Zmanjšanje porabe vode za hlajenje termoelektrarn

Energetsko najučinkovitejši način hlajenja termoelektrarn je uporaba enkratnega sistema, pri katerem se »voda odvzema iz bližnjih vodnih teles, preusmerja skozi kondenzator, kjer absorbira toploto iz pare, nato pa se pri višjih temperaturah odvaja nazaj v prvotni vir. Ker enkratni hladilni sistemi ne reciklirajo hladilne vode, to vodi do zelo velikih količin dnevnih odvzemov vode. Strukture za dovajanje vode v elektrarnah z enkratnim hlajenjem lahko ubijejo več milijonov rib letno, toplotni izpust navzdol pa lahko škoduje tudi vodnim organizmom, kar vpliva na celotne vodne ekosisteme. Poleg tega so elektrarne zaradi velike količine vode, potrebne za delovanje enkratnih hladilnih sistemov, še posebej ranljive v času suše in ekstremne vročine“ (NDRC 2014).

Hlajenje z recirkulacijskim stolpom in suho hlajenje sta alternativni možnosti hlajenja, ki znatno zmanjšata porabo vode v primerjavi z enkratnimi hladilnimi sistemi.

Hlajenje z recirkulacijskim stolpom še vedno predvideva dotok vode iz zunanjih virov, vendar je umaknjena količina za 95 % manjša kot v hladilnih sistemih, ki se izvajajo enkrat, s primerljivim zmanjšanjem negativnih vplivov na ekosisteme. Voda kroži v sistemu, absorbira toploto iz pare, ki se uporablja za proizvodnjo energije skozi kondenzator, in jo sprošča z izhlapevanjem v hladilnem stolpu. Ker pa hlajenje poteka z izhlapevanjem dela odvzete vode, je lahko recirkulacija mokrega hlajenja v razmerah hudega pomanjkanja vode še vedno problematična.

Suho hlajenje temelji na zraku kot mediju prenosa toplote in ne na izhlapevanju iz kondenzatorskega tokokroga. Posledično so izgube vode minimalne. Na voljo sta dve osnovni vrsti tehnik suhega hlajenja. Neposredno suho hlajenje uporablja zračno hlajeni kondenzator skoraj tako kot v avtomobilskem radiatorju. Uporablja visokopretočni prisilni zrak skozi sistem rešetk v kondenzatorju, v katerem kroži para. Tako neposredno prenaša toploto pare v okoliški zrak. Za tako hlajenje elektrarne je potrebnih manj kot 10 % vode, porabljene v enakovredni vlažno hlajeni elektrarni. Približno 1-1,5% moči elektrarne se porabi za pogon velikih ventilatorjev. Alternativna zasnova vključuje kondenzatorski hladilni krog kot pri mokrem recirkulacijskem hlajenju, vendar je uporabljena voda zaprta in hlajena s pretokom zraka skozi cevi v hladilnem stolpu. Toplota se tako prenaša v zrak s postopkom, ki je manj učinkovit od mokrega hlajenja, vendar se izboljšuje pri neposrednem suhem hlajenju, saj poraba energije znaša le 0,5 % proizvodnje. V skladu s presojo vplivov na okolje je bilo leta 2012 v ZDA nameščenih 719 enkratnih sistemov, 819 recirkulacijskih sistemov ter le 61 sistemov za suho hlajenje in hibridnih sistemov. Ker EU nima podobnih informacij in ob predpostavki, da za sektor električne energije v razvitih državah veljajo približno enake stopnje tehnološke zrelosti, je mogoče domnevati, da suho/hibridno hlajenje predstavlja manj kot 4 % vseh hladilnih sistemov, nameščenih v termoelektrarnah v EU.

NDRC, ki se sklicuje na konvencionalno termoelektrarno na premog, količinsko opredeljuje porabo vode pri alternativnih možnostih hlajenja na dva načina: odvzemi vode, to je količina vode, ki se odvzame iz povodja in se nato, po možnosti in delno, vrne vanj; in poraba vode, tj. kolikšen del odvzete vode se pretvori v paro in se zato po hlajenju ne vrne neposredno v vodni bazen. Pri suhih hladilnih sistemih oba znašata 0 l/MWh. Zahteve za odvzem vode za enkratne hladilne sisteme in hladilne sisteme z zaprtim ciklom so približno 75 710–189 270 litrov na megavatno uro (l/MWh) oziroma 1 890–4 440 l/MWh. Po drugi strani poraba vode pomeni približno 380–1 200 l/MWh pri enkratnem pretoku in 1 820–4 169 l/MWh pri hlajenju z zaprtim ciklom. Tako enkratni sistemi odvzamejo več vode iz vodnega bazena, vendar ji vrnejo več vode kot sistemi zaprtega kroga. Vendar je proces umika tisti, ki povzroča resnejše negativne učinke na okolje z neposrednim ubijanjem rečne favne in vračanjem vode pri temperaturi nad ekološko zaželenimi območji.

Sodelovanje deležnikov je pomemben del postopka izdaje dovoljenj za obrate za proizvodnjo električne energije, vendar je težko ekstrapolirati posledice za določen sestavni del obrata. Hladilni stolpi, ki so lahko visoki več kot 50 m, so verjetno ena najbolj vidnih komponent rastline, zato lahko pride do lokalnega nasprotovanja negativnemu estetskemu vplivu impozantnega stolpa na pokrajino. Vendar se lahko sprejmejo blažilni in izravnalni ukrepi, na primer z zasnovo in umestitvijo obrata, da se čim bolj zmanjša vidljivost njegove najpomembnejše infrastrukture z bližnjih naseljenih območij, ali s presejanjem z zasaditvijo dreves okoli obrata in/ali gradnjo umetnih gričev (tla), ki se zlivajo v naravno krajino in blokirajo pogled na obrat. Lokalne skupnosti lahko prejmejo neposredno finančno nadomestilo za izgubo blaginje zaradi estetskih učinkov, ki so jih utrpele, ali pa se lahko sprejmejo drugi izravnalni ukrepi, kot je gradnja družbeno koristne infrastrukture, kot so parki, šole itd.

Ker te možnosti zmanjšujejo odvzeme vode iz povodja, se pričakuje, da jih bodo zainteresirane strani, ki se zanašajo na iste vodne vire kot elektrarne, ki izvajajo te ukrepe, sprejele pozitivno. O posledičnih spremembah pravic do uporabe vode bi bilo treba razpravljati med vsemi zainteresiranimi stranmi ter se o njih dogovoriti z njimi in z organi, pristojnimi za povodja.

Hlajenje z recirkulacijskim stolpom je približno 40 % dražje (US DOE, 2009) kot z enkratnim mokrim hlajenjem in se lahko uporablja, kadar je razpoložljivost vode omejena ali je treba zmanjšati vpliv zajetja in oviranja ter toplotnih izpustov.

Obe možnosti suhega hlajenja zagotavljata veliko večjo prožnost pri lokaciji novih elektrarn, saj postane neodvisna od razpoložljivosti večjega vodnega telesa. Glavna pomanjkljivost te možnosti so njeni gospodarski stroški. Pri obeh vrstah suhega hlajenja je prenos toplote bistveno manj učinkovit kot pri „mokrih“ možnostih hlajenja, zato so potrebne zelo velike in mehansko zapletene hladilne naprave. Posledica tega so višji stroški. Za delovanje suhega hladilnega sistema je dejansko potrebnih 1–1,5 % energije, ki jo proizvede naprava, v primerjavi z 0,5 % recirkulacijskega sistema in skoraj nič za enkrat. Fizika izhlapevanja, ki se uporablja v mokrih hladilnih stolpih, dejansko omogoča učinkovitejši prenos toplote od toplote iz pare ali vode v zrak prek kovinskih plavuti in s tem povečuje celotno tehnično in ekonomsko učinkovitost obrata. Upoštevajte, da se toplotna učinkovitost in s tem gospodarski pogoji delovanja razlikujejo glede na podnebne razmere lokacije obratov in se lahko po Evropi precej razlikujejo.

To kaže na drugo, tehnično omejitev suhega hlajenja: v vročem podnebju okoliški zrak s temperaturami nad 40 °C bistveno zmanjša hladilni potencial suhega hladilnega sistema v primerjavi z „mokrim“ sistemom, katerega potencial temelji na veliko nižjih temperaturah mokrega termometra.

Možen izhod bi lahko bil hibridni suhi / recirkulacijski sistem. Suho hlajenje bi se lahko uporabljalo v razmerah pomanjkanja vode in bi se lahko združilo z omejeno uporabo sistema recirkulacijskega hladilnega stolpa, ko so temperature najvišje. Hladilni sistem recirkulacijskega stolpa se lahko uporablja tudi v obdobjih, ko je obilo vode.

Podatki o stroških se seveda razlikujejo glede na posebne razmere v posamezni tovarni. Vendar poročilo US DOE (2009) na splošno navaja, da so mokri recirkulacijski hladilni sistemi 40 % dražji od pretočnih sistemov, medtem ko so suhi hladilni sistemi tri- do štirikrat dražji od recirkulacijskega mokrega hladilnega sistema. Trenutno se sistemi za mokro recirkulacijo štejejo za najboljšo razpoložljivo tehnologijo za hlajenje termoelektrarn s strani Agencije ZDA za varstvo okolja (EPA), ker zmanjšujejo vpliv na vodne ekosisteme, hkrati pa ohranjajo povečanje stroškov cenovno dostopno.

Poleg tega recirkulacijski in suhi sistemi praktično ne dovajajo vode in ne vplivajo na vodne ekosisteme, kar lahko vsaj delno nadomesti dodatne stroške kapitala in delovanja, zlasti v razmerah pomanjkanja vode, ki ga povzročajo podnebne spremembe.

Izbira hladilnega sistema je pomemben del zasnove elektrarne. Zanj veljajo postopki odobritve, ki se uporabljajo za izdajo dovoljenja za gradnjo in obratovanje elektrarn, ki se razlikujejo od države do države. Ker so sistemi suhega hlajenja energijsko manj učinkoviti od drugih hladilnih sistemov, so trenutno na zadnjem mestu po vrstnem redu najboljših razpoložljivih tehnologij za hlajenje v EU in imajo prednost pred hlajenjem z recirkulacijskim stolpom. Čeprav uporaba suhega hlajenja ni izključena, je omejena na lokacije z zelo omejenimi vodnimi viri ali s posebnimi okoljskimi pomisleki, povezanimi z rabo vode.

Pri velikih enotah bi bilo treba upoštevati tudi varnostne posledice v zvezi z odstranitvijo razpadne toplote po zaustavitvi v sili z izgubo moči.

O spremembah sporazumov o rabi vode, ki so posledica zmanjšanih potreb obratov po vodi, ki izvajajo te možnosti, bi se bilo treba uradno dogovoriti z organi za povodja na podlagi posvetovanj z vsemi zadevnimi zainteresiranimi stranmi.

Za nove obrate je čas izvedbe enak kot za obrate, ki jim pripadajo. Pri naknadnem opremljanju se razlikuje glede na tehnologije. Da bi nadomestili prehodni sistem, študija o naknadnem opremljanju kalifornijskih obalnih elektrarn (Tetra Tech, 2008) navaja šesttedenski izpad delovanja elektrarne (da se omogoči namestitev in priključitev novega hladilnega sistema) kot konservativno oceno za fosilne elektrarne, medtem ko bi lahko naknadno opremljanje hladilnega sistema jedrskih elektrarn zaradi njihove tehnične zapletenosti zahtevalo do 12 mesecev.

Življenjska doba je enaka kot pri elektrarni, ki ji pripada posebni ukrep. Življenjska doba termoelektrarn se razlikuje glede na tehnologijo: jedrske elektrarne, čeprav je njihova načrtovana življenjska doba običajno 40 let, lahko delujejo do 70 let (Scientific American, 2009), medtem ko se elektrarne na fosilna goriva razlikujejo med 25 in 50 leti (naprave za zemeljski plin oziroma premog).