Luchtgekoelde condensors elimineren het gebruik van water

Veel centrales worden door veranderende milieuwetten en publieke druk gedwongen om bestaande energiecentrales om te bouwen naar een gesloten circuit van koelwatersystemen of zelfs droge koeling, in plaats van door te gaan met koelwater via rivieren of oceanen. Met name in dorre gebieden is er gewoon niet genoeg water beschikbaar om tegelijkertijd aan de behoeften van elektriciteitscentrales en mensen te voldoen. (Zie POWER, januari 2008, “Costlier, scarcer supplies dictate making thermal plants less thirsty.”)

De pragmatische ontwikkelaar kan ook kiezen voor droge koeling in een vroeg stadium van een project, omdat het de opties voor de locatie van de centrale vergroot en het gebruik ervan de goedkeuring van bouwvergunningen aanzienlijk kan versnellen, omdat kwesties rond watergebruik van tafel zijn. Het verkorten van een projectschema met zelfs zes maanden kan de economie van een project volledig veranderen en gemakkelijk de verhoogde kapitaalkosten van opties voor droge koeling compenseren.

Droge koeltoepassingen in de VS zijn niet beperkt tot dorre gebieden, maar zijn ook gespecificeerd voor installaties in oostelijke, noordelijke en berggebieden waar water doorgaans overvloediger aanwezig is (figuur 1). Waarom is dat? De laatste jaren zijn er veel meer redenen om droge koeling in het algemeen, en de luchtgekoelde condensor (ACC) in het bijzonder, te overwegen dan alleen het gebrek aan beschikbaar water (zie zijbalk). Er zijn bijvoorbeeld sterke aanwijzingen dat droge koeltoepassingen een standaard ontwerpoptie voor krachtcentrales aan het worden zijn. Zelfs gebieden met overvloedige watervoorraden – zoals Engeland, Ierland, België, Luxemburg en Noord-Italië (figuur 2) – maken gebruik van deze technologie. De grootste gecombineerde-cycluscentrale in Europa heeft een vermogen van 1.200 MW en maakt gebruik van een luchtgekoelde condensor.

China is zeer bezorgd over de verdere druk op zijn watervoorraden en heeft voor veel van zijn nieuwe energiecentrales gekozen voor droge koeling. In feite heeft China luchtgekoelde condensors geïnstalleerd op meer dan 35.000 MW van zijn ontluikende vloot van nieuwe centrales en heeft het de markt gedomineerd in installaties in de afgelopen jaren (figuur 3). De afgelopen twee jaar heeft China gemiddeld één nieuwe ACC per maand gekocht voor nieuwe kolengestookte elektriciteitscentrales, met een typische capaciteit van 2 x 300-MW of 2 x 600-MW (figuur 4).

In China, maar ook op andere locaties in de wereld, hoeft een fabriekslocatie niet langer dicht bij een waterbron te liggen als voor ACC wordt gekozen. In plaats daarvan kan de locatie worden geoptimaliseerd ten opzichte van transmissielijnen en ofwel gasdistributielijnen (voor centrales met gecombineerde cyclus) of spoorlijnen (voor kolengestookte centrales). In China worden centrales voor vaste brandstoffen over het algemeen in de buurt van kolenmijnen geplaatst, hetgeen de recente belangstelling van dat land voor luchtkoeling verklaart.

Ten slotte kunnen de kosten van grond worden verlaagd wanneer een centrale niet aan een meer, rivier of oceaan hoeft te liggen.

Tendensen op de markt positief

Tussen de jaren zestig en negentig had Europa een zeer kleine markt voor grote of middelgrote elektriciteitscentrales. In plaats daarvan was Europa aangewezen op grote kolengestookte centrale- en kerncentrales. Daarentegen werden droogkoelingsontwerpen steeds populairder in het Midden-Oosten, China, Zuid-Afrika en de VS, vanwege het gebrek aan water (in kolenmijnen, in woestijngebieden, of om andere soortgelijke redenen). Na 1990 begon de wereldmarkt voor droge koeling te exploderen en is alleen al in de afgelopen 13 jaar ongeveer 20 keer zo groot geworden (figuur 5).

Op zeer korte termijn zal de markt voor droge koelapparatuur waarschijnlijk vrij actief blijven in China, gezien de enorme elektrische behoeften van dit snel groeiende land. Ook in Europa wordt een redelijke groei verwacht, aangezien veel landen van de Europese Unie een hernieuwde belangstelling hebben voor het beheer van hun toekomstige watervoorziening. Het Midden-Oosten (Emiraten-gebied) en India zullen in de nabije toekomst zeker ook twee zeer belangrijke markten worden. In de VS is de markt sinds medio 2005 gestaag gegroeid.

Casusstudie: De Astoria Energy-centrale, New York City

Misschien wel een van de meest uitdagende gecombineerde-cyclusprojecten ooit was het 550-MW Astoria Energy-project, gebouwd op een terrein van 23 acre langs de East River, in Astoria, Queens, New York City (NYC). Het ACC-ontwerp maakte gebruik van ventilatoren met een diameter van 36 voet, ontworpen met het oog op een laag geluidsniveau, omdat de stemkamers van de wereldberoemde Steinway Pianofabriek zich recht tegenover de fabriek bevinden. Het project kwam in mei 2006 in commerciële dienst.

De 565 miljoen dollar kostende Astoria Energy was de grootste centrale die in NYC in meer dan 25 jaar is gebouwd. De centrale is een 2 x 1 configuratie verankerd door twee GE 7FA gasturbines, twee Alstom warmteterugwinningsstoomgeneratoren (HRSG’s), een Alstom stoomturbine, en een SPX Cooling Technologies luchtgekoelde stoomcondensor.

Het project werd voltooid in minder dan 24 maanden nadat de eerste schop aarde was omgegooid. Voor een ervaren fabrieksbouwer mag dit tijdschema een wandeling door Central Park lijken – als je een greenfield site in het Midwesten hebt. Niet in NYC, waar vrachtwagens slechts beperkt toegang hebben tot dit kleine industrieterrein zonder noemenswaardige opslagplaats. Dat betekent dat het bouwproces moest worden ondersteund door dagelijkse, tijdige leveringen van materiaal, waardoor het een just-in-time bouwproject werd. Het fabrieksterrein bood echter wel toegang tot diep water voor de levering van materiaal per binnenschip. Het Astoria Energy-project verlegde de grenzen van off-site modularisatie van apparatuur, en het twee jaar durende project getuigt van het succes ervan.

De belangrijkste aannemers van het project – waaronder The Shaw Group, Alstom Power en SPX Cooling Technologies – veranderden de gebruikelijke bouwpraktijken door grote modules, waaronder volledig geassembleerde HRSG’s en de luchtcondensor, buiten de staat te assembleren en deze vervolgens per binnenschip naar de locatie te brengen. Een interessante praktische reden waarom het project werd goedgekeurd: NYC eist dat 80% van alle elektriciteit binnen de vijf stadsdelen wordt opgewekt vanwege de beperkte transmissiecapaciteit in de stad.

Een van de grootste hindernissen bij het verkrijgen van een vergunning van NYC was het ontwerpen van een centrale die geen gebruik maakte van de East River voor eenmalige koeling. In de uiteindelijke vergunning wordt zelfs gespecificeerd dat de ACC geen water zal verbruiken of afvoeren naar het milieu.

Geprefabriceerde assemblages verschepen. De ACC voor dit project bestond uit 24 modules/ventilatoren en werd 300 mijl ten zuiden van NYC voorgeassembleerd op een scheepswerf in de buurt van Norfolk, Virginia. Deze off-site faciliteit bood ruimte en tijd om de ACC-modules ruim op tijd voor te bereiden op het moment dat ze op de Astoria-werf nodig waren. Het gematigder klimaat verhoogde de arbeidsproductiviteit in Virginia, en net zo belangrijk was dat de werf over meer dan voldoende ruimte beschikte voor de opslag van materiaal en hijswerktuigen (figuur 6).

De ACC met 24 modules werd gebouwd in 12 naast elkaar geplaatste modulesecties (figuur 7). Elk van de 12 ACC secties mat bijna 43 voet breed x 85 voet lang x 49 voet hoog, en elk woog ongeveer 300 metrische ton. Twee secties van de ACC werden op een ponton gehesen en vervolgens werden twee pontons samen verscheept van Virginia naar de bouwplaats met een sleepboot (Figuur 8).

Snelle montage en opstart. Slechts negen maanden na de gunning van het contract begonnen de ACC-secties op de Astoria-vestiging aan te komen voor de eindassemblage. Toen de bakken op de bouwplaats aankwamen, werden ze onmiddellijk overgeladen op een laagprofiel industrieel aangedreven dolly en op hun plaats gerold naast de stalen ACC-steunconstructie die al op de bouwplaats was opgericht (afbeelding 9). Een kraan van 1.000 ton hees elk van de 12 modules op zijn plaats, in een tempo van ongeveer twee secties per week (afbeelding 10).

De stoomleiding, die ook ter plaatse werd voorgemonteerd, arriveerde voor de eindmontage op de bouwplaats in lengtes die werden bepaald door de afmetingen van de lange binnenschip. In totaal werd 80% van het totale aantal manuren dat nodig was om de ACC te assembleren, in Virginia gewerkt, wat een aanzienlijke kostenbesparing betekent in vergelijking met de fabricage op de werf (figuur 11). In vergelijking met andere ACC-combinatiecyclusprojecten in de regio kon de tijd die nodig was voor de installatie van de ACC’s dankzij de modulaire aanpak gemakkelijk met 50% worden verkort.

-William Wurtz ([email protected]) is vice president en general manager van Dry Cooling, Americas voor SPX Cooling Technologies Inc.