3 indirekte vandforbrug til kraftproduktion: termoelektriske kraftværker

ud over direkte kraftproduktion muliggør vand indirekte kraftproduktion gennem den køling, det giver termoelektriske kraftværker, der opererer på dampcyklussen (også kendt som Rankine-cyklussen). Termoelektriske kraftværker bruger varme til at fremstille strøm og er ansvarlige for mere end 90% af den elektricitet, der produceres i USA (cirka 3500 af de 4000 millioner Mvh, der genereres årligt). De fleste af disse kraftværker, der opfylder 75% af strømbehovet, bruger dampcyklussen, som kræver omfattende afkøling. Kraftværker bruger også vand til brændstofproduktion ved minen eller udvindingsstedet og til emissionskontrol på kraftværket. Minesektoren, der inkluderer udvindingsindustrien til produktion af brændstoffer, kræver yderligere 4 milliarder gallon om dagen, og den industrielle sektor, der inkluderer raffinaderier og andre faciliteter til opgradering af brændstoffer, er ansvarlig for yderligere 14 milliarder gallon pr.dag med tilbagetrækning i USA (USGS, 2014).

som nævnt tidligere er elsektoren den største årsag til vandudtag, men landbrugssektoren er den største forbruger af vand. Et sådant fænomen skyldes, at det meste af vandet, der trækkes tilbage til kraftværker, returneres til kilden, dog med en anden kvalitet (primært ved en anden temperatur). Elsektoren trækker primært overfladevand tilbage, men nogle steder trækker den også grundvand tilbage. Af overfladevandet er ca.en tredjedel saltvand. Det meste af det udtagne saltvand er til køling af kraftværker placeret ved kysten (selvom nogle kraftværker bruger brakvand til afkøling).

på tværs af den termoelektriske energisektor nationalt trækkes cirka 15 liter vand tilbage, og der forbruges mindre end 1 gallon for hver kilovatt-time elektricitet, der genereres. Vandkraft dæmninger er forbundet med næsten 20 liter vand, der forbruges pr., 2003).

Rankine-cyklussen, opkaldt efter den berømte termodynamiker Vilhelm Rankine, er også kendt som dampcyklussen. Det bruger varme til at skabe damp, der driver en turbine, der spinder en generator for at fremstille elektricitet. Dampcyklussen bruges til at generere cirka 75% af al strøm i USA. Et vigtigt trin i dampcyklussen er afkøling for at kondensere dampen til flydende vand, så den kan bruges igen i en kontinuerlig løkke. Denne afkøling kan opnås med en række væsker, men på grund af vandets høje varmekapacitet, relativ overflod og udbredt distribution er det verdens mest almindelige kølevæske.

andre strømcyklusser inkluderer Brayton-cyklus, som også er kendt som åben cyklus, enkel cyklus eller forbrændingsturbine. Disse systemer bruger ofte turbiner, der faktureres som “aeroderivativer” på grund af deres afstamning med turbiner, der bruges til fremdrift af fly. En kombineret cyklus er så navngivet, fordi den kombinerer en Rankine-cyklus og en Brayton-cyklus for at fungere med højere effektivitet.

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 lidt af det samlede vand forbruges på grund af fordampning. Mens open-loop køling er energieffektiv og lav i infrastruktur og driftsomkostninger, det udledte vand er varmere end omgivende vand, forårsager termisk forurening, som kan dræbe fisk og skade akvatiske økosystemer. Således regulerer miljøagenturer udledningstemperaturer under hensyntagen til et vandlegemes varmeafledningskapacitet.

køling med lukket kredsløb kræver mindre vandudtagning, da vandet recirkuleres ved brug af køletårne eller fordampningsdamme (som er reservoirer dedikeret til kraftværkskøling). Da kølingen imidlertid i det væsentlige opnås gennem fordampning, forårsager køling med lukket sløjfe højere vandforbrug. Alternativet, luftkøling, kræver ikke vand, men afkøles i stedet ved brug af ventilatorer, der bevæger luft over en radiator svarende til den i biler. Imidlertid er kraftværkets effektivitet til luftkøling lavere, kapitalomkostningerne på forhånd er højere, og kravene til fast ejendom er undertiden større, hvilket ofte gør denne mulighed mindre attraktiv økonomisk, medmindre vandressourcerne er knappe.

selvom kraftværker returnerer det meste af det vand, de trækker ud, introducerer behovet for så store mængder vand ved den rigtige temperatur til afkøling sårbarheder for kraftværkerne. Hvis en alvorlig tørke eller hetebølge reducerer tilgængeligheden af vand eller begrænser dens effektivitet til afkøling på grund af varmeoverførselshæmninger eller termiske forureningsgrænser, bliver det faktum, at kraftværket bruger så lidt vand, mindre vigtigt end det faktum, at det har brug for vandet i første omgang.

kraftværker, der blev bygget for over 50 år siden, brugte næsten udelukkende open-loop-køledesign, som har meget høje vandudtag. Da disse kraftværker blev bygget, blev vand opfattet som rigeligt, og miljøbestemmelser var praktisk taget ikke-eksisterende. I løbet af 1960 ‘erne og 1970’ erne steg miljøproblemerne omkring vand og startede en æra med lovgivningsmæssigt pres for at reducere vandforbruget på kraftværker.

de vigtigste lovgivning var Loven om rent vand, som ifølge Environmental Protection Agency (EPA)” … etablerer den grundlæggende struktur til regulering af udledninger af forurenende stoffer i De Forenede Staters farvande og regulering af kvalitetsstandarder for overfladevand ” (EPA-sammendrag, EPA-historie). Den føderale lov om Vandforureningskontrol fra 1948 tjente som grundlag for de lovgivningsmæssige rammer, der senere blev CVA i populær sprogbrug i 1972 efter betydelig omorganisering og ekspansion. EPA giver EPA myndighed til at gennemføre forureningsbekæmpelsesprogrammer, herunder etablering af spildevandsstandarder for industri og vandkvalitetsstandarder for overfladevand.dette førte til oprettelsen af EPA ‘ s National Pollutant decharge Elimination system (NPDES) tilladelsesprogram til kontrol af udledninger. Punktkilder (dvs.de diskrete placeringer såsom rør eller menneskeskabte grøfter) reguleres af CVA. Mens boliger generelt ikke har brug for en NPDES-tilladelse til, at deres spildevand strømmer ind i kloakkerne eller septiksystemerne, skal industrielle, kommunale og andre faciliteter få tilladelser til deres udledninger, der går til overfladevand. På denne måde regulerer CVV udledninger fra kraftværker. De regulerer også indtagskravene.kraftværker, der er bygget siden da, har næsten udelukkende brugt lukkede kredsløbsdesign med køletårne som en måde at tjene mange miljøinteresser på ved i høj grad at reducere inddrivelsen (fisk og vandorganismer trækkes tilbage fra miljøet til kraftværksfaciliteten) og impingement (fisk og vandorganismer er fastgjort mod vandindtagsskærme) af vandlevende dyreliv. Dette betød, at vandudtag er faldet som reaktion på kv ‘ s 316(B), der blev vedtaget i 1972.

de forhindrer også kunstig opvarmning af vandmiljøer, som er en form for termisk forurening og er reguleret af KV 316(a). Konventionel visdom konkluderer, at køletårne er mindre effektive end open-loop kølesystemer, fordi de trækker mindre vand tilbage, selvom køletårne bruger mere vand, som tidligere nævnt.

i det første årti af det 21.århundrede var 43% af amerikanske termoelektriske kraftværker store kraftværker med produktionskapacitet på over 100 MVV. Af disse store kraftværker brugte 42% vådrecirkulerende køletårne (dvs.lukket kredsløb) og 14,5% brugte kølebeholdere. De resterende 43% af disse store kraftværker brugte en gang gennem køling, og knap 1% bruger tør køling (King et al., 2013). De fleste af disse anlæg med en gang igennem kølesystemer blev bygget, før CVA blev vedtaget eller blev bedstefar, når lovgivningen blev vedtaget. Mange af dem er også de samme anlæg, der blev bygget før strenge emissionskontrol. Dette betyder, at de fleste af dem er årtier gamle og samtidig er beskidte og tørstige (bortset fra dem, der tilføjede skrubbere), og om de lukkes ned i bytte for nyere, renere, slankere planter forbliver en meget anfægtet offentlig politisk debat.

fremadrettet kan nye hybrid-og tørre systemer se større implementering på grund af truende lovkrav og konkurrence om vand. For eksempel foreslog California State Lands Commission et moratorium for opførelse af nye kraftværker med open-loop kølesystemer, der kolliderer med separate bestræbelser på at skubbe kraftværker til kystregioner, hvor open-loop køling kan bruge havvand til at spare indre ferskvand (CASLC, 2006). Kystvand har højere ydelsesfordele, fordi det har en relativt lavere temperatur, hvilket forbedrer kraftværkets effektivitet. Imidlertid, miljøhensyn om oceaniske dyreliv er i direkte konflikt med miljøhensyn om indre ferskvandsforsyning.

som tidligere nævnt findes der mere vandeffektive køleteknologier; disse systemer har imidlertid ulemper. Tørkølede systemer trækker og forbruger mindre end 10% af vandet i vådkølede systemer. Imidlertid har tørkølesystemer højere kapitalomkostninger og reducerer anlæggets samlede effektivitet, hvilket øger omkostninger og emissioner pr. Fordi luftens varmekapacitet er så meget lavere end vand, skal der flyttes meget mere luft for at opnå den samme afkøling som med vand. Dette betyder meget større faciliteter til at skabe de større køleflader i tørkølesystemer, hvilket dramatisk øger kapitalomkostningerne. Desuden kan et kraftværk med tør køling opleve et 1% effektivitetstab for hver 1 liter f-stigning i kondensatoren, hvilket begrænser kraftproduktionen baseret på omgivende lufttemperaturer (Kutscher et al., 2006).

fordi de omfatter både lukket kredsløb våd og tør køling, giver hybrid våd-tør–kølesystemer et kompromis mellem våd-og tørkølesystemer. Hybrid våd-tør-kølesystemer kan således have lavt vandforbrug i store dele af året ved primært at fungere i tør tilstand, men har fleksibiliteten til at fungere mere effektivt i våd tilstand i de varmeste tider af året. Desværre er vandressourcer typisk mindre tilgængelige i disse spidsbelastningstider. Selvom tør-og hybridkølesystemer er gennemprøvede teknologier, forhindrer lave vandpriser og senior vandrettigheder for elgeneratorer dem normalt i at være økonomisk konkurrencedygtige design. Men i vandbegrænsede områder, hvor vand ikke er tilgængeligt til afkøling, er tørkøling ofte det eneste alternativ. I sådanne tilfælde er de forhåndskapitalomkostninger og parasitære effektivitetsbelastninger lettere berettigede.