3 közvetett vízhasználat energiatermeléshez: termoelektromos erőművek
a közvetlen energiatermelés mellett a víz közvetetten lehetővé teszi az energiatermelést a gőzcikluson működő termoelektromos erőművek hűtésén keresztül (más néven Rankine ciklus). A termoelektromos erőművek hőt használnak az energia előállításához, és az Egyesült Államokban termelt villamos energia több mint 90% – áért felelősek (körülbelül 3500 az évente előállított 4000 millió MWh-ból). A legtöbb ilyen erőmű, amely kielégíti az energiaigény 75% – át, a gőzciklust használja, amely kiterjedt hűtést igényel. Az erőművek vizet is használnak a bányában vagy a kitermelés helyén történő üzemanyag-termeléshez, valamint az erőmű kibocsátáscsökkentéséhez. A bányászati ágazat, amely magában foglalja a nyersanyag-kitermelő iparágakat az üzemanyagok előállításához, további 4 milliárd gallont igényel naponta, és az ipari szektor, amely magában foglalja a finomítókat és az üzemanyagok korszerűsítésére szolgáló egyéb létesítményeket, napi további 14 milliárd gallonért felelős az Egyesült Államokban történő kivonásért (USGS, 2014).
mint korábban megjegyeztük, az energiaágazat a vízkivétel legnagyobb oka, de a mezőgazdasági ágazat a legnagyobb vízfogyasztó. Ez a jelenség azért van, mert az erőművekhez visszavont víz nagy része visszatér a forráshoz, bár más minőségű (elsősorban más hőmérsékleten). Az energiaszektor elsősorban a felszíni vizet vonja vissza, bár egyes helyeken a felszín alatti vizet is visszavonja. A felszíni víz körülbelül egyharmada sós víz. A kivont sós víz nagy része a tengerparton található erőművek hűtésére szolgál (bár egyes erőművek sós talajvizet használnak hűtésre).
országosan a termoelektromos energiaágazatban körülbelül 15 gallon vizet vonnak ki, és kevesebb, mint 1 gallont fogyasztanak minden előállított kilowattóra villamos energia után. A vízerőművek közel 20 liter vizet fogyasztanak kilowattóránként, elsősorban azért, mert az ember által készített tározók megnövekedett felülete meghaladja a névleges folyást, felgyorsítja a vízgyűjtők párolgási sebességét (Torcellini et al., 2003).
a hőerőművek által kivont és felhasznált víz mennyiségét elsősorban a tényezők keveréke vezérli:
•
üzemanyag: szén, földgáz, biomassza, olaj, nukleáris, napenergia;
*
teljesítményciklus: Rankine (gőz) ciklus, Brayton (nyílt, egyszerű vagy égési) ciklus, kombinált ciklus;
•
hűtési technológia: nyitott hurkú nedves hűtés, tó hűtés, zárt hurkú (recirkuláló) nedves hűtés, hibrid nedves–száraz hűtés, száraz hűtés;
•
meteorológiai feltételek: Hőmérséklet, páratartalom, szélsebesség.
a híres Termodinamikusról elnevezett Rankine-ciklus gőzciklus néven is ismert. Hőt használ gőz létrehozására, amely egy turbinát hajt, amely generátort forgat, hogy áramot termeljen. A gőzciklust az Egyesült Államokban az összes energia körülbelül 75% – ának előállítására használják. A gőzciklus kulcsfontosságú lépése a hűtés, hogy a gőz folyékony vízbe kondenzálódjon, hogy folyamatos hurokban újra felhasználható legyen. Ez a hűtés különféle folyadékokkal valósítható meg, de a víz magas hőkapacitása, relatív bősége és széles körű eloszlása miatt ez a világ leggyakoribb hűtőfolyadéka.
Egyéb teljesítményciklusok közé tartozik a Brayton-ciklus, amelyet nyitott ciklusnak, egyszerű ciklusnak vagy égési turbinának is neveznek. Ezek a rendszerek gyakran olyan turbinákat használnak, amelyeket “aeroderivatívként” számláznak, mivel a repülőgép meghajtására használt turbinákhoz tartoznak. A kombinált ciklust azért nevezik így, mert egyesíti a Rankine-ciklust és a Brayton-ciklust, hogy nagyobb hatékonysággal működjön.
A három legelterjedtebb hűtési módszer a nyitott hurok, a zárt hurok és a léghűtés (ábra. 4). Hibrid nedves-száraz rendszerek is léteznek, de nem széles körben alkalmazzák őket. Meteorológiai körülmények, például az uralkodó hőmérséklet, páratartalom, szélsebesség stb. azért is fontosak, mert befolyásolják az üzem általános hatékonyságát és a légköri és vízbázisú hűtőbordák hűtési hatékonyságát. Az erőművek vízkivételére és fogyasztására vonatkozó értékeket lásd az 1.táblázatban a teljesítményciklus, az üzemanyag és a hűtés típusa szerinti tipikus bontást illetően. Az üzemanyagok előállításához vízre is szükség van.
4.ábra. Három alapvető hűtési módszer létezik: nyitott hurok, zárt hurok és léghűtés.
A Stillwell, A. S. jóvoltából, 2010. Energia-víz Nexus Texasban (diplomamunka). Az austini Texasi Egyetem.
1.táblázat. Az erőművek vízfelhasználása az üzemanyagtól, az Energiaciklustól és a hűtési technológiától függően változik (a tipikus értékeket felsoroljuk) (Stillwell et al., 2011)
| üzemanyagok és Teljesítményciklusok | hűtési technológiák | |||
|---|---|---|---|---|
| zárt hurkú (hűtőtorony) | nyílt hurok (egyszer-keresztül) | |||
| kivonás (gal/kWh) | fogyasztás (Gal/kWh) | kivonás (gal/kWh) | fogyasztás (Gal/kWh) | |
| koncentráló napenergia | 0,8 | 0,8 | – | – | nukleáris | 1.0 | 0.7 | 42.5 | 0.4 |
| Coal/Natural gas (steam cycle) | 0.5 | 0.5 | 35.0 | 0.3 |
| Natural gas (combined cycle) | 0.23 | 0.18 | 13.8 | 0.1 |
| Natural gas (open cycle) | Negligible | Negligible | Negligible | Negligible |
| Solar PV | Negligible | Negligible | Negligible | Negligible |
| Wind | Negligible | Negligible | Negligible | Negligible |
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 kevés a teljes vizet fogyasztanak, mert a párolgás. Míg a nyílt hurkú hűtés energiahatékony, és alacsony az infrastrukturális és üzemeltetési költségek, a kibocsátott víz melegebb, mint a környezeti víz, ami hőszennyezést okoz, ami elpusztíthatja a halakat és károsíthatja a vízi ökoszisztémákat. Így a környezetvédelmi ügynökségek szabályozzák a kisülési hőmérsékletet, figyelembe véve a víztest hőelvezetési képességét.
a zárt hurkú hűtés kevesebb vízkivonást igényel, mivel a vizet hűtőtornyok vagy párologtató tavak (amelyek az erőművek hűtésére szolgáló tartályok) használatával keringetik vissza. Mivel azonban a hűtést lényegében párolgással érik el, a zárt hurkú hűtés nagyobb vízfogyasztást okoz. Az alternatíva, a léghűtés nem igényel vizet, hanem olyan ventilátorok használatával hűl, amelyek a levegőt az autókhoz hasonló radiátor fölé mozgatják. Az erőművek léghűtési hatékonysága azonban alacsonyabb, az előzetes tőkeköltségek magasabbak, az ingatlanigények pedig néha nagyobbak, ami gazdaságilag gyakran kevésbé vonzóvá teszi ezt a lehetőséget, kivéve, ha a vízkészletek szűkösek.
annak ellenére, hogy az erőművek visszaadják a visszavont víz nagy részét, az ilyen nagy mennyiségű víz megfelelő hőmérsékleten történő hűtése sebezhetőséget okoz az erőművek számára. Ha egy súlyos aszály vagy hőhullám csökkenti a víz rendelkezésre állását, vagy korlátozza annak hűtési hatékonyságát a hőátadás gátlása vagy a hőszennyezés korlátai miatt, az a tény, hogy az erőmű ilyen kevés vizet fogyaszt, kevésbé fontos, mint az a tény, hogy elsősorban vízre van szüksége.
a több mint 50 évvel ezelőtt épített erőművek szinte kizárólag nyílt hurkú hűtési terveket használtak, amelyek nagyon magas vízkivétellel rendelkeznek. Amikor ezek az erőművek épültek, a vizet bőségesnek tekintették, és a környezetvédelmi előírások gyakorlatilag nem léteztek. Az 1960-as és 1970-es években a vízzel kapcsolatos környezetvédelmi aggodalmak növekedtek, ami az erőművek vízfelhasználásának csökkentésére irányuló szabályozási nyomás korszakát indította el.
ezek kulcsfontosságú jogszabály volt a tiszta víz törvény (CWA), amely szerint az Environmental Protection Agency (EPA) “…létre az alapvető szerkezete szabályozására kibocsátások szennyező anyagok a vizek az Egyesült Államokban, és szabályozza a minőségi előírások felszíni vizek” (EPA CWA összefoglaló, EPA CWA History). Az 1948-as szövetségi vízszennyezés-ellenőrzési törvény szolgált a szabályozási keret alapjául, amely később 1972-ben a köznyelvben a CWA lett, jelentős átszervezés és bővítés után. A CWA felhatalmazza az EPA hatóságot a szennyezéscsökkentő programok végrehajtására, ideértve az ipari szennyvíz-szabványok és a felszíni vizek vízminőségi szabványainak megállapítását.
a CWA betiltotta bármely szennyező anyag engedély nélküli kibocsátását egy pontforrásból a hajózható vizekbe, ami az EPA Nemzeti szennyezőanyag-kibocsátás-eltávolító rendszerének (NPDES) engedélyezési programjának létrehozásához vezetett a kibocsátások ellenőrzésére. A pontforrásokat (azaz a diszkrét helyeket, például csöveket vagy mesterséges árkokat) a CWA szabályozza. Míg az otthonoknak általában nincs szükségük NPDES-engedélyre a szennyvízcsatornákba vagy szeptikus rendszerekbe történő beáramláshoz, az ipari, önkormányzati és egyéb létesítményeknek engedélyt kell szerezniük a felszíni vizekbe történő kibocsátásukhoz. Ily módon a CWA szabályozza az erőművek kibocsátását. Szabályozzák a beviteli követelményeket is.
az azóta épített erőművek szinte kizárólag zárt hurkú terveket használtak hűtőtornyokkal, hogy számos környezeti érdeket szolgáljanak azáltal, hogy jelentősen csökkentik a vízi élővilág befogását (a halakat és a vízi élőlényeket kivonják a környezetből az erőmű létesítményébe) és ütközését (a halakat és a vízi szervezeteket a vízbevezető képernyőkhöz rögzítik). Ez azt jelentette, hogy a vízkivétel csökkent válaszul a CWA 316(B) 1972-ben elfogadott.
megakadályozzák a vízi környezetek mesterséges felmelegedését is, amely a hőszennyezés egyik formája, és amelyet a CWA 316(a) bekezdése szabályoz. A hagyományos bölcsesség arra a következtetésre jut, hogy a hűtőtornyok kevésbé hatásosak, mint a nyitott hurkú hűtőrendszerek, mert kevesebb vizet vonnak vissza, annak ellenére, hogy a hűtőtornyok több vizet fogyasztanak, amint azt korábban megjegyeztük.
a 21.század első évtizedében az amerikai termoelektromos erőművek 43% – a nagy teljesítményű erőmű volt, több mint 100 MW termelési kapacitással. Ezeknek a nagy erőműveknek a 42%-a nedves recirkulációs hűtőtornyokat (azaz zárt hurkú), 14,5%-a hűtőtartályokat használt. Ezeknek a nagy erőműveknek a fennmaradó 43% – a egyszeri hűtést használt, alig 1% – uk pedig száraz hűtést használ (King et al., 2013). Az egyszer átfolyó hűtőrendszerrel rendelkező növények többségét a CWA életbe lépése előtt építették, vagy a jogszabályok elfogadása után nagyapák voltak. Sok közülük ugyanazok az üzemek, amelyeket a szigorú kibocsátás-ellenőrzés előtt építettek. Ez azt jelenti, hogy többségük több évtizedes, és egyszerre koszos és szomjas (kivéve azokat, amelyek súrolókat adtak hozzá), és hogy az újabb, tisztább, karcsúbb növényekért cserébe leállítják-e őket, továbbra is heves vita marad a közpolitikai vitában.
előre haladva az új hibrid és száraz rendszerek nagyobb végrehajtást eredményezhetnek a fenyegető szabályozási követelmények és a vízért folytatott verseny miatt. Például a Kaliforniai Állami földbizottság moratóriumot javasolt a nyílt hurkú hűtőrendszerrel rendelkező új erőművek építésére, amely ütközik az erőműveknek a part menti régiókba történő eljuttatására irányuló külön erőfeszítésekkel, ahol a nyílt hurkú hűtés tengervizet használhat a belvízi édesvíz megkímélésére (CASLC, 2006). A part menti víz nagyobb teljesítményelőnyökkel rendelkezik, mivel viszonylag alacsonyabb hőmérsékleten van, ami javítja az erőmű hatékonyságát. Az óceáni élővilággal kapcsolatos környezeti aggályok azonban közvetlen ellentétben állnak a belvízi édesvízellátással kapcsolatos környezeti aggodalmakkal.
mint korábban említettük, vízhatékonyabb hűtési technológiák léteznek; ezeknek a rendszereknek azonban vannak hátrányai. A szárazhűtéses rendszerek a nedves hűtésű rendszerek vízének kevesebb mint 10%-át fogyasztják el. A szárazhűtéses rendszerek azonban magasabb tőkeköltségekkel rendelkeznek, és csökkentik az erőmű általános hatékonyságát, ami növeli a költségeket és a kibocsátott villamos energia egységenkénti kibocsátását. Mivel a levegő hőkapacitása sokkal alacsonyabb, mint a víz, sokkal több levegőt kell mozgatni, hogy ugyanolyan hűtést érjen el, mint a vízzel. Ez sokkal nagyobb létesítményeket jelent a nagyobb hűtőfelületek létrehozására a száraz hűtési rendszerekben, ami drámai módon növeli a tőkeköltségeket. Ezenkívül egy száraz hűtéssel rendelkező erőmű 1% – os hatékonyságvesztést tapasztalhat a kondenzátor minden egyes 1 GB-os F-növekedése esetén, korlátozva az energiatermelést a környezeti levegő hőmérséklete alapján (Kutscher et al., 2006).
mivel zárt hurkú nedves és száraz hűtést is tartalmaznak, a hibrid nedves-száraz hűtőrendszerek kompromisszumot jelentenek a nedves és száraz hűtőrendszerek között. Így a hibrid nedves-száraz hűtőrendszerek az év nagy részében alacsony vízfogyasztással rendelkezhetnek, elsősorban száraz üzemmódban működve,de rugalmasan működnek nedves üzemmódban az év legmelegebb időszakaiban. Sajnos a vízkészletek általában kevésbé állnak rendelkezésre ezekben a csúcsigény-időkben. Bár a száraz – és hibrid hűtőrendszerek bevált technológiák, az alacsony vízárak és az áramtermelők magas vízjogai általában megakadályozzák őket abban, hogy gazdaságilag versenyképes konstrukciók legyenek. Azonban a víz által korlátozott régiókban, ahol a víz nem áll rendelkezésre hűtésre, a száraz hűtés gyakran az egyetlen alternatíva. Ilyen esetekben a kezdeti tőkeköltségek és a parazita hatékonysági terhelések könnyebben indokolhatók.