Minska vattenförbrukningen för kylning av värmeproduktionsanläggningar

Det mest energieffektiva sättet att kyla värmeverk använder engångssystemet, där "vatten tas ut från närliggande vattenförekomster, avleds genom en kondensor där den absorberar värme från ångan och sedan släpps tillbaka till sin ursprungliga källa vid högre temperaturer. Eftersom genomgående kylsystem inte återvinner kylvattnet leder detta till mycket stora volymer av dagliga vattenuttag. Vattenintagsstrukturerna vid kraftverk med genomkylning kan döda flera miljoner fiskar årligen, och det termiska utsläppet nedströms kan också skada vattenlevande organismer, vilket påverkar hela akvatiska ekosystem. Dessutom gör den stora vattenvolym som krävs för att driva engångskylsystem kraftverk särskilt sårbara i tider av torka och extrem värme (NDRC 2014).

Recirkulerande tornkylning och torrkylning är alternativa kylalternativ som avsevärt minskar vattenanvändningen jämfört med kylsystem med en gångtråg.

Recirkulerande tornkylning förutser fortfarande ett intag av vatten från externa källor, men den mängd som tas ut är 95 % lägre än i kylsystem med en gångtråg, med en jämförbar minskning av negativa effekter på ekosystemen. Vatten hålls cirkulerande i systemet, absorberar värmen från ångan som används för att generera kraft genom en kondensor och släpper den genom avdunstning i ett kyltorn. Men eftersom kylning sker genom avdunstning av en bråkdel av det vatten som tas ut, kan återcirkulerande våtkylning fortfarande vara problematisk under förhållanden med allvarlig vattenbrist.

Torrkylning bygger på luft som medium för värmeöverföring, snarare än avdunstning från kondensorkretsen. Som ett resultat är vattenförlusterna minimala. Det finns två grundläggande typer av torrkylningstekniker tillgängliga. Direkt torrkylning använder en luftkyld kondensor ganska mycket som i en bil radiator. Den använder högflödes forcerad luft genom ett system av flänsade rör i kondensorn inom vilken ångan cirkulerar. På så sätt överförs ångvärmen direkt till omgivningsluften. För att kyla ett kraftverk på detta sätt krävs mindre än 10 % av det vatten som används i ett motsvarande våtkylt kraftverk. Omkring 1-1,5% av kraftverkets effekt förbrukas för att driva de stora fläktarna. En alternativ design inkluderar en kondensorkylkrets som i våt recirkulerande kylning, men vattnet som används är inneslutet och kyls av ett luftflöde genom flänsade rör i ett kyltorn. Värme överförs således till luft genom en process som är mindre effektiv än våtkylning, men förbättrar direkt torrkylning, eftersom energianvändningen endast är 0,5% av produktionen. Enligt miljökonsekvensbedömningen fanns det 719 genomgående system, 819 recirkulerande system och endast 61 torrkylnings- och hybridsystem installerade i USA 2012. I avsaknad av motsvarande information för EU och under antagandet att ungefär samma teknikmognadsnivåer gäller för elsektorn i industriländerna är det möjligt att anta att torrkylning/hybridkylning utgör mindre än 4 % av alla kylsystem som installeras i värmeverk i EU.

NDRC, med ett konventionellt koleldat kraftverk som referens, kvantifierar vattenanvändningen av alternativa kylalternativ på två sätt: vattenuttag, det vill säga hur mycket vatten som tas från vattenbassängen och sedan, eventuellt och delvis, återförs till den, och vattenförbrukning, dvs. hur mycket av det uttagna vattnet som omvandlas till ånga och därmed inte direkt återförs till vattenbassängen efter kylning. För torrkylningssystem uppgår de båda till 0 l/MWh. Vattenuttagskraven för engångskylsystem och slutna kylsystem är cirka 75 710–189 270 liter per megawattimme (l/MWh) respektive 1 890–4 540 l/MWh. Vattenförbrukningen ger däremot cirka 380–1 200 l/MWh vid engångsgenomströmning och 1 820–4 169 l/MWh vid sluten kylning. Således drar genomgående system mer vatten från vattenbassängen, men returnerar också mer vatten till den än slutna kretsloppssystem. Det är dock uttagsprocessen som ger allvarligare negativa effekter på miljön, genom att direkt döda flodfaunan och genom att återföra vatten vid en temperatur över de ekologiskt önskvärda intervallen.

Intressenternas deltagande är en viktig del av tillståndsförfarandet för elproduktionsanläggningar, men det är svårt att extrapolera konsekvenserna för en viss del av anläggningen. Kyltorn, som kan vara över 50 m höga, är utan tvekan en av de mest synliga komponenterna i en växt, och därför kan det mycket väl finnas lokalt motstånd mot de negativa estetiska effekterna av ett imponerande torn på ett landskap. Begränsnings- och kompensationsåtgärder kan dock vidtas, till exempel genom att utforma och placera anläggningen för att minimera synligheten för dess mest framträdande infrastruktur från närliggande bebodda områden, eller genom att avskärma den genom att plantera träd runt anläggningen och/eller genom att bygga konstgjorda kullar (jordvallar) som smälter in i det naturliga landskapet och blockerar utsikten över anläggningen. Lokalsamhällena kan få direkt ekonomisk ersättning för den välfärdsförlust som orsakats av de estetiska konsekvenserna, eller så kan andra kompenserande åtgärder vidtas, t.ex. att bygga upp socialt användbar infrastruktur som parker, skolor osv.

Eftersom dessa alternativ minskar vattenuttaget från ett avrinningsområde förväntas de ses positivt av berörda parter som är beroende av samma vattenresurser som de kraftverk som genomför dessa åtgärder. De resulterande ändringarna av vattenanvändningsrättigheterna bör diskuteras av alla berörda parter och överenskommas med dem och med myndigheterna för avrinningsområden i enlighet med detta.

Recirkulerande tornkylning är cirka 40% dyrare (US DOE, 2009) än en gång genom våtkylning, och kan tillämpas där vattentillgången är begränsad eller effekterna av entrainment och impingement och termiska utsläpp måste minskas.

Båda torrkylningsalternativen ger mycket större flexibilitet i placeringen av nya kraftverk, eftersom det blir oberoende av tillgången på en stor vattenförekomst. Den största nackdelen med detta alternativ ligger i dess ekonomiska kostnader. Med båda typerna av torrkylning är värmeöverföringen betydligt mindre effektiv än med ”våt” kylning, och kräver därför mycket stora och mekaniskt komplexa kylanläggningar. Detta leder till högre kostnader. Driften av ett system för torrkylning kräver i själva verket 1–1,5 % av den kraft som alstras av anläggningen, jämfört med 0,5 % av ett recirkulerande system och praktiskt taget noll vid ett enda tillfälle. Fysiken för avdunstning som tillämpas i våtkylningstorn möjliggör i själva verket en effektivare överföring av värme än den från ånga eller vatten till luft via metallfenor, och ökar därmed hela anläggningens tekniska och ekonomiska effektivitet. Observera att termisk effektivitet och därmed ekonomiska driftsförhållanden varierar med klimatförhållandena för anläggningarnas placering och kan vara avsevärt olika i Europa.

Detta pekar på en andra teknisk begränsning av torrkylning: I ett varmt klimat minskar omgivningsluft med temperaturer över 40 °C avsevärt kylpotentialen hos ett torrt kylsystem jämfört med ett ”vått” system, som baserar sin potential på mycket lägre våttemperaturer.

En möjlig utväg kan vara en hybrid torr / cirkulerande system. Torrkylning kan användas i tillstånd av vattenbrist och kan kombineras med en begränsad användning av ett recirkulerande kyltornssystem när temperaturen är som högst. Det recirkulerande tornkylsystemet kan också användas under perioder där det finns ett överflöd av vatten.

Kostnadssiffrorna varierar naturligtvis med de specifika förhållandena för varje anläggning. Men i allmänhet US DOE (2009) rapporterar att våta recirkulerande kylsystem är 40% dyrare än pass-through-system, medan torra kylsystem är tre till fyra gånger dyrare än ett recirkulerande våtkylsystem. För närvarande anses våta recirkulerande system vara den bästa tillgängliga tekniken för termisk växtkylning av US Environmental Protection Agency (EPA), eftersom de minimerar påverkan på vattenekosystem samtidigt som ökningen av kostnaderna hålls överkomliga.

På plussidan har både recirkulerande och torra system praktiskt taget inget vattenintag och ingen inverkan på vattenekosystemen, vilket åtminstone delvis kan kompensera för de extra kapital- och driftskostnaderna, särskilt under förhållanden med vattenbrist till följd av klimatförändringarna.

Valet av kylsystem är en viktig del av ett kraftverks utformning. Det är föremål för de tillståndsförfaranden som tillämpas för att bevilja tillstånd att bygga och driva kraftverk, vilket varierar från land till land. Eftersom torra kylsystem är mindre energieffektiva än andra kylsystem rankas de för närvarande sist i rangordningen av EU:s bästa tillgängliga teknik för kylning och överträffas av recirkulerande tornkylning. Även om användning av torrkylning inte är utesluten, är den begränsad till platser med mycket begränsade vattenresurser eller med särskilda miljöhänsyn i samband med vattenanvändning.

För stora enheter bör säkerhetskonsekvenser i samband med avlägsnande av sönderfallsvärme efter en nödavstängning med strömförlust också beaktas.

Ändringar av vattenanvändningsavtal till följd av minskade vattenbehov hos anläggningar som genomför dessa alternativ bör formellt överenskommas med myndigheterna för avrinningsområden, på grundval av samråd med alla berörda parter.

För nya anläggningar är genomförandetiden densamma som för de anläggningar de tillhör. För eftermonteringar varierar det med tekniken. För att ersätta ett genomströmningssystem visar en studie om eftermodifiering av kaliforniska kustkraftverk (Tetra Tech, 2008) en driftstoppstid för anläggningen (för att möjliggöra installation och anslutning av det nya kylsystemet) på sex veckor som en försiktig uppskattning för fossila anläggningar, medan eftermodifiering av kärnkraftverkens kylsystem kan ta upp till 12 månader på grund av deras tekniska komplexitet.

Livslängden är densamma som för den elproduktionsanläggning som den specifika åtgärden tillhör. Livslängden för värmeverk varierar med tekniken: Kärnkraftverk har normalt en livslängd på 40 år, men kan fortsätta att fungera i upp till 70 år (Scientific American, 2009), medan anläggningar för fossila bränslen varierar mellan 25 och 50 år (naturgas- respektive kolkraftverk).