Zużycie wody w produkcji energii elektrycznej

Technologie umożliwiające różnorodne konwersje energii z chemicznej czy mechanicznej na elektryczną (gdyż te dwa rodzaje są najczęściej spotykane) rozpatruje się pod wieloma względami. Rzadko jednak zwraca się uwagę na pewien kluczowy czynnik, bez którego do generowania energii elektrycznej w ogóle by nie doszło. Mowa tutaj o zapotrzebowaniu na wodę.

W cyklu generowania energii elektrycznej wykorzystuje się bardzo duże ilości różnego rodzaju wody (odmienny od siebie sposób przygotowania oraz docelowy skład chemiczny). Dziś chcielibyśmy prześledzić, jak wygląda zużycie wody na cele chłodnicze. Są to wielkości znaczące, a z tego wynika fakt, że elektrownie oraz elektrociepłownie lokalizowane są w zdecydowanej większości przypadków w okolicach rzek, jezior lub sztucznych zbiorników.

Rodzaje paliw a zużycie wody

W tabeli przedstawione zostały różnego rodzaju metody generowania energii elektrycznej w podziale na rodzaj paliwa, sposób chłodzenia oraz zastosowaną technologię. Do zestawienia wybrane zostały trzy typy paliwa: jądrowe, gaz ziemny oraz węgiel kamienny. Ilość stosowanej wody zapisano w formie trzech wartości - minimalnej, maksymalnej oraz mediany, czyli wartości środkowej. Wartości liczbowe zapisane są w jednostce m3/MWh. Należy zatem rozsądnie spoglądać na dane, mając na uwadze, iż rocznie średniej wielkości elektrownia generuje kilka TWh energii elektrycznej (1 TWh to 106 MWh).

Zapotrzebowanie na wodę w przypadku różnych konwencjonalnych technologii generowania energii elektrycznej

Rodzaj paliwa	Sposób chłodzenia	Technologia	Mediana	Min.	Maks.
Jądrowe	Wieża (chłodnia)	Ogólna	2,54	2,20	3,20
	System jednociągowy	Ogólna	1,02	0,38	1,51
	Jezioro chłodzące	Ogólna	2,31	2,12	2,73
Gaz ziemny	Wieża (chłodnia)	Cykl kombinowany	0,75	0,49	1,14
		Parowa	3,13	2,51	4,43
		Cykl kombinowany z CCS*	1,43	1,43	1,43
	System jednociągowy	Cykl kombinowany	0,38	0,08	0,38
	System jednociągowy	Parowa	0,91	0,36	1,10
	Jezioro chłodzące	Cykl kombinowany	0,91	0,91	0,91
	Technologia sucha	Cykl kombinowany	0,01	0,00	0,02
	Chłodzenie powietrzne	Parowa	1,29	0,30	2,27
Węgiel kamienny	Wieża (chłodnia)	Ogólna	2,60	1,82	4,16
		Podkrytyczna	1,78	1,49	2,51
		Nadkrytyczna	1,87	1,73	2,25
		IGCC**	1,41	1,20	1,66
		Podkrytyczna z CCS	3,57	3,57	3,57
		Nadkrytyczna z CCS	3,20	3,20	3,20
		IGCC z CCS	2,04	1,98	2,11
	System jednociągowy	Ogólna	0,95	0,38	1,20
		Podkrytyczna	0,43	0,27	0,52
		Nadkrytyczna	0,39	0,24	0,47
	Jezioro chłodzące	Ogólna	2,06	1,14	2,65
		Podkrytyczna	2,95	2,79	3,04
		Nadkrytyczna	0,16	0,02	0,24

* CCS (Carbon Capture and Storage) - technologia związana z wychwytywaniem CO2 ze spalin
** IGCC - blok gazowo-parowy z zintegrowanym zgazowaniem paliwa

Analizując dane zawarte w tabeli, nie sposób nie zauważyć różnic pomiędzy poszczególnymi technologiami opartymi na tym samym rodzaju paliwa oraz sposobie chłodzenia. Najłatwiej różnice te wykazać na przykładzie węgla kamiennego, co jednocześnie jest skorelowane z systemem energetycznym naszego kraju. Wynika z tego, iż najoszczędniejszą w wodę technologią jest IGCC, czyli blok gazowo-parowy z zintegrowanym zgazowaniem paliwa. Jest to niezwykle wydajna opcja generowania energii elektrycznej oraz ciepła (dzięki wymiennikom), której sprawności sięgają wartości z przedziału 45-55%. Znacznie niższe są także emisje szkodliwych gazów (tlenków azotu, dwutlenku siarki czy dwutlenku węgla). Wszystko ma jednak swoją cenę i jak łatwo się domyślić, to właśnie ten aspekt wpływa na fakt, iż technologia IGCC nie jest jeszcze mocno rozpowszechniona na terenie naszego kraju.

W tabeli wyszczególnione zostały technologie podkrytyczne oraz nadkrytyczne, które poprzez balans parametrami pracy bloku (wyższe temperatury oraz ciśnienia) wpływają na wzrost sprawności układu. Niemniej jednak wiąże się to także ze wzrostem zapotrzebowania na wodę, co jednak nie powinno zaskakiwać. Inna technologia - CCS (Carbon Capture and Storage) - związana jest z wychwytywaniem dwutlenku węgla ze spalin. Ma to za zadanie obniżanie emisji tego gazu do atmosfery. Sama w sobie idea prezentuje się znakomicie, jednak koszty jej wdrożenia zmusiły już działaczy kilku elektrowni do odstąpienia od wcielenia w życie tego projektu (działo się tak również na terenie Polski).

Tabela podaje dodatkowe dane świadczące przeciwko wprowadzaniu CCS w życie. Wzrost zapotrzebowania na wodę w porównaniu technologii podkrytycznych oraz nadkrytycznych do analogicznych jednostek stosujących CCS jest ponad dwukrotny. Również jednoczesne zastosowanie zintegrowanego bloku gazowo-parowego (IGCC) z analizowaną technologią wychwytu CO2 mija się z celem - głównie z uwagi na niebotyczne koszty finansowe wprowadzenia takiego projektu w życie.

Pozostając przy węglu kamiennym, najbardziej opłacalne wydaje się stosowanie systemu chłodzenia jednociągowego. Widać w tym przypadku znacznie obniżone wartości wykorzystania wody w porównaniu do technologii wyposażonych w chłodnię kominową, a w szczególności tych wyposażonych w układy CCS.

Układy gazowe w cyklu kombinowanym

Jak wiadomo, technologie jądrowe są w dużej mierze podobne do węglowych w zakresie stosowanych urządzeń blokowych. Pociąga to za sobą również duże zużycia wody, która często jednak wykorzystywana jest w nieco innym celu. Jednak na uwagę zasługują układy gazowe zaprojektowane w cyklu kombinowanym. Pomijając koszty wybudowania tego rodzaju zakładu energetycznego oraz ceny paliwa, technologia ta posiada szereg zalet, które powinny zachęcać do korzystania z takiego rozwiązania. Pierwsza z nich to wysoka sprawność, która sięga powyżej 50%. Kolejną jest znaczna dyspozycyjność, a przede wszystkim bardzo krótki czas rozruchu, co umożliwia wykorzystywanie tego typu rozwiązań jako źródeł szczytowych. Jeżeli chodzi o wykorzystywanie wody, bez wątpienia układy kombinowane (gazowo-parowe) wygrywają z innymi technologiami, zwłaszcza przy zastosowaniu suchego rodzaju chłodzenia.

Bez wątpienia powinno się stawiać na rozwiązania, które wykorzystują obiegi zamknięte wody - co może mieć jednak wpływ na sprawność procesów oraz koszt jednostkowy wytwarzanej energii - wodę odzyskaną z innych procesów (np. ze ścieków) lub na technologie bazujące na metodach hybrydowych bądź suchych. Dużym problemem jest sytuacja występująca w lecie przy długotrwałych upałach, które z jednej strony doprowadzają do wzmożonego wykorzystywania wentylacji w budynkach zarówno przemysłowych, użyteczności publicznej, jak i komunalnych, zaś z drugiej wpływają na obniżanie się poziomu wód w ciekach rzecznych lub sztucznych zbiornikach.

Biorąc pod uwagę wszystkie zebrane powyżej dane, należy stwierdzić, iż technologie służące generowaniu energii elektrycznej powinny zmierzać w kierunku minimalizowania zużycia wody. Dokonując zmian w polityce energetycznej państwa, nie można nie brać pod uwagę gospodarki wodnej, zwłaszcza przy postępujących zmianach i nasilających się restrykcjach w zakresie emisji szkodliwych gazów (w tym przypadku dwutlenku węgla), których wychwytywanie stanowczo zwiększa wykorzystanie wody. Fakt ten nie jest wielkim problemem dla państw, które posiadają łatwy dostęp do znacznych zasobów wody. Sytuacja komplikuje się jednak w przypadku ograniczonej zasobności terytorium danego kraju w ten "surowiec" - gdyż tak w tym kontekście można określić wodę.

Zużycie wody w produkcji energii elektrycznej

Energia elektryczna generowana jest w coraz większych ilościach. Ogromny wpływ ma na to postępujący rozwój gospodarczy państw na całym globie, które łakną potężnych energetycznych zasobów.