3 Utilizzo Indiretto d’Acqua per la produzione di energia: centrali Termoelettriche

oltre alla diretta produzione di energia, acqua, indirettamente, consente la generazione di energia attraverso il raffreddamento prevede le centrali termoelettriche di funzionamento sul ciclo a vapore (noto anche come ciclo Rankine). Le centrali termoelettriche utilizzano il calore per produrre energia e sono responsabili di oltre il 90% dell’elettricità generata negli Stati Uniti (circa 3500 dei 4000 milioni di MWh generati annualmente). La maggior parte di queste centrali elettriche, soddisfacendo il 75% del fabbisogno energetico, utilizza il ciclo del vapore, che richiede un ampio raffreddamento. Le centrali elettriche utilizzano anche l’acqua per la produzione di combustibili nella miniera o nel punto di estrazione e per il controllo delle emissioni nella centrale elettrica. Il settore minerario, che comprende le industrie estrattive per la produzione di combustibili, richiede altri 4 miliardi di galloni al giorno, e il settore industriale, che include raffinerie e altre strutture per l’aggiornamento dei combustibili, è responsabile di altri 14 miliardi di galloni al giorno di prelievi negli Stati Uniti (USGS, 2014).

Come notato in precedenza, il settore energetico è la principale causa di prelievi di acqua, ma il settore agricolo è il più grande consumatore di acqua. Tale fenomeno è dovuto al fatto che la maggior parte dell’acqua che viene prelevata per le centrali elettriche viene restituita alla fonte, anche se con una qualità diversa (principalmente a una temperatura diversa). Il settore energetico ritira principalmente le acque superficiali, anche se in alcune località ritira anche le acque sotterranee. Delle acque superficiali, circa un terzo è acqua salina. La maggior parte dell’acqua salina prelevata è per le centrali elettriche di raffreddamento situate sulla costa (anche se alcune centrali elettriche utilizzano acque sotterranee salmastre per il raffreddamento).

In tutto il settore dell’energia termoelettrica a livello nazionale, vengono prelevati circa 15 galloni di acqua e meno di 1 gallone viene consumato per ogni kilowattora di elettricità generata. Le dighe idroelettriche sono associate a quasi 20 galloni di acqua consumata per kilowattora principalmente perché l’aumento della superficie dei bacini artificiali oltre la corsa nominale del fiume accelera i tassi di evaporazione dai bacini fluviali (Torcellini et al., 2003).

Il ciclo di Rankine, dal nome del famoso termodinamico William Rankine, è anche conosciuto come il ciclo del vapore. Utilizza il calore per creare vapore che aziona una turbina che fa girare un generatore per produrre elettricità. Il ciclo del vapore viene utilizzato per generare circa il 75% di tutta la potenza negli Stati Uniti. Un passo chiave nel ciclo del vapore è il raffreddamento per condensare il vapore in acqua liquida in modo che possa essere riutilizzato in un ciclo continuo. Questo raffreddamento può essere realizzato con una varietà di fluidi, ma a causa dell’elevata capacità termica dell’acqua, dell’abbondanza relativa e della distribuzione diffusa, è il refrigerante più comune al mondo.

Altri cicli di potenza includono il ciclo di Brayton, noto anche come ciclo aperto, ciclo semplice o turbina a combustione. Questi sistemi spesso utilizzano turbine che sono fatturati come “aeroderivatives” a causa del loro lignaggio con turbine che vengono utilizzati per la propulsione di aerei. Un ciclo combinato è così chiamato perché combina un ciclo di Rankine e un ciclo di Brayton per operare ad alta efficienza.

Figura 4. Esistono tre metodi di raffreddamento di base: open-loop, closed-loop e raffreddamento ad aria.

Per gentile concessione di Stillwell, AS, 2010. Nesso Energia-Acqua in Texas (tesi di master). L’Università del Texas a Austin.

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 poca dell’acqua complessiva consumata a causa dell’evaporazione. Mentre il raffreddamento a circuito aperto è efficiente dal punto di vista energetico e basso in termini di infrastrutture e costi operativi, l’acqua scaricata è più calda dell’acqua ambientale, causando inquinamento termico, che può uccidere i pesci e danneggiare gli ecosistemi acquatici. Così le agenzie ambientali regolano le temperature di scarico, tenendo conto della capacità di dissipazione del calore di un corpo idrico.

Il raffreddamento ad anello chiuso richiede meno prelievo di acqua, poiché l’acqua viene ricircolata attraverso l’uso di torri di raffreddamento o stagni di evaporazione (che sono serbatoi dedicati al raffreddamento delle centrali elettriche). Tuttavia, poiché il raffreddamento è essenzialmente ottenuto attraverso l’evaporazione, il raffreddamento a circuito chiuso provoca un maggiore consumo di acqua. L’alternativa, il raffreddamento ad aria, non richiede acqua, ma invece si raffredda con l’uso di ventilatori che spostano l’aria su un radiatore simile a quello delle automobili. Tuttavia, l’efficienza delle centrali elettriche per il raffreddamento ad aria è inferiore, i costi iniziali di capitale sono più elevati e le esigenze immobiliari sono talvolta maggiori, rendendo spesso questa opzione meno attraente economicamente a meno che le risorse idriche non siano scarse.

Anche se le centrali elettriche restituiscono la maggior parte dell’acqua che ritirano, la necessità di grandi quantità di acqua alla giusta temperatura per il raffreddamento introduce vulnerabilità per le centrali elettriche. Se una grave siccità o ondata di calore riduce la disponibilità di acqua o ne limita l’efficacia per il raffreddamento a causa delle inibizioni del trasferimento di calore o dei limiti di inquinamento termico, il fatto che la centrale consuma così poca acqua diventa meno importante del fatto che ha bisogno dell’acqua in primo luogo.

Le centrali elettriche costruite oltre 50 anni fa utilizzavano quasi esclusivamente progetti di raffreddamento ad anello aperto, che hanno prelievi di acqua molto elevati. Quando sono state costruite queste centrali elettriche, l’acqua è stata percepita come abbondante e le normative ambientali erano praticamente inesistenti. Durante gli anni ’60 e’ 70, le preoccupazioni ambientali sull’acqua aumentarono, dando il via a un’era di pressioni normative per ridurre l’uso di acqua nelle centrali elettriche.

La legislazione chiave era il Clean Water Act (CWA), che secondo l’Environmental Protection Agency (EPA) “establ stabilisce la struttura di base per regolare gli scarichi di inquinanti nelle acque degli Stati Uniti e regolare gli standard di qualità per le acque superficiali” (EPA CWA Summary, EPA CWA History). Il Federal Water Pollution Control Act del 1948 servì come base per il quadro normativo che in seguito divenne il CWA nel linguaggio popolare nel 1972 dopo una significativa riorganizzazione ed espansione. La CWA conferisce all’EPA l’autorità di attuare programmi di controllo dell’inquinamento, compresa la definizione di standard sulle acque reflue per l’industria e standard di qualità dell’acqua per le acque superficiali.

Il CWA ha messo fuori legge lo scarico non consentito di qualsiasi inquinante da una fonte puntiforme in acque navigabili, che ha portato alla creazione del programma di autorizzazione del National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES) dell’EPA per controllare gli scarichi. Le sorgenti puntuali (cioè le posizioni discrete come tubi o fossati artificiali) sono regolate dal CWA. Mentre le case non hanno generalmente bisogno di un permesso NPDES per i loro flussi di acque reflue nelle fogne o sistemi settici, industriali, municipali e altre strutture devono ottenere permessi per i loro scarichi che vanno alle acque superficiali. In questo modo, il CWA regola gli scarichi dalle centrali elettriche. Regolano anche i requisiti di assunzione.

Le centrali elettriche costruite da allora hanno utilizzato quasi esclusivamente progetti a circuito chiuso con torri di raffreddamento come un modo per servire molti interessi ambientali riducendo notevolmente il trascinamento (pesci e organismi acquatici vengono ritirati dall’ambiente nella centrale elettrica) e l’impingement (pesci e organismi acquatici sono bloccati contro gli schermi di aspirazione dell’acqua) della fauna acquatica. Ciò ha significato che i prelievi di acqua sono diminuiti in risposta al §316 (b) della CWA approvata nel 1972.

Impediscono anche il riscaldamento artificiale degli ambienti acquatici, che è una forma di inquinamento termico ed è regolato dal §316(a) del CWA. La saggezza convenzionale conclude che le torri di raffreddamento sono meno impattanti dei sistemi di raffreddamento ad anello aperto perché ritirano meno acqua, anche se le torri di raffreddamento consumano più acqua, come notato in precedenza.

Nel primo decennio del 21 ° secolo, il 43% delle centrali termoelettriche statunitensi erano grandi centrali elettriche con capacità di generazione di oltre 100 MW. Di queste grandi centrali elettriche, il 42% utilizzava torri di raffreddamento a ricircolo di umido (cioè a circuito chiuso) e il 14,5% utilizzava serbatoi di raffreddamento. Il restante 43% di queste grandi centrali elettriche utilizzato una sola volta-attraverso il raffreddamento, e poco meno di 1% utilizzare raffreddamento a secco (King et al., 2013). La maggior parte di quegli impianti con sistemi di raffreddamento una volta-through sono stati costruiti prima che il CWA è stata emanata o sono stati grandfathered in una volta che la legislazione è stata approvata. Molti di loro sono anche gli stessi impianti che sono stati costruiti prima rigorosi controlli delle emissioni. Ciò significa che la maggior parte di essi ha decenni e sono contemporaneamente sporchi e assetati (ad eccezione di quelli che hanno aggiunto scrubber) e se vengono chiusi in cambio di impianti più nuovi, più puliti e più snelli rimane un dibattito di politica pubblica fortemente contestato.

Andando avanti, i nuovi sistemi ibridi e asciutti potrebbero vedere una maggiore implementazione a causa dei requisiti normativi incombenti e della concorrenza per l’acqua. Ad esempio, la California State Lands Commission ha proposto una moratoria sulla costruzione di nuove centrali elettriche con sistemi di raffreddamento ad anello aperto, che si scontra con sforzi separati per spingere le centrali elettriche verso le regioni costiere in cui il raffreddamento ad anello aperto può utilizzare l’acqua di mare per risparmiare acqua dolce interna (CASLC, 2006). L’acqua costiera ha maggiori benefici in termini di prestazioni perché si trova a una temperatura relativamente più bassa, il che migliora l’efficienza della centrale elettrica. Tuttavia, le preoccupazioni ambientali per la fauna oceanica sono in diretto conflitto con le preoccupazioni ambientali per l’approvvigionamento di acqua dolce interna.

Come notato in precedenza, esistono tecnologie di raffreddamento più efficienti in termini di acqua; tuttavia, questi sistemi presentano degli svantaggi. I sistemi raffreddati a secco ritirano e consumano meno del 10% dell’acqua dei sistemi raffreddati a umido. Tuttavia, i sistemi di raffreddamento a secco hanno costi di capitale più elevati e riducono l’efficienza complessiva dell’impianto, il che aumenta i costi e le emissioni per unità di elettricità generata. Poiché la capacità termica dell’aria è molto più bassa dell’acqua, è necessario spostare molta più aria per ottenere lo stesso raffreddamento dell’acqua. Ciò significa strutture molto più grandi per creare le superfici di raffreddamento più grandi nei sistemi di raffreddamento a secco, il che aumenta drasticamente i costi di capitale. Inoltre, una centrale elettrica con raffreddamento a secco può sperimentare una perdita di efficienza dell ‘ 1% per ogni aumento di 1°F del condensatore, limitando la generazione di energia in base alle temperature dell’aria ambiente (Kutscher et al., 2006).

Poiché includono sia il raffreddamento a circuito chiuso a umido che a secco, i sistemi ibridi di raffreddamento a umido a secco forniscono un compromesso tra i sistemi di raffreddamento a umido e a secco. Pertanto, i sistemi ibridi di raffreddamento a umido e a secco possono avere un basso consumo di acqua per gran parte dell’anno operando principalmente in modalità secca, ma hanno la flessibilità di operare in modo più efficiente in modalità umida durante i periodi più caldi dell’anno. Sfortunatamente, le risorse idriche sono in genere meno disponibili durante questi periodi di picco della domanda. Sebbene i sistemi di raffreddamento a secco e ibrido siano tecnologie collaudate, i bassi prezzi dell’acqua e i diritti idrici senior per i generatori di energia di solito impediscono loro di essere progetti economicamente competitivi. Tuttavia, nelle regioni con vincoli idrici in cui l’acqua non è disponibile per il raffreddamento, il raffreddamento a secco è spesso l’unica alternativa. In tali casi, i costi iniziali del capitale e i carichi di efficienza parassitaria sono più facilmente giustificabili.