خنک سازی در صنایع برق

در ایالات متحده، 90 درصد برق از نیروگاههای برق حرارتی یا ترموالکتریک – ذغال سنگ، هسته ای، گاز طبیعی و نفت – که نیاز به خنک کننده دارد، تولید می شود. ده درصد باقیمانده توسط نیروگاه های برق آبی و دیگر انرژی های تجدید پذیر تولید می شود. بعضی از فن آوری های انرژی تجدید پذیر نیز در دسته بندی ترموالکتریک قرار می گیرند، از جمله انواع خاصی از نیروگاه های خورشیدی، زمین گرمایی و زیست توده.

چرا خنک سازی لازم است؟

نیروگاههای ترموالکتریک آب را برای ایجاد بخار به جوش آورده و سپس توربینها را برای تولید برق به گردش در می آورند. گرمای لازم برای جوشاندن آب می تواند از سوختن سوخت، واکنش های هسته ای یا به طور مستقیم از خورشید یا منابع دیگر از جمله زمین گرمایی در زیر زمین تامین شود. هنگامی که بخار از یک توربین عبور می کند، قبل از اینکه برای تولید برق بیشتر مجددا مورد استفاده قرار گیرد، باید با خنک سازی به آب تبدیل شود. آب سردتر بخار را به طور موثرتر سرد کرده و بازدهی تولید انرژی الکتریکی را افزایش می دهد.

انواع خنک کننده

حتی اگر تمام نیروگاه های ترموالکتریک از آب برای تولید بخار و در نتیجه تولید برق استفاده کنند، هنوز سیستم های خنک کننده همه ی نیروگاه ها از آب استفاده نمی کنند.

سه روش اصلی خنک کردن وجود دارد:

در سیستم های یکبار-گذر از آب منابع نزدیک به مجموعه (مانند رودخانه ها، دریاچه ها، آبخوان ها و یا اقیانوس ها) استفاده می شود، آن را از طریق لوله ها برای جذب گرما از بخار در سیستم های به نام مبدل ها به گردش در می آورند، و تخلیه آب گرم در حال حاضر در همان منبع محلی صورت می گیرد. در ابتدا سیستم های یکبار-گذر به دلیل سادگی، هزینه کم و امکان قرار گیری نیروگاه ها در مکان هایی با ذخایر فراوان آب خنک کننده، محبوب ترین بودند. این نوع سیستم در حال حاضر در شرق ایالات متحده گسترش یافته است. تعداد بسیار کمی از نیروگاه های جدید از سیستم خنک کننده یکبار-گذر استفاده می کنند، به دلیل اختلالاتی که چنین سیستم هایی در اکوسیستم های محلی ایجاد می کنند و به دلیل افزایش سخت گیری در محل نیروگاه در نزدیکی منابع آب موجود.

سیستم خنک کننده چرخشی یا سیستم حلقه بسته از آب خنک کننده در یک مرحله دیگر استفاده مجدد می کند تا بلافاصله پس از تخلیه به منبع اصلی آب بازگردد. اغلب سیستم های چرخشی از برج های خنک کننده استفاده می کنند تا مقداری رطوبت به هوای محیط بیافزایند. مقداری از آب تبخیر می شود بقیه پس از آن به مبدل نیروگاه فرستاده می شود. از آنجایی که در سیستمهای چرخشی، آب تنها وارد می شود تا جایگزین آبی شود که از طریق تبخیر در برج های خنک کننده به هدر رفته است، آب ورودی این سیستم ها بسیار کمتر از سیستم های یک بار-گذر می باشد، اما به میزان قابل توجهی تمایل به مصرف آب دارد. در ایالات متحده غربی، سیستم های چرخشی غالب هستند.

 سیستم های خنک کننده خشک به جای آب برای خنک کردن بخار خروجی از توربین، از هوا استفاده می کند. سیستم های خنک کننده خشک بدون مصرف آب کار می کنند و می توانند مصرف کل نیروگاه را بیش از 90 درصد کاهش دهند. این صرفه جویی در مصرف آب در عوض باعث اعمال هزینه های بالاتر و نیز راندمان پایین تر شده است. در نیروگاه ها، راندمان پایین تر به این معنی است که سوخت بیشتری برای تولید هر واحد برق مورد نیاز است، که به نوبه خود منجر به آلودگی هوا و اثرات زیست محیطی در مراحل استخراج، پردازش و حمل و نقل سوخت می شود. در سال 2000، بیشتر تاسیسات خنک کننده خشک در ایالات متحده در نیروگاه های کوچک تر، به ویژه در نیروگاه های سیکل ترکیبی گاز طبیعی معمول بودند. حدود 43 درصد از ژنراتورهای ترموالکتریک در ایالات متحده از خنک کننده های یکبار-گذر، 56 درصد جریان مجدد و یک درصد خنک کننده خشک استفاده می کنند (داده های سال 2008). در سال 2008، حدود 30 درصد از تولید برق با استفاده از خنک کننده های یک بار گذر، 45 درصد خنک کننده های جریان مجدد و 2 درصد خنک کننده های خشک صورت گرفت. در بعضی موارد، نیروگاه های مشابه نیز برق را با استفاده از سیستم های غیر بخار مانند توربین های احتراق تولید می کنند.

آب مصرفی و خروجی برای خنک کننده نیروگاه، در گالن آب در هر مگاوات ساعت برق تولید شده مورد نیاز است.

سایر مسائل کلیدی

محل استقرار : موقعیت مکان جغرافیایی نیروگاه تأثیر زیادی بر روی گزینه های فن آوری خنک سازی، دسترسی به آب، نوع آب مورد استفاده برای خنک کننده و اثرات زیست محیطی دارد. برای مثال، نیروگاه های خورشیدی و زمین گرمایی باید در مناطقی با اشعه خورشیدی بالا و انرژی زمین گرمایی زیاد واقع شوند. این مکان ها ممکن است خشک و دور از منابع طبیعی متعارف باشند. در این حالت، خنک کننده خشک ممکن است یک گزینه باشد، یا منابع آب جایگزین ممکن است در دسترس باشد، اما چنین انتخاب هایی می توانند عملکرد نیروگاه ها و محیط های محلی را تحت تاثیر قرار دهند.

نوع آب : اگر چه بسیاری از نیروگاه ها از آب شیرین برای خنک کردن استفاده می کنند، پساب و آب نمک از دیگر موارد در دسترس با مزایا و معایب خاص خود هستند. برای مثال، آب نمک یک گزینه واضح و فراوان برای نیروگاه های ساحلی است، اما چنین نیروگاه هایی با توجه به آسیب رساندن به اکوسیستم های آبی ساحلی، از طریق برداشت های بیش از حد و یا ایجاد آلودگی حرارتی با چالش های مشابه نیروگاه های درون مرزی مواجه اند.

فن آوری هایی که از خنک کننده استفاده می کنند:

برق معمولی

• زغال سنگ
• اتمی
• گاز طبیعی
• روغن

برق تجدید پذیر

• خورشید متمرکز (برقی حرارتی خورشیدی)
• ژئوترمال
• زیست توده