Reducerea consumului de apă pentru răcirea centralelor termice

Modul cel mai eficient din punct de vedere energetic de răcire a centralelor termice este utilizarea sistemului o singură dată, prin care "apa este retrasă din corpurile de apă din apropiere, deviată printr-un condensator unde absoarbe căldura din abur și apoi evacuată înapoi la sursa inițială la temperaturi mai ridicate. Deoarece sistemele de răcire o singură dată nu reciclează apa de răcire, acest lucru duce la volume foarte mari de retrageri zilnice de apă. Structurile de admisie a apei la centralele electrice cu răcire unică pot ucide mai multe milioane de pești anual, iar evacuarea termică în aval poate afecta, de asemenea, organismele acvatice, afectând întregul ecosistem acvatic. În plus, volumul mare de apă necesar pentru funcționarea sistemelor de răcire unice face ca centralele electrice să fie deosebit de vulnerabile în perioade de secetă și de căldură extremă” (CNDR 2014).

Răcirea turnurilor cu recirculare și răcirea uscată sunt opțiuni alternative de răcire care reduc considerabil utilizarea apei în comparație cu sistemele de răcire care funcționează o singură dată.

Răcirea turnurilor de recirculare prevede în continuare un aport de apă din surse externe, dar cantitatea retrasă este cu 95 % mai mică decât în cazul sistemelor de răcire care funcționează o singură dată, cu o reducere comparabilă a impactului negativ asupra ecosistemelor. Apa este menținută în circulație în sistem, absorbind căldura din aburul utilizat pentru a genera energie printr-un condensator și eliberându-l prin evaporare într-un turn de răcire. Cu toate acestea, deoarece răcirea are loc prin evaporarea unei fracțiuni din apa extrasă, răcirea umedă prin recirculare poate fi în continuare problematică în condiții de deficit sever de apă.

Răcirea uscată se bazează pe aer ca mediu de transfer de căldură, mai degrabă decât evaporarea din circuitul condensatorului. Pierderile de apă sunt minime. Există două tipuri de bază de tehnici de răcire uscată disponibile. Răcirea uscată directă utilizează un condensator răcit cu aer destul de mult ca într-un radiator auto. Acesta utilizează aer forțat cu debit ridicat printr-un sistem de tuburi cu înotătoare în condensator în care circulă aburul. Astfel, acesta transferă căldura aburului direct în aerul înconjurător. Răcirea unei centrale electrice în acest mod necesită mai puțin de 10% din apa utilizată într-o instalație echivalentă cu răcire umedă. Aproximativ 1-1,5% din producția centralei electrice este consumată pentru a propulsa ventilatoarele mari. Un design alternativ include un circuit de răcire cu condensator ca în răcirea cu recirculare umedă, dar apa utilizată este închisă și răcită printr-un flux de aer prin tuburi cu aripioare într-un turn de răcire. Căldura este astfel transferată în aer printr-un proces mai puțin eficient decât răcirea umedă, dar îmbunătățind răcirea uscată directă, deoarece consumul de energie este de numai 0,5% din producție. Potrivit EIA, în 2012 existau 719 sisteme cu o singură trecere, 819 sisteme de recirculare și doar 61 de sisteme de răcire uscată și hibride instalate în SUA. În absența unor informații similare pentru UE și presupunând că aproximativ aceleași niveluri de maturitate tehnologică se aplică sectorului energiei electrice în țările dezvoltate, este posibil să se presupună că răcirea uscată/hibridă reprezintă mai puțin de 4 % din totalul sistemelor de răcire instalate în centralele termice din UE.

NDRC, luând ca referință o centrală electrică convențională pe bază de cărbune, cuantifică utilizarea apei de către opțiunile alternative de răcire în două moduri: retragerile de apă, și anume cantitatea de apă care este prelevată din bazinul hidrografic și apoi, eventual și parțial, returnată în acesta; și consumul de apă, adică cantitatea de apă extrasă este transformată în vapori și, prin urmare, nu este returnată direct în bazinul de apă după răcire. Pentru sistemele de răcire uscată, ambele se ridică la 0 l/MWh. Cerințele de extragere a apei pentru sistemele de răcire cu o singură trecere și sistemele de răcire cu ciclu închis sunt de aproximativ 75 710-189 270 de litri pe megawatt-oră (l/MWh) și, respectiv, 1 890-4 540 l/MWh. Consumul de apă, pe de altă parte, are ca rezultat aproximativ 380-1 200 l/MWh pentru răcirea cu circuit închis și 1 820-4 169 l/MWh pentru răcirea cu circuit închis. Astfel, sistemele o dată-prin extrage mai multă apă din bazinul de apă, dar, de asemenea, returna mai multă apă la ea decât sistemele cu ciclu închis. Cu toate acestea, procesul de retragere este cel care produce efecte negative mai grave asupra mediului, prin uciderea directă a faunei râurilor și prin returnarea apei la o temperatură mai mare decât cea dorită din punct de vedere ecologic.

Implicarea părților interesate este o parte importantă a procesului de autorizare a centralelor de producere a energiei electrice, dar este dificil să se extrapoleze implicațiile pentru o componentă specifică a centralei. Turnurile de răcire, care pot avea o înălțime de peste 50 m, sunt, fără îndoială, una dintre cele mai vizibile componente ale unei plante și, prin urmare, ar putea exista o opoziție locală față de impactul estetic negativ al unui turn impunător asupra unui peisaj. Cu toate acestea, pot fi puse în aplicare măsuri de atenuare și compensare, de exemplu prin proiectarea și amplasarea instalației pentru a reduce la minimum vizibilitatea celor mai importante infrastructuri ale sale din zonele locuite din apropiere sau prin examinarea acesteia prin plantarea de arbori în jurul plantei și/sau prin construirea de dealuri artificiale (berme de sol) care se amestecă în peisajul natural și blochează vederea plantei. Comunitățile locale pot fi compensate financiar direct pentru pierderea bunăstării cauzată de impactul estetic suferit sau pot fi întreprinse alte acțiuni compensatorii, cum ar fi construirea unei infrastructuri utile din punct de vedere social, cum ar fi parcurile, școlile etc.

Întrucât aceste opțiuni reduc retragerile de apă dintr-un bazin, se preconizează că ele vor fi considerate favorabile de către părțile interesate care se bazează pe aceleași resurse de apă ca și centralele electrice care pun în aplicare aceste măsuri. Modificările rezultate în ceea ce privește drepturile de utilizare a apei ar trebui discutate între toate părțile interesate și convenite cu acestea și cu autoritățile bazinelor hidrografice în consecință.

Răcirea turnurilor de recirculare este cu aproximativ 40% mai scumpă (US DOE, 2009) decât răcirea umedă o singură dată și poate fi aplicată în cazul în care disponibilitatea apei este limitată sau impactul antrenării și impingementului și al evacuărilor termice trebuie redus.

Ambele opțiuni de răcire uscată oferă o flexibilitate mult mai mare în amplasarea noilor centrale electrice, deoarece devine independentă de disponibilitatea unui corp major de apă. Principalul dezavantaj al acestei opțiuni constă în costurile sale economice. În cazul ambelor tipuri de răcire uscată, transferul de căldură este semnificativ mai puțin eficient decât în cazul opțiunilor de răcire „umedă” și, prin urmare, necesită instalații de răcire foarte mari și complexe din punct de vedere mecanic. Acest lucru duce la costuri mai mari. Funcționarea unui sistem de răcire uscată necesită, de fapt, 1-1,5 % din puterea generată de instalație, comparativ cu 0,5 % dintr-un sistem de recirculare și practic zero pentru o singură trecere. Fizica evaporării aplicată în turnurile de răcire umedă permite, de fapt, un transfer mai eficient de căldură decât cel de la abur sau apă la aer prin înotătoare metalice și, prin urmare, crește întreaga eficiență tehnică și economică a instalației. Rețineți că eficiența termică și, prin urmare, condițiile economice de funcționare variază în funcție de condițiile climatice ale amplasamentului centralelor și pot fi considerabil diferite în Europa.

Aceasta indică o a doua limitare tehnică a răcirii uscate: într-un climat cald, aerul ambiant cu temperaturi de peste 40 °C reduce substanțial potențialul de răcire al unui sistem de răcire uscată, în comparație cu un sistem „umed”, care își bazează potențialul pe temperaturi mult mai scăzute ale termometrului umed.

O posibilă cale de ieșire ar putea fi un sistem hibrid uscat/recirculant. Răcirea uscată ar putea fi utilizată în condiții de deficit de apă și ar putea fi combinată cu o utilizare limitată a unui sistem de turnuri de răcire cu recirculare atunci când temperaturile ating un nivel maxim. Sistemul de răcire cu turn de recirculare poate fi utilizat și în perioadele în care există o abundență de apă.

Cifrele costurilor variază în mod evident în funcție de condițiile specifice ale fiecărei instalații. Cu toate acestea, în general, US DOE (2009) raportează că sistemele de răcire cu recirculare umedă sunt cu 40% mai scumpe decât sistemele de trecere, în timp ce sistemele de răcire uscată sunt de trei până la patru ori mai scumpe decât un sistem de răcire umedă cu recirculare. În prezent, sistemele de recirculare umedă sunt considerate cea mai bună tehnologie disponibilă pentru răcirea centralelor termice de către Agenția pentru Protecția Mediului din SUA (EPA), deoarece minimizează impactul asupra ecosistemelor acvatice, menținând în același timp creșterea costurilor la prețuri accesibile.

În plus, atât sistemele recirculante, cât și cele uscate nu au practic niciun aport de apă și niciun impact asupra ecosistemelor acvatice, ceea ce poate compensa cel puțin parțial costurile suplimentare de capital și de exploatare, în special în condițiile deficitului de apă cauzat de schimbările climatice.

Alegerea sistemului de răcire este o parte importantă a proiectării unei centrale electrice. Aceasta face obiectul procedurilor de autorizare aplicate pentru acordarea autorizației de construire și exploatare a centralelor electrice, care variază de la o țară la alta. Deoarece sistemele de răcire uscată sunt mai puțin eficiente din punct de vedere energetic decât alte sisteme de răcire, în prezent acestea se situează pe ultimul loc în ordinea celor mai bune tehnologii disponibile ale UE pentru răcire și sunt depășite de răcirea turnurilor cu recirculare. Deși nu este exclusă utilizarea răcirii uscate, aceasta se limitează la locațiile cu resurse de apă foarte limitate sau cu preocupări deosebite legate de mediu legate de utilizarea apei.

Pentru unitățile mari, ar trebui luate în considerare, de asemenea, implicațiile în materie de siguranță în ceea ce privește eliminarea căldurii rezultate în urma dezintegrării după o oprire de urgență cu pierdere de energie electrică.

Modificările aduse acordurilor de utilizare a apei care rezultă din nevoile reduse de apă ale instalațiilor care pun în aplicare aceste opțiuni ar trebui convenite în mod oficial cu autoritățile bazinelor hidrografice, pe baza consultărilor cu toate părțile interesate afectate.

Pentru instalațiile noi, perioada de punere în aplicare este aceeași cu cea a instalațiilor de care aparțin. Pentru retehnologizări, variază în funcție de tehnologii. Pentru a înlocui un sistem de trecere, un studiu privind modernizarea centralelor electrice de coastă californiene (Tetra Tech, 2008) indică o perioadă de nefuncționare a centralei (pentru a permite instalarea și conectarea noului sistem de răcire) de șase săptămâni, ca o estimare prudentă pentru centralele pe bază de combustibili fosili, în timp ce modernizarea sistemului de răcire al centralelor nucleare ar putea necesita până la 12 luni din cauza complexității lor tehnice.

Durata de viață este aceeași cu cea a instalației de producere a energiei electrice căreia îi aparține măsura specifică. Durata de viață a centralelor termice variază în funcție de tehnologie: centralele nucleare, deși durata lor de viață proiectată este de obicei de 40 de ani, pot continua să funcționeze până la 70 de ani (Scientific American, 2009), în timp ce centralele pe bază de combustibili fosili variază între 25 și 50 de ani (centrale pe bază de gaze naturale și, respectiv, cărbune).