Nghiên cứu mối quan hệ giữa nước và năng lượng tại các nhà máy nhiệt điện

Năng lượng thực sự rất cần thiết để bơm, xử lý, vận chuyển và khử muối trong nước. Rõ ràng, nước là cần thiết để sản xuất điện trong các nhà máy thủy điện. Tuy nhiên, nhiều người không biết rằng gần như tất cả các nhà máy nhiệt điện (than, điện hạt nhân, địa nhiệt…) cũng đòi hỏi một lượng lớn nước, đặc biệt là cho mục đích làm mát.



Nước làm mát từ các nhà máy nhiệt điện chiếm khoảng 40% lượng nước ngọt bị khai thác mỗi năm ở Mỹ và 43% ở châu Âu, lượng thu hồi này tương đương với lượng sử dụng trong lĩnh vực nông nghiệp. Mặc dù hầu hết nước không được tiêu thụ và được tuần hoàn lại, nhưng khối lượng lớn nước bị khai thác từ ngành điện đã tác động đến hệ sinh thái và tài nguyên nước của một khu vực. Kịch bản khan hiếm nguồn nước trong tương lai do tăng trưởng kinh tế và dân số và biến đổi khí hậu có khả năng trở thành một vấn đề đối với ngành điện.

Nhà máy nhiệt điện tạo ra khoảng 80% điện năng sản xuất trên thế giới, bằng cách biến nhiệt thành điện năng trong các hình thức sản xuất điện. Hầu hết trong số đó, nước được đun nóng để tạo thành hơi nước, qua quay tuabin để sản xuất thành điện. Sau khi đi qua tuabin, hơi nước được làm lạnh và ngưng tụ để bắt đầu chu kỳ tiếp theo, kết thúc chu trình được gọi là chu trình hơi nước (xem Hình 1). Nước được đun nóng với các nguồn năng lượng khác nhau (than, dầu, khí đốt thiên nhiên, uranium, năng lượng mặt trời, sinh khối, năng lượng địa nhiệt), tùy thuộc vào các dạng nhà máy điện, nhưng nguyên tắc là như nhau. Tất cả các nhà máy điện cần phải làm lạnh hơi nước và hầu hết trong số đó sử dụng nước để làm mát, và đòi hỏi các nhà máy phải gần nguồn nước (sông, hồ, biển).


Hình 1: Chu trình hơi nước

Tầm quan trọng của nước làm lạnh

Mặc dù các nhà máy điện cần nước cho một số quy trình (chu trình hơi nước, xử lý tro xỉ, hệ thống khử lưu huỳnh trong khí thải…) thì hầu hết các nhu cầu về nước - thường là khoảng 90% trong tổng số đó là cho mục đích làm mát. Từ khía cạnh tiêu thụ nước, lượng nước tiêu thụ cho các quá trình làm mát của nhà máy điện là không đáng kể; Tuy nhiên, những dòng nước cho làm mát chứa một số chất gây ô nhiễm và cần được xử lý trước khi trả lại cho nguồn nước, nếu không chúng có thể gây ra tác động tiêu cực đến môi trường. Như vậy, từ quan điểm kinh tế ở cấp độ nhà máy, họ có thể phải chịu chi phí đáng kể liên quan đến xử lý nước và xả thải theo quy định nghiêm ngặt.

Có nhiều loại khác nhau của hệ thống làm mát. 'Hệ thống làm mát đối lưu một lần' là hệ thống làm mát đơn giản nhất và rẻ nhất (xem Hình 2). Nó đòi hỏi sử dụng một lượng lớn nước nhưng chỉ tiêu thụ một phần rất nhỏ trong đó. Nước được khai thác từ các nguồn và chạy một lần qua hệ thống làm mát để làm lạnh hơi nước. Sau đó, nước được thải trở lại nguồn với nhiệt độ tăng lên. Do đó, các nhà máy điện khai thác một khối lượng nước lớn và có thể giết chết cá và các sinh vật khác trong quá trình này. Hơn nữa, hệ thống làm mát còn ảnh hưởng rất lớn trong suốt thời gian hạn hán hay mùa nóng.


Hình 2: Sơ đồ hệ thống làm mát

'Hệ thống làm mát mạch kín' - thường sử dụng các tháp làm mát (tháp dạng ống khói khổng lồ, thường bị nhầm với nhà máy điện hạt nhân) khai thác ít hơn nhiều nhưng tiêu thụ hầu hết số đó (nước bị bốc hơi). Các hệ thống làm mát này phức tạp và tốn kém hơn so với hệ thống làm mát đối lưu một lần, nhưng khi chúng khai thác ít nước hơn thì tác động ít nghiêm trọng hơn đối với môi trường.

“Hệ thống làm mát khô” sử dụng không khí thay vì nước để làm mát hơi nước. Vì vậy, chúng không sử dụng hoặc tiêu thụ nước. Tuy nhiên, giá thành cao và tác động tiêu cực đến hiệu suất của nhà máy điện nên hệ thống này ít được sử dụng. Ngoài ra còn có hệ thống làm mát lai, trong đó kết hợp các phương pháp làm mát ẩm ướt và khô, đó là hệ thống làm mát hybrid, kết hợp giữa làm mát dạng ướt và khô.

Hệ thống làm mát được sử dụng bởi các nhà máy điện sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất nhà máy, vốn và chi phí vận hành, tiêu thụ nước, khai thác nước, và các tác động môi trường. Cân bằng phải được đánh giá theo từng trường hợp, trong đó có tính đến điều kiện khu vực và điều kiện môi trường xung quanh cũng như các quy định hiện hành.

Sự hiểu lầm từ các tuyên bố tưởng chừng đơn giản

Khi chú ý tới các thách thức về mối liên hệ giữa nước và năng lượng đang gia tăng, các khái niệm cũng có thể được đơn giản đi. Những tuyên bố được khái quát hóa như “nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời cần nhiều nước hơn các nhà máy nhiệt điện dùng than” nhưng lại không giải thích thêm những tuyên bố như thế này sẽ gây ra hiểu lầm vì những lý do sau:

Do hầu hết các nhu cầu về nước trong các nhà máy nhiệt điện là để làm mát, lượng nước cần trong các nhà máy điện sẽ phụ thuộc vào loại hệ thống làm mát được sử dụng (không phải là phụ thuộc nhiều vào loại nhiên liệu). Do đó, một nhà máy điện dạng X với hệ thống làm mát loại khô chắc chắn sẽ dùng ít nước hơn nhà máy điện dạng Y sử dụng các tháp làm mát, ví dụ. So sánh các loại nhà máy điện về nhu cầu nước mà không quy định cụ thể các loại hệ thống làm mát mà họ sử dụng có thể gây ra nhầm lẫn.

Trong số các nhà máy với cùng một loại hệ thống làm mát, lượng nước tiêu thụ cho làm mát chủ yếu được xác định bởi năng suất các nhà máy điện đó, một lần nữa, không phụ thuộc các loại nhiên liệu sử dụng. Vì vậy, ví dụ, hôm nay một nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời mới có năng suất thấp hơn so với một nhà máy nhiện điện dùng than mới và do đó đòi hỏi nhiều nước sử dụng hơn trong hệ thống làm mát đều giống nhau. Tuy nhiên, các nhà máy điện mặt trời sẽ cần ít nước hơn so với một nhà máy điện dùng than cũ và không hiệu quả.
Các thuật ngữ "nước tiêu thụ" và "nước khai thác" đôi khi được sử dụng một cách bừa bãi, mặc dù chúng có những ý nghĩa khác nhau. Ví dụ, chúng tôi tìm thấy các tuyên bố nói rằng "gần một nửa lượng nước tiêu thụ ở Hoa Kỳ được sử dụng để làm mát hệ thống làm mát và tuabin trong các nhà máy nhiệt điện; trong khi đó, thực tế, không phải là “tiêu thụ” mà là “khai thác”.

Cần nâng cao nhận thức về mối quan hệ giữa năng lượng và nước

Để đưa ra quyết định và tránh những hậu quả, rất cần nâng cao sự hiểu biết về mối quan hệ giữa năng lượng và nước, nâng cao nhận thức về vấn đề này. Có rất nhiều cách để làm giảm nhu cầu nước của ngành điện: ví dụ bằng cách thúc đẩy việc sử dụng các hệ thống làm mát thay thế như làm mát khô hay sự phát triển của năng lượng gió và năng lượng mặt trời,; hoặc bằng cách sử dụng các nguồn nước khác thay thế để làm mát, như nước thải đô thị; bằng cách cải thiện năng suất của ngành điện (tiết kiệm năng lượng để tiết kiệm nước); hoặc bằng cách tái sử dụng nhiệt của nhà máy (ví dụ, với sự kết hợp giữa nhiệt và điện)…

Ở cấp độ khu vực, cần thiết phải có sự đồng nhất về hai nguồn tài nguyên này đó là sản xuất điện theo cách truyền thống phải được lập quy hoạch và quản lý riêng rẽ. Hiểu được sự cân bằng và tìm ra giải pháp tích hợp và hiệu quả để đạt được phát triển bền vững.