3 indirekt vattenanvändning för kraftproduktion: termoelektriska kraftverk

förutom direkt kraftproduktion möjliggör vatten indirekt kraftproduktion genom kylningen det ger termoelektriska kraftverk som arbetar på ångcykeln (även känd som Rankine-cykeln). Termoelektriska kraftverk använder värme för att producera kraft och ansvarar för mer än 90% av den el som genereras i USA (cirka 3500 av de 4000 miljoner MWh som genereras årligen). De flesta av dessa kraftverk, som uppfyller 75% av kraftbehovet, använder ångcykeln, vilket kräver omfattande kylning. Kraftverk använder också vatten för bränsleproduktion vid gruvan eller utvinningsplatsen och för utsläppskontroll vid kraftverket. Gruvsektorn, som inkluderar utvinningsindustrin för bränsleproduktion, kräver ytterligare 4 miljarder gallon per dag, och industrisektorn, som inkluderar raffinaderier och andra anläggningar för uppgradering av bränslen, ansvarar för ytterligare 14 miljarder gallon per dag av uttag i USA (USGS, 2014).

som tidigare nämnts är energisektorn den största orsaken till vattenuttag, men jordbrukssektorn är den största konsumenten av vatten. Ett sådant fenomen beror på att det mesta av vattnet som tas ut för kraftverk returneras till källan, men med en annan kvalitet (främst vid en annan temperatur). Energisektorn drar främst ut ytvatten, men på vissa platser drar den också ut grundvatten. Av ytvattnet är ungefär en tredjedel saltvatten. Det mesta av saltvattnet som tas ut är för kylkraftverk vid kusten (även om vissa kraftverk använder bräckt grundvatten för kylning).

över den termoelektriska kraftsektorn nationellt dras cirka 15 liter vatten ut och mindre än 1 gallon förbrukas för varje kilowattimme el som genereras. Vattenkraftverk dammar är förknippade med nästan 20 liter vatten som förbrukas per kilowattimme främst på grund av den ökade ytan av konstgjorda reservoarer bortom den nominella run-of-river accelererar avdunstningshastigheter från avrinningsområden (Torcellini et al., 2003).

Rankine-cykeln, uppkallad efter den berömda termodynamikern William Rankine, är också känd som ångcykeln. Den använder värme för att skapa ånga som driver en turbin som snurrar en generator för att göra El. Ångcykeln används för att generera cirka 75% av all kraft i USA. Ett viktigt steg i ångcykeln är kylning för att kondensera ångan till flytande vatten så att den kan användas igen i en kontinuerlig slinga. Denna kylning kan åstadkommas med en mängd olika vätskor, men på grund av vattnets höga värmekapacitet, relativa överflöd och utbredd distribution är det världens vanligaste kylvätska.

andra effektcykler inkluderar Brayton-cykeln, som också kallas öppen cykel, enkel cykel eller förbränningsturbin. Dessa system använder ofta turbiner som faktureras som” aeroderivatives ” på grund av deras härstamning med turbiner som används för flygplan framdrivning. En kombinerad cykel heter så eftersom den kombinerar en Rankine-cykel och en Brayton-cykel för att fungera med högre effektivitet.

Figur 4. Det finns tre grundläggande kylmetoder: öppen slinga, sluten slinga och luftkylning.

med tillstånd av Stillwell, A. S., 2010. Energi-vatten Nexus i Texas (magisteruppsats). University of 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 totala vattnet förbrukas på grund av avdunstning. Medan öppen kylning är energieffektiv och låg i infrastruktur och driftskostnader, är det urladdade vattnet varmare än omgivande vatten, vilket orsakar termisk förorening, vilket kan döda fisk och skada akvatiska ekosystem. Således reglerar miljöbyråer urladdningstemperaturer, med hänsyn till en vattenkropps värmeavledningskapacitet.

sluten kylning kräver mindre vattenuttag, eftersom vattnet återcirkuleras genom användning av kyltorn eller avdunstningsdammar (som är reservoarer avsedda för kylning av kraftverk). Eftersom kylningen i huvudsak uppnås genom avdunstning orsakar kylning med sluten slinga högre vattenförbrukning. Alternativet, luftkylning, kräver inte vatten, utan kyler istället med hjälp av fläktar som flyttar luft över en radiator som liknar den i bilar. Kraftverkets effektivitet för luftkylning är dock lägre, kapitalkostnaderna i förskott är högre och fastighetskraven är ibland större, vilket ofta gör detta alternativ mindre attraktivt ekonomiskt om inte vattenresurserna är knappa.

även om kraftverk returnerar det mesta av vattnet som de drar ut, introducerar behovet av så stora mängder vatten vid rätt temperatur för kylning sårbarheter för kraftverken. Om en allvarlig torka eller värmebölja minskar tillgången på vatten eller begränsar dess effektivitet för kylning på grund av värmeöverföringshinder eller termiska föroreningsgränser, blir det faktum att kraftverket förbrukar så lite vatten mindre viktigt än det faktum att det behöver vattnet i första hand.

kraftverk som byggdes för över 50 år sedan använde nästan uteslutande kylkonstruktioner med öppen slinga, som har mycket höga vattenuttag. När dessa kraftverk byggdes upplevdes vatten som rikligt och miljöbestämmelserna var praktiskt taget obefintliga. Under 1960-och 1970-talet ökade miljöhänsyn om vatten och startade en era av reglerande tryck för att minska vattenanvändningen vid kraftverk.

de viktigaste lagstiftningen var Clean Water Act (CWA), som enligt Environmental Protection Agency (EPA) ”…etablerar den grundläggande strukturen för att reglera utsläpp av föroreningar i USA: s vatten och reglera kvalitetsstandarder för ytvatten” (EPA Cwa sammanfattning, EPA CWA historia). Federal Water Pollution Control Act från 1948 fungerade som grund för det regelverk som senare blev CWA I populärt språk 1972 efter betydande omorganisation och expansion. CWA ger EPA-myndigheten att genomföra program för föroreningskontroll, inklusive inrättandet av avloppsvattenstandarder för industri-och vattenkvalitetsstandarder för ytvatten.

CWA förbjöd otillåtet utsläpp av föroreningar från en punktkälla till farbara vatten, vilket ledde till skapandet av EPA: s National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES) tillståndsprogram för att kontrollera utsläpp. Punktkällor (dvs. de diskreta platserna som rör eller konstgjorda diken) regleras av CWA. Medan bostäder i allmänhet inte behöver ett NPDES-tillstånd för att deras avloppsvatten strömmar in i avlopp eller septiska system, måste industriella, kommunala och andra anläggningar få tillstånd för sina utsläpp som går till ytvatten. På detta sätt reglerar CWA utsläpp från kraftverk. De reglerar också intagskraven.

kraftverk som byggts sedan dess har nästan uteslutande använt slutna konstruktioner med kyltorn som ett sätt att tjäna många miljöintressen genom att kraftigt minska inneslutningen (fisk och vattenlevande organismer dras tillbaka från miljön till kraftverksanläggningen) och impingement (fisk och vattenlevande organismer fästs mot vattenintagsskärmar) av vattenlevande djurliv. Att göra det innebar att vattenuttag har minskat som svar på Cwa: s 316(b) 2972.

de förhindrar också konstgjord uppvärmning av vattenmiljöer, vilket är en form av termisk förorening och regleras av Cwa: s 316(a). Konventionell visdom drar slutsatsen att kyltorn är mindre effektfulla än öppna kylsystem eftersom de drar ut mindre vatten, även om kyltorn förbrukar mer vatten, som tidigare nämnts.

under det första decenniet av det 21: a århundradet var 43% av amerikanska termoelektriska kraftverk stora kraftanläggningar med produktionskapacitet på över 100 MW. Av dessa stora kraftverk använde 42% våtrecirkulerande kyltorn (dvs sluten slinga) och 14,5% använde kylreservoarer. De återstående 43% av dessa stora kraftverk använde en gång genom kylning, och knappt 1% använder torrkylning (King et al., 2013). De flesta av dessa anläggningar med en gång genom kylsystem byggdes innan CWA antogs eller farfar in när lagstiftningen antogs. Många av dem är också samma anläggningar som byggdes före strikta utsläppskontroller. Det betyder att de flesta av dem är årtionden gamla och samtidigt är smutsiga och törstiga (förutom de som lagt till skrubber) och om de stängs av i utbyte mot nyare, renare, smalare växter förblir en hett omtvistad offentlig politisk debatt.

framåt kan nya hybrid-och torrsystem se större implementering på grund av hotande lagkrav och konkurrens om vatten. Till exempel föreslog California State Lands Commission ett moratorium för byggandet av nya kraftverk med öppna kylsystem, som kolliderar med separata ansträngningar för att driva kraftverk till kustregioner där öppen kylning kan använda havsvatten för att spara inlandsfrövatten (CASLC, 2006). Kustvatten har högre prestandafördelar eftersom det har en relativt lägre temperatur, vilket förbättrar kraftverkets effektivitet. Men miljöhänsyn om oceaniska vilda djur står i direkt konflikt med miljöhänsyn om inlandsfrövattenförsörjning.

som tidigare nämnts finns mer vatteneffektiv kylteknik; dessa system har dock nackdelar. Torrkylda System drar ut och förbrukar mindre än 10% av vattnet i våtkylda system. Torrkylsystem har dock högre kapitalkostnader och minskar anläggningens totala effektivitet, vilket ökar kostnaderna och utsläppen per producerad elenhet. Eftersom luftens värmekapacitet är så mycket lägre än vatten måste mycket mer luft flyttas för att uppnå samma kylning som med vatten. Detta innebär mycket större anläggningar för att skapa de större kylytorna i torrkylsystem, vilket dramatiskt ökar kapitalkostnaderna. Dessutom kan ett kraftverk med torrkylning uppleva en 1% effektivitetsförlust för varje 1 kg f ökning av kondensorn, vilket begränsar kraftgenerering baserat på omgivande lufttemperaturer (Kutscher et al., 2006).

eftersom de innehåller både våt-och torrkylning med sluten slinga, ger hybrid våt–torr-kylsystem en kompromiss mellan våt – och torrkylsystem. Således hybrid våt-torr-kylsystem kan ha låg vattenförbrukning under större delen av året genom att arbeta främst i torrt läge, men har flexibiliteten att arbeta mer effektivt i vått läge under de varmaste tiderna på året. Tyvärr är vattenresurser vanligtvis mindre tillgängliga under dessa toppefterfrågningstider. Även om torr-och hybridkylsystem är beprövad teknik, hindrar låga vattenpriser och högre vattenrättigheter för kraftgeneratorer vanligtvis dem från att vara ekonomiskt konkurrenskraftiga. Men i vattenbegränsade områden där vatten inte är tillgängligt för kylning är torrkylning ofta det enda alternativet. I sådana fall är de initiala kapitalkostnaderna och parasitiska effektivitetsbelastningarna lättare motiverade.