3 Indirect watergebruik voor energieopwekking: Thermo-elektrische centrales
naast directe energieopwekking maakt water indirect stroomopwekking mogelijk door de koeling die het biedt voor thermo-elektrische centrales die werken op de stoomcyclus (ook bekend als de Rankinecyclus). Thermo-elektrische centrales maken gebruik van warmte om elektriciteit te produceren en zijn verantwoordelijk voor meer dan 90% van de in de Verenigde Staten opgewekte elektriciteit (ongeveer 3500 van de 4000 miljoen MWh die jaarlijks wordt opgewekt). De meeste van die elektriciteitscentrales, die voldoen aan 75% van de stroombehoeften, gebruiken de stoomcyclus, die uitgebreide koeling vereist. Elektriciteitscentrales gebruiken ook water voor de productie van brandstoffen in de Mijn of het winningspunt en voor emissiebeheersing in de elektriciteitscentrale. De mijnbouwsector, die de winningsindustrieën voor de productie van brandstoffen omvat, heeft nog eens 4 miljard gallon per dag nodig, en de industriële sector, die raffinaderijen en andere faciliteiten voor het opwaarderen van brandstoffen omvat, is verantwoordelijk voor nog eens 14 miljard gallon per dag van het uit de markt nemen in de Verenigde Staten (USGS, 2014).
zoals eerder opgemerkt, is de energiesector de grootste oorzaak van wateronttrekking, maar de landbouwsector is de grootste verbruiker van water. Een dergelijk fenomeen is omdat het grootste deel van het water dat wordt onttrokken voor energiecentrales wordt teruggegeven aan de bron, zij het met een andere kwaliteit (voornamelijk bij een andere temperatuur). De energiesector onttrekt voornamelijk oppervlaktewater, maar op sommige plaatsen onttrekt het ook grondwater. Van het oppervlaktewater is ongeveer een derde zout water. Het grootste deel van het zoutwater dat wordt onttrokken, wordt gebruikt voor het koelen van energiecentrales aan de kust (hoewel sommige energiecentrales brak grondwater gebruiken voor het koelen).
in de sector thermo-elektrische energie wordt op nationaal niveau ongeveer 15 liter water onttrokken en minder dan 1 gallon verbruikt voor elk kilowattuur elektriciteit die wordt opgewekt. Hydro-elektrische Dammen worden geassocieerd met bijna 20 liter water per kilowattuur, voornamelijk omdat de toegenomen oppervlakte van kunstmatige reservoirs buiten de nominale stroomstroom de verdampingssnelheden uit stroomgebieden versnelt (Torcellini et al., 2003).
de hoeveelheid water die wordt onttrokken en verbruikt door thermische centrales wordt voornamelijk aangedreven door een mix van factoren:
•
brandstof: kolen, aardgas, biomassa, olie, kernenergie, zonne-energie;
•
vermogenscyclus: Rankine (stoom), Brayton (open, eenvoudig, of verbranding), gecombineerde cyclus;
•
koeltechnologie: open-loop natte koeling, vijverkoeling, gesloten–loop (recirculatie) natte koeling, hybride nat-droog koeling, droge koeling;
•
meteorologische omstandigheden: Temperatuur, Vochtigheid, Windsnelheid.
De rankinecyclus, genoemd naar de beroemde thermodynamicus William Rankine, is ook bekend als de stoomcyclus. Het maakt gebruik van warmte om stoom te maken die een turbine aandrijft die een generator laat draaien om elektriciteit te maken. De stoomcyclus wordt gebruikt om ongeveer 75% van alle energie in de Verenigde Staten op te wekken. Een belangrijke stap in de stoomcyclus is het koelen om de stoom in vloeibaar water te condenseren zodat deze opnieuw in een continue kringloop kan worden gebruikt. Deze koeling kan worden bereikt met een verscheidenheid aan vloeistoffen, maar vanwege de hoge warmtecapaciteit van water, relatieve overvloed, en wijdverspreide distributie, is het ‘ s werelds meest voorkomende koelmiddel.
andere vermogenscycli omvatten de Brayton-cyclus, die ook bekend staat als de open cyclus, eenvoudige cyclus of verbrandingsturbine. Deze systemen maken vaak gebruik van turbines die worden gefactureerd als “aëroderivatieven” vanwege hun afstamming met turbines die worden gebruikt voor vliegtuigaandrijving. Een gecombineerde cyclus wordt zo genoemd omdat het een Rankine-cyclus en een Brayton-cyclus combineert om bij hogere efficiëntie te werken.
De drie meest voorkomende koelmethoden zijn open-loop, closed-loop en luchtkoeling (Fig. 4). Er bestaan ook hybride nat–droogsystemen, maar deze worden niet op grote schaal toegepast. Meteorologische omstandigheden zoals heersende Temperatuur, Vochtigheid, Windsnelheid, enz. zijn ook belangrijk omdat ze van invloed zijn op de algehele efficiëntie van de installatie en de koelefficiëntie van de atmosferische en Watergebaseerde koellichamen. Voor waarden inzake wateronttrekking en verbruik door elektriciteitscentrales, zie Tabel 1 voor een typische uitsplitsing naar vermogenscyclus, brandstof en koeltype. Water is ook nodig voor de productie van de brandstoffen.
Figuur 4. Er zijn drie basiskoelingsmethoden: open-loop, closed-loop en luchtkoeling.met dank aan Stillwell, A. S., 2010. Energie-Water Nexus in Texas (master thesis). De Universiteit van Texas in Austin.
Tabel 1. Het watergebruik in energiecentrales varieert per brandstof, energiecyclus en Koeltechnologie (typische waarden worden vermeld) (Stillwell et al., 2011)
| Brandstoffen en Macht Cycli | Koeling | |||
|---|---|---|---|---|
| Closed-Loop (koeltoren) | Open-Loop (Eenmaal Via) | |||
| Onttrekkingen (gal/kWh) | Verbruik (gal/kWh) | Onttrekkingen (gal/kWh) | Verbruik (gal/kWh) | |
| Concentrating Solar Power | 0.8 | 0.8 | – | – |
| Nucleaire | 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 weinig van het totale water wordt verbruikt door verdamping. Hoewel koeling in een open kring energie-efficiënt is en de infrastructuur-en operationele kosten laag zijn, is het geloosde water warmer dan omgevingswater, wat thermische vervuiling veroorzaakt, die vissen kan doden en aquatische ecosystemen kan schaden. Dus milieu-instanties regelen lossingstemperaturen, rekening houdend met de warmteafvoercapaciteit van een waterlichaam.
gesloten-kringloopkoeling vereist minder wateronttrekking, aangezien het water wordt gerecirculeerd door het gebruik van koeltorens of verdampingsvijvers (reservoirs bestemd voor de koeling van elektriciteitscentrales). Aangezien de koeling echter hoofdzakelijk door verdamping wordt bereikt, veroorzaakt koeling met gesloten kringloop een hoger waterverbruik. Het alternatief, luchtkoeling, vereist geen water, maar koelt in plaats daarvan door het gebruik van ventilatoren die lucht verplaatsen over een radiator vergelijkbaar met die in auto ‘ s. De efficiëntie van elektriciteitscentrales voor luchtkoeling is echter lager, de aanloopkapitaalkosten zijn hoger en de vastgoedbehoeften zijn soms groter, waardoor deze optie vaak economisch minder aantrekkelijk wordt, tenzij watervoorraden schaars zijn.
hoewel energiecentrales het grootste deel van het water dat zij onttrekken, terugvoeren, leidt de behoefte aan zulke grote hoeveelheden water bij de juiste temperatuur voor koeling tot kwetsbaarheden voor de energiecentrales. Als een ernstige droogte of hittegolf de beschikbaarheid van water vermindert of de effectiviteit ervan voor koeling beperkt door remmingen van warmteoverdracht of thermische vervuilingsgrenzen, wordt het feit dat de centrale zo weinig water verbruikt minder belangrijk dan het feit dat ze het water in de eerste plaats nodig heeft.
elektriciteitscentrales die meer dan 50 jaar geleden werden gebouwd, gebruikten bijna uitsluitend open-loop koelontwerpen, die zeer veel water onttrokken hebben. Bij de bouw van deze centrales werd water als overvloedig ervaren en waren er vrijwel geen milieuvoorschriften. In de jaren zestig en zeventig nam de bezorgdheid over het milieu over water toe, waardoor een tijdperk van regelgevende druk op gang kwam om het watergebruik in energiecentrales te verminderen.de belangrijkste wetgeving was de Clean Water Act (Cwa), die volgens het Environmental Protection Agency (EPA) “…de basisstructuur vaststelt voor het reguleren van lozingen van verontreinigende stoffen in de wateren van de Verenigde Staten en het reguleren van kwaliteitsnormen voor oppervlaktewateren” (EPA Cwa Summary, EPA Cwa History). De Federal Water Pollution Control Act van 1948 diende als de basis voor het regelgevingskader dat later werd de CWA in populair taalgebruik in 1972 na aanzienlijke reorganisatie en uitbreiding. De CWA geeft de EPA-autoriteit om programma ‘ s voor verontreinigingsbeheersing te implementeren, waaronder de vaststelling van afvalwaternormen voor de industrie en waterkwaliteitsnormen voor oppervlaktewater.de CWA verbood de ongeoorloofde lozing van verontreinigende stoffen vanuit een puntbron in bevaarbare wateren, wat leidde tot de oprichting van het nationale vergunningenprogramma van het EPA voor de beheersing van lozingen van verontreinigende stoffen (National Pollutant Discharge Elimination System, NPDES). Puntbronnen (dat wil zeggen, de discrete locaties zoals leidingen of kunstmatige sloten) worden geregeld door de CWA. Hoewel huizen over het algemeen geen NPDES-vergunning nodig hebben voor hun afvalstromen in de riolen of septische systemen, moeten industriële, gemeentelijke en andere faciliteiten vergunningen verkrijgen voor hun lozingen die naar oppervlaktewateren gaan. Op deze manier regelt de CWA de lozingen van energiecentrales. Ze regelen ook de innamevereisten.
elektriciteitscentrales gebouwd en sindsdien hebben bijna uitsluitend gebruikt closed-loop-ontwerpen met koeltorens als een manier om veel milieu-belangen door het sterk verminderen van de entrainment (vissen en aquatische organismen zijn teruggetrokken uit de omgeving in de centrale faciliteit) en impingement (vissen en aquatische organismen worden vastgezet tegen water inname schermen) van de aquatische fauna. Dit betekende dat de wateronttrekking is afgenomen als gevolg van §316(b) van de CWA die in 1972 werd aangenomen.
zij voorkomen ook de kunstmatige verwarming van het aquatisch milieu, een vorm van thermische verontreiniging die wordt geregeld door §316(a) van de CWA. Conventionele wijsheid concludeert dat koeltorens minder impact hebben dan open-loop koelsystemen omdat ze minder water onttrekken, hoewel koeltorens meer water verbruiken, zoals eerder opgemerkt.in het eerste decennium van de 21e eeuw waren 43% van de Amerikaanse thermo-elektrische centrales grote elektriciteitscentrales met een opwekkingscapaciteit van meer dan 100 MW. Van deze grote centrales gebruikte 42% koeltorens met natte circulatie (d.w.z. gesloten kringloop) en 14,5% gebruikte koelreservoirs. De overige 43% van deze grote elektriciteitscentrales gebruikten eenmalige koeling en iets minder dan 1% gebruikte droge koeling (King et al., 2013). De meeste van die installaties met once-through koelsystemen werden gebouwd voordat de CWA werd vastgesteld of werden grandfathered in zodra de wetgeving werd aangenomen. Veel van hen zijn ook dezelfde installaties die werden gebouwd vóór strenge emissiecontroles. Dit betekent dat de meeste van hen zijn tientallen jaren oud en zijn tegelijkertijd vies en dorstig (met uitzondering van degenen die toegevoegd scrubbers) en of ze worden gesloten in ruil voor nieuwere, schonere, slanker planten blijft een fel omstreden publieke beleidsdebat.
in de toekomst kunnen nieuwe hybride en droge systemen een grotere implementatie zien als gevolg van dreigende regelgeving en concurrentie voor water. Zo stelde de California State Lands Commission een moratorium voor op de bouw van nieuwe energiecentrales met open-loop koelsystemen, wat botst met afzonderlijke pogingen om energiecentrales naar kustgebieden te duwen waar open-loop koeling zeewater kan gebruiken om zoet water in het binnenland te sparen (CASLC, 2006). Kustwater heeft hogere prestatievoordelen omdat het bij een relatief lagere temperatuur is, wat de efficiëntie van de centrale verbetert. De bezorgdheid over het milieu ten aanzien van wilde dieren in de oceaan is echter direct in strijd met de bezorgdheid over de zoetwatervoorziening in de binnenwateren.
zoals eerder opgemerkt, bestaan er meer waterefficiënte koeltechnologieën; deze systemen hebben echter nadelen. Drooggekoelde systemen onttrekken en verbruiken minder dan 10% van het water van natgekoelde systemen. Droogkoelsystemen hebben echter hogere kapitaalkosten en verminderen de algehele efficiëntie van de installatie, wat de kosten en emissies per geproduceerde eenheid elektriciteit verhoogt. Omdat de warmtecapaciteit van lucht zo veel lager is dan water, moet er veel meer lucht worden verplaatst om dezelfde koeling te bereiken als bij water. Dit betekent veel grotere faciliteiten om de grotere koeloppervlakken in droge koelsystemen te creëren, wat de kapitaalkosten drastisch verhoogt. Bovendien kan een elektriciteitscentrale met droge koeling een efficiëntieverlies van 1% ervaren bij elke 1 ° F toename van de condensor, waardoor de stroomopwekking wordt beperkt op basis van omgevingsluchttemperaturen (Kutscher et al., 2006).
omdat ze zowel natte als droge koeling met gesloten kringloop omvatten, bieden hybride natte-droge koelsystemen een compromis tussen natte – en droge koelsystemen. Zo kunnen hybride nat–droog-koelsystemen een laag waterverbruik hebben voor een groot deel van het jaar door voornamelijk in de droge modus te werken, maar hebben ze de flexibiliteit om efficiënter te werken in de natte modus tijdens de warmste tijden van het jaar. Helaas zijn de watervoorraden tijdens deze piekuren doorgaans minder beschikbaar. Hoewel droog-en hybride-koelsystemen bewezen technologieën zijn, voorkomen lage waterprijzen en hogere waterrechten voor energieproducenten meestal dat ze economisch concurrerende ontwerpen zijn. In gebieden met een watergebrek waar geen water beschikbaar is voor koeling, is droge koeling echter vaak het enige alternatief. In dergelijke gevallen zijn de kapitaalkosten vooraf en parasitaire efficiëntiebelastingen gemakkelijker te rechtvaardigen.