3 Utilizarea indirectă a apei pentru generarea de energie: termocentrale

pe lângă generarea directă de energie, apa permite indirect generarea de energie prin răcirea pe care o asigură centralelor termoelectrice care funcționează pe ciclul aburului (cunoscut și sub numele de ciclul Rankine). Centralele termoelectrice folosesc căldură pentru a produce energie și sunt responsabile pentru mai mult de 90% din energia electrică generată în Statele Unite (aproximativ 3500 din cele 4000 de milioane de MWh generate anual). Majoritatea acestor centrale electrice, care satisfac 75% din nevoile de energie, utilizează ciclul de abur, care necesită o răcire extinsă. Centralele electrice folosesc, de asemenea, apă pentru producția de combustibili la mină sau la punctul de extracție și pentru Controlul emisiilor la centrala electrică. Sectorul minier, care include industriile extractive pentru producția de combustibili, necesită încă 4 miliarde de galoane pe zi, iar sectorul industrial, care include rafinării și alte instalații pentru modernizarea combustibililor, este responsabil pentru încă 14 miliarde de galoane pe zi de retrageri în Statele Unite (USGS, 2014).după cum sa menționat mai devreme, sectorul energetic este cea mai mare cauză a retragerilor de apă, dar sectorul agricol este cel mai mare consumator de apă. Un astfel de fenomen se datorează faptului că cea mai mare parte a apei care este retrasă pentru centralele electrice este returnată la sursă, deși cu o calitate diferită (în primul rând la o temperatură diferită). Sectorul energetic retrage în primul rând apa de suprafață, deși în unele locații retrage și apa subterană. Din apa de suprafață, aproximativ o treime este apă salină. Cea mai mare parte a apei saline retrase este destinată răcirii centralelor electrice situate pe coastă (deși unele centrale electrice folosesc apele subterane salmastre pentru răcire).

în sectorul energiei termoelectrice la nivel național, aproximativ 15 galoane de apă sunt retrase și se consumă mai puțin de 1 galon pentru fiecare kilowatt-oră de energie electrică generată. Barajele hidroelectrice sunt asociate cu aproape 20 de galoane de apă consumate pe kilowatt-oră, în primul rând pentru că suprafața crescută a rezervoarelor provocate de om dincolo de cursul nominal al râului accelerează ratele de evaporare din bazinele hidrografice (Torcellini și colab., 2003).

ciclul Rankine, numit după renumitul termodinamic William Rankine, este, de asemenea, cunoscut sub numele de ciclul aburului. Folosește căldura pentru a crea abur care conduce o turbină care învârte un generator pentru a produce electricitate. Ciclul de abur este utilizat pentru a genera aproximativ 75% din toată puterea din Statele Unite. Un pas cheie în ciclul aburului este răcirea pentru a condensa aburul în apă lichidă, astfel încât să poată fi utilizat din nou într-o buclă continuă. Această răcire poate fi realizată cu o varietate de fluide, dar din cauza capacității ridicate de căldură a apei, a abundenței relative și a distribuției pe scară largă, este cel mai comun lichid de răcire din lume.

alte cicluri de putere includ ciclul Brayton, care este, de asemenea, cunoscut sub numele de ciclul deschis, ciclul simplu sau turbina cu combustie. Aceste sisteme folosesc adesea turbine care sunt facturate ca „aeroderivative” din cauza descendenței lor cu turbine care sunt utilizate pentru propulsia avionului. Un ciclu combinat este numit astfel deoarece combină un ciclu Rankine și un ciclu Brayton pentru a funcționa la o eficiență mai mare.

Figura 4. Există trei metode de răcire de bază: buclă deschisă, buclă închisă și răcire cu aer.

prin amabilitatea lui Stillwell, A. S., 2010. Nexus energie-apă în Texas (teza de Master). Universitatea Texas din 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 puțin din apa totală fiind consumată din cauza evaporării. În timp ce răcirea în buclă deschisă este eficientă din punct de vedere energetic și are costuri reduse în ceea ce privește infrastructura și costurile operaționale, apa evacuată este mai caldă decât apa ambientală, provocând poluare termică, care poate ucide peștii și poate dăuna ecosistemelor acvatice. Astfel, agențiile de mediu reglează temperaturile de descărcare, ținând cont de capacitatea de disipare a căldurii unui corp de apă.

răcirea în buclă închisă necesită o retragere mai mică a apei, deoarece apa este recirculată prin utilizarea turnurilor de răcire sau a iazurilor de evaporare (care sunt rezervoare dedicate răcirii centralelor electrice). Cu toate acestea, deoarece răcirea se realizează în esență prin evaporare, răcirea în buclă închisă determină un consum mai mare de apă. Alternativa, răcirea cu aer, nu necesită apă, ci se răcește prin utilizarea ventilatoarelor care deplasează aerul peste un radiator similar cu cel din automobile. Cu toate acestea, eficiența centralelor electrice pentru răcirea cu aer este mai mică, costurile de capital inițiale sunt mai mari, iar cerințele imobiliare sunt uneori mai mari, făcând adesea această opțiune mai puțin atractivă din punct de vedere economic, cu excepția cazului în care resursele de apă sunt limitate.

chiar dacă centralele electrice returnează cea mai mare parte a apei pe care o retrag, nevoia de cantități atât de mari de apă la temperatura potrivită pentru răcire introduce vulnerabilități pentru centralele electrice. Dacă o secetă severă sau un val de căldură reduce disponibilitatea apei sau restricționează eficiența acesteia pentru răcire din cauza inhibițiilor de transfer de căldură sau a limitelor de poluare termică, faptul că centrala consumă atât de puțină apă devine mai puțin important decât faptul că are nevoie de apă în primul rând.

centralele electrice construite în urmă cu peste 50 de ani au folosit aproape exclusiv modele de răcire în buclă deschisă, care au retrageri de apă foarte mari. Când au fost construite aceste centrale electrice, apa a fost percepută ca abundentă, iar reglementările de mediu erau practic inexistente. În anii 1960 și 1970, preocupările de mediu cu privire la apă au crescut, începând o eră a presiunii de reglementare pentru a reduce utilizarea apei la centralele electrice.legislația cheie a fost Clean Water Act (CWA), care, potrivit Agenției pentru Protecția Mediului (EPA) „…stabilește structura de bază pentru reglementarea evacuărilor de poluanți în apele Statelor Unite și reglementarea standardelor de calitate pentru apele de suprafață” (EPA CWA Summary, EPA CWA History). Legea federală privind controlul poluării apei din 1948 a servit ca bază pentru Cadrul de reglementare care a devenit ulterior CWA în limbajul popular în 1972, după o reorganizare și extindere semnificativă. CWA acordă autorității EPA să implementeze programe de control al poluării, inclusiv stabilirea standardelor de ape uzate pentru industrie și a standardelor de calitate a apei pentru apele de suprafață.

CWA a interzis evacuarea nepermisă a oricărui poluant dintr-o sursă punctuală în apele navigabile, ceea ce a dus la crearea programului național de autorizare a sistemului național de eliminare a poluanților (NPDES) al EPA pentru controlul evacuărilor. Sursele punctuale (adică locațiile discrete, cum ar fi conductele sau șanțurile provocate de om) sunt reglementate de CWA. În timp ce casele nu au nevoie, în general, de un permis NPDES pentru fluxurile lor de ape uzate în canalizare sau sisteme septice, instalațiile industriale, municipale și alte instalații trebuie să obțină permise pentru evacuările lor care merg în apele de suprafață. În acest fel, CWA reglează evacuările de la centralele electrice. Ele reglementează, de asemenea, cerințele de admisie.

centralele electrice construite de atunci au folosit aproape exclusiv modele cu buclă închisă cu turnuri de răcire ca o modalitate de a servi multor interese de mediu prin reducerea considerabilă a antrenării (peștii și organismele acvatice sunt retrase din mediu în instalația centralei electrice) și a afectării (peștii și organismele acvatice sunt fixate pe ecranele de admisie a apei) a faunei sălbatice acvatice. Acest lucru a însemnat că retragerile de apă au scăzut ca răspuns la 316(B) din CWA trecut în 1972.

de asemenea, împiedică încălzirea artificială a mediilor acvatice, care este o formă de poluare termică și este reglementată de articolul 316 litera(A) din CWA. Înțelepciunea convențională concluzionează că turnurile de răcire au un impact mai mic decât sistemele de răcire cu buclă deschisă, deoarece retrag mai puțină apă, chiar dacă turnurile de răcire consumă mai multă apă, așa cum s-a menționat anterior.

în primul deceniu al secolului 21, 43% din centralele termoelectrice din SUA erau instalații mari de energie cu capacități de generare de peste 100 mW. Dintre aceste centrale electrice mari, 42% au folosit turnuri de răcire cu recirculare umedă (adică buclă închisă) și 14,5% au folosit rezervoare de răcire. Restul de 43% din aceste centrale electrice mari au folosit răcirea o singură dată și puțin sub 1% folosesc răcirea uscată (King și colab., 2013). Cele mai multe dintre aceste plante cu o dată prin sisteme de răcire au fost construite înainte de CWA a fost adoptată sau au fost bunici în Odată ce legislația a fost adoptată. Multe dintre ele sunt, de asemenea, aceleași instalații care au fost construite înainte de controlul strict al emisiilor. Acest lucru înseamnă că cele mai multe dintre ele sunt vechi de zeci de ani și sunt în același timp murdare și însetate (cu excepția celor care au adăugat epuratoare) și dacă sunt închise în schimbul unor plante mai noi, mai curate și mai slabe rămâne o dezbatere de politică publică extrem de contestată.

Mergând mai departe, noile sisteme hibride și uscate ar putea avea o implementare mai mare din cauza cerințelor de reglementare și a concurenței pentru apă. De exemplu, California State Lands Commission a propus un moratoriu privind construcția de noi centrale electrice cu sisteme de răcire în buclă deschisă, care se confruntă cu eforturi separate de a împinge centralele electrice în regiunile de coastă unde răcirea în buclă deschisă poate folosi apa de mare pentru a economisi apa dulce interioară (CASLC, 2006). Apa de coastă are beneficii mai mari de performanță, deoarece este la o temperatură relativ mai scăzută, ceea ce îmbunătățește eficiența centralei electrice. Cu toate acestea, preocupările de mediu cu privire la viața sălbatică oceanică sunt în conflict direct cu preocupările de mediu cu privire la aprovizionarea cu apă dulce interioară.așa cum am menționat mai devreme, există tehnologii de răcire mai eficiente din punct de vedere al apei; cu toate acestea, aceste sisteme au dezavantaje. Sistemele răcite la uscat retrag și consumă mai puțin de 10% din apa sistemelor răcite la umed. Cu toate acestea, sistemele de răcire uscată au costuri de capital mai mari și reduc eficiența generală a instalației, ceea ce crește costurile și emisiile pe unitatea de energie electrică generată. Deoarece capacitatea termică a aerului este mult mai mică decât apa, trebuie mutat mult mai mult aer pentru a obține aceeași răcire ca și cu apa. Aceasta înseamnă facilități mult mai mari pentru a crea suprafețe mai mari de răcire în sistemele de răcire uscată, ceea ce crește dramatic costurile de capital. În plus, o centrală electrică cu răcire uscată poate experimenta o pierdere de eficiență de 1% pentru fiecare creștere de 1 hectof a condensatorului, limitând generarea de energie pe baza temperaturilor aerului înconjurător (Kutscher și colab., 2006).

deoarece includ atât răcirea umedă în buclă închisă, cât și răcirea uscată, sistemele hibride de răcire umedă și uscată oferă un compromis între sistemele de răcire umedă și uscată. Astfel, sistemele hibride de răcire umedă-uscată pot avea un consum redus de apă pentru o mare parte a anului, funcționând în principal în modul uscat, dar au flexibilitatea de a funcționa mai eficient în modul umed în cele mai fierbinți perioade ale anului. Din păcate, resursele de apă sunt de obicei mai puțin disponibile în aceste perioade de vârf ale cererii. Deși sistemele de răcire uscată și hibridă sunt tehnologii dovedite, prețurile scăzute ale apei și drepturile de apă senior pentru generatoarele de energie, de obicei, le împiedică să fie modele competitive din punct de vedere economic. Cu toate acestea, în regiunile constrânse de apă în care apa nu este disponibilă pentru răcire, răcirea uscată este adesea singura alternativă. În astfel de cazuri, costurile de capital inițiale și sarcinile de eficiență parazitară sunt mai ușor justificabile.