresowanych stron jest ważną częścią procesu wydawania zezwoleń dla elektrowni, ale trudno jest ekstrapolować konsekwencje dla konkretnego komponentu elektrowni. Wieże chłodnicze, które mogą mieć ponad 50 m wysokości, są prawdopodobnie jednym z najbardziej widocznych elementów rośliny, a zatem może istnieć lokalny sprzeciw wobec negatywnego wpływu estetycznego imponującej wieży na krajobraz. Można jednak wprowadzić środki łagodzące i kompensujące, na przykład poprzez zaprojektowanie i usytuowanie zakładu w celu zminimalizowania widoczności jego najważniejszej infrastruktury z pobliskich obszarów zamieszkałych lub poprzez przesiewanie go poprzez sadzenie drzew wokół zakładu lub budowanie sztucznych wzgórz (śmieci glebowych), które wtapiają się w naturalny krajobraz i blokują widok zakładu. Społeczności lokalne mogą otrzymać bezpośrednią rekompensatę finansową za utratę dobrobytu spowodowaną negatywnymi skutkami estetycznymi lub można podjąć inne działania kompensacyjne, takie jak budowa infrastruktury użytecznej społecznie, takiej jak parki, szkoły itp.

Ponieważ warianty te ograniczają pobór wody z dorzecza, oczekuje się, że będą one pozytywnie postrzegane przez zainteresowane strony, które polegają na tych samych zasobach wodnych co elektrownie wdrażające te środki. Wynikające z tego zmiany w prawach do korzystania z wody powinny zostać omówione przez wszystkie zainteresowane strony i odpowiednio uzgodnione z nimi oraz z organami odpowiedzialnymi za baseny wodne.

Recyrkulacyjne chłodzenie wieżowe jest o około 40% droższe (US DOE, 2009) niż jednorazowe chłodzenie na mokro i może być stosowane tam, gdzie dostępność wody jest ograniczona lub należy zmniejszyć wpływ porywania i uderzania oraz wyładowań termicznych.

Obie opcje suchego chłodzenia zapewniają znacznie większą elastyczność w lokalizacji nowych elektrowni, ponieważ staje się ona niezależna od dostępności dużej części wód. Główną wadą tej opcji są jej koszty ekonomiczne. W przypadku obu rodzajów chłodzenia na sucho wymiana ciepła jest znacznie mniej wydajna niż w przypadku opcji chłodzenia „mokrego”, a zatem wymaga bardzo dużych i złożonych mechanicznie instalacji chłodniczych. Powoduje to wyższe koszty. Eksploatacja systemu chłodzenia na sucho wymaga w rzeczywistości 1-1,5 % mocy wytwarzanej przez instalację, w porównaniu z 0,5 % systemu recyrkulacji i praktycznie zerem w przypadku instalacji jednorazowo. Fizyka parowania stosowana w mokrych wieżach chłodniczych pozwala w rzeczywistości na wydajniejsze przenoszenie ciepła niż z pary lub wody do powietrza za pośrednictwem metalowych żeber, a tym samym zwiększa całą techniczną i ekonomiczną wydajność zakładu. Należy zauważyć, że sprawność cieplna, a tym samym ekonomiczne warunki eksploatacji różnią się w zależności od warunków klimatycznych lokalizacji elektrowni i mogą się znacznie różnić w całej Europie.

Wskazuje to na drugie, techniczne ograniczenie chłodzenia na sucho: w gorącym klimacie powietrze otoczenia o temperaturze powyżej 40 °C znacznie zmniejsza potencjał chłodniczy suchego systemu chłodzenia w porównaniu z systemem „mokrym”, który opiera swój potencjał na znacznie niższych temperaturach mokrej żarówki.

Możliwym wyjściem może być hybrydowy system suchy/recyrkulacyjny. Suche chłodzenie może być stosowane w warunkach niedoboru wody i może być połączone z ograniczonym wykorzystaniem recyrkulacyjnego systemu wież chłodniczych w szczytowych temperaturach. System chłodzenia wieży recyrkulacyjnej może być również stosowany w okresach, w których występuje obfitość wody.

Dane liczbowe dotyczące kosztów różnią się oczywiście w zależności od warunków panujących w poszczególnych zakładach. Jednak ogólnie US DOE (2009) donosi, że systemy chłodzenia recyrkulacyjnego na mokro są o 40% droższe niż systemy przelotowe, podczas gdy systemy chłodzenia na sucho są trzy do czterech razy droższe niż recyrkulacyjny system chłodzenia na mokro. Obecnie mokre systemy recyrkulacji są uważane za najlepszą dostępną technologię termicznego chłodzenia roślin przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (EPA), ponieważ minimalizują wpływ na ekosystemy wodne, utrzymując wzrost kosztów na przystępnym poziomie.

Z drugiej strony zarówno systemy recyrkulacyjne, jak i suche praktycznie nie pobierają wody i nie mają wpływu na ekosystemy wodne, co może przynajmniej częściowo zrekompensować dodatkowe koszty kapitałowe i operacyjne, w szczególności w warunkach niedoboru wody spowodowanego zmianą klimatu.

Wybór systemu chłodzenia jest ważną częścią projektu elektrowni. Podlega procesom autoryzacji stosowanym w celu udzielenia pozwolenia na budowę i eksploatację elektrowni, które różnią się w zależności od kraju. Ponieważ systemy chłodzenia na sucho są mniej energooszczędne niż inne systemy chłodzenia, w tej chwili zajmują ostatnie miejsce w rankingu najlepszych dostępnych technologii UE w zakresie chłodzenia i są przewyższane przez chłodzenie wieżowe z recyrkulacją. Chociaż stosowanie suchego chłodzenia nie jest wykluczone, ogranicza się ono do miejsc o bardzo ograniczonych zasobach wodnych lub ze szczególnymi problemami środowiskowymi związanymi z wykorzystaniem wody.

W przypadku dużych jednostek należy również wziąć pod uwagę skutki dla bezpieczeństwa związane z usuwaniem ciepła rozpadu po awaryjnym wyłączeniu z utratą zasilania.

Zmiany umów o wykorzystaniu wody wynikające ze zmniejszonego zapotrzebowania na wodę zakładów wdrażających te warianty powinny zostać formalnie uzgodnione z organami odpowiedzialnymi za dorzecza w oparciu o konsultacje ze wszystkimi zainteresowanymi stronami, których to dotyczy.

W przypadku nowych zakładów czas realizacji jest taki sam jak w przypadku zakładów, do których należą. W przypadku modernizacji różni się ona w zależności od technologii. Aby zastąpić system tranzytowy, w badaniu dotyczącym modernizacji kalifornijskich elektrowni przybrzeżnych (Tetra Tech, 2008 r.) wskazano sześciotygodniowy okres przestoju elektrowni (w celu umożliwienia instalacji i podłączenia nowego systemu chłodzenia) jako ostrożny szacunek dla elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi, podczas gdy modernizacja systemu chłodzenia elektrowni jądrowych może wymagać do 12 miesięcy ze względu na ich złożoność techniczną.

Okres eksploatacji jest taki sam jak w przypadku elektrowni, do której należy dany środek. Żywotność instalacji termicznych różni się w zależności od technologii: elektrownie jądrowe, chociaż ich projektowany okres eksploatacji wynosi zazwyczaj 40 lat, mogą nadal funkcjonować do 70 lat (Scientific American, 2009 r.), podczas gdy elektrownie opalane paliwami kopalnymi wahają się od 25 do 50 lat (odpowiednio elektrownie gazowe i węglowe).