Elektrownie oparte na cyklach termodynamicznych, są zazwyczaj oparte na obiegu wodno-parowym – dla którego używa się obiegu Clausiusa-Rankine’a jako obiegu porównawczego, lub na obiegu gazowym, dla którego używa się obiegu Braytona jako obiegu porównawczego.
Zdecydowana większość elektrowni cieplnych (wyjątek stanowią elektrownie gazowe w układzie prostym), jest opartych na cyklu wodno-parowym. Takimi elektrowniami są na przykład: elektrownie jądrowe, węglowe, gazowe w układzie kombinowanym, na olej opałowy czy biomasę. Wszystkie z wyżej wymienionych do swojej pracy potrzebują układu chłodzenia, który odpowiada za kondensację pary mokrej na wylocie z turbiny.
Parametrami, które decydują o ilości ciepła odbieranego są sprawność elektrowni oraz jej moc. Bloki jądrowe mają sprawność około 33-35% a elektrownie węglowe około 35-45% (i więcej). W związku z powyższym, blok jądrowy o danej mocy elektrycznej będzie potrzebować wydajniejszego systemu chłodzenia niż blok węglowy o takiej samej mocy.
Można wyróżnić dwa podstawowe systemy chłodzenia:
- O układzie otwartym – stosowany przy chłodzeniu wodą morską, w pobliżu dużych rzek lub jezior. W układach tego typu woda chłodząca przechodzi przez skraplacz, a następnie podgrzana o kilka, kilkanaście stopni, jest zrzucana do tego samego zbiornika (morze, duże jezioro) lub cieku wodnego.
- O układzie zamkniętym – stosowany w miejscach, gdzie dostępność wody chłodzącej do zastosowania cyklu otwartego jest niewystarczająca. Można go podzielić na poszczególne rodzaje:
- chłodzenie mokre, które z kolei można podzielić na 2 podkategorie:
– Chłodzenie mokre przy użyciu chłodni kominowych bądź wentylatorowych – w tym przypadku woda chłodząca po wyjściu ze skraplacza jest kierowana do wnętrza chłodni. Tam woda jest rozdrabniania i podczas opadania chłodzona przez powietrze poruszające się ku górze. Wysokie chłodnie kominowe o przeważnie hiperbolicznym kształcie (lub chłodnie wentylatorowe), zapewniają przepływ powietrza. W wyniku tego procesu część wody zostaje odparowana (3-5%) [1]. Wobec czego odparowana woda musi być stale uzupełniana.
– Drugą możliwością dla chłodzenia mokrego jest zastosowanie basenów chłodzących. Są to sztuczne zbiorniki utworzone na potrzeby chłodzenia jednostek wytwórczych. Woda chłodząca jest pobierana z basenu i kierowana do skraplacza w celu kondensacji pary. Następnie ogrzana woda chłodząca trafia ponownie do basenu. Podgrzanie wody w basenie chłodzącym powoduje jej ubytek przez odparowanie, dlatego wodę w basie należy uzupełniać.
- Chłodzenie suche – to rozwiązanie posiada dwie podkategorie:
– pierwsza, gdzie czynnik po wyjściu z turbiny trafia bezpośrednio do skraplacza chłodzonego przez powietrze – zwane chłodzeniem bezpośrednim
– Druga możliwość polega na zastosowaniu pętli pośredniczącej – zwane chłodzeniem pośrednim.
Do chłodzenia suchego pośredniego można użyć chłodni kominowej bądź wentylatorowej – podobnie jak w chłodzeniu mokrym. Jednakże w przypadku systemu suchego, woda trafiająca do chłodni nie ma bezpośredniego kontaktu z powietrzem – woda ogrzana w skraplaczu trafia do chłodni, gdzie przepływa przez wymiennik ciepła, który jest chłodzony przez przepływające powietrze. Zastosowanie wymiennika zapobiega odparowaniu wody.
Jednym z wariantów dla systemu suchego pośredniego jest system Heller’a [2]. W takim systemie woda chłodząca trafia do skraplacza, gdzie jest rozpylana. W tym układzie skraplacz nie jest orurowany. Woda chłodząca jest rozpylana w tej samej przestrzeni, w której znajduje się para po wylocie z turbiny. Wobec tego, skroplona para oraz woda chłodząca mieszają się i trafiają ponownie do obiegu jako woda zasilająca (około 2-3% czynnika) oraz do chłodni (odpowiednio 98-97%).
W kontekście zamkniętych układów chłodzenia, warto dodać, że istnieją elektrownie posiadające hybrydowe układy chłodzenia. W takiej konfiguracji, mogą to być dwa osobne urządzenia, albo też mogą być zintegrowane razem: w ramach jednej chłodni kominowej (bądź wentylatorowej), która posiada dwie sekcje: do chłodzenia suchego oraz do chłodzenia mokrego. W okresie chłodniejszych miesięcy korzysta się z chłodzenia suchego, natomiast w okresach cieplejszych z chłodzenia mokrego.
Podsumowując, systemy chłodzenia w elektrowniach cieplnych, można podzielić zgodnie ze schematem zaprezentowanym na rysunku 1. (Należy mieć na uwadze, iż poniższy diagram nie uwzględnia chłodzenia hybrydowego).
Rysunek 1. Podstawowe systemy chłodzenia stosowane w elektrowniach cieplnych, bazując na [3].
Wszystkie opisane wyżej sposoby chłodzenia posiadają swoje wady i zalety.
Chłodzenie otwarte wodą morską zapewnia niższą temperaturę chłodzenia niż w przypadku innych systemów chłodzenia, niewielkie zmiany temperatury w ciągu roku oraz brak problemu z dostępnością wody. Niższe temperatury oznaczają większą sprawność elektrowni. Minusem tego rozwiązania jest potrzeba wykonania skraplacza z wyższej klasy materiałów – woda morska jest bardziej korozyjna niż woda słodka.
Chłodzenie otwarte wodą pobraną z rzeki lub jeziora, niesie ze sobą kilka kwestii: temperatura wody chłodzącej będzie średnio wyższa niż w przypadku morza, podobnie jak wahania temperatury wody słodkiej w ciągu roku będą wyższe aniżeli w przypadku wody morskiej. Ma to znaczenie zwłaszcza w okresie letnim, w dniach bardzo wysokich temperatur.
Po pierwsze wyższa temperatura wody chłodzącej może być przyczyną pogorszenia próżni w skraplaczu, co niesie za sobą spadek sprawności elektrowni, a co za tym idzie spada ilość energii elektrycznej oddawanej do sieci. Po drugie okresy letnie mogą charakteryzować się niższym poziomem wód, co potencjalnie może przyczynić się do ograniczenia w poborze wody chłodzącej. Należy zwrócić uwagę także na przepisy dotyczące zrzutu wody użytej do chłodzenia.
Przykładem może być paragraf 13 rozporządzenia dot. m.in. zrzutu wody chłodzącej [4], który brzmi następująco: “Wody chłodnicze z otwartych układów chłodzenia oraz z zamkniętych układów chłodzących mogą być wprowadzane do wód lub do ziemi pod warunkiem, że ich temperatura nie jest wyższa niż 35°C.” To niesie za sobą kolejne ograniczenia, zwłaszcza w okresach bardzo wysokich temperatur.
Jeśli chodzi o zamknięte układy chłodzenia, to pobierają one znacznie mniej wody niż układy otwarte. W przypadku mokrych chłodni kominowych, pobierają one wodę w ilościach odpowiadających tej odparowanej podczas chłodzenia. Natomiast jeśli chodzi o chłodzenie suche, to zasadniczo, nie pobierają one wody na potrzeby chłodzenia, ponieważ nie jest ona odparowywana w procesie. Z uwagi na to, że w układzie zamkniętym, czynnikiem który odbiera ciepło do otoczenia jest powietrze, również te systemy są narażone na problemy związane z dostatecznym chłodzeniem podczas ekstremalnie wysokich. Ponadto, wahania temperatury powietrza są na ogół zauważalnie większe niż wahania temperatury wód w ciekach lub zbiornikach wodnych. Nie mniej, ilość wody potrzebna do chłodzenia jest znacznie mniejsza, co prezentuje tabela 1:
Kolejnym istotnym czynnikiem porównawczym systemów chłodzenia elektrowni jest ich koszt. W publikacji “Power Plant Cooling System Overview for Researchers and Technology Developers” [6] dokonano porównania bloków węglowych o mocy 500 MW elektrycznych. Pod uwagę wzięto kilka istotnych parametrów – jednym z nich są koszty tych układów, które (w jednostkach względnych) zostały zaprezentowane w tabeli 2.
Widać zdecydowanie, ile niższy jest koszt układu chłodzenia w układzie otwartym w porównaniu do pozostałych systemów. Wariant ten jest około 2 razy tańszy od chłodzenia mokrego w układzie zamkniętym i nawet do 10 razy tańszy od chłodzenia suchego bądź chłodzenia hybrydowego.
Na rysunku 2, zaprezentowano liczbę jednostek wytwórczych oddanych w danym dziesięcioleciu w Stanach Zjednoczonych z podziałem na systemy chłodzenia. Dane pochodzą z publikacji z 2017 roku, dlatego ostatni słupek (lata 2018 – 2022) był wtedy jedynie prognozą. Aby zaobserwować zmianę trendów w systemach chłodzenia, zdecydowano się zaprezentować dane ze Stanów Zjednoczonych, które posiadają dużą liczbę jednostek wytwórczych, a co za tym idzie, dobrze nadają się do celów statystycznych.
Na rysunku 2 widać, że w latach sześćdziesiątych oraz siedemdziesiątych oddano bardzo dużo jednostek wytwórczych z otwartym układem chłodzenia. Natomiast począwszy od lat 80-tych ich udział w nowo oddanych do użytku jednostkach wytwórczych znacząco spadł. Jednocześnie, oprócz lat sześćdziesiątych, systemem który był najczęściej stosowanym był zamknięty, mokry układ chłodzenia. Zrzut podgrzanej wody o kilka, kilkanaście do rzeki wpływa na żyjącą w niej florę i faunę. W celu zmniejszenia wpływu na środowisko, w wielu miejscach, w tym w USA oraz w Europie, na skutek zmian prawnych, zaczęto częściej stosować zamknięte systemy chłodzenia – stąd znaczny spadek obiegów otwartych począwszy od lat 80-tych. Co istotne, w celu dalszego ograniczenia zużycia wody, zaczęto z powodzeniem stosować systemy hybrydowe bądź suche. Począwszy od początku XXI wieku, zaczęły być one częściej stosowane niż systemy otwarte, co prezentuje poniższy wykres.
W kontekście potrzeby dużej dostępności wody w przypadku systemów otwartych warto zwrócić uwagę na zasoby wód powierzchniowych w Polsce, które są przedstawione na rysunku 3. Widać że dla ostatnich 70 lat, występuje trend spadkowy (umieszczony na wykresie kolorem zielonym), z około 62.2 km³ do 57 km³, co oznacza spadek o około 8.3%. W związku z tym stosowanie systemów chłodzenia wymagających mniejszej ilości wody lub niewymagającej jej w ogóle, wydaje się w pełni zasadne.
Poza kwestiami szeroko związanymi ze zmniejszeniem oddziaływania systemów chłodzenia na środowisko, inną istotną konsekwencją stosowania systemów chłodzenia o małym zużyciu wody jest dostępność większej liczby lokalizacji. Potencjalnie może to ograniczyć potrzebę budowy długich linii najwyższych napięć.
W przypadku rynku ciepła w Polsce, potencjalne nowe lokalizacje jednostek wytwórczych z relatywnie małymi potrzebami chłodzenia mogą być szansą na budowę nowych elektrociepłowni lub rozbudowę obecnych. Systemy hybrydowe bądź suche, stosuje się przede wszystkim w miejscach, gdzie dostępność wody jest bardzo ograniczona.
Podsumowując, sposób chłodzenia elektrowni jest zależny od wielu czynników takich jak np. uwarunkowania środowiskowe czy dostępność wody chłodzącej. Z drugiej strony, jest to istotny czynnik przy wyborze lokalizacji elektrowni, ponieważ może wykluczyć pewne lokalizacje, oraz znacząco wpłynąć na opłacalność inwestycji, jakim jest budowa jednostki wytwórczej.
Literatura
- World Nuclear Association, Cooling Power Plants, online, dostęp: 15.02.2024.
- Ashwood, A, and Bharathan, D. Hybrid Cooling Systems for Low-Temperature Geothermal Power Production. United States: N. p., 2011. Web. doi:10.2172/1009690.
- International Atomic Energy Agency, Efficient Water Management in Water Cooled Reactors, online, dostęp: 15.02.2024.
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej z dnia 12 lipca 2019 r. w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego oraz warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu do wód lub do ziemi ścieków, a także przy odprowadzaniu wód opadowych lub roztopowych do wód lub do urządzeń wodnych (Dz.U. z 2019 r., poz. 1311)
- Gary Vine, Cooling Water Issues and Opportunities at U.S. Nuclear Power PlantsCooling Power Plants, online, dostęp: 15.02.2024.
- Jessica Shi, EPRI, Power Plant Cooling System Overview for Researchers and Technology Developers online, dostęp: 15.02.2024.
- Suparna Ray, The U.S. Energy Information Administration, Some U.S. electricity generating plants use dry cooling, online, dostęp: 15.02.2024.
- Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Rocznik hydrologiczny 2022 online, dostęp: 15.02.2024.
