3 Indireto do Uso da Água para Geração de Energia: Usinas Termelétricas

além direta de geração de energia, de água, indiretamente, permite a geração de energia através do resfriamento fornece para centrais termelétricas que operam no ciclo de vapor (também conhecido como o ciclo de Rankine). As usinas termoelétricas utilizam o calor para produzir energia e são responsáveis por mais de 90% da eletricidade gerada nos Estados Unidos (aproximadamente 3500 dos 4000 milhões de MWh gerados anualmente). A maioria dessas usinas, satisfazendo 75% das necessidades de energia, utilizam o ciclo de vapor, que requer refrigeração extensiva. As usinas também utilizam água para a produção de combustíveis na mina ou ponto de extração e para o controle de emissões na usina. O setor mineiro, que inclui as indústrias extrativas para a produção de combustíveis, requer mais 4 bilhões de galões por dia, e o setor industrial, que inclui refinarias e outras instalações para a modernização de combustíveis, é responsável por mais 14 bilhões de galões por dia de retiradas nos Estados Unidos (USGS, 2014).como referido anteriormente, o sector energético é a maior causa de retiradas de água, mas o sector agrícola é o maior consumidor de água. Tal fenômeno ocorre porque a maior parte da água que é retirada para usinas de energia é devolvida à fonte, embora com uma qualidade diferente (principalmente a uma temperatura diferente). O sector energético retira principalmente as águas superficiais, embora em alguns locais também retire as águas subterrâneas. Da água superficial, cerca de um terço é água salina. A maior parte da água salina retirada é para usinas de refrigeração localizadas na costa (embora algumas usinas usam água subterrânea salobra para resfriamento).em todo o setor de energia termoelétrica nacional, aproximadamente 15 galões de água são retirados e menos de 1 galão é consumido por cada quilowatt-hora de eletricidade gerada. As barragens hidroeléctricas estão associadas a cerca de 20 galões de água consumidos por quilowatt-hora, principalmente porque o aumento da superfície dos reservatórios artificiais para além da circulação nominal do rio acelera as taxas de evaporação das bacias hidrográficas (Torcellini et al., 2003).

o ciclo Rankine, nomeado após o famoso termodinamicista William Rankine, também é conhecido como o ciclo vapor. Ele usa o calor para criar vapor que impulsiona uma turbina que gira um gerador para fazer eletricidade. O ciclo do vapor é usado para gerar aproximadamente 75% de toda a energia nos Estados Unidos. Um passo chave no ciclo do vapor é o resfriamento para condensar o vapor em água líquida de modo que ele possa ser usado novamente em um loop contínuo. Este resfriamento pode ser realizado com uma variedade de fluidos, mas devido à alta capacidade de calor da água, abundância relativa e distribuição generalizada, é o refrigerante mais comum do mundo.

outros ciclos de energia incluem o ciclo Brayton, que também é conhecido como o ciclo aberto, ciclo simples, ou Turbina de combustão. Estes sistemas muitas vezes usam turbinas que são carregadas como” aeroderivativos ” por causa de sua linhagem com turbinas que são usadas para a propulsão de aviões. Um ciclo combinado é assim chamado porque combina um ciclo Rankine e um ciclo Brayton para operar em maior eficiência.

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 pouco da água total sendo consumida por causa da evaporação. Embora o arrefecimento em circuito aberto seja eficiente em termos energéticos e baixo em termos de infra-estruturas e custos operacionais, a água descarregada é mais quente do que a água Ambiente, causando poluição térmica, que pode matar peixes e prejudicar os ecossistemas aquáticos. Assim, as agências ambientais regulam as temperaturas de descarga, tendo em conta a capacidade de dissipação de calor de uma massa de água.o resfriamento em circuito fechado requer menos retirada de água, uma vez que a água é recirculada através do uso de torres de resfriamento ou lagoas de evaporação (que são reservatórios dedicados ao resfriamento de usinas). No entanto, uma vez que o resfriamento é essencialmente obtido por evaporação, o resfriamento em circuito fechado causa maior consumo de água. A alternativa, resfriamento de ar, não requer água, mas em vez disso arrefece pelo uso de ventiladores que movem ar sobre um radiador semelhante ao dos automóveis. No entanto, a eficiência da Usina de energia para o resfriamento de ar é menor, os custos iniciais de capital são mais elevados, e os requisitos imobiliários são por vezes maiores, muitas vezes tornando esta opção menos atraente economicamente a menos que os recursos hídricos sejam escassos.embora as usinas de energia retornem a maior parte da água que retiram, a necessidade de grandes quantidades de água à temperatura correta para resfriamento introduz vulnerabilidades para as usinas de energia. Se uma seca severa ou onda de calor reduz a disponibilidade de água ou restringe sua eficácia para resfriamento por causa de inibições de transferência de calor ou limites de poluição térmica, o fato de que a Usina de energia consome tão pouca água torna-se menos importante do que o fato de que precisa da água em primeiro lugar.Centrais Eléctricas construídas há mais de 50 anos quase exclusivamente utilizavam modelos de arrefecimento em circuito aberto, que têm retiradas de água muito elevadas. Quando essas usinas foram construídas, a água era percebida como abundante e os regulamentos ambientais eram praticamente inexistentes. Durante as décadas de 1960 e 1970, as preocupações ambientais sobre a água aumentaram, iniciando uma era de pressão regulamentar para reduzir o uso de água em usinas de energia.

Eles chave de legislação foi a Lei da Água Limpa (CWA), que de acordo com a Agência de Proteção Ambiental (EPA) “…anteriores e estabeleça a estrutura básica para regular as descargas de poluentes nas águas dos Estados Unidos e a regulação de padrões de qualidade para as águas de superfície” (EPA CWA Resumo, EPA CWA História). A Lei Federal de controle da poluição da água de 1948 serviu como base para o quadro regulamentar que mais tarde se tornou a CWA em linguagem popular em 1972, após reorganização significativa e expansão. A CWA dá à EPA autoridade para implementar programas de controle de poluição, incluindo o estabelecimento de normas de águas residuais para a indústria e normas de qualidade da água para águas de superfície.

A WCA proibiu a descarga não autorizada de qualquer poluente a partir de uma fonte pontual em águas navegáveis, o que levou à criação do Sistema Nacional de eliminação de descargas de poluentes (NPDES) da EPA para controlar as descargas. Fontes pontuais (ou seja, os locais discretos como tubos ou valas artificiais) são regulados pela CWA. Embora as habitações não necessitem geralmente de uma autorização para os seus fluxos de águas residuais para os esgotos ou sistemas sépticos, as instalações industriais, municipais e outras devem obter licenças para as suas descargas que vão para as águas de superfície. Desta forma, a CWA regula as descargas das Centrais Eléctricas. Também regulam os requisitos de admissão.

usinas construídas, desde então, quase que exclusivamente utilizado de malha fechada com projetos de torres de resfriamento como uma forma de servir, muitos interesses ambientais reduzindo grandemente o arrastamento (peixes e organismos aquáticos são retirados do ambiente na usina de instalação) e choque (peixes e organismos aquáticos são fixados contra a ingestão de água telas) de vida aquática. Ao fazê-lo, as retiradas de água diminuíram em resposta ao artigo 316.o, alínea b), da CWA, aprovado em 1972.eles também impedem o aquecimento artificial de ambientes aquáticos, que é uma forma de poluição térmica e é regulada pelo §316(a) da CWA. A sabedoria convencional conclui que as torres de resfriamento são menos impactantes do que os sistemas de resfriamento em circuito aberto porque retiram menos água, apesar de as torres de resfriamento consumirem mais água, como observado anteriormente.na primeira década do século XXI, 43% das usinas termoelétricas norte-americanas eram grandes usinas com capacidade de geração superior a 100 MW. Destas grandes centrais, 42% utilizaram torres de arrefecimento de recirculação húmida (ou seja, em circuito fechado) e 14,5% utilizaram reservatórios de arrefecimento. Os restantes 43% dessas grandes usinas de energia usado uma vez através do resfriamento ,e pouco menos de 1% usam o resfriamento seco (King et al., 2013). A maioria dessas plantas com sistemas de resfriamento de uma vez por todas foram construídas antes que a CWA fosse promulgada ou foram protegidas quando a legislação foi aprovada. Muitas delas são também as mesmas instalações que foram construídas antes de controlos rigorosos das emissões. Isso significa que a maioria deles tem décadas de idade e são simultaneamente sujos e sedentos (exceto aqueles que adicionaram lavadores) e se eles são fechados em troca de plantas mais novas, mais limpas, mais lisas continua a ser um debate de política pública quente contestado.avançando, os novos sistemas híbridos e secos poderão ver uma maior implementação devido aos requisitos regulamentares e à concorrência para a água. Por exemplo, a California State Lands Commission propôs uma moratória sobre a construção de novas usinas de energia com sistemas de refrigeração em circuito aberto, que colide com esforços separados para empurrar usinas de energia para as regiões costeiras onde o arrefecimento em circuito aberto pode usar água do mar para poupar água doce interior (CASLC, 2006). A água costeira tem maiores benefícios de desempenho porque está a uma temperatura relativamente mais baixa, o que melhora a eficiência da usina. No entanto, as preocupações ambientais sobre a vida selvagem oceânica estão em conflito direto com as preocupações ambientais sobre o fornecimento de água doce interior.

Como referido anteriormente, existem tecnologias de refrigeração mais eficientes em termos de água; no entanto, estes sistemas têm desvantagens. Os sistemas arrefecidos a seco retiram e consomem menos de 10% da água dos sistemas arrefecidos a húmido. No entanto, os sistemas de arrefecimento a seco têm custos de capital mais elevados e reduzem a eficiência global da Central, o que aumenta os custos e as emissões por unidade de electricidade gerada. Como a capacidade de calor do ar é muito menor que a água, muito mais Ar tem que ser movido para conseguir o mesmo resfriamento que com a água. Isto significa instalações muito maiores para criar superfícies de resfriamento maiores em sistemas de resfriamento seco, o que aumenta drasticamente os custos de capital. Além disso, uma usina de energia com resfriamento seco pode experimentar uma perda de eficiência de 1% para cada aumento de 1°F do condensador, limitando a geração de energia com base nas temperaturas do ar ambiente (Kutscher et al., 2006).os sistemas híbridos de arrefecimento a seco por via húmida e seca proporcionam um compromisso entre os sistemas de arrefecimento a húmido e a seco, uma vez que incluem tanto o arrefecimento em circuito fechado por via húmida como o arrefecimento a seco. Assim, os sistemas híbridos wet-dry-cooling podem ter baixo consumo de água durante a maior parte do ano, operando principalmente em modo seco, mas têm a flexibilidade de operar de forma mais eficiente em modo húmido durante os períodos mais quentes do ano. Infelizmente, os recursos hídricos estão normalmente menos disponíveis durante estes períodos de pico de procura. Embora os sistemas de refrigeração a seco e híbrido sejam tecnologias comprovadas, os baixos preços da água e direitos de água sênior para os produtores de energia geralmente impedem que eles sejam projetos economicamente competitivos. No entanto, em regiões com restrição de água onde a água não está disponível para resfriamento, o resfriamento seco é muitas vezes a única alternativa. Nesses casos, os custos iniciais de capital e as cargas de eficiência parasitária são mais facilmente justificáveis.