Zníženie spotreby vody na chladenie tepelných elektrární

Energeticky najúčinnejším spôsobom chladenia tepelných zariadení je použitie jednorazového systému, pri ktorom sa "voda odoberá z blízkych vodných útvarov, odvádza sa cez kondenzátor, kde absorbuje teplo z pary, a potom sa pri vyšších teplotách vypúšťa späť do svojho pôvodného zdroja. Pretože chladiace systémy nerecyklujú chladiacu vodu, vedie to k veľmi vysokým objemom denných odberov vody. Štruktúry príjmu vody v elektrárňach s jednorazovým ochladzovaním môžu zabiť niekoľko miliónov rýb ročne a tepelný výtok po prúde môže tiež poškodiť vodné organizmy a ovplyvniť celé vodné ekosystémy. Okrem toho veľký objem vody potrebnej na prevádzku jednorazových chladiacich systémov spôsobuje, že elektrárne sú obzvlášť zraniteľné v čase sucha a extrémneho tepla“ (NDRC 2014).

Recirkulačné chladenie veží a suché chladenie sú alternatívnymi možnosťami chladenia, ktoré výrazne znižujú spotrebu vody v porovnaní s chladiacimi systémami s jednorazovým chladením.

Pri recirkulačnom chladení veží sa stále predpokladá príjem vody z vonkajších zdrojov, ale odobraté množstvo je o 95 % nižšie ako v prípade jednorazových chladiacich systémov s porovnateľným znížením negatívnych vplyvov na ekosystémy. Voda je udržiavaná v obehu v systéme, absorbuje teplo z pary používanej na výrobu energie cez kondenzátor a uvoľňuje ju odparovaním v chladiacej veži. Keďže sa však chladenie uskutočňuje odparovaním časti odobratej vody, recirkulácia mokrého chladenia môže byť v podmienkach vážneho nedostatku vody stále problematická.

Suché chladenie sa spolieha na vzduch ako na médium prenosu tepla, a nie na odparovanie z kondenzačného okruhu. V dôsledku toho sú straty vody minimálne. K dispozícii sú dva základné typy techník suchého chladenia. Priame suché chladenie používa vzduchom chladený kondenzátor skoro ako v automobilovom radiátore. Využíva nútený vzduch s vysokým prietokom cez systém rebrovaných rúrok v kondenzátore, v ktorom cirkuluje para. Teplo pary tak prenáša priamo do okolitého vzduchu. Takéto chladenie elektrárne si vyžaduje menej ako 10 % vody použitej v ekvivalentnej mokro chladenej elektrárni. Približne 1-1,5% výkonu elektrárne sa spotrebuje na poháňanie veľkých ventilátorov. Alternatívna konštrukcia zahŕňa chladiaci okruh kondenzátora ako v chladení s recirkuláciou za mokra, ale používaná voda je uzavretá a chladená prúdom vzduchu cez rebrované rúrky v chladiacej veži. Teplo sa tak prenáša do vzduchu prostredníctvom procesu, ktorý je menej účinný ako chladenie za mokra, ale zlepšuje sa pri priamom suchom chladení, keďže spotreba energie predstavuje len 0,5 % výkonu. Podľa posúdenia vplyvov na životné prostredie bolo v USA v roku 2012 nainštalovaných 719 jednorazových systémov, 819 recirkulačných systémov a len 61 systémov chladenia nasucho a hybridných systémov. Pri absencii analogických informácií pre EÚ a za predpokladu, že na odvetvie elektrickej energie v rozvinutých krajinách sa vzťahujú približne rovnaké úrovne technologickej vyspelosti, možno predpokladať, že suché/hybridné chladenie predstavuje menej ako 4 % všetkých chladiacich systémov inštalovaných v tepelných zariadeniach v EÚ.

NDRC, vychádzajúc z konvenčnej uhoľnej elektrárne, kvantifikuje využívanie vody alternatívnymi možnosťami chladenia dvoma spôsobmi: odbery vody, t. j. koľko vody sa odoberá z povodia a potom sa do neho prípadne a čiastočne vráti; a spotreba vody, t. j. koľko odobratej vody sa premení na paru, a teda sa po ochladení priamo nevráti do vodnej nádrže. V prípade systémov suchého chladenia dosahujú obidva hodnoty 0 l/MWh. Požiadavky na odber vody v prípade jednorazových chladiacich systémov a chladiacich systémov s uzavretým cyklom sú približne 75 710 – 189 270 litrov na megawatthodinu (l/MWh) a 1 890 – 4 540 l/MWh. Spotreba vody na druhej strane vedie k približne 380 – 1 200 l/MWh pri jednorazovom prechode a 1 820 – 4 169 l/MWh pri chladení v uzavretom cykle. Jednorazové systémy tak odoberajú viac vody z povodia, ale tiež do neho vracajú viac vody ako systémy s uzavretým cyklom. Je to však proces stiahnutia, ktorý má vážnejšie negatívne účinky na životné prostredie tým, že priamo zabíja riečnu faunu a vracia vodu pri teplote vyššej ako ekologicky žiaduce rozsahy.

Zapojenie zainteresovaných strán je dôležitou súčasťou procesu povoľovania zariadení na výrobu elektrickej energie, ale je ťažké extrapolovať dôsledky na konkrétnu zložku zariadenia. Chladiace veže, ktoré môžu byť vysoké viac ako 50 m, sú pravdepodobne jednou z najviditeľnejších zložiek rastliny, a preto môže existovať miestny odpor voči negatívnemu estetickému vplyvu impozantnej veže na krajinu. Môžu sa však zaviesť zmierňujúce a kompenzačné opatrenia, napríklad navrhnutím a umiestnením elektrárne s cieľom minimalizovať viditeľnosť jej najvýznamnejších infraštruktúr z okolitých obývaných oblastí alebo jej preosievaním výsadbou stromov okolo rastliny a/alebo budovaním umelých kopcov (pôdnych bremien), ktoré sa miešajú s prírodnou krajinou a blokujú výhľad na rastlinu. Miestne komunity môžu byť priamo finančne kompenzované za straty na dobrých životných podmienkach spôsobené estetickými vplyvmi, ktoré utrpeli, alebo sa môžu prijať iné kompenzačné opatrenia, ako je budovanie sociálne užitočnej infraštruktúry, ako sú parky, školy atď.

Keďže tieto možnosti znižujú odbery vody z povodia, očakáva sa, že zainteresované strany, ktoré sa spoliehajú na rovnaké vodné zdroje ako elektrárne vykonávajúce tieto opatrenia, ich budú vnímať priaznivo. Výsledné zmeny práv na využívanie vody by sa mali prediskutovať medzi všetkými zainteresovanými stranami a podľa toho by sa mali dohodnúť s nimi a s orgánmi povodia.

Recirkulačné chladenie veží je približne o 40 % drahšie (US DOE, 2009) ako jednorazové chladenie za mokra a môže sa použiť v prípadoch, keď je dostupnosť vody obmedzená alebo keď je potrebné znížiť vplyv zachytávania a rušenia a tepelného vypúšťania.

Obe možnosti suchého chladenia poskytujú oveľa väčšiu flexibilitu pri umiestnení nových elektrární, pretože sa stávajú nezávislými od dostupnosti veľkého vodného útvaru. Hlavnou nevýhodou tejto možnosti sú jej hospodárske náklady. Pri oboch typoch suchého chladenia je prenos tepla výrazne menej účinný ako pri „mokrých“ možnostiach chladenia, a preto si vyžaduje veľmi veľké a mechanicky zložité chladiace zariadenia. Výsledkom sú vyššie náklady. Prevádzka suchého chladiaceho systému si v skutočnosti vyžaduje 1 – 1,5 % energie vyrobenej v elektrárni v porovnaní s 0,5 % recirkulačného systému a prakticky nulovú energiu raz za čas. Fyzika odparovania aplikovaná vo vlhkých chladiacich vežiach umožňuje v skutočnosti účinnejší prenos tepla z pary alebo vody do vzduchu prostredníctvom kovových plutiev, a tým zvyšuje celkovú technickú a ekonomickú efektívnosť zariadenia. Treba poznamenať, že tepelná účinnosť, a teda aj ekonomické podmienky prevádzky sa líšia v závislosti od klimatických podmienok umiestnenia elektrární a v rámci Európy sa môžu výrazne líšiť.

To poukazuje na druhé technické obmedzenie suchého chladenia: v horúcom podnebí okolitý vzduch s teplotami nad 40 °C podstatne znižuje chladiaci potenciál suchého chladiaceho systému v porovnaní s „mokrým“ systémom, ktorý zakladá svoj potenciál na oveľa nižších teplotách vlhkého teplomeru.

Možným východiskom by mohol byť hybridný suchý/recirkulačný systém. Suché chladenie by sa mohlo používať v podmienkach nedostatku vody a mohlo by byť spojené s obmedzeným používaním recirkulačného systému chladiacich veží, keď teploty dosahujú vrchol. Recirkulačný chladiaci systém veže sa môže používať aj v obdobiach, v ktorých je množstvo vody.

Údaje o nákladoch sa samozrejme líšia v závislosti od konkrétnych podmienok každého zariadenia. Vo všeobecnosti však US DOE (2009) uvádza, že mokré recirkulačné chladiace systémy sú o 40 % drahšie ako priechodné systémy, zatiaľ čo suché chladiace systémy sú trikrát až štyrikrát drahšie ako recirkulačné mokré chladiace systémy. V súčasnosti sú mokré recirkulačné systémy považované za najlepšiu dostupnú technológiu pre chladenie tepelných zariadení americkou Agentúrou na ochranu životného prostredia (EPA), pretože minimalizujú vplyv na vodné ekosystémy a zároveň udržiavajú zvýšenie nákladov cenovo dostupné.

Na druhej strane recirkulačné aj suché systémy nemajú prakticky žiadny príjem vody a žiadny vplyv na vodné ekosystémy, čo môže aspoň čiastočne kompenzovať dodatočné kapitálové a prevádzkové náklady, najmä v podmienkach nedostatku vody spôsobeného zmenou klímy.

Výber chladiaceho systému je dôležitou súčasťou návrhu elektrárne. Podlieha schvaľovacím procesom uplatňovaným na udelenie povolenia na výstavbu a prevádzku elektrární, ktoré sa v jednotlivých krajinách líšia. Keďže suché chladiace systémy sú menej energeticky účinné ako iné chladiace systémy, v súčasnosti sú na poslednom mieste v poradí najlepších dostupných technológií EÚ pre chladenie a sú prevýšené recirkulačným chladením veží. Hoci používanie suchého chladenia nie je vylúčené, obmedzuje sa na miesta s veľmi obmedzenými vodnými zdrojmi alebo s osobitnými environmentálnymi obavami súvisiacimi s využívaním vody.

V prípade veľkých jednotiek by sa mali zvážiť aj bezpečnostné dôsledky týkajúce sa odstránenia rozkladného tepla po núdzovom odstavení so stratou energie.

Úpravy dohôd o využívaní vody vyplývajúce zo zníženej potreby vody v zariadeniach vykonávajúcich tieto možnosti by sa mali formálne dohodnúť s orgánmi povodia na základe konzultácií so všetkými dotknutými zainteresovanými stranami.

V prípade nových zariadení je čas realizácie rovnaký ako v prípade zariadení, do ktorých patria. V prípade rekonštrukcie sa líši v závislosti od technológií. S cieľom nahradiť prechodný systém sa v štúdii o modernizácii kalifornských pobrežných elektrární (Tetra Tech, 2008) uvádza šesťtýždňová prestojnosť elektrárne (aby sa umožnila inštalácia a pripojenie nového chladiaceho systému) ako konzervatívny odhad pre fosílne elektrárne, zatiaľ čo modernizácia chladiaceho systému jadrových elektrární by si vzhľadom na ich technickú zložitosť mohla vyžadovať až 12 mesiacov.

Životnosť je rovnaká ako životnosť zariadenia na výrobu elektrickej energie, do ktorého konkrétne opatrenie patrí. Životnosť tepelných zariadení sa líši v závislosti od technológie: jadrové elektrárne, hoci ich projektovaná životnosť je zvyčajne 40 rokov, môžu fungovať až 70 rokov (Scientific American, 2009), zatiaľ čo elektrárne na fosílne palivá sa pohybujú od 25 do 50 rokov (elektrárne na zemný plyn a uhlie).