3Utilisation indirecte de l’eau pour la production d’électricité: Centrales thermoélectriques

En plus de la production d’électricité directe, l’eau permet indirectement la production d’électricité grâce au refroidissement qu’elle fournit aux centrales thermoélectriques fonctionnant sur le cycle de vapeur (également connu sous le nom de cycle de Rankine). Les centrales thermoélectriques utilisent la chaleur pour produire de l’électricité et sont responsables de plus de 90% de l’électricité produite aux États-Unis (environ 3500 des 4000 millions de MWh générés annuellement). La plupart de ces centrales, satisfaisant 75% des besoins en énergie, utilisent le cycle de vapeur, qui nécessite un refroidissement important. Les centrales électriques utilisent également l’eau pour la production de combustibles à la mine ou au point d’extraction et pour le contrôle des émissions à la centrale. Le secteur minier, qui comprend les industries extractives pour la production de combustibles, a besoin de 4 milliards de gallons supplémentaires par jour, et le secteur industriel, qui comprend les raffineries et autres installations de valorisation des combustibles, est responsable de 14 milliards de gallons supplémentaires par jour de prélèvements aux États-Unis (USGS, 2014).

Comme indiqué précédemment, le secteur de l’électricité est la principale cause de prélèvements d’eau, mais le secteur agricole est le plus grand consommateur d’eau. Un tel phénomène est dû au fait que la majeure partie de l’eau prélevée pour les centrales électriques est renvoyée à la source, mais avec une qualité différente (principalement à une température différente). Le secteur de l’électricité retire principalement les eaux de surface, bien que dans certains endroits, il retire également les eaux souterraines. De l’eau de surface, environ un tiers est de l’eau salée. La majeure partie de l’eau salée prélevée est destinée au refroidissement des centrales électriques situées sur la côte (bien que certaines centrales utilisent des eaux souterraines saumâtres pour le refroidissement).

Dans l’ensemble du secteur de l’énergie thermoélectrique à l’échelle nationale, environ 15 gallons d’eau sont prélevés et moins de 1 gallon est consommé pour chaque kilowattheure d’électricité produite. Les barrages hydroélectriques sont associés à près de 20 gallons d’eau consommés par kilowattheure principalement parce que la surface accrue des réservoirs artificiels au-delà du cours d’eau nominal accélère les taux d’évaporation des bassins fluviaux (Torcellini et al., 2003).

Le cycle de Rankine, nommé d’après le célèbre thermodynamicien William Rankine, est également connu sous le nom de cycle de la vapeur. Il utilise la chaleur pour créer de la vapeur qui entraîne une turbine qui fait tourner un générateur pour produire de l’électricité. Le cycle de vapeur est utilisé pour générer environ 75% de toute l’énergie aux États-Unis. Une étape clé du cycle de la vapeur est le refroidissement pour condenser la vapeur en eau liquide afin qu’elle puisse être réutilisée dans une boucle continue. Ce refroidissement peut être effectué avec une variété de fluides, mais en raison de la capacité calorifique élevée de l’eau, de son abondance relative et de sa distribution généralisée, il s’agit du liquide de refroidissement le plus courant au monde.

D’autres cycles de puissance incluent le cycle de Brayton, également appelé cycle ouvert, cycle simple ou turbine à combustion. Ces systèmes utilisent souvent des turbines qualifiées d ‘”aérodérivantes » en raison de leur lignée avec des turbines utilisées pour la propulsion des avions. Un cycle combiné est ainsi nommé car il combine un cycle de Rankine et un cycle de Brayton pour fonctionner à un rendement plus élevé.

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 une petite partie de l’eau totale consommée à cause de l’évaporation. Bien que le refroidissement en boucle ouverte soit économe en énergie et que les coûts d’infrastructure et d’exploitation soient faibles, l’eau rejetée est plus chaude que l’eau ambiante, provoquant une pollution thermique qui peut tuer les poissons et nuire aux écosystèmes aquatiques. Ainsi, les agences environnementales régulent les températures de décharge, en tenant compte de la capacité de dissipation thermique d’un plan d’eau.

Le refroidissement en boucle fermée nécessite moins de prélèvement d’eau, car l’eau est recirculée grâce à l’utilisation de tours de refroidissement ou de bassins d’évaporation (qui sont des réservoirs dédiés au refroidissement des centrales électriques). Cependant, comme le refroidissement est essentiellement obtenu par évaporation, le refroidissement en boucle fermée entraîne une consommation d’eau plus élevée. L’alternative, le refroidissement par air, ne nécessite pas d’eau, mais se refroidit à l’aide de ventilateurs qui déplacent l’air sur un radiateur similaire à celui des automobiles. Cependant, l’efficacité des centrales électriques pour le refroidissement de l’air est plus faible, les coûts d’investissement initiaux sont plus élevés et les besoins immobiliers sont parfois plus importants, ce qui rend souvent cette option moins attrayante économiquement à moins que les ressources en eau ne soient rares.

Même si les centrales électriques restituent la majeure partie de l’eau qu’elles retirent, la nécessité d’avoir de telles quantités d’eau à la bonne température pour le refroidissement introduit des vulnérabilités pour les centrales électriques. Si une sécheresse ou une vague de chaleur sévère réduit la disponibilité de l’eau ou limite son efficacité pour le refroidissement en raison d’inhibitions de transfert de chaleur ou de limites de pollution thermique, le fait que la centrale consomme si peu d’eau devient moins important que le fait qu’elle ait besoin de l’eau en premier lieu.

Les centrales électriques construites il y a plus de 50 ans utilisaient presque exclusivement des conceptions de refroidissement en boucle ouverte, qui ont des prélèvements d’eau très élevés. Lors de la construction de ces centrales, l’eau était perçue comme abondante et les réglementations environnementales étaient pratiquement inexistantes. Au cours des années 1960 et 1970, les préoccupations environnementales concernant l’eau ont augmenté, ce qui a déclenché une ère de pression réglementaire pour réduire l’utilisation de l’eau dans les centrales électriques.

La législation clé était la Clean Water Act (CWA), qui, selon l’Agence de protection de l’environnement (EPA) « establ établit la structure de base pour réglementer les rejets de polluants dans les eaux des États-Unis et réglementer les normes de qualité pour les eaux de surface » (Résumé de l’EPA CWA, Historique de l’EPA CWA). La Loi fédérale sur le contrôle de la pollution de l’eau de 1948 a servi de base au cadre réglementaire qui est devenu plus tard la CWA dans le langage populaire en 1972 après une réorganisation et une expansion importantes. La CWA donne à l’EPA le pouvoir de mettre en œuvre des programmes de contrôle de la pollution, y compris l’établissement de normes sur les eaux usées pour l’industrie et de normes sur la qualité de l’eau pour les eaux de surface.

La CWA a interdit le rejet non autorisé de tout polluant d’une source ponctuelle dans les eaux navigables, ce qui a conduit à la création du programme de permis du Système National d’Élimination des rejets de polluants (NPDES) de l’EPA pour contrôler les rejets. Les sources ponctuelles (c’est-à-dire les emplacements discrets tels que les tuyaux ou les fossés artificiels) sont réglementées par le CWA. Bien que les maisons n’aient généralement pas besoin d’un permis NPDES pour que leurs eaux usées s’écoulent dans les égouts ou les fosses septiques, les installations industrielles, municipales et autres doivent obtenir des permis pour leurs rejets dans les eaux de surface. De cette façon, la CWA régule les rejets des centrales électriques. Ils réglementent également les exigences d’admission.

Les centrales électriques construites depuis lors ont presque exclusivement utilisé des conceptions en boucle fermée avec des tours de refroidissement comme moyen de servir de nombreux intérêts environnementaux en réduisant considérablement l’entraînement (les poissons et les organismes aquatiques sont retirés de l’environnement dans l’installation de la centrale) et l’impact (les poissons et les organismes aquatiques sont coincés contre les écrans de prise d’eau) de la faune aquatique. Cela signifie que les prélèvements d’eau ont diminué en réponse au §316(b) de la loi sur les eaux usées adoptée en 1972.

Ils empêchent également le chauffage artificiel des milieux aquatiques, qui est une forme de pollution thermique et est réglementé par le §316 (a) de la CWA. La sagesse conventionnelle conclut que les tours de refroidissement ont moins d’impact que les systèmes de refroidissement à boucle ouverte, car elles retirent moins d’eau, même si les tours de refroidissement consomment plus d’eau, comme indiqué précédemment.

Au cours de la première décennie du 21e siècle, 43% des centrales thermoélectriques américaines étaient de grandes installations électriques avec des capacités de production de plus de 100 MW. Parmi ces grandes centrales, 42% utilisaient des tours de refroidissement à recirculation humide (c’est-à-dire en boucle fermée) et 14,5% utilisaient des réservoirs de refroidissement. Les 43% restants de ces grandes centrales ont utilisé le refroidissement à une seule fois, et un peu moins de 1% utilisent le refroidissement à sec (King et al., 2013). La plupart de ces centrales dotées de systèmes de refroidissement à passage unique ont été construites avant la promulgation de la loi sur les eaux usées ou ont fait l’objet de droits acquis une fois la loi adoptée. Beaucoup d’entre eux sont également les mêmes usines qui ont été construites avant des contrôles stricts des émissions. Cela signifie que la plupart d’entre eux ont des décennies et sont à la fois sales et assoiffés (à l’exception de ceux qui ont ajouté des épurateurs) et qu’ils soient fermés en échange d’usines plus récentes, plus propres et plus maigres reste un débat de politique publique très contesté.

À l’avenir, de nouveaux systèmes hybrides et secs pourraient être mis en œuvre davantage en raison des exigences réglementaires imminentes et de la concurrence pour l’eau. Par exemple, la Commission des terres de l’État de Californie a proposé un moratoire sur la construction de nouvelles centrales électriques dotées de systèmes de refroidissement en boucle ouverte, ce qui se heurte à des efforts distincts visant à pousser les centrales électriques dans les régions côtières où le refroidissement en boucle ouverte peut utiliser l’eau de mer pour épargner l’eau douce intérieure (CASLC, 2006). L’eau côtière présente des avantages de performance plus élevés car elle se trouve à une température relativement plus basse, ce qui améliore l’efficacité de la centrale. Cependant, les préoccupations environnementales concernant la faune océanique sont en conflit direct avec les préoccupations environnementales concernant l’approvisionnement en eau douce à l’intérieur des terres.

Comme indiqué précédemment, il existe des technologies de refroidissement plus économes en eau; cependant, ces systèmes présentent des inconvénients. Les systèmes refroidis à sec retirent et consomment moins de 10% de l’eau des systèmes refroidis par voie humide. Cependant, les systèmes de refroidissement à sec ont des coûts d’investissement plus élevés et réduisent l’efficacité globale de la centrale, ce qui augmente les coûts et les émissions par unité d’électricité produite. Parce que la capacité calorifique de l’air est tellement inférieure à celle de l’eau, il faut déplacer beaucoup plus d’air pour obtenir le même refroidissement qu’avec l’eau. Cela signifie des installations beaucoup plus grandes pour créer des surfaces de refroidissement plus grandes dans les systèmes de refroidissement à sec, ce qui augmente considérablement les coûts en capital. De plus, une centrale avec refroidissement à sec peut subir une perte de rendement de 1% pour chaque augmentation de 1 ° F du condenseur, limitant la production d’énergie en fonction des températures de l’air ambiant (Kutscher et al., 2006).

Parce qu’ils comprennent à la fois un refroidissement humide et un refroidissement sec en boucle fermée, les systèmes de refroidissement humide-sec hybrides offrent un compromis entre les systèmes de refroidissement humide et sec. Ainsi, les systèmes hybrides de refroidissement humide–sec peuvent avoir une faible consommation d’eau pendant une grande partie de l’année en fonctionnant principalement en mode sec, mais ils ont la flexibilité de fonctionner plus efficacement en mode humide pendant les périodes les plus chaudes de l’année. Malheureusement, les ressources en eau sont généralement moins disponibles pendant ces périodes de pointe. Bien que les systèmes de refroidissement à sec et hybrides soient des technologies éprouvées, les faibles prix de l’eau et les droits d’approvisionnement en eau supérieurs pour les groupes électrogènes les empêchent généralement d’être des conceptions économiquement compétitives. Cependant, dans les régions à faible consommation d’eau où l’eau n’est pas disponible pour le refroidissement, le refroidissement à sec est souvent la seule alternative. Dans de tels cas, les coûts d’investissement initiaux et les charges d’efficacité parasites sont plus facilement justifiables.