fbpx

W zeszłym tygodniu ukazał się artykuł na blogu Świat Wody pt. „Fakty i mity: Elektrownie, a susza i „zużycie” wody.”, do którego miałem okazję przygotować obliczenia weryfikujące powielane przez organizacje ekologiczne treści 🙂 Warto się z nim zapoznać, żeby zrozumieć kontekst w tej sprawie – ja poniżej zaprezentowałem konkretne wyliczenia ile wody zużywają elektrownie, także obydwa materiały są względem siebie komplementarne.

Na końcu tekstu znajdziecie oczywiście Q&A do tego tematu, gdzie również odpowiedziałem na pytanie, czy grozi nam blackout z powodu suszy 🙂

Do czego jest nam potrzebna woda w elektrowniach?

W elektrowniach cieplnych woda wykorzystywana jest przede wszystkim do schładzania czynnika roboczego, jakim jest para wodna o temperaturze rzędu 500-600 stopni Celsjusza. Stanowi to ok. 90-95% całkowitego zużycia wody, co wynika z poniższej tabeli[1].

Tab. 1 Zapotrzebowanie na wodę chłodzącą i techniczną w elektrowniach parowych - ile wody zużywają elektrownie
Tab. 1 Zapotrzebowanie na wodę chłodzącą i techniczną w elektrowniach parowych

Ile wody potrzebujemy do skroplenia pary?

Dla uproszczenia dalszych obliczeń wyznaczę całkowite zapotrzebowanie na wodę, zakładajac, że woda potrzebna do chłodzenia będzie stanowiła 100% całej wody wykorzystywanej przez elektrownie (nie będzie to duży błąd w tym wypadku). Do wyznaczenia ilości wody wykorzystałem następujące równanie[1]:

równanie1 - ile wody zużywają elektrownie

gdzie (od lewej do prawej) mamy – strumień pary [kg/s], entalpię pary wylotowej z turbiny [kJ/kg], entalpię skroplin [kJ/kg], strumień wody chłodzącej [kg/s], ciepło właściwe wody (4,19 kJ/(kg K)) temperatury na wlocie i wylocie ze skraplacza.

Po prostym przekształceniu równanie to przybiera postać:

równanie2 - ile wody zużywają elektrownie

gdzie m z ekonomicznego punktu widzenia zawiera się w przedziale od 40 do 90 (w dalszych obliczeniach użyję wartości 50)[1]. Parametr ma następujący wymiar fizyczny: na każdy kilogram pary potrzebujemy ok. 50 kg wody chłodzącej. W literaturze podają, że różnica temperatury z powyższego równania stanowiąca przyrost temperatury wody chłodzącej waha się od 6 do 12 stopni Celsjusza.

Ile pary generują elektrownie?

Jak to mówią, to bardzo dobre pytanie 😉 Do wyznaczenia tej wartości posłużyłem się następującym równaniem[1]:

równanie3

gdzie pierwszy symbol oznacza sprawność kotła, tj. stosunek energii skumulowanej w parze (iloczyn masy pary wodnej i różnicy entalpii pary oraz wody) do energii skumulowanej w paliwie (iloczyn masy paliwa, np. węgla kamiennego, oraz jego kaloryczności). Żeby uprościć sobie obliczenia, zdecydowałem się na wykorzystanie zależności na sprawność bloku energetycznego brutto:

równanie4

z którego wyznaczyłem wielkość Q_B. Dla zainteresowanych, poniżej możecie znaleźć sprawności poszczególnych układów niezbędnych do wytworzenia energii. W Polsce widziałem całkowite sprawności rzędu 0,38-0,4, stąd założyłem wartość 0,4 w dalszych obliczeniach.

Zestawienie sprawnośći poszczególnych elementów układu wytwarzania energii. - ile wody zużywają elektrownie
Zestawienie sprawnośći poszczególnych elementów układu wytwarzania energii.

Wracając do obliczeń, po prostych przekształceniach uzyskałem równanie na ilość generowanej pary znając sprawność kotła, sprawność bloku brutto, moc bloku, entalpię pary oraz entalpię wody. Średnią moc elektrowni wyznaczyłem znając ilość energii wyprodukowanej w danym roku podzieloną przez okres jej wytworzenia. W tym wypadku było to 128 565 GWh[2], co daje nam 14676 MJ/s, czyli średnia moc elektrowni węglowych w Polsce to ok. 14,6 MW.

ile wody zużywają elektrownie - niezbędne równanie
Równanie wykorzystane do obliczenia pary wytwarzanej w elektrowniach.

Entalpię wody wziąłem z tabeli[3], a entalpię pary wyznaczyłem przy użyciu kalkulatora[4], wiedząc, że stosuje się w praktyce parę o temperaturze rzedu 500-600 stopni przy ciśnieniu pary 180-300 bar. Dla jednej z elektrowni w Polsce[5] mamy odpowiednio 550 stopni oraz 230 bar, i dla takich parametrów wyznaczyłem wartość entalpii, która wynosi 3362,28 kJ/kg. Zakładając sprawność kotła rzędu 0,8 skorzystałem z poniżeszego równania i wyliczyłem, że wszystkie elektrownie wytwarzają ok. 9 ton pary na sekundę,

Ile wody „zużywają” elektrownie węglowe?

Mnożąc 9 ton/sekundę przez 50 uzyskujemy informację, ile wody „zużywają” elektrownie (a konkretniej jakie jest ich zapotrzebowanie na wodę) na poziomie 450 ton wody na sekundę potrzebnych do schłodzenia pary. Mnożąc to przez 60 x 60 x 24 x 365 uzyskujemy zapotrzebowanie na wodę na poziomie 14200 megaton na rok. Jest to ilość, która musi przepłynąć przez układ skraplania pary, a nie ilość, która rzeczywiście jest zużywana, ponieważ w przypadku układów zamkniętych – woda ta jest wykorzysytwana wielokrotnie (a te stanowią większość instalacji).

Czy to dużo?

Biorąc pod uwagę wielkość powierzchni Polski oraz średni opad na poziomie 700 mm[6], da nam to 218875 megaton wody na rok, która spada na powierzchnię Polski. Jeżeli weźmiemy, że na jednego mieszkańca naszego kraju przypada 1800 m3 wody (1000m3 w przypadku suszy)[7], która odpływa do morza, to mamy 68400 megaton na rok.

Jest to więc porównywalnie albo 4,2% wody opadowej albo 20% spływającej rzekami do Bałtyku.

Ale czy tyle wody jest zużywane przez elektrownie?

To jeszcze lepsze pytanie 🙂 Woda po przejściu przez układ chłodzący następnie:

  • Trafia z powrotem do rzeki (układ otwarty)
  • Trafia z powrotem do zbiornika (układ zamknięty – zbiornik)
  • Jest ochładzana przy użyciu chłodni kominowej (układ zamknięty – chłodnia kominowa)

W przypadku rzek – zakładając, że elektrownia może wykorzystywać maksymalnie 1/3-1/2 wody przepływającej przez rzekę  – doprowadzi to do maksymalnego wzrostu temperatury wody odprowadzanej do rzeki o 2-6 stopni (zakładając skrajne wartości) [1]. W przypadku rzek, woda będzie ulegała stopniowemu ochłodzeniu kiedy do głównego koryta będą napływały wody ze zlewni. Na takim odcinku parowanie wody z rzeki wzrośnie w zakresie 40-80% (w tym miejscu wykonałem odpowiednie obliczenia, aczkolwiek opiszę to w osobnym wątku, zwłaszcza, że w literaturze bezpośrenio mamy określone ile wynosi parowanie w procentach na przejście przez obieg). W przypadku wody stojącej będzie to nieco większy problem – gdyż tam średnioroczna temperatura wody będzie o 4-6 stopni wyższa aniżeli w przypadku układu otwartego (rzeki).

W przypadku układów zamkniętych straty wody spowodowane parowaniem to 0,4-0,8% wody używanej[1], a dla chłodni kominowych 2%[8]. Dla układów otwartych będzie mniej niż dla zamkniętych, więć będzie to zapewne jakieś 0,2-0,4%. Biorąc pod uwagę strukturę elektrowni w Polsce, założyłbym, że będzie to ok. 1,5% gdyż ok. 60% energii jest generowanych z elektrowni posiadających chłodnie kominowe.

Co oznaczają straty?

Straty oznaczają, że woda ta zwyczajnie wyparowuje do atmosfery i w zależności od pogody i warunków, skrapla się z powrotem na terenach Polski albo gdzieś indziej . Reszta jest albo odzyskiwana i wykorzystywana ponownie, albo wypuszczana do rzeki lub zbiornika. Należy pamiętać, że woda przed wykorzystaniem musi być odpowiednio oczyszczona, więc to też nie jest tak, że ulega ona zanieczyszczeniu. Parametry dot. zawartości pierwiastków znaleźć można poniżej.

Wymagania dot. jakości wody zasilającej oraz kotłowej
Wymagania dot. jakości wody zasilającej oraz kotłowej[1]

Czyli ile wody wyparowuje?

Jest to 1,5% z 14200 megaton wody rocznie, czyli ok. 210 megaton rocznie. Stanowi to odpowiednio 0,09% wód opadowych, lub 0,3-0,5% wód spływających do morza (zależy czy mamy suszę czy nie). Innymi słowy, jest to ilość marginalna.

Q&A

Na co elektrownie „zużywają” wodę?

Elektrownie zużywają w 90-95% wodę na chłodzenie pary, która stanowi czynnik wykorzystywany w produkcji energii elektrycznej. Reszta to głównie chłodzenie elementów instalacji oraz uzupełnianie braków wody w obiegach zamkniętych.

Mówią, że elektrownie zużywają 70% wody pitnej, czy rzeczywiście tak jest?

Niestety są to wartości mocno zawyżone. Ilość wody potrzebnej do schładzania jest sporawa, z tym, że:

  • zdecydowana większość elektrowni w Polsce korzysta z układów zamkniętych, czyli ta sama woda jest wykorzystywana wielokrotnie,
  • W zależności od sposobu pomiaru – zapotrzebowanie (nie „zużycie wody”) wynosi ok 4,2% wody opadowej lub ok. 20% wody spływającej rzekami do morza.

Zapotrzebowanie, a nie zużycie?

Dokładnie! Ponieważ o zużyciu możemy mówić w sytuacji, kiedy ta woda „znika”, czyli wyparowuje. A wyparowuje jej ok. 1.5% wody, która przebiega przez układy chłodzenia. Jest to liczbowo 200 megaton na rok, czyli 0,09% wód opadowych, lub 0,3-0,5% wód spływających do morza (zależy czy mamy suszę czy nie).

A jak susza zagraża elektrowniom? Czy to nie przez ilość wody w rzekach? Czy grozi nam blackout?

Ilość wody w rzekach latem nie stanowi problemu z perspektywy użycia rzek do chłodzenia elektrowni. Elektrownie mogą używać wody z rzek pod warunkiem, że woda z elektrowni wymieszana z wodą z rzeki nie przekroczy 26 stopni Celsjusza, ponieważ powyżej tej temperatury następuje negatywne oddziaływanie na florę i faunę. Z tego powodu latem kiedy temperatura wody w rzekach jest zbyt wysoka, istnieje ryzyko, że nie będziemy jej mogli użyć do chłodzenia elektrowni. Na szczęście, dotyczy to zaledwie 5 elektrowni, które stanowią tylko kilku procent zainstalowanej mocy elektrycznej w naszym kraju (wg Świat Wody).

Literatura

11 thoughts on “Ile wody zużywają elektrownie węglowe w Polsce?

  1. Wszystkie obliczenia możesz wyrzucić do kosza. Przyjąłeś całkowicie nieprawdziwe założenie, że w elektrowniach chłodzona jest para o parametrach wytwarzanych przez kotły, podczas gdy w rzeczywistości chłodzona jest para wylotowa z turbin, która ma wielokrotnie niższą temperaturę i ciśnienie. Dodatkowo wiele elektrowni węglowych to elektrociepłownie, w których turbiny w całości lub części są chłodzone wodą sieciową z sieci ciepłowniczej.

    1. Hej, dzięki za uwagi. Nie przyjąłem niczego takiego, przejrzyj sobie równania, z których skorzystałem. Entalpia pary była mi to potrzebna do wyznaczenia ilości pary w procesie znając wydajności. Ty z kolei piszesz o różnicy i2-isk, z której nie korzystałem, bo mi nie było to do niczego potrzebne – autor książki podał, że stosunek pary do wody jest w granicach między 40 a 90, więc wziąłem 50, bo podobna liczba została podana w książce w przykładzie obliczeniowym 🙂

      Dzięki za uwagę nt. sieci ciepłowniczych – ja zakładałem w obliczeniach, iż nie mamy kogeneracji, jako skrajnie zły przypadek. Czy wiesz może, które elektrownie pracują w tym trybie? To rzeczywiście korzystnie wpływa na bilans wody pobieranej z otoczenia,

    1. Dzięki za piękne wyliczenie walidujace 😀 kurcze, moje obliczenia powstały, ponieważ żaden z nas nie trafił na wskazany przez Ciebie link! 😀 Wg moich wyliczeń wyszła wartość o jakieś 70 megaton mniejsza, co w tym wypadku nie stanowi dużego błędu w szacowaniu rzędu wielkości 🙂

  2. Dużo gadania, dużo naciągania. Zasadnicza kwestia skrzętnie ukryta pod potokiem okrągłych słów i naciąganych obliczeń. Ilość wody pobieranej przez elektrownie jest znacznie wyższa, niż „wyliczył” autor, zamiast liczenia na podstawie entalpii pary wodnej i mocy znamionowej, należy po prostu sięgnąć do źródeł, którymi są np. pozwolenia wodno-prawne. Liczenie teoretyczne jest „zwodnicze”, np. dla tego, że elektrownia w Bełchatowie jest jedną z najnowocześniejszych i najsprawniejszych w Polsce i jej parametry nie są typowe dla całej polskiej energetyki, a zasady zaokrąglania rachunków powszechnie przyjęte są takie, że 20,7 zaokrągla się do 21, a nie do 20%. Ale to szczegóły. Istotne jest pytanie, czy woda z chłodzenia skraplaczy, odprowadzana ponownie do rzeki jest zużyta, czy nie. Autor twierdzi, że nie jest zużyta, bo wraca. A ja twierdzę, że jest zużyta, bo ma temperaturę zbliżoną, albo nawet wyższą, niż temperatura terminalna dla organizmów wodnych naszej strefy klimatycznej. I woda w rzece, podgrzana o 5-6 st. C. przestaje być wodą, a staje się ściekiem, zabójczym dla życia w rzece. Co skutkuje wielokilometrowymi odcinkami brzegów zasłanych przez martwe ryby i inne stworzenia wodne – widok nieobcy mieszkańcom okolic Połańca na przykład.

    1. Dziękuję za uwagi.

      Zasadniczo nowoczesność nie ma większego znaczenia w tym wypadku – dla przykładu Kozienice mają temperaturę pary 600 stopni i ciśnienie 250 bar (http://k.wnp.pl/f/034/774/rozacki.pdf). Sprawność brutto rzędu 0,38-0,4 nie jestem przekonany czy świadczy o nowoczesności. Chodziło mi o pokazanie czytelnikom na jakich parametrach pary pracują elektrownie, żeby nie brać ich z kosmosu.

      Co do zaokrąglania, zależy czy zaokrągla Pan do jedynek, czy dziesiątek.

      Jaka wg Pana jest temperatura terminalna dla organizmów wodnych? Poprosiłbym o informację wraz ze źródłem naukowym. W literaturze, na której się oparłem podają, że temperatura po wymieszaniu z wodą z rzeki nie powinna przekraczać 26 stopni. Nie mówiąc o tym, że dotyczy to garstki elektrowni z systemem otwartym (w tym Połańca), które w sumie dają z 10% mocy?

      1. Elektrownia Kozienice nie ma pary o temp. 600 stopni i ciśnieniu 250 bar. Takie parametry ma tylko najnowszy, oddany w 2017 r. blok nr 11, najnowszy w Polsce i prawdopodobnie ostatni w technologii węglowej (od budowy nowego bloku w Ostrołęce właśnie odstąpiono). 10 starszych bloków elektrowni Kozienice ma znacznie niższe parametry (zwłaszcza bloki 1-8). Bełchatów nie jest najnowszy i z blokiem nr 11 w Kozienicach przegrywa, ale na tle innych elektrowni węglowych w Polsce jest stosunkowo nowoczesny i stosunkowo wydajny. Należy porównywać całość, a nie pojedyncze bloki o szczególnie wysokich parametrach. Nb., bloki 1-10 w Kozienicach mają chłodzenie w układzie otwartym.
        Co do elektrowni z systemem otwartym, to nie sprawdzałem jaki procent mocy dają, ale są to zdecydowanie najwięksi „konsumenci”, albo raczej „zatruwacze” naszych zasobów wodnych, biorąc pod uwagę nie tylko wodę pobraną bezpowrotnie i odparowaną, ale też wodę zdegradowaną termicznie.
        Co do temperatur terminalnych dla organizmów wodnych, nie chcę podać nieprecyzyjnych danych, wysłałem więc e-mail z pytaniem do znajomego – profesora PAN, specjalisty, jak dostanę od Niego odpowiedź, to się podzielę. Podałem we wcześniejszym komentarzu przykład Połańca, bo tam akurat były w minionych latach szczególnie „spektakularne” katastrofy ze śnięciem ryb „ugotowanych” przez elektrownię.

      2. Prof. Roman Żurek z Instytutu Ochrony Środowiska PAN, na moje zapytanie o temperatury letalne (terminalne) dla stworzeń wodnych, przesłał mi uprzejmie cały rozdział ze swojej nowej, przygotowywanej właśnie do druku książki nt. przegrzewania wód i skutków tego zjawiska. Wynika z niego, że dopuszczalne są różne temperatury, dla różnych gatunków organizmów i różnych faz ich życia. Nie będę przesyłał całego rozdziału, ale wybrałem krótki fragment:

        Przegrzanie dotyczy również wód morskich. Hunt 2011 podaje obserwacje zatoki morskiej przegrzanej do temperatury 27-28 oC, która zabiła ryby i skorupiaki, które nie były w stanie uciec do chłodniejszych obszarów.

        Rzeki podgórskie stanowią środowisko życia ryb zimno (<20oC) i chłodnowodnych (<28oC). Odsłanianie koryt tych potoków przez wycinkę nadbrzeżnych drzew powoduje nagrzewanie się wody niekiedy do temperatur letalnych. US EPA podaje dla młodych pstrągów i łososi temperaturę letalną 25.5 oC. Osobniki dorosłe są bardziej wrażliwe i giną już w temp. 21 oC (EPA 2003). Wg. Selong i in. (2001) przeżywalność Salvelinus confluentus w wieku +0 była 100 procentowa do temperatury 18 oC, ale zerowa w temperaturach 22, 24, 26, i 28 °C po 60 dniach doświadczenia. Wyliczona górna granica letalna to 20.9°C. Gatunek osiągał najlepszy wzrost w zakresie temperatur 10.9-15.4°C). Powyżej 16 stopni przestaje żerować.

        Tyle w skrócie nt podgrzewania wody o "maksymalnie 6 stopni"…

        1. Dziękuję za informację. Wartości te są niższe niż podane w literaturze, na których bazowałem. Czy dysponuje Pan wiedzą, czy rzeki, do których jest zrzucana woda z elektrowni jest siedliskiem ryb i zwierząt zimno i chłonowodnych? Bo wg dyskusji, która się odbyła w mediach społecznościowych pojawiła się informacja, że w tych rzekach gdzie jest zrzucana woda, od lat żyją inne gatunki zwierząt, które zdecydowani nie są zimno/chłodnowodne.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Close