3 epäsuora veden käyttö sähköntuotantoon: Lämpövoimalaitokset

suoran sähköntuotannon lisäksi vesi mahdollistaa välillisesti sähköntuotannon sen tarjoaman jäähdytyksen kautta lämpövoimalaitoksille, jotka toimivat höyrykiertolla (tunnetaan myös nimellä Rankine-sykli). Lämpövoimalat käyttävät lämpöä sähkön tuottamiseen ja vastaavat yli 90 prosentista Yhdysvalloissa tuotetusta sähköstä (noin 3500 vuosittain tuotetusta 4000 miljoonasta MWh: sta). Useimmat näistä voimaloista, jotka täyttävät 75% sähköntarpeesta, käyttävät höyrykiertoa, joka vaatii laajaa jäähdytystä. Voimalaitokset käyttävät vettä myös kaivoksen tai ottopaikan polttoainetuotantoon ja voimalaitoksen päästöjenrajoitukseen. Kaivosala, johon sisältyy kaivannaisteollisuus polttoaineiden tuotantoa varten, vaatii vielä 4 miljardia gallonaa päivässä, ja teollisuusala, johon kuuluvat jalostamot ja muut polttoaineiden jalostuslaitokset, vastaa 14 miljardin gallonan nostoista päivässä Yhdysvalloissa (USGS, 2014).

kuten aiemmin todettiin, sähköala on suurin veden poistojen aiheuttaja, mutta maatalous on suurin veden kuluttaja. Tällainen ilmiö johtuu siitä, että suurin osa voimaloille vedettävästä vedestä palautetaan lähteeseen, joskin laadultaan erilaisena (pääasiassa eri lämpötilassa). Voimala vetää pääasiassa pintavettä, joskin paikoin myös pohjavettä. Pintavedestä noin kolmannes on suolaista vettä. Suurin osa poistetusta suolavedestä on tarkoitettu rannikolla sijaitsevien voimalaitosten jäähdytykseen (joskin jotkin voimalaitokset käyttävät jäähdytykseen murtovettä).

valtakunnallisesti lämpösähkösektorilla vettä vedetään noin 15 gallonaa ja jokaista tuotettua kilowattituntia kohti kulutetaan alle 1 gallona. Vesivoimalapadot liittyvät lähes 20 gallonan vedenkulutukseen kilowattituntia kohti pääasiassa siksi, että keinotekoisten tekoaltaiden pinta-alan kasvu yli nimellisen joen virtaaman kiihdyttää haihtumisnopeutta jokialueilta (Torcellini et al., 2003).

kuuluisan termodynaamikon William Rankinen mukaan nimetty Rankiinikierto tunnetaan myös höyrykiertona. Se luo lämmön avulla höyryä, joka pyörittää turbiinia, joka pyörittää generaattoria sähkön tuottamiseksi. Höyrykierto tuottaa noin 75% kaikesta sähköstä Yhdysvalloissa. Höyrykierron keskeinen vaihe on jäähdytys, jolla höyry tiivistetään nestemäiseksi vedeksi, jotta sitä voidaan käyttää uudelleen jatkuvassa silmukassa. Tämä jäähdytys voidaan toteuttaa erilaisilla nesteillä, mutta veden suuren lämpökapasiteetin, suhteellisen runsauden ja laajan jakelun vuoksi se on maailman yleisin jäähdytysneste.

muita tehosyklejä ovat Braytonin sykli, joka tunnetaan myös nimillä avoin sykli, yksinkertainen sykli tai polttoturbiini. Nämä järjestelmät käyttävät usein turbiineja, joita laskutetaan ”aeroderivatiiveiksi”, koska ne ovat sukua turbiineille, joita käytetään lentokoneiden työntövoimana. Yhdistetty sykli on niin nimetty, koska se yhdistää Rankine-syklin ja Brayton-syklin toimimaan suuremmalla hyötysuhteella.

kuva 4. Jäähdytysmenetelmiä on kolme: open-loop, closed-loop ja air cooling.

Courtesy of Stillwell, A. S., 2010. Energy-Water Nexus in Texas (Pro gradu). Texasin yliopisto Austinissa.

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 haihtuminen kuluttaa vain vähän vettä. Vaikka avoimen kierron jäähdytys on energiatehokasta ja alhaiset infrastruktuuri-ja käyttökustannukset, päästetty vesi on lämpimämpää kuin ympäröivä vesi, mikä aiheuttaa lämpösaastetta, joka voi tappaa kaloja ja vahingoittaa vesiekosysteemejä. Näin ympäristövirastot säätelevät päästölämpötiloja ottaen huomioon vesistön lämmönhäviökyvyn.

suljetun kierron jäähdytys vaatii vähemmän vedenottoa, koska vesi kierretään uudelleen käyttämällä jäähdytystorneja tai haihdutusaltaita (jotka ovat voimalaitoksen jäähdytykseen tarkoitettuja altaita). Koska jäähdytys tapahtuu kuitenkin lähinnä haihduttamalla, suljetun kierron jäähdytys aiheuttaa suuremman vedenkulutuksen. Vaihtoehto, ilmajäähdytys, ei vaadi vettä, vaan jäähdyttää käyttämällä puhaltimia, jotka liikuttavat ilmaa jäähdyttimen päällä samanlaisella tavalla kuin autoissa. Voimalaitoksen tehokkuus ilmajäähdytyksessä on kuitenkin alhaisempi, alkupääomakustannukset ovat korkeammat ja kiinteistötarpeet ovat joskus suurempia, mikä usein tekee tästä vaihtoehdosta taloudellisesti vähemmän houkuttelevan, ellei vesivaroja ole niukasti.

vaikka voimalaitokset palauttavat suurimman osan vetämästään vedestä, niin näin suurten vesimäärien tarve oikeassa lämpötilassa jäähdytystä varten tuo voimaloille haavoittuvuuksia. Jos ankara kuivuus tai helleaalto heikentää veden saatavuutta tai rajoittaa sen tehoa jäähdytykseen lämmönsiirtoesteiden tai lämpösaasterajojen vuoksi, se, että voimalaitos kuluttaa niin vähän vettä, on vähemmän tärkeää kuin se, että se ylipäätään tarvitsee vettä.

yli 50 vuotta sitten rakennetuissa voimaloissa käytettiin lähes yksinomaan avoimen kierron jäähdytysmalleja, joissa on erittäin korkea vedenotto. Kun näitä voimaloita rakennettiin, vesi miellettiin runsaaksi ja ympäristömääräykset olivat käytännössä olemattomat. 1960-ja 1970-luvuilla ympäristöön liittyvät huolet lisääntyivät, mikä käynnisti aikakauden, jolloin säätelypaineet vähensivät veden käyttöä voimalaitoksissa.

niiden keskeinen lainsäädäntö oli Clean Water Act (CWA), joka ympäristönsuojeluviraston (EPA) mukaan ”…establishe the basic structure for regulating diseases into the waters of the United States and regulating quality standards for surface waters” (EPA CWA Summary, EPA CWA History). Federal Water Pollution Control Act of 1948 toimi perustana sääntelykehys, joka myöhemmin tuli CWA suosittu kielenkäytössä vuonna 1972 jälkeen merkittävä uudelleenorganisointi ja laajentaminen. CWA antaa EPA: n viranomaiselle tehtäväksi toteuttaa pilaantumisen valvontaohjelmia, mukaan lukien jätevesistandardien laatiminen teollisuudelle ja veden laatustandardien laatiminen pintavesille.

CWA kielsi kaikkien epäpuhtauksien päästämisen pistelähteestä purjehduskelpoisiin vesiin, mikä johti EPA: n kansallisen epäpuhtauspäästöjen poistojärjestelmän (NPDES) käyttöönottoon päästöjen valvomiseksi. Pistelähteitä (ts.erillisiä paikkoja, kuten putkia tai ihmisen ojat) säännellään CWA. Vaikka kodit eivät yleensä tarvitse NPDES-lupaa jätevesivirtaukselleen viemäreihin tai viemäreihin, teollisuuden, kuntien ja muiden laitosten on hankittava luvat pintavesiin meneville päästöilleen. Tällä tavoin CWA säätelee voimalaitosten päästöjä. Ne säätelevät myös saantivaatimuksia.

sen jälkeen rakennetuissa voimalaitoksissa on käytetty lähes yksinomaan jäähdytystorneilla varustettuja suljetun kierron malleja, jotka palvelevat monia ympäristön etuja vähentämällä huomattavasti vesieläinten joutumista (kalat ja vesieliöt vetäytyvät ympäristöstä voimalaitoslaitokseen) ja joutumista (kalat ja vesieliöt joutuvat vedenottosuojiin). Tämä merkitsi sitä, että veden nostot ovat vähentyneet vuonna 1972 hyväksytyn CWA: n 316§: n b momentin johdosta.

ne estävät myös vesiympäristöjen keinotekoisen kuumentamisen, joka on eräs lämpösaasteen muoto ja jota säännellään CWA: n 316§: n a momentilla. Conventional wisdom päättelee, että jäähdytystornit ovat vähemmän vaikuttavia kuin avoimen kierron jäähdytysjärjestelmät, koska ne vetävät vähemmän vettä, vaikka jäähdytystornit kuluttavat enemmän vettä, kuten edellä todettiin.

2000-luvun ensimmäisellä vuosikymmenellä 43% Yhdysvaltain lämpövoimaloista oli suuria voimaloita, joiden tuotantokapasiteetti oli yli 100 MW. Näistä suurista voimalaitoksista 42% käytti märkäkiertojäähdytystorneja (eli suljettua kierrettä) ja 14,5% jäähdytysvarastoja. Loput 43% näistä suurista voimaloista käyttivät kertajäähdytystä ja vajaa 1% kuivajäähdytystä (King ym., 2013). Suurin osa laitoksista, joissa on kertajäähdytysjärjestelmä, on rakennettu ennen CWA: n käyttöönottoa tai ne on hyväksytty uudelleen, kun lainsäädäntö on hyväksytty. Monet niistä ovat myös samoja voimaloita, jotka on rakennettu ennen tiukkaa päästörajoitusta. Tämä tarkoittaa, että useimmat niistä ovat vuosikymmeniä vanhoja ja ovat samanaikaisesti likaisia ja janoisia (lukuun ottamatta niitä, jotka ovat lisänneet rikkipesurit) ja onko ne suljetaan vastineeksi uudempia, puhtaampia, kevyempi voimalat on edelleen kiivaasti kiistanalainen Julkinen poliittinen keskustelu.

uusien hybridi-ja kuivajärjestelmien käyttöönotto saattaa nopeutua, koska uhkana ovat lainsäädännölliset vaatimukset ja kilpailu vedestä. Esimerkiksi California State Lands Commission ehdotti uusien avoimen kierron jäähdytysjärjestelmillä varustettujen voimaloiden rakentamisen keskeyttämistä, mikä on ristiriidassa erillisten pyrkimysten kanssa siirtää voimaloita rannikkoalueille, joilla avoimen kierron jäähdytys voi käyttää merivettä sisämaan makean veden säästämiseen (CASLC, 2006). Rannikkovedellä on suurempi hyötysuhde, koska se on suhteellisen matalammassa lämpötilassa, mikä parantaa voimalaitoksen tehokkuutta. Meren eläimistöön liittyvät ympäristöhuolet ovat kuitenkin suorassa ristiriidassa sisämaan makeanveden tarjontaan liittyvien ympäristöhuolien kanssa.

kuten aiemmin todettiin, on olemassa vesitehokkaampia jäähdytystekniikoita; näillä järjestelmillä on kuitenkin haittapuolensa. Kuivajäähdytteiset järjestelmät vetäytyvät ja kuluttavat alle 10% märkäjäähdytteisten järjestelmien vedestä. Kuivajäähdytysjärjestelmillä on kuitenkin suuremmat pääomakustannukset ja ne heikentävät laitoksen kokonaistehokkuutta, mikä lisää kustannuksia ja päästöjä tuotettua sähköyksikköä kohti. Koska ilman lämpökapasiteetti on niin paljon pienempi kuin veden, on ilmaa liikuteltava paljon enemmän, jotta saadaan aikaan sama jäähdytys kuin vedellä. Tämä tarkoittaa paljon suurempia tiloja, joilla voidaan luoda suurempia jäähdytyspintoja kuivajäähdytysjärjestelmiin, mikä lisää merkittävästi pääomakustannuksia. Lisäksi kuivajäähdytteinen voimalaitos voi kokea 1%: n hyötysuhteen menetyksen jokaista lauhduttimen 1°F: n lisäystä kohden rajoittaen ilman lämpötiloihin perustuvaa sähköntuotantoa (Kutscher et al., 2006).

koska niihin sisältyy sekä suljetun kierron märkä-että kuivajäähdytys, hybridiset märkä–kuivajäähdytysjärjestelmät ovat kompromissi märkä-ja kuivajäähdytysjärjestelmien välillä. Näin ollen hybridisten märkäjäähdytysjärjestelmien Vedenkulutus voi olla alhainen suuren osan vuotta, koska ne toimivat pääasiassa kuivassa tilassa, mutta niillä on joustavuutta toimia tehokkaammin märässä tilassa vuoden kuumimpina aikoina. Valitettavasti vesivaroja on tyypillisesti vähemmän saatavilla näinä kysyntähuippujen aikoina. Vaikka kuiva-ja hybridijäähdytysjärjestelmät ovat hyväksi havaittuja teknologioita, alhaiset veden hinnat ja sähköntuottajien ylemmät vesioikeudet estävät yleensä niiden taloudellisesti kilpailukykyiset mallit. Vesipulassa olevilla alueilla, joilla vettä ei ole saatavilla jäähdytykseen, kuivajäähdytys on kuitenkin usein ainoa vaihtoehto. Tällaisissa tapauksissa alkupääomakustannukset ja loistehokuormitukset ovat helpommin perusteltavissa.