3 Nepřímé Využití Vody pro výrobu elektrické Energie: Tepelné Elektrárny

kromě přímé elektrické energie, vody nepřímo umožňuje generování energie díky chlazení poskytuje pro tepelné elektrárny pracující na parní cyklus (také známý jako Rankinův cyklus). Tepelné elektrárny využívají teplo, aby se energie a jsou zodpovědné za více než 90% elektrické energie vyrobené ve Spojených Státech amerických (přibližně 3500 do 4000 milionů vyrobenou MWh ročně). Většina těchto elektráren, které uspokojují 75% energetických potřeb, používá parní cyklus, který vyžaduje rozsáhlé chlazení. Elektrárny také využívají vodu pro výrobu paliv v dole nebo v místě těžby a pro regulaci emisí v elektrárně. Těžební sektor, který zahrnuje těžební průmysl paliv pro výrobu, vyžaduje další 4 miliardy galonů za den, a průmyslový sektor, který zahrnuje rafinerie a další zařízení pro modernizaci paliv, je zodpovědný za dalších 14 miliard galonů za den výběry Spojených Států (USGS, 2014).

jak již bylo uvedeno výše, energetický sektor je největší příčinou odběru vody, ale zemědělský sektor je největším spotřebitelem vody. Takový jev je proto, že většina vody, která je stažena pro elektrárny, je vrací ke zdroji, i když s různou kvalitou (především na různé teploty). Energetika odebírá především povrchové vody, i když v některých lokalitách odebírá i podzemní vody. Z povrchové vody je asi třetina slaná voda. Většina slané vody staženy, je pro chlazení elektráren se nachází na pobřeží (i když některé elektrárny používání brakické podzemní vody pro chlazení).

Přes tepelné energetice na národní úrovni, přibližně 15 litrů vody jsou stažené a méně než 1 litr se spotřebuje na každou kilowatthodinu elektrické energie, který je generován. Vodních přehrad jsou spojeny s téměř 20 litrů vody spotřebované za kilowatthodinu především kvůli zvýšené plochy z umělých nádrží za nominální run-of-řeka urychluje odpařování sazby z povodí (Torcellini et al., 2003).

Rankinův cyklus, pojmenovaný po slavném termodynamik William Rankin, je také známý jako parní cyklus. Používá teplo k vytvoření páry, která pohání turbínu, která točí generátor, aby vyrobila elektřinu. Parní cyklus se používá k výrobě přibližně 75% veškeré energie ve Spojených státech. Klíčovým krokem v parním cyklu je chlazení ke kondenzaci páry do kapalné vody tak, že mohou být znovu použity v nepřetržité smyčce. Toto chlazení může být provedeno různými tekutinami,ale kvůli vysoké tepelné kapacitě vody, relativní hojnosti a rozšířené distribuci je to nejběžnější chladicí kapalina na světě.

Další cykly zahrnují Braytonův cyklus, který je také známý jako otevřený cyklus, jednoduchý cyklus, nebo spalovací turbíny. Tyto systémy často používají turbíny, které jsou označovány jako“ aeroderivatives“, protože jejich linie s turbínami, které se používají pro pohon letadel. Kombinovaný cyklus je tak pojmenován, protože kombinuje Rankinův cyklus a Braytonův cyklus, aby fungoval s vyšší účinností.

Open-loop, or once-through, cooling withdraws large volumes of surface water, fresh and saline, for one-time use and returns nearly all the water to the source with málo z celkové vody spotřebované z důvodu odpařování. Zatímco open-loop chlazení je energeticky efektivní a nízké infrastrukturu a provozní náklady, vypouštěné vody je teplejší než okolní vody, což způsobuje tepelné znečištění, které může zabít ryby a poškození vodních ekosystémů. Environmentální agentury tak regulují výtlačné teploty s přihlédnutím k kapacitě odvodu tepla vodního útvaru.

Uzavřené smyčky chlazení vyžaduje menší odběr vody, protože voda se recirkuluje přes použití chladicí věže nebo odpařovací rybníky (což jsou nádrže určené pro elektrárny chlazení). Nicméně, protože chlazení je v podstatě dosaženo odpařováním, chlazení s uzavřenou smyčkou způsobuje vyšší spotřebu vody. Alternativa, chlazení vzduchem, nevyžaduje vodu, ale místo toho ochlazuje pomocí ventilátorů, které pohybují vzduchem přes radiátor podobný tomu v automobilech. Nicméně, účinnost elektrárny pro chlazení vzduchu je nižší, předem kapitálové náklady jsou vyšší, a nemovitostí požadavky jsou někdy větší, často dělat tuto možnost méně atraktivní ekonomicky, pokud vodní zdroje jsou omezené.

I když elektráren vrátit většina vody, stáhnou se, že je třeba pro takové velké množství vody při správné teplotě pro chlazení zavádí zranitelnosti pro elektrárny. Pokud je velké sucho nebo vlna veder snižuje dostupnost vody nebo omezuje jeho účinnost pro chlazení, protože přenos tepla zábrany nebo tepelné znečištění limity, skutečnost, že elektrárna spotřebuje tak málo, voda se stává méně důležité než skutečnost, že je třeba voda na prvním místě.

Elektrárny postavené před více než 50 lety téměř výhradně používá open-loop chlazení návrhy, které mají velmi vysoké vody výběry. Když byly tyto elektrárny postaveny, voda byla vnímána jako hojná a environmentální předpisy prakticky neexistovaly. Během 1960 a 1970, environmentální obavy z vody se zvýšil, zahajuje éru regulační tlak na snižování využívání vody v elektrárnách.

Jsou klíčové právní předpisy Zákon Čisté Vody (CWA), který podle Agentury pro Ochranu Životního prostředí (EPA) „…establishe základní struktura pro regulaci vypouštění znečišťujících látek do vod Spojených Států a upravují standardy kvality pro povrchové vody“ EPA (CWA Shrnutí, EPA CWA Historie). Federální Zákon pro Kontrolu Znečištění Vody z roku 1948 sloužil jako základ pro regulační rámec, který se později stal CWA v populárním jazyce v roce 1972 po výrazné reorganizaci a rozšíření. CWA dává EPA pravomoc provádět programy kontroly znečištění, včetně stanovení norem pro odpadní vody pro průmysl a norem kvality vody pro povrchové vody.

CWA zakázal nedovolené vypouštění jakékoliv znečišťující látky z bodového zdroje do splavných vodách, který vedl k vytvoření EPA je Národní Znečišťujících Vypouštění Eliminace Systému (NPDES) povolení program pro ovládání vypouštění. Diskrétní umístění, jako jsou potrubí nebo umělé příkopy) jsou regulovány CWA. Zatímco domy nejsou obvykle potřebují NPDES povolení pro jejich odpadní voda teče do kanalizace nebo odpadních systémů, průmyslových, komunálních, a dalších zařízení, musí získat povolení pro jejich vypouštění, které jdou do povrchových vod. Tímto způsobem CWA reguluje vypouštění z elektráren. Regulují také požadavky na příjem.

Elektrárny postavené od té doby se používají téměř výhradně uzavřené smyčky provedení s chladicími věžemi, jako způsob, jak sloužit mnoho zájmů životního prostředí tím, že výrazně snižuje strhávání (ryb a vodních organismů, jsou staženy z prostředí do elektrárny zařízení) a impingement (ryby a vodní organismy jsou přišpendlená voda nasávání obrazovky) vodních volně žijících živočichů. Přitom znamenalo, že voda výběry klesly v reakci na §316(b) CWA předán v roce 1972.

zabraňují také umělému ohřevu vodního prostředí, což je forma tepelného znečištění a je upraveno §316 písm.a) CWA. Konvenční moudrost k závěru, že chladící věže jsou méně působivé, než open-loop systémy chlazení, protože se vybírat méně vody, i když chladicí věže spotřebují více vody, jak bylo uvedeno dříve.

v první dekádě 21. století bylo 43% amerických termoelektrických elektráren velkými elektrárnami s výrobními kapacitami přes 100 MW. Z těchto velkých elektráren 42% používalo chladicí věže s recirkulací za mokra (tj. Zbývajících 43% z těchto velkých elektráren se používá jednou-přes chlazení, a těsně pod 1% použití suchého chlazení (Král et al., 2013). Většina z těchto zařízení s jednorázovými chladicími systémy byla postavena před přijetím CWA nebo byla po přijetí legislativy zděděna. Mnoho z nich jsou také stejné rostliny, které byly postaveny před přísnými kontrolami emisí. To znamená, že většina z nich jsou staré desetiletí a zároveň jsou špinavé a žízeň (s výjimkou těch, které dodal pračky) a zda jsou vypnout výměnou za novější, čistší, štíhlejší rostliny zůstává diskutabilním veřejné politické diskuse.

do budoucna by nové hybridní a suché systémy mohly vidět větší implementaci kvůli hrozícím regulačním požadavkům a konkurenci pro vodu. Například, Kalifornie Státní Pozemky Komise navrhla moratorium na výstavbu nových elektráren s open-loop systémy chlazení, které neladí s oddělenou úsilí, aby se zasadila elektráren v pobřežních regionech, kde open-loop chlazení používat mořskou vodu, aby ušetřil vnitrozemské sladkovodní (CASLC, 2006). Pobřežní voda má vyšší výkonnostní výhody, protože je při relativně nižší teplotě, což zlepšuje účinnost elektrárny. Nicméně, environmentální obavy o oceánskou divokou zvěř jsou v přímém rozporu s environmentálními obavami o zásobování vnitrozemskou sladkou vodou.

jak již bylo uvedeno výše, existují voděodolnější chladicí technologie; tyto systémy však mají nevýhody. Systémy chlazené za sucha odebírají a spotřebovávají méně než 10% vody systémů chlazených za mokra. Systémy suchého chlazení však mají vyšší kapitálové náklady a snižují celkovou účinnost zařízení, což zvyšuje náklady a emise na jednotku vyrobené elektřiny. Protože tepelná kapacita vzduchu je mnohem nižší než voda, musí se pohybovat mnohem více vzduchu, aby se dosáhlo stejného chlazení jako u vody. To znamená mnohem větší zařízení pro vytvoření větších chladicích ploch v systémech suchého chlazení, což dramaticky zvyšuje kapitálové náklady. Kromě toho může elektrárna se suchým chlazením zaznamenat 1% ztrátu účinnosti při každém zvýšení kondenzátoru o 1 ° F, což omezuje výrobu energie na základě teplot okolního vzduchu (Kutscher et al ., 2006).

protože zahrnují jak uzavřené mokré, tak suché chlazení, hybridní systémy mokrého a suchého chlazení poskytují kompromis mezi systémy mokrého a suchého chlazení. Tedy hybridní mokré–suché chladicí systémy mohou mít nízkou spotřebu vody pro hodně z roku, působící především v suchém režimu, ale mít možnost pracovat efektivněji ve vlhkém režimu během nejteplejších obdobích roku. Bohužel, vodní zdroje jsou obvykle méně dostupné během těchto špičkových poptávkových časů. Ačkoli systémy suchého a hybridního chlazení jsou osvědčenými technologiemi, nízké ceny vody a vyšší práva na vodu pro generátory obvykle brání tomu, aby byly ekonomicky konkurenceschopné. V oblastech omezených vodou, kde voda není k dispozici pro chlazení, je však suché chlazení často jedinou alternativou. V takových případech jsou počáteční kapitálové náklady a parazitní zatížení účinností snadněji odůvodnitelné.