3 Indirekte Vannbruk For Kraftproduksjon: Termoelektriske Kraftverk

i tillegg til direkte kraftproduksjon, gjør vann indirekte kraftproduksjon gjennom kjølingen det gir for termoelektriske kraftverk som opererer på dampsyklusen (også kjent som Rankine-syklusen). Termoelektriske kraftverk bruker varme til å lage kraft og er ansvarlig for mer enn 90% av elektrisiteten som genereres i Usa (omtrent 3500 av 4000 millioner MWh generert årlig). De fleste av disse kraftverkene, som tilfredsstiller 75% av kraftbehovet, bruker dampsyklusen, som krever omfattende kjøling. Kraftverk bruker også vann til drivstoffproduksjon ved gruven eller utvinningspunktet og for utslippskontroll ved kraftverket. Gruvesektoren, som inkluderer utvinningsindustrien for drivstoffproduksjon, krever ytterligere 4 milliarder liter per dag, og industrisektoren, som inkluderer raffinaderier og andre anlegg for oppgradering av drivstoff, er ansvarlig for ytterligere 14 milliarder liter per dag uttak i Usa (USGS, 2014).som nevnt tidligere er kraftsektoren den største årsaken til vannuttak, men landbrukssektoren er den største forbrukeren av vann. Et slikt fenomen skyldes at det meste av vannet som trekkes tilbake til kraftverk, returneres til kilden, men med en annen kvalitet (primært ved en annen temperatur). Kraftsektoren trekker først og fremst ut overflatevann, men på enkelte steder trekker den også ut grunnvann. Av overflatevannet er omtrent en tredjedel saltvann. Det meste av saltvannet som trekkes ut er for kjøling av kraftverk som ligger ved kysten (selv om noen kraftverk bruker brakkvann til kjøling).På tvers av termoelektrisk kraftsektor nasjonalt trekkes omtrent 15 liter vann ut og mindre enn 1 gallon forbrukes for hver kilowatt-time elektrisitet som genereres. Vannkraftige dammer er forbundet med nesten 20 liter vann som forbrukes per kilowatt-time, hovedsakelig fordi det økte overflatearealet av menneskeskapte reservoarer utover den nominelle elveløpet akselererer fordampningshastighetene fra elvene (Torcellini et al., 2003).

Figur 4. Det er tre grunnleggende kjølemetoder: åpen sløyfe, lukket sløyfe og luftkjøling.Hilsen Av Stillwell, A. S., 2010. Energi-Vann Nexus I Texas (Masteroppgave). Universitetet I Texas I 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 lite av det totale vannet blir konsumert på grunn av fordampning. Mens åpen sløyfe kjøling er energieffektiv og lav i infrastruktur og driftskostnader, er det utladede vannet varmere enn omgivende vann, noe som forårsaker termisk forurensning, noe som kan drepe fisk og skade akvatiske økosystemer. Dermed regulerer miljøbyråer utslippstemperaturer, med tanke på vannkroppens varmeavledningsevne.Lukket kjøling krever mindre vannuttak, siden vannet resirkuleres ved bruk av kjøletårn eller fordampningsdammer(som er reservoarer dedikert til kjøling av kraftverk). Men siden kjølingen i hovedsak oppnås gjennom fordampning, forårsaker lukket kjøling høyere vannforbruk. Alternativet, luftkjøling, krever ikke vann, men kjøler i stedet ved bruk av vifter som beveger luft over en radiator som ligner på biler. Kraftverkets effektivitet for luftkjøling er imidlertid lavere, kapitalkostnadene på forhånd er høyere, og eiendomskravene er noen ganger større, noe som ofte gjør dette alternativet mindre attraktivt økonomisk, med mindre vannressursene er knappe.

selv om kraftverk returnerer det meste av vannet de trekker ut, medfører behovet for så store mengder vann ved riktig temperatur for kjøling sårbarheter for kraftverkene. Hvis en alvorlig tørke eller hetebølge reduserer tilgjengeligheten av vann eller begrenser effektiviteten for kjøling på grunn av varmeoverføringshemminger eller termiske forurensningsgrenser, blir det faktum at kraftverket bruker så lite vann mindre viktig enn det faktum at det trenger vannet i utgangspunktet.

Kraftverk bygget over 50 år siden nesten utelukkende brukt åpen sløyfe kjøling design, som har svært høy vannuttak. Da disse kraftverkene ble bygget, ble vann oppfattet som rikelig og miljøforskrifter var praktisk talt ikke-eksisterende. I løpet av 1960-og 1970-tallet økte miljøhensyn for vann, og sparket av en epoke med regulatorisk press for å redusere vannforbruket ved kraftverk.De viktigste lovgivningen var Clean Water Act (CWA), som Ifølge Environmental Protection Agency (EPA) «… etablere den grunnleggende strukturen for å regulere utslipp av forurensende stoffer i vannet I Usa og regulere kvalitetsstandarder for overflatevann»(EPA Cwa Sammendrag, EPA CWA Historie). Federal Water Pollution Control Act fra 1948 tjente som grunnlag for regelverket som senere ble CWA i populær språkbruk i 1972 etter betydelig omorganisering og ekspansjon. CWA gir EPA myndighet til å implementere forurensningskontrollprogrammer, inkludert etablering av avløpsvannstandarder for industri og vannkvalitetsstandarder for overflatevann.CWA forbød utslipp av forurensende stoffer fra en punktkilde til navigable farvann, noe som førte til etableringen AV EPAS national Pollutant Discharge Elimination System (NPDES) tillatelsesprogram for å kontrollere utslipp. Punktkilder (dvs. de diskrete stedene som rør eller menneskeskapte grøfter) reguleres av CWA. Mens boliger ikke generelt trenger EN NPDES tillatelse for deres avløpsvann strømmer inn i kloakken eller septiske systemer, må industrielle, kommunale og andre anlegg få tillatelser for sine utslipp som går til overflatevann. PÅ DENNE måten regulerer CWA utslipp fra kraftverk. De regulerer også inntakskrav.Kraftverk bygget siden Da har nesten utelukkende brukt lukket sløyfe design med kjøletårn som en måte å tjene mange miljøinteresser ved å redusere entrainment (fisk og vannlevende organismer er trukket fra miljøet inn i kraftverket anlegget) og impingement (fisk og vannlevende organismer er festet mot vanninntak skjermer) av akvatiske dyr. Å gjøre det betydde at vannuttak har redusert som svar på §316 (b) AV CWA vedtatt i 1972.

de forhindrer også kunstig oppvarming av vannmiljøer, som er en form for termisk forurensning og er regulert av §316 (a) AV CWA. Konvensjonell visdom konkluderer med at kjøletårn er mindre effektive enn åpne kjølesystemer fordi de trekker mindre vann, selv om kjøletårn bruker mer vann, som nevnt tidligere.I det første tiåret av det 21. århundre var 43% AV amerikanske termoelektriske kraftverk store kraftverk med produksjonskapasitet på over 100 MW. Av disse store kraftverkene brukte 42% våt-resirkulerende kjøletårn (dvs.lukket sløyfe) og 14,5% brukte kjølereservoarer. De resterende 43% av disse store kraftverkene brukte en gang gjennom kjøling, og i underkant av 1% bruker tørr kjøling (King et al., 2013). De fleste av disse anleggene med en gang gjennom kjølesystemer ble bygget før CWA ble vedtatt eller ble grandfathered i når lovgivningen ble vedtatt. Mange av dem er også de samme anleggene som ble bygget før strenge utslippskontroller. Dette betyr at de fleste av dem er flere tiår gamle og samtidig er skitne og tørste (unntatt de som legger til skrubber), og om de er stengt i bytte for nyere, renere, slankere planter, forblir en svært omstridt offentlig politisk debatt.Fremover kan nye hybrid-og tørrsystemer se større implementering på grunn av truende regulatoriske krav og konkurranse om vann. For Eksempel foreslo California State Lands Commission et moratorium for bygging av nye kraftverk med åpen sløyfe kjølesystemer, som kolliderer med separat innsats for å presse kraftverk til kystregioner hvor åpen sløyfe kjøling kan bruke sjøvann til å spare ferskvann i innlandet (CASLC, 2006). Kystvann har høyere ytelsesfordeler fordi det er ved en relativt lavere temperatur, noe som forbedrer effektiviteten til kraftverket. Imidlertid er miljøhensyn om oceanisk dyreliv i direkte konflikt med miljøhensyn om ferskvannsforsyning i innlandet.

som nevnt tidligere finnes det mer vanneffektive kjøleteknologier; disse systemene har imidlertid ulemper. Tørrkjølte systemer trekker seg ut og forbruker mindre enn 10% av vannet i våtkjølte systemer. Tørre kjølesystemer har imidlertid høyere kapitalkostnader og reduserer den totale effektiviteten til anlegget, noe som øker kostnader og utslipp per enhet av elektrisitet generert. Fordi varmekapasiteten til luft er så mye lavere enn vann, må mye mer luft flyttes for å oppnå samme kjøling som med vann. Dette betyr mye større anlegg for å skape de større kjøleflatene i tørrkjølesystemer, noe som dramatisk øker kapitalkostnadene. Videre kan et kraftverk med tørr kjøling oppleve et 1% tap i effektivitet for hver 1°F økning av kondensatoren, begrensende kraftproduksjon basert på omgivelsestemperaturer(Kutscher et al ., 2006).fordi de inkluderer både lukket våt-og tørrkjøling, gir hybrid våt–tørr-kjølesystemer et kompromiss mellom våt – og tørrkjølesystemer. Dermed hybrid våt-tørr-kjølesystemer kan ha lavt vannforbruk for mye av året ved å operere primært i tørr modus, men har fleksibilitet til å operere mer effektivt i våt modus under de varmeste tider av året. Dessverre, vannressurser er vanligvis mindre tilgjengelig i løpet av disse peak etterspørsel ganger. Selv om tørr-og hybrid-kjølesystemer er velprøvde teknologier, lave vannpriser og senior vannrettigheter for kraftgeneratorer vanligvis hindre dem fra å være økonomisk konkurransedyktig design. Men i vannbegrensede områder der vann ikke er tilgjengelig for kjøling, er tørrkjøling ofte det eneste alternativet. I slike tilfeller er forhåndskostnadene og parasittiske effektivitetsbelastninger lettere forsvarlige.