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Wasserrecycling in Kühlkreisläufen mit Oberflächen und Grundwasser


Wasserrecycling in Kühlkreisläufen mit Oberflächen und Grundwasser

Mit ca. 26,4 Mrd. m3 Wasseraufkommen waren die Wärmekraftwerke für die öffentliche Versorgung 1998 die größten Wassernutzer in Deutschland. 2001 sank das Wasseraufkommen nach vorläufigen Angaben des Statistischen Bundesamtes um rd. 5 % auf 25,2 Mrd. m3 [Statistisches Bundesamt, Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung bei Wärmekraftwerken für die öffentliche Versorgung 2001 – Ausgewählte vorläufige Ergebnisse – Bonn, Februar 2003]. Dabei wird der Wasserbedarf zu 99 % aus Oberflächenwasser gedeckt.

Genutzt wird das entnommene Wasser überwiegend für Kühlzwecke, welches nach Gebrauch wieder dem Ökosystemsystem zugeführt wird. Etwa 8 % des insgesamt abgeleiteten Kühlwassers durchliefen 1998 zuvor betriebseigene Rückkühlungsanlagen.

Auch im Bereich der Wärmekraftwerke wurde gegenüber 1991 ein zumeist technologisch bedingter Spareffekt erreicht, so dass 1998 ca. 3 Mrd. m3 weniger Wasser gebraucht wurden. 2001 waren es fast 4 Mrd. m 3 (rd. 14 %) weniger als 1991. Dies wurde unter anderem durch aufwändige Wasserspartechnologien mit vielfältigen Mehrfach- und Kreislaufsystemen erreicht. 2001 wurde jeder Liter Frischwasser sogar 2,9mal verwendet, was einer Gesamtwassernutzung von 73,9 Mrd. m 3 entsprach.

Die einfachste Kühlmethode ist die Wasserentnahme aus einem Fluss über einen Bypass. Dieser Wasserfluss ist nicht nur eine bedeutende Störung des Ökosystems rund um den Entnahmepunkt, sondern auch eine thermische Belastung des Gewässers an der Ablaufstelle.
Die Nutzung von Oberflächenwasser als Kühlwasser zieht folgende Konsequenzen nach sich:

Gefahr für Wassertiere, die in das Kühlsystem gelangen können, unnatürliche Erhöhung der Wassertemperatur am Auslauf und Umweltstress für bestimmte Fischarten ab Temperaturen über 4 °C. Temperaturen von über 28 °C führen zu letalen Effekten bei sensiblen Fischarten[3].

In extrem heißen Sommermonaten wie im Jahr 2003 stiegen die Wassertemperaturen in den Flüssen auf so hohe Werte, dass Kraftwerke abgeschaltet werden mussten, da ihre Aggregate nicht mehr ausreichend gekühlt werden konnten. Aufgrund des langanhaltenden warmen Wetters, betrugen die Wassertemperaturen in den Flüssen bis zu 27 °C. Die relative Kühlkapazität des Flusswassers fällt ab und beschränkt Kraftwerke in ihrem Betrieb. Die Kraftwerksbetreiber sind gesetzlich verpflichtet kein Kühlwasser mit Temperaturen über 30 °C abzuleiten.

Die sogenannte offene Verdunstungskühlung stellt den optimalen Kompromiss in Hinsicht auf die Kühlleistung und den Umweltschutz dar. Innerhalb dieses Kühlsystems wird das Wasser über einen Kühlturm rezirkuliert. Durch die Verdunstung eines Teils des Kühlwassers wird ein Großteil der Wärmemenge aus dem System ausgetragen. Zum Ausgleich der Verdunstungsverluste muss Wasser nachgefüllt werden. Diese Menge liegt jedoch um das 50-70 fache unter der Menge, die in einem einfachen offenen Bypasskühlsystem benötigt wird. Die Anwendung der Verdunstungskühlung hat weltweit zu einer starken Reduktion des Kühlwasserbedarfs aus Oberflächenwässern geführt.

Wie kann ein offensichtlich idealer Kompromiss immer noch zu einen Engpass führen? Die Antwort auf diese Frage ist in der Wasserchemie zu finden. Die Verdunstung der Wassermoleküle reichert gelöste und abgespülte Partikel im Wasser an und erhöht deren Konzentration. Die Salzkonzentration wird durch das Abschlämmen von Wasser konstant gehalten. Die meisten Kühlsysteme arbeiten mit einer 3- bis 8-fach erhöhten Salzkonzentration. Jede Kontamination des Ausgangswassers wird um das 3 bis 8 fache im zirkulierendem Wasser aufkonzentriert. Nach dem gleichen Prinzip sammeln sich Verschmutzungen, die an undichten Stellen eintreten, und Staubbestandteile aus der Luft im Kühlwassersystem an.

Alle diese Inhaltsstoffe werden nicht nur in ihrer Konzentration erhöht, sondern verbleiben über mehrere Tage im Kühlkreislauf. Am Ende ist das Kühlwasser gesättigt und durch die zahlreichen Durchläufe an Kühlturm und Wärmeaustauscher aufgeheizt. Das Ergebnis ist ein Kühlwasser, welches alle Bestandteile und Inhaltsstoffe besitzt, um Korrosionsprozesse, mikrobiologisches Wachstum und inneren Abrieb auszulösen. Diese Tatsache erfordert eine zusätzliche Betriebswasseraufbereitung.[2]

[1] Lahoye rea, Energie-aspecten van industriële koelsystemen,Watersymposium 2003

[2] Hessels et al. koelwater van bulk tot bottleneck, Watersymposium 2003

[3] Van Baarwijk et al. Beschrijving van uitgangspunten om te komen tot een beoordelingssystematiek voor warmtelozingen via koelwater, Watersymposium 2003

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