Redução do consumo de água para arrefecimento de centrais de produção térmica

A forma mais eficiente em termos energéticos de resfriamento de instalações térmicas é usando o sistema de passagem única, em que "a água é retirada de corpos de água próximos, desviada através de um condensador onde absorve o calor do vapor e depois descarregada de volta à sua fonte original a temperaturas mais altas. Uma vez que os sistemas de refrigeração não reciclam a água de refrigeração, isso leva a volumes muito altos de retiradas diárias de água. As estruturas de captação de água em centrais elétricas com arrefecimento único podem matar vários milhões de peixes anualmente, e a descarga térmica a jusante também pode prejudicar os organismos aquáticos, afetando todos os ecossistemas aquáticos. Além disso, o grande volume de água necessário para operar sistemas de arrefecimento de passagem única torna as centrais elétricas especialmente vulneráveis em tempos de seca e calor extremo» (NDRC 2014).

O resfriamento por torre de recirculação e o resfriamento a seco são opções alternativas de resfriamento que reduzem consideravelmente o uso de água em comparação com os sistemas de resfriamento de uma só vez.

O arrefecimento da torre de recirculação ainda prevê uma ingestão de água de fontes externas, mas a quantidade retirada é 95 % inferior à dos sistemas de arrefecimento de outrora, com uma redução comparável dos impactos negativos nos ecossistemas. A água é mantida circulando no sistema, absorvendo o calor do vapor usado para gerar energia através de um condensador, e liberando-o através da evaporação dentro de uma torre de resfriamento. No entanto, uma vez que o arrefecimento ocorre através da evaporação de uma fração da água retirada, a recirculação do arrefecimento húmido ainda pode ser problemática em condições de grave escassez de água.

O arrefecimento a seco depende do ar como meio de transferência de calor, em vez da evaporação do circuito do condensador. Como resultado, as perdas de água são mínimas. Existem dois tipos básicos de técnicas de arrefecimento a seco disponíveis. O resfriamento a seco direto usa um condensador refrigerado a ar praticamente como em um radiador de automóvel. Emprega ar forçado de alto fluxo através de um sistema de tubos finned no condensador dentro do qual o vapor circula. Assim, transfere diretamente o calor do vapor para o ar ambiente. O arrefecimento de uma central elétrica desta forma requer menos de 10 % da água utilizada numa central equivalente arrefecida por via húmida. Cerca de 1-1,5% da produção da central elétrica é consumida para impulsionar os grandes ventiladores. Um projeto alternativo inclui um circuito de resfriamento de condensador como no resfriamento por recirculação úmida, mas a água usada é fechada e resfriada por um fluxo de ar através de tubos finned em uma torre de resfriamento. O calor é assim transferido para o ar através de um processo menos eficiente do que o arrefecimento por via húmida, mas que melhora no arrefecimento por via seca direta, uma vez que o consumo de energia é de apenas 0,5 % da produção. De acordo com a AIA, existiam 719 sistemas de passagem única, 819 sistemas de recirculação e apenas 61 sistemas de arrefecimento a seco e híbridos instalados nos EUA em 2012. Na ausência de informações análogas para a UE e partindo do princípio de que se aplicam aproximadamente os mesmos níveis de maturidade tecnológica ao setor da eletricidade nos países desenvolvidos, é possível presumir que o arrefecimento seco/híbrido conta menos de 4 % de todos os sistemas de arrefecimento instalados em centrais térmicas na UE.

A NDRC, tomando como referência uma central elétrica convencional alimentada a carvão, quantifica a utilização de água de opções de arrefecimento alternativas de duas formas: Retiradas de água, ou seja, a quantidade de água que é retirada da bacia hidrográfica e, em seguida, eventualmente e parcialmente, devolvida à mesma; e o consumo de água, ou seja, a quantidade de água retirada é transformada em vapor e, por conseguinte, não é diretamente devolvida à bacia hidrográfica após arrefecimento. Para sistemas de refrigeração a seco, ambos equivalem a 0 l/MWh. Os requisitos de captação de água para sistemas de arrefecimento unidirecional e de ciclo fechado são, respetivamente, de cerca de 75 710 - 189 270 litros por megawatt-hora (l/MWh) e de 1,890 - 4,540 l/MWh. O consumo de água, por outro lado, resulta em cerca de 380 – 1200 l/MWh para o arrefecimento de ciclo aberto e 1820 – 4169 l/MWh para o arrefecimento de ciclo fechado. Assim, os sistemas de passagem única retiram mais água da bacia, mas também devolvem mais água do que os sistemas de ciclo fechado. No entanto, é o processo de retirada que provoca efeitos negativos mais graves no ambiente, ao matar diretamente a fauna fluvial e ao devolver a água a uma temperatura acima dos intervalos ecologicamente desejáveis.

A participação das partes interessadas é uma parte importante do processo de autorização das centrais de produção de eletricidade, mas é difícil extrapolar as implicações para uma componente específica da central. As torres de arrefecimento, que podem ter mais de 50 m de altura, são indiscutivelmente um dos componentes mais visíveis de uma planta e, portanto, pode haver oposição local ao impacto estético negativo de uma torre imponente em uma paisagem. No entanto, podem ser postas em prática medidas de atenuação e compensação, por exemplo, através da conceção e localização da planta, a fim de minimizar a visibilidade das suas infraestruturas mais proeminentes a partir de zonas habitadas próximas, ou do seu rastreio através da plantação de árvores em torno da planta e/ou da construção de colinas artificiais (barragens do solo) que se misturam com a paisagem natural e bloqueiam a vista da planta. As comunidades locais podem ser diretamente compensadas financeiramente pela perda de bem-estar causada pelos impactos estéticos sofridos, ou podem ser empreendidas outras ações compensatórias, como a construção de infraestruturas socialmente úteis, como parques, escolas, etc.

Uma vez que estas opções reduzem as retiradas de água de uma bacia, espera-se que sejam vistas favoravelmente pelas partes interessadas que dependem dos mesmos recursos hídricos que as centrais elétricas que aplicam estas medidas. As alterações resultantes nos direitos de utilização da água devem ser discutidas entre todas as partes interessadas e acordadas com elas e com as autoridades das bacias hidrográficas em conformidade.

O resfriamento por torre de recirculação é cerca de 40% mais caro (US DOE, 2009) do que o resfriamento por via húmida, e pode ser aplicado onde a disponibilidade de água é limitada ou o impacto do arrastamento e impacto e as descargas térmicas precisam ser reduzidas.

Ambas as opções de arrefecimento a seco proporcionam uma flexibilidade muito maior na localização de novas centrais elétricas, uma vez que se torna independente da disponibilidade de uma grande massa de água. A principal desvantagem desta opção reside nos seus custos económicos. Com ambos os tipos de arrefecimento a seco, a transferência de calor é significativamente menos eficiente do que com opções de arrefecimento «húmido», pelo que requer instalações de arrefecimento muito grandes e mecanicamente complexas. Isto resulta em custos mais elevados. O funcionamento de um sistema de arrefecimento a seco requer, de facto, 1-1,5% da energia gerada pela central, em comparação com 0,5% de um sistema de recirculação e praticamente zero para uma passagem única. A física da evaporação aplicada em torres de resfriamento úmidas permite, de facto, uma transferência de calor mais eficiente do que a do vapor ou da água para o ar através de barbatanas metálicas, e, portanto, aumenta toda a eficiência técnica e económica da planta. Note-se que a eficiência térmica e, por conseguinte, as condições económicas de funcionamento variam em função das condições climáticas da localização das instalações e podem ser consideravelmente diferentes em toda a Europa.

Isto aponta para uma segunda limitação técnica do arrefecimento a seco: num clima quente, o ar ambiente com temperaturas superiores a 40 °C reduz substancialmente o potencial de arrefecimento de um sistema de arrefecimento a seco, em comparação com um sistema «húmido», que baseia o seu potencial em temperaturas muito mais baixas dos bolbos húmidos.

Uma possível saída poderia ser um sistema híbrido de secagem/recirculação. O resfriamento a seco pode ser usado em condições de escassez de água e pode ser associado a um uso limitado de um sistema de torre de resfriamento de recirculação quando as temperaturas atingem o pico. O sistema de resfriamento da torre de recirculação também pode ser usado durante períodos em que há abundância de água.

Os valores de custo variam, obviamente, de acordo com as condições específicas de cada fábrica. No entanto, em geral, US DOE (2009) relata que os sistemas de resfriamento por recirculação úmida são 40% mais caros do que os sistemas de passagem, enquanto os sistemas de resfriamento a seco são três a quatro vezes mais caros do que um sistema de resfriamento úmido de recirculação. No momento, os sistemas de recirculação úmida são considerados a melhor tecnologia disponível para o resfriamento de plantas térmicas pela Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA), porque minimizam o impacto nos ecossistemas aquáticos, ao mesmo tempo em que mantêm o aumento dos custos acessível.

Do lado positivo, tanto os sistemas de recirculação como os sistemas secos praticamente não ingerem água e não têm impacto nos ecossistemas hídricos, o que pode compensar, pelo menos parcialmente, os custos adicionais de capital e de funcionamento, em especial em condições de escassez de água provocadas pelas alterações climáticas.

A escolha do sistema de arrefecimento é uma parte importante da conceção de uma central elétrica. Está sujeito aos processos de autorização aplicados para conceder a permissão para construir e operar centrais eléctricas, que variam de país para país. Uma vez que os sistemas de arrefecimento a seco são menos eficientes do ponto de vista energético do que outros sistemas de arrefecimento, atualmente ocupam o último lugar na ordem das melhores tecnologias disponíveis da UE para o arrefecimento e são ultrapassados pela recirculação do arrefecimento em torre. Embora a utilização do arrefecimento a seco não esteja excluída, limita-se a locais com recursos hídricos muito limitados ou com preocupações ambientais específicas relacionadas com a utilização da água.

No caso das grandes unidades, devem também ser tidas em conta as implicações em termos de segurança no que respeita à remoção do calor de decaimento após uma paragem de emergência com perda de energia.

As alterações dos acordos de utilização da água resultantes da redução das necessidades de água das instalações que aplicam estas opções devem ser formalmente acordadas com as autoridades das bacias hidrográficas, com base em consultas com todas as partes interessadas afetadas.

No caso das novas instalações, o tempo de execução é o mesmo que o das instalações a que pertencem. Para retrofits, varia de acordo com as tecnologias. Para substituir um sistema de transmissão, um estudo sobre a adaptação das centrais elétricas costeiras californianas (Tetra Tech, 2008) indica um período de inatividade da central (para permitir a instalação e a ligação do novo sistema de arrefecimento) de seis semanas como estimativa prudente para as centrais fósseis, ao passo que a adaptação do sistema de arrefecimento das centrais nucleares poderia exigir até 12 meses devido à sua complexidade técnica.

O tempo de vida é o mesmo que a central de produção de eletricidade a que pertence a medida específica. O tempo de vida das centrais térmicas varia de acordo com a tecnologia: as centrais nucleares, embora o seu período de vida previsto seja normalmente de 40 anos, podem continuar a funcionar até 70 anos (Scientific American, 2009), enquanto as centrais a combustíveis fósseis variam entre 25 e 50 anos (centrais a gás natural e a carvão, respetivamente).