Zmniejszenie zużycia wody do chłodzenia elektrociepłowni

Najbardziej efektywnym energetycznie sposobem chłodzenia instalacji termicznych jest system jednoprzechodzący, 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 jednokrotne systemy chłodzenia nie przetwarzają wody chłodzącej, prowadzi to do bardzo dużych ilości dziennego poboru wody. Struktury ujścia wody w elektrowniach z jednokrotnym chłodzeniem mogą zabić kilka milionów ryb rocznie, a zrzut termiczny w dół może również zaszkodzić organizmom wodnym, wpływając na całe ekosystemy wodne. Ponadto duża ilość wody potrzebnej do pracy jednoprzechodzących systemów chłodzenia sprawia, że elektrownie są szczególnie narażone w czasach suszy i ekstremalnych upałów” (NDRC 2014).

Chłodzenie wieży recyrkulacyjnej i chłodzenie suche są alternatywnymi opcjami chłodzenia, które znacznie zmniejszają zużycie wody w porównaniu z jednorazowymi systemami chłodzenia.

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

Chłodzenie suche opiera się na powietrzu jako medium wymiany ciepła, a nie na odparowaniu z obwodu skraplacza. W rezultacie straty wody są minimalne. Dostępne są dwa podstawowe rodzaje technik chłodzenia suchego. Bezpośrednie chłodzenie suche wykorzystuje skraplacz chłodzony powietrzem, podobnie jak w grzejniku samochodowym. Wykorzystuje wymuszone powietrze o wysokim przepływie przez system żebrowanych rur w skraplaczu, w którym krąży para. W ten sposób przenosi ciepło pary bezpośrednio do otaczającego powietrza. Chłodzenie elektrowni w ten sposób wymaga mniej niż 10 % wody wykorzystywanej w równoważnej instalacji chłodzonej na mokro. Około 1-1,5 % mocy elektrowni zużywa się 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 żebrowane rury w wieży chłodniczej. Ciepło jest zatem przesyłane do powietrza za pomocą procesu mniej wydajnego niż chłodzenie na mokro, ale poprawia się przy bezpośrednim chłodzeniu suchym, ponieważ zużycie energii wynosi tylko 0,5 % mocy wyjściowej. Według EIA, w 2012 r. w USA zainstalowano 719 systemów jednoprzechodzących, 819 systemów recyrkulacyjnych i tylko 61 systemów chłodzenia suchego i hybrydowego. Wobec braku analogicznych informacji dla UE i przy założeniu, że mniej więcej ten sam poziom dojrzałości technologicznej ma zastosowanie do sektora energii elektrycznej w krajach rozwiniętych, można założyć, że chłodzenie suche/hybrydowe liczy mniej niż 4 % wszystkich systemów chłodzenia zainstalowanych w instalacjach termicznych w UE.

NDRC, przyjmując za punkt odniesienia konwencjonalną elektrownię węglową, określa ilościowo wykorzystanie wody przez alternatywne opcje chłodzenia na dwa sposoby: pobiera wodę, czyli ile wody pobiera się z basenu, a następnie, ewentualnie i częściowo, wraca do niej; a zużycie wody, to znaczy, ile pobranej wody przekształca się w parę, a zatem nie wraca bezpośrednio do basenu po ochłodzeniu. W przypadku systemów chłodzenia suchego oba poziomy wynoszą 0 l/MWh. Wymagania dotyczące pobierania wody dla systemów chłodzenia jednoprzechodzącego i chłodzenia w cyklu zamkniętym wynoszą odpowiednio około 75 710-189 270 litrów na megawatogodzinę (l/MWh) i 1,890-4,540 l/MWh. Z drugiej strony zużycie wody powoduje około 380-1 200 l/MWh dla jednego przejścia i 1,820-4,169 l/MWh dla chłodzenia zamkniętego. W ten sposób systemy pobierają więcej wody z basenu wodnego, ale także zwracają do niego więcej wody niż systemy zamkniętego cyklu. Jednak to proces wycofania powoduje poważniejsze negatywne skutki dla środowiska, bezpośrednio zabijając faunę rzeczną i odsyłając wodę w temperaturze powyżej pożądanych ekologicznie zakresów.

Kategorie IPCC

Strukturalne i fizyczne: opcje inżynierii i środowiska zbudowanego, Strukturalne i fizyczne: opcje technologiczne

Udział zainteresowanych stron

Zaangażowanie zainteresowanych stron jest ważną częścią procesu zatwierdzania instalacji wytwarzających energię elektryczną, ale trudno jest ekstrapolować implikacje dla konkretnego elementu instalacji. Wieże chłodnicze, które mogą mieć ponad 50 m wysokości, są prawdopodobnie jednym z najbardziej widocznych elementów rośliny, a co za tym idzie, może pojawić się lokalny sprzeciw wobec negatywnego wpływu estetycznego imponującej wieży na krajobraz. Można jednak wprowadzić środki łagodzące i kompensacyjne, na przykład poprzez zaprojektowanie i umiejscowienie zakładu w celu zminimalizowania widoczności jego najwybitniejszej infrastruktury z pobliskich obszarów zamieszkałych lub poprzez przesiewanie jej przez sadzenie drzew wokół rośliny lub budowanie sztucznych wzgórz (siewów glebowych), które łączą się z naturalnym krajobrazem i blokują widok na roślinę. Lokalne społeczności mogą otrzymać bezpośrednią rekompensatę finansową za straty socjalne spowodowane skutkami estetycznymi lub mogą być podejmowane inne działania kompensacyjne, takie jak budowa infrastruktury użytecznej społecznie, takiej jak parki, szkoły itp.

Ponieważ warianty te ograniczają odprowadzanie wody z dorzecza, oczekuje się, że będą one postrzegane pozytywnie przez zainteresowane strony, które opierają się na tych samych zasobach wodnych, co elektrownie wdrażające te środki. Wynikające z tego zmiany w prawach do korzystania z wody powinny zostać omówione między wszystkimi zainteresowanymi stronami i odpowiednio uzgodnione z nimi oraz z władzami dorzecza.

Czynniki sukcesu i czynniki ograniczające

Chłodzenie wieży recyrkulacyjnej jest o około 40 % droższe (US DOE, 2009) niż jednokrotne chłodzenie na mokro i może być stosowane tam, gdzie dostępność wody jest ograniczona lub należy zmniejszyć wpływ przeciążenia i utrudnień oraz wyładowań termicznych.

Obie opcje chłodzenia suchego zapewniają znacznie większą elastyczność w lokalizacji nowych elektrowni, ponieważ stają się niezależne od dostępności dużej części wód. Główną wadą tej opcji są jej koszty ekonomiczne. W przypadku obu rodzajów chłodzenia suchego wymiana ciepła jest znacznie mniej wydajna niż w przypadku opcji chłodzenia „mokrego”, a zatem wymaga bardzo dużych i złożonych mechanicznie instalacji chłodniczych. Skutkuje to wyższymi kosztami. Działanie systemu chłodzenia suchego wymaga w rzeczywistości 1-1,5 % mocy wytwarzanej przez zakład, w porównaniu do 0,5 % układu recyrkulacyjnego i praktycznie zero w przypadku jednokrotnego przejścia. Fizyka parowania stosowana w wieżach chłodniczych na mokro pozwala w rzeczywistości na bardziej wydajny transfer ciepła niż ten z pary lub wody do powietrza za pomocą metalowych płetw, a tym samym zwiększa całą efektywność techniczną i ekonomiczną zakładu. Należy zauważyć, że efektywność cieplna, a tym samym ekonomiczne warunki eksploatacji, różnią się w zależności od warunków klimatycznych lokalizacji zakładów i mogą się znacznie różnić w całej Europie.

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

Możliwym wyjściem może być hybrydowy system suchy/recyrkulacyjny. Chłodzenie suche może być stosowane w warunkach niedoboru wody i może być połączone z ograniczonym wykorzystaniem recyrkulacyjnej wieży chłodniczej, gdy temperatury osiągają szczyt. System chłodzenia wieży recyrkulacyjnej może być również stosowany w okresach, w których występuje obfitość wody.

Koszty i korzyści

Dane dotyczące kosztów różnią się oczywiście w zależności od specyficznych warunków każdego zakładu. Jednak ogólnie rzecz biorąc, US DOE (2009) donosi, że systemy chłodzenia recyrkulacyjnego na mokro są o 40 % droższe niż systemy przelotowe, podczas gdy systemy chłodzenia suchego są trzy do czterech razy droższe niż recyrkulacyjny system chłodzenia na mokro. Obecnie systemy recyrkulacji na mokro są uważane za najlepszą dostępną technologię chłodzenia termicznego przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (EPA), ponieważ minimalizują wpływ na ekosystemy wodne przy jednoczesnym utrzymaniu wzrostu kosztów w przystępnej cenie.

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

Aspekty Prawne

Wybór układu chłodzenia jest ważną częścią projektu elektrowni. Podlega on procesom autoryzacji stosowanym w celu udzielenia zezwolenia na budowę i eksploatację elektrowni, które różnią się w zależności od kraju. Ponieważ systemy chłodzenia suchego są mniej energooszczędne niż inne systemy chłodzenia, w chwili obecnej zajmują one ostatnie miejsce w kolejności najlepszych dostępnych technologii chłodzenia w UE i są przewyższane przez chłodzenie wieży recyrkulacyjnej. Chociaż nie wyklucza się stosowania chłodzenia suchego, ogranicza się ono do miejsc o bardzo ograniczonych zasobach wodnych lub ze szczególnymi problemami środowiskowymi związanymi z użytkowaniem wody.

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

W oparciu o konsultacje ze wszystkimi zainteresowanymi stronami należy formalnie uzgodnić zmiany w umowach dotyczących wykorzystania wody wynikające ze zmniejszonego zapotrzebowania na wodę przez zakłady wdrażające te warianty.

Czas wdrożenia

W przypadku nowych zakładów czas realizacji jest taki sam jak w przypadku roślin, do których należą. W przypadku modernizacji różni się w zależności od technologii. Aby zastąpić system przechodzący, badanie dotyczące modernizacji kalifornijskich elektrowni przybrzeżnych (Tetra Tech, 2008) wskazuje na przestoje elektrowni (aby umożliwić instalację i podłączenie nowego systemu chłodzenia) przez sześć tygodni jako ostrożne szacunki dla elektrowni kopalnych, podczas gdy modernizacja systemu chłodzenia elektrowni jądrowych może wymagać do 12 miesięcy ze względu na ich złożoność techniczną.

Okres użytkowania

Okres eksploatacji jest taki sam jak zakład wytwarzania energii elektrycznej, do którego należy dany środek szczególny. Żywotność instalacji termicznych różni się w zależności od technologii: elektrownie jądrowe, chociaż ich żywotność wynosi zazwyczaj 40 lat, mogą nadal funkcjonować do 70 lat (Scientific American, 2009), podczas gdy elektrownie paliw kopalnych wahają się od 25 do 50 lat (odpowiednio elektrownie gazu ziemnego i węgla).

Strony internetowe:

Bibliografia: