Koeling van thermische centrales

Het aandeel restwarmte dat ontstaat bij de verbranding van steenkool is GROTER dan het aandeel elektriciteit: een typische steenkoolcentrale die 1000 MW elektrisch vermogen levert, genereert ook zo'n 1100 MW aan restwarmte, continu! Deze hoeveelheid is evenveel als de warmtebehoefte van 100.000 huishoudens op een winterse dag.

De keuze voor de methode van koeling is dan ook erg belangrijk: om te verzekeren dat de centrale altijd kan en mag blijven werken, en voor de beheersing van de kosten. De restwarmtestroom vormt een zeer belangrijke fysieke relatie met de directe omgeving van de centrale. Er zijn ruwweg twee mogelijkheden om de restwarmte te lozen in de omgeving: naar een oppervlaktewatersysteem of naar de lucht. Daarnaast is het ook mogelijk om restwarmte nuttig te gebruiken.

Directe koeling met een oppervlaktewatersysteem

Voor het wegkoelen van de restwarmte kan een warmtewisselaar worden gebruikt waar aan de warme kant de afgewerkte stoom uit de stoomturbine wordt geleid en aan de koude kant koelwater of koellucht. Omdat een grote centrale van 1000 MW wel 1100 MW restwarmte produceert, is directe koeling met lucht meestal geen optie - er zou een zéér grote installatie moeten worden gebouwd, tegen zeer hoge kosten. Water kan per m³ veel meer warmte opnemen dan lucht. Grote centrales worden dan ook vaak aan zee of aan grote rivieren gebouwd. Aan deze watersystemen kunnen zij dan stroomopwaarts het benodigde koelwater onttrekken en stroomafwaarts van de centrale kan het opgewarmde koelwater geloosd worden op de rivier. Wordt zeewater gebruikt op een kustlocatie, dan dienen in- en uitlaatpunten zo te worden gekozen dat geen circulatie van geloosd koelwater naar de inlaat optreedt, want dat zou nadelige effecten voor het rendement van de centrale hebben.

Bij kerncentrales is niet alleen koeling van de afgewerkte stoom nodig, maar ook van de reactorkern; als deze koeling wegvalt én de zogenaamde moderatoren falen dan is er in oudere typen kerncentrales gevaar van oververhitting van de kern. Dat is één van de redenen waarom kerncentrales vaak aan zee worden gebouwd: daar is in principe altijd voldoende koelwater.

Indirecte koeling met een koeltoren

Het is ook mogelijk grote centrales te bouwen op locaties waar geen grote hoeveelheden oppervlaktewater beschikbaar zijn. De centrale wordt dan uitgebreid met één of meer koeltorens waarin water verdampt wordt. Het gaat hier dan om indirecte koeling: in plaats van inname van koelwater en lozing naar rivier of zee wordt koelwater nu continu gerecirculeerd via de koeltoren. In de koeltoren wordt het opgewarmde koelwater in temperatuur verlaagd door water te sproeien en dat met de restwarmte uit de centrale te laten verdampen. Het verdampen van het water kost warmte en aangezien deze warmte afkomstig is van het koelwater neemt de temperatuur van het koelwater daardoor af. Er kan met een relatief kleine hoeveelheid te verdampen water worden volstaan doordat de benodigde hoeveelheid warmte om water te verdampen vele malen groter is dan de warmtecapaciteit van water.

Omdat koeltorens werken met natuurlijke convectie, net als bij een schoorsteen stroomt de lucht door natuurlijke trek van onder naar boven, en vanwege de grote hoeveelheden weg te koelen warmte zijn koeltorens enorme installaties van typisch zo'n 70 m diameter en 130 m hoogte.

Nadelen van een hogere koelwatertemperatuur

Als een thermische centrale in bedrijf is, zal naar gelang het jaargetijde de werkelijke koelwaterinlaattemperatuur afwijken van de ontwerptemperatuur; met name in hete zomers zal de temperatuur hoger zijn. Er treden dan twee effecten op die het rendement van de thermische centrale negatief beïnvloeden:
• het maximaal te behalen rendement neemt af
• de benodigde hoeveelheid koelwater is groter waardoor er meer energie nodig is om de koelwaterpompen te laten draaien. Bij gelijkblijvende hoeveelheid restwarmte en een kleiner temperatuurverschil tussen het ingenomen en geloosde koelwater zal er immers een grotere hoeveelheid koelwater nodig zijn. Zelfs als ook de temperatuur van het geloosde koelwater toe kan (mag!) nemen, wordt het temperatuurverschil tussen de af te koelen stroom en het koelwater kleiner waardoor de warmteoverdracht slechter verloopt en er ook meer koelwater nodig is.