3 Indirekte Wassernutzung zur Stromerzeugung: Thermoelektrische Kraftwerke

Neben der direkten Stromerzeugung ermöglicht Wasser indirekt die Stromerzeugung durch die Kühlung, die es für thermoelektrische Kraftwerke im Dampfkreislauf (auch Rankine-Zyklus genannt) bereitstellt. Thermoelektrische Kraftwerke nutzen Wärme zur Stromerzeugung und sind für mehr als 90% des in den USA erzeugten Stroms verantwortlich (ungefähr 3500 der jährlich erzeugten 4000 Millionen MWh). Die meisten dieser Kraftwerke, die 75% des Strombedarfs decken, nutzen den Dampfkreislauf, der eine umfangreiche Kühlung erfordert. Kraftwerke verwenden Wasser auch für die Kraftstoffproduktion in der Mine oder am Abbauort und für die Emissionskontrolle im Kraftwerk. Der Bergbausektor, zu dem die mineralgewinnende Industrie für die Herstellung von Kraftstoffen gehört, benötigt weitere 4 Milliarden Gallonen pro Tag, und der Industriesektor, zu dem Raffinerien und andere Einrichtungen zur Aufwertung von Kraftstoffen gehören, ist für weitere 14 Milliarden Gallonen pro Tag verantwortlich Entnahmen in den Vereinigten Staaten (USGS, 2014).

Wie bereits erwähnt, ist der Energiesektor die größte Ursache für Wasserentnahmen, aber der Agrarsektor ist der größte Wasserverbraucher. Ein solches Phänomen liegt daran, dass der größte Teil des Wassers, das für Kraftwerke entnommen wird, zur Quelle zurückgeführt wird, wenn auch mit einer anderen Qualität (hauptsächlich bei einer anderen Temperatur). Der Energiesektor entzieht in erster Linie Oberflächenwasser, an einigen Standorten jedoch auch Grundwasser. Vom Oberflächenwasser ist etwa ein Drittel Salzwasser. Der größte Teil des entnommenen Salzwassers dient zur Kühlung von Kraftwerken an der Küste (obwohl einige Kraftwerke Brackwasser zur Kühlung verwenden).Im gesamten thermoelektrischen Energiesektor werden landesweit etwa 15 Gallonen Wasser entnommen und weniger als 1 Gallone pro erzeugter Kilowattstunde Strom verbraucht. Wasserkraftwerke sind mit einem Wasserverbrauch von fast 20 Gallonen pro Kilowattstunde verbunden, vor allem, weil die vergrößerte Oberfläche künstlicher Reservoirs über den nominalen Lauf des Flusses hinaus die Verdunstungsraten aus Flusseinzugsgebieten beschleunigt (Torcellini et al., 2003).

Der Rankine-Zyklus, benannt nach dem berühmten Thermodynamiker William Rankine, ist auch als Dampfzyklus bekannt. Es nutzt Wärme, um Dampf zu erzeugen, der eine Turbine antreibt, die einen Generator dreht, um Strom zu erzeugen. Der Dampfkreislauf wird verwendet, um ungefähr 75% der gesamten Energie in den Vereinigten Staaten zu erzeugen. Ein wichtiger Schritt im Dampfkreislauf ist das Abkühlen, um den Dampf zu flüssigem Wasser zu kondensieren, damit er in einer kontinuierlichen Schleife wieder verwendet werden kann. Diese Kühlung kann mit einer Vielzahl von Flüssigkeiten erreicht werden, aber aufgrund der hohen Wärmekapazität, der relativen Häufigkeit und der weit verbreiteten Verteilung von Wasser ist es das weltweit häufigste Kühlmittel.Andere Leistungszyklen umfassen den Brayton-Zyklus, der auch als offener Zyklus, einfacher Zyklus oder Verbrennungsturbine bekannt ist. Diese Systeme verwenden häufig Turbinen, die aufgrund ihrer Abstammung mit Turbinen, die für den Flugzeugantrieb verwendet werden, als „Aeroderivative“ bezeichnet werden. Ein kombinierter Zyklus wird so genannt, weil er einen Rankine-Zyklus und einen Brayton-Zyklus kombiniert, um mit höherer Effizienz zu arbeiten.

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 wenig des Gesamtwassers, das wegen der Verdunstung verbraucht wird. Während die Kühlung mit offenem Kreislauf energieeffizient und niedrig in der Infrastruktur und den Betriebskosten ist, ist das abgeleitete Wasser wärmer als das Umgebungswasser, was zu einer thermischen Verschmutzung führt, die Fische töten und aquatische Ökosysteme schädigen kann. So regulieren Umweltbehörden die Austrittstemperaturen unter Berücksichtigung der Wärmeableitungskapazität eines Wasserkörpers.

Die Kühlung mit geschlossenem Kreislauf erfordert weniger Wasserentnahme, da das Wasser durch die Verwendung von Kühltürmen oder Verdampfungsteichen (Reservoirs für die Kühlung von Kraftwerken) rezirkuliert wird. Da die Kühlung jedoch im Wesentlichen durch Verdampfung erreicht wird, verursacht die Kühlung mit geschlossenem Kreislauf einen höheren Wasserverbrauch. Die Alternative, die Luftkühlung, benötigt kein Wasser, sondern kühlt mit Hilfe von Lüftern, die Luft über einen Kühler ähnlich dem in Automobilen bewegen. Die Effizienz von Kraftwerken für die Luftkühlung ist jedoch geringer, die Kapitalkosten im Vorfeld sind höher und der Immobilienbedarf ist manchmal größer, was diese Option wirtschaftlich oft weniger attraktiv macht, es sei denn, die Wasserressourcen sind knapp.

Obwohl Kraftwerke den größten Teil des entnommenen Wassers zurückgewinnen, führt der Bedarf an so großen Wassermengen mit der richtigen Temperatur zur Kühlung zu Schwachstellen für die Kraftwerke. Wenn eine schwere Dürre oder Hitzewelle die Verfügbarkeit von Wasser verringert oder seine Wirksamkeit zur Kühlung aufgrund von Wärmeübertragungshemmungen oder thermischen Verschmutzungsgrenzen einschränkt, wird die Tatsache, dass das Kraftwerk so wenig Wasser verbraucht, weniger wichtig als die Tatsache, dass es das Wasser überhaupt benötigt.

Kraftwerke, die vor über 50 Jahren gebaut wurden, verwendeten fast ausschließlich Open-Loop-Kühlkonzepte, die sehr hohe Wasserentnahmen aufweisen. Als diese Kraftwerke gebaut wurden, wurde Wasser als reichlich wahrgenommen und Umweltvorschriften waren praktisch nicht vorhanden. In den 1960er und 1970er Jahren nahmen die Umweltbedenken in Bezug auf Wasser zu und begannen eine Ära des regulatorischen Drucks, den Wasserverbrauch in Kraftwerken zu reduzieren.Die wichtigste Gesetzgebung war der Clean Water Act (CWA), der laut der Environmental Protection Agency (EPA) „… die Grundstruktur für die Regulierung von Schadstoffeinleitungen in die Gewässer der Vereinigten Staaten und die Regulierung von Qualitätsstandards für Oberflächengewässer festlegt“ (EPA CWA Zusammenfassung, EPA CWA Geschichte). Das Bundesgesetz über die Kontrolle der Wasserverschmutzung von 1948 diente als Grundlage für den Rechtsrahmen, der 1972 nach erheblicher Umstrukturierung und Erweiterung zum CWA im Volksmund wurde. Die CWA gibt der EPA die Befugnis, Umweltschutzprogramme umzusetzen, einschließlich der Festlegung von Abwasserstandards für die Industrie und Wasserqualitätsstandards für Oberflächengewässer.Die CWA verbot die unerlaubte Einleitung von Schadstoffen aus einer Punktquelle in schiffbare Gewässer, was zur Schaffung des Genehmigungsprogramms des National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES) der EPA zur Kontrolle von Einleitungen führte. Punktquellen (dh die diskreten Stellen wie Rohre oder künstliche Gräben) werden von der CWA geregelt. Während Häuser im Allgemeinen keine NPDES-Genehmigung für ihre Abwasserströme in die Kanalisation oder Klärgruben benötigen, müssen industrielle, kommunale und andere Einrichtungen Genehmigungen für ihre Einleitungen in Oberflächengewässer einholen. Auf diese Weise regelt die CWA die Ableitungen aus Kraftwerken. Sie regeln auch den Aufnahmebedarf.Kraftwerke, die seitdem gebaut wurden, haben fast ausschließlich Closed-Loop-Designs mit Kühltürmen verwendet, um vielen Umweltinteressen zu dienen, indem sie die Mitnahme (Fische und Wasserorganismen werden aus der Umwelt in die Kraftwerksanlage zurückgezogen) und das Auftreffen (Fische und Wasserorganismen werden gegen Wasseransauggitter gepinnt) von Wassertieren stark reduzieren. Dies bedeutete, dass die Wasserentnahmen als Reaktion auf §316 (b) des 1972 verabschiedeten CWA zurückgegangen sind.

Sie verhindern auch die künstliche Erwärmung von Gewässern, die eine Form der thermischen Verschmutzung darstellt und in §316(a) des CWA geregelt ist. Konventionelle Weisheit kommt zu dem Schluss, dass Kühltürme sind weniger wirkungsvoll als Open-Loop-Kühlsysteme, weil sie weniger Wasser entziehen, obwohl Kühltürme verbrauchen mehr Wasser, wie bereits erwähnt.

Im ersten Jahrzehnt des 21.Jahrhunderts waren 43% der thermoelektrischen Kraftwerke in den USA Großkraftwerke mit Erzeugungskapazitäten von über 100 MW. Von diesen großen Kraftwerken verwendeten 42% Nassumlaufkühltürme (dh geschlossene Kühltürme) und 14,5% Kühlreservoirs. Die restlichen 43% dieser Großkraftwerke verwendeten einmal Durchlaufkühlung und knapp 1% Trockenkühlung (King et al., 2013). Die meisten dieser Anlagen mit durchgehenden Kühlsystemen wurden gebaut, bevor das CWA in Kraft trat, oder sie wurden nach der Verabschiedung der Gesetzgebung großväterlich behandelt. Viele von ihnen sind auch die gleichen Anlagen, die vor strengen Emissionskontrollen gebaut wurden. Dies bedeutet, dass die meisten von ihnen Jahrzehnte alt sind und gleichzeitig schmutzig und durstig sind (mit Ausnahme derjenigen, die Wäscher hinzugefügt haben), und ob sie im Austausch für neuere, sauberere und schlankere Anlagen stillgelegt werden, bleibt eine heiß umkämpfte öffentliche Debatte.In Zukunft könnten neue Hybrid- und Trockensysteme aufgrund sich abzeichnender regulatorischer Anforderungen und des Wettbewerbs um Wasser stärker umgesetzt werden. Zum Beispiel schlug die California State Lands Commission ein Moratorium für den Bau neuer Kraftwerke mit Open-Loop-Kühlsystemen vor, was mit separaten Bemühungen kollidiert, Kraftwerke in Küstenregionen zu verlagern, in denen Open-Loop-Kühlung Meerwasser nutzen kann, um Binnengewässer zu schonen (CASLC, 2006). Küstenwasser hat höhere Leistungsvorteile, da es eine relativ niedrigere Temperatur hat, was die Effizienz des Kraftwerks verbessert. Umweltbedenken hinsichtlich der Tierwelt der Ozeane stehen jedoch in direktem Widerspruch zu Umweltbedenken hinsichtlich der Süßwasserversorgung im Inland.

Wie bereits erwähnt, gibt es wassereffizientere Kühltechnologien; Diese Systeme haben jedoch Nachteile. Trockengekühlte Systeme entziehen und verbrauchen weniger als 10% des Wassers von nassgekühlten Systemen. Trockenkühlsysteme haben jedoch höhere Kapitalkosten und verringern die Gesamteffizienz der Anlage, was die Kosten und Emissionen pro erzeugter Stromeinheit erhöht. Da die Wärmekapazität von Luft so viel geringer ist als von Wasser, muss viel mehr Luft bewegt werden, um die gleiche Kühlung wie bei Wasser zu erreichen. Dies bedeutet viel größere Anlagen, um die größeren Kühlflächen in Trockenkühlsystemen zu schaffen, was die Kapitalkosten drastisch erhöht. Darüber hinaus kann ein Kraftwerk mit Trockenkühlung für jede Erhöhung des Kondensators um 1 ° F einen Effizienzverlust von 1% aufweisen, wodurch die Stromerzeugung basierend auf den Umgebungslufttemperaturen begrenzt wird (Kutscher et al., 2006).Da sie sowohl eine geschlossene Nass- als auch eine Trockenkühlung umfassen, bieten hybride Nass–Trockenkühlsysteme einen Kompromiss zwischen Nass- und Trockenkühlsystemen. So können hybride Nass-Trocken-Kühlsysteme für einen Großteil des Jahres einen niedrigen Wasserverbrauch haben, indem sie hauptsächlich im Trockenmodus arbeiten, aber die Flexibilität haben, während der heißesten Zeiten des Jahres effizienter im Nassmodus zu arbeiten. Leider sind Wasserressourcen in diesen Spitzenzeiten in der Regel weniger verfügbar. Obwohl Trocken- und Hybridkühlsysteme bewährte Technologien sind, verhindern niedrige Wasserpreise und höhere Wasserrechte für Stromerzeuger in der Regel, dass sie wirtschaftlich wettbewerbsfähig sind. In Regionen mit Wasserknappheit, in denen kein Wasser zur Kühlung zur Verfügung steht, ist die Trockenkühlung jedoch oft die einzige Alternative. In solchen Fällen sind die Kapitalkosten im Vorfeld und die parasitären Effizienzlasten leichter zu rechtfertigen.