Gestion sociale et économique de l eau : Comment agir sur la demande

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1 Gestion sociale et économique de l eau : Comment agir sur la demande DOI /lhb: Les besoins en eau de refroidissement des centrales thermiques de production d électricité Cooling water needs for electrical power plants ALAIN VICAUD EDF Division Production Nucléaire 1, Place Pleyel SAINT-DENIS CEDEX Tél : 33 (0) , alain.vicaud@edf.fr Après avoir rappelé quels sont les différents circuits d eau d une centrale thermique de production d électricité et les quantités d eau nécessaire à son refroidissement, les deux principaux circuits de refroidissement utilisés (circuit ouvert et circuit fermé) sont présentés. Prélèvement d eau, consommation, rejets thermiques sont des paramètres importants concernant la ressource en eau ; ils sont intégrés dans les études d optimisation de la conception, de l exploitation et de la maintenance des circuits de refroidissement des centrales de production d électricité. Aujourd hui, si ces circuits sont classés parmi les Meilleures Techniques Disponibles (MTD) pour les systèmes de refroidissement industriel, dans le cadre des travaux de l Union Européenne pour la prévention et la réduction intégrée de la pollution (Directive Européenne IPCC), ils continuent à faire l objet d amélioration de leur design et de leur exploitation afin de limiter leur impact sur la ressource en eau. Having reviewed the main cooling-water loops on an electrical power plant, as well as the quantities of water needed for cooling, the two main cooling circuits (once-through and recirculation through cooling tower) are presented. Water intake, utilization and thermal discharge are important parameters in terms of water resource. They are factored into optimization studies for the design, operation and maintenance of power plant cooling circuits. While these circuits currently rate among the Best Available Techniques (BAT) for industrial cooling systems, based on the criteria of the IPCC European Directive ((Integrated Pollution Prevention and Control Directive 2008/1/EC), efforts are continuously being made to improve their design and operation in order to limit their impact on water resources. I n Les besoins en eau d une centrale thermique l I.1 Les circuits d eau d une centrale thermique LA HOUILLE BLANCHE/N Figure 1 : Les trois circuits d eau d une centrale nucléaire avec aéro-réfrigérant Article published by SHF and available at or

2 Les besoins en eau de refroidissement des centrales thermiques de production d électricité Dans une centrale nucléaire on distingue trois circuits d eau indépendants : le circuit primaire pour extraire la chaleur : c est un circuit fermé, il est parcouru par de l eau pressurisée à 155 bars qui joue le rôle de fluide caloporteur ; cette eau passe dans la cuve du réacteur et capte la chaleur produite par la réaction de fission du combustible nucléaire. L énergie thermique, véhiculée dans le circuit primaire à une température moyenne de 300 C, est transférée au circuit secondaire dans les générateurs de vapeur ; le circuit secondaire pour produire la vapeur : au contact des milliers de tubes en U des générateurs de vapeur, l eau du circuit primaire transmet sa chaleur à de l eau circulant dans un autre circuit fermé : le circuit secondaire ; l eau de ce circuit est ainsi transformée en vapeur saturée sèche (70 bars, 285 C dans une centrale nucléaire de 1300 MWe) ; cette vapeur fait tourner la turbine entraînant l alternateur qui produit l électricité. ; après son passage dans la turbine, la vapeur repasse en phase liquide par condensation dans le condenseur ; cette eau est ensuite renvoyée vers les générateurs de vapeur pour un nouveau cycle ; le circuit tertiaire ou circuit de refroidissement pour condenser la vapeur et évacuer la chaleur : ce circuit comprend un condenseur, appareil composé de milliers de tubes dans lesquels circule de l eau froide prélevée à une source extérieure : rivière ou mer ; au contact de ces tubes, la vapeur se condense. Le circuit de refroidissement peut être «ouvert», dans ce cas l eau est puisée et rejetée directement dans la mer ou la rivière après passage dans le condenseur. Ce circuit peut être «fermé», le refroidissement de l eau est alors assuré par un échangeur eau-air : l aéroréfrigérant. Dans une centrale thermique à flamme, il n y a pas de circuit primaire ; la vaporisation de l eau, chauffée par la combustion de charbon ou de fuel, se fait dans la chaudière appelée encore générateur de vapeur. l I.2 Les besoins quantitatifs en eau En terme quantitatif, le plus grand besoin en eau d une centrale se situe au niveau du circuit de refroidissement. C est là qu est évacuée la part d énergie thermique (celle issue de la combustion pour une centrale thermique à flamme et celle issue de la fission pour les centrales nucléaires) non transformée en énergie mécanique (rotation de la turbine) et in fine en électricité par l alternateur. Le rendement réel net d une centrale nucléaire, c est à dire le rapport entre la puissance électrique et la puissance thermique, est d un peu plus d un tiers. Ainsi, la puissance thermique évacuée dans le milieu extérieur représente environ les deux tiers de la puissance thermique fournie par le réacteur soit de l ordre de MWth pour un réacteur d une puissance électrique de 900 MWe. L évacuation de l énergie thermique au condenseur nécessite un débit d eau dans le circuit tertiaire de l ordre de 40 m 3 /s pour une tranche de 900 MWe. Il correspond à un débit identique de prélèvement d eau dans le milieu pour les circuits ouverts et à un débit de prélèvement de l ordre de 2 m 3 /s pour les circuits «fermés». Mentionnons qu une centrale thermique a d autres besoins en eau mais en moindre quantité : eau de refroidissement de circuits auxiliaires. Pour une centrale nucléaire, le débit prélevé nécessaire est de 0,6 m 3 /s à 1 m 3 /s selon les centrales. Ce débit est intégralement restitué au milieu, la consommation de ce circuit est donc nulle. eau à usage industrielprincipalement pour les besoins en eau déminéralisée de différents circuits : débit de 0,3 m 3 /s pour une centrale nucléaire de 900 MWe. Le tableau suivant présente le bilan 2005 en eaux prélevées dans le milieu (mer, rivières, estuaires) par les centrales thermiques d EDF en France métropolitaine. Eau prélevée 42 milliards de m 3 Electricité produite Eau prélevée /électricité produite 450 milliards de kwh 94 l/kwh Le tableau suivant présente un zoom sur l eau prélevée en rivière par les centrales nucléaires Eau prélevée en rivière 16,5 milliards de m 3 Eau évaporée par les aéroréfrigérants Electricité produite Eau prélevée/électricité produite Eau évaporée/électricité produite 0,5 milliards de m milliards de kwh 56 litres/kwh 1,7 litres/kwh A titre de comparaison, le tableau suivant présente les prélèvements en eaux douces pour différents usages pour l année 2002 en France métropolitaine (données RNDE-Ifen). Prélèvement (Millions de m3) Eau potable Industrie Irrigation I-ELECTRICITE Tous usages Eaux superficielles % % % % Eaux souterraines % % % 23 0 % 6334 Total % % % % LA HOUILLE BLANCHE/N

3 Gestion sociale et économique de l eau : Comment agir sur la demande On note que si la production d électricité est le secteur qui prélève le plus d eau (57 %), il s agit d eaux superficielles dont la quasi-totalité (97,5 %) est restituée au cours d eau après utilisation. L eau évaporée par les aéroréfrigérants (2,5 % de l eau prélevée) des centrales thermiques de production d électricité représente de l ordre de 10 % de l eau douce totale consommée en France métropolitaine. II n Des besoins en eau optimisés à la conception et en exploitation Comme nous venons de le voir, une contrainte majeure pour l implantation d une centrale thermique est la présence d une ressource en eau (mer ou rivière) capable d assurer les besoins en eau nécessaire au fonctionnement, eau de refroidissement pour l essentiel. Le choix du type de réfrigération d une centrale thermique : circuit ouvert ou fermé, consiste à trouver la solution optimale pour répondre à trois objectifsprincipaux : disposer d eau en quantité suffisante ; viser la température la plus basse possible au niveau du condenseur, pour assurer le rendement maximum ; limiter les impacts thermiques dans le milieu aquatique. l II.1 Refroidissement du condenseur en circuit ouvert En circuit ouvert, le condenseur est refroidi directement par l eau prélevée en mer ou dans la rivière. Le débit prélevé dans le milieu naturel pour assurer ce refroidissement dépend donc directement de la puissance thermique à évacuer : de l ordre de 10 m 3 /s pour une centrale thermique de 250 MWe, de 40à 50 m 3 /s pour les centrales nucléaires de 900à 1300 MWe. Dans les centrales à circuit de refroidissement ouvert, l eau prélevée est intégralement restituée au milieu, après passage dans le condenseur. La consommation d eau est donc nulle. L eau est seulement détournée, mais de façon très locale, entre la prise d eau et les rejets. Compte tenu de ces valeurs élevées de débits d eau à prélever dans le milieu, les centrales en circuit ouvert sont situées soit en bord de mer, soit sur des rivières à gros débit. La figure 2 montre l implantation des centrales nucléaires EDF en France en distinguant les 2 types de circuit de refroidissement. L échauffement de l eau en sortie des condenseurs dépend de la puissance des centrales : de l ordre de 8à 9 C pour une centrale thermique de 250 MWe, de 10 C pour les centrales nucléaires en bord de rivière, de 10à 15 C pour les centrales nucléaires en bord de mer. Compte tenu des débits importants rejetés, les ouvrages de prise et de rejet d eau sont conçus pour assurer la meilleure dispersion possible des rejets thermiques, en tenant compte des caractéristiques courantologiques, bathymétriques et topographiques locales. La solution adoptée pour chaque site résulte d études réalisées en laboratoire sur modèles physiques, associés à des modèles mathématiques de dispersion dans le milieu. Centrales en circuit ouvert situées en bord de mer Les modélisations réalisées permettent de définir les emplacements optimaux pour la prise d eau et les rejets. A titre d exemples, à la centrale nucléaire de Gravelines, la prise d eau se fait dans l avant-port Ouest de Dunkerque et le rejet se fait à la côte, par un canal à ciel ouvert ; Figure 2 : Centrales nucléaires EDF en France LA HOUILLE BLANCHE/N

4 Les besoins en eau de refroidissement des centrales thermiques de production d électricité à la centrale nucléaire de Paluel, la prise d eau est à la côte et le rejet se fait à 1 km au large, au fond de la mer, par un diffuseur alimenté par des galeries souterraines. En mer, la très forte dispersion dans le champ proche des rejets, du fait des forts courants de marée et des courants de dérive importants près des caps, réduit l échauffement, et l impact thermique est circonscrit à une zone très réduite. Centrales en circuit ouvert situées en bord de rivière En rivière, l impact thermique des tranches en circuit ouvert est plus important que celui des tranches en circuit fermé mais il reste limité, compte tenu des forts débits des cours d eau concernés (Rhône et Rhin). La spécificité du Rhône réside dans le fait que trois centrales en circuit ouvert (Bugey 2/3, Saint Alban et Tricastin) sont situées sur ses berges. Cette situation implique que, pour une centrale donnée, il faut prendre en compte l échauffement résiduel induit par les centrales situées en amont. Dès la conception de ces centrales, il a été ainsi développé des modèles numériques de simulation du régime thermique, pour optimiser les installations. Ces études de dispersion ont été complétées par un important programme de surveillance de l environnement en amont et en aval de chaque site, permettant de caractériser l impact réel des rejets thermiques sur les peuplements aquatiques. l II.2 Refroidissement du condenseur en circuit fermé (avec aéroréfrigérants) Les aéroréfrigérants Dans les centrales à circuit de refroidissement fermé, l eau chaude issue du condenseur est dispersée dans le corps d échange de l aéroréfrigérant. Le contact direct entre l air atmosphérique et l eau à refroidirpermet : un échange par transfert de masse (évaporation d eau dans l air atmosphérique) : l air, avide d humidité, évapore une partie de l eau à refroidir en prélevant la chaleur latente de vaporisation. Cette chaleur latente de vaporisation constitue 75à 80 % de l échange thermique. un échange par convection (lié à la différence de température entre l eau et l air). Cet échange par convection représente 20à 25 % de l échange. Les aéroréfrigérants par voie humide se différencient par : le mode de mise en circulation de l air : par tirage naturel ou par tirage mécanique à l aide de ventilateurs. Sur le parc thermique d EDF, tous les aéroréfrigérants sont à tirage naturel, à l exception des 4aéro-réfrigérants de la centrale nucléaire de Chinon qui, compte tenu de la hauteur limitée de ces aéroréfrigérants, sont équipés de grands ventilateurs axiaux pour assurer la mise en mouvement de l air ; les trajectoires relatives entre l eau (qui circule toujours par gravité de haut en bas) et l air : les échanges se font à courants croisés (si l air circule horizontalement dans le corps d échange) ou à contre courant (si l air circule de bas en haut dans le corps d échange). (figure 3) Depuis leurs premières utilisations en France (années 1960), les aéroréfrigérants ont fait l objet de nombreuses améliorations de conception de nature technico-économique. Mentionnons, la mise en place de capteurs de gouttelettes visant à réduire le phénomène d entraînement de gouttelettes d eau dans l atmosphère par la circulation de l air dans l aéroréfrigérant ; ce phénomène (primage) avait pour conséquence de consommer un débit d eau non négligeable : la quantité d eau entraînée a ainsi pu être réduite de Figure 3 : les 2 grands types d aéroréfrigérant humide 37 LA HOUILLE BLANCHE/N

5 Gestion sociale et économique de l eau : Comment agir sur la demande manière importante : 1,5 l/s au lieu de 500 l/s pour une tranche nucléaire de 1450 MWe. Par ailleurs, ces gouttelettes de gros diamètre (1à 5 mm) retombaient à proximité de l aéroréfrigérant et pouvaient provoquer des formations de verglas en hiver. Performances des centrales à circuit fermé L évaporation de l eau, sous forme d eau pure, dans un aéroréfrigérant induit deux phénomènes : une perte d eau dans le circuit de refroidissement du condenseur et une concentration dans l eau restante des sels minéraux et des matières organiques présents dans l eau brute prélevée. C est pourquoi ce mode de refroidissement nécessite d une part, de réaliser des purges pour limiter la concentration des sels dissous et des matières en suspension, qui pourraient conduire à entartrer les aéroréfrigérants et les condenseurs et limiter leur efficacité, et d autre part, de faire des appoints d eau pour compenser l eau évaporée et l eau de purge. Ainsi pour une tranche nucléaire de 1300 MWe en fonctionnement nominal, le débit de purge est de l ordre de 1,25 m 3 /s, le débit d eau évaporée est de 0,75 m 3 /s, soit un débit d eau prélevée de 2 m 3 /s (figure 4). recours à des traitements chimiques est aujourd hui incontournable. Globalement, 96à 98 % de la puissance thermique du condenseur est évacuée dans l air via l aéroréfrigérant. Les rejets thermiques en rivière d une tranche en circuit fermé correspondent au débit de purge, qui représente de l ordre de 2à 4 % des débits qui seraient rejetés si l installation était en circuit ouvert. La température de la purge dépend des performances d échange de l aéroréfrigérant et des conditions atmosphériques : température et humidité relative de l air comme le montre la figure ci-après. Figure 5 : Température de la purge en fonction des conditions atmosphériques Figure 4 : les flux d eau du circuit de refroidissement d une centrale nucléaire 1300 MWe Les performances et l état du circuit de refroidissement (érosion/corrosion notamment) sont étroitement liés aux caractéristiques de l eau prélevée : sa température, ses propriétés physico-chimiques et biologiques au titre desquelles on peut citer les teneurs en calcium, magnésium, nitrates, carbonates, sulfates, chlorures, les matières organiques et minérales en suspension. La qualité de l eau prélevée peut aussi fluctuer dans le temps parfois de manière très importante. Si la purge et les appoints d eau permettent de limiter entartrage et encrassement des circuits, ils s avèrent insuffisants. Ainsi, pour lutter contre ces phénomènes, sans nécessiter de prélèvements supplémentaires d eau, des parades sont mises en œuvre par l exploitant dans le respect de la réglementation en vigueur. Bien que l accent soit mis en priorité sur des parades autres que chimiques : nettoyage, changement de matériels dégradés, pose de filtres,..., le La différence de température entre l eau de la rivière et l eau de purge avant mélange varie donc au cours de l année : elle est d environ 15 C en hiver et peut être pratiquement nulle en été. Ainsi, de part leur conception, les aéroréfrigérants conduisent à réduire l échauffement dû à la purge à quelques dixièmes de degrés durant les périodes chaudes, périodes les plus critiques pour l eau en cas de canicule notamment. III n Les perspectives intégrant les effets du changement climatique Comme nous l avons vu les choix de conception, d exploitation et de maintenance des circuits d eau de refroidissement des centrales thermiques permettent de répondre aux besoins d eau indispensables à la production d électricité en intégrant au maximum les problématiques de la ressource en eau ; ainsi prélèvement, consommation, rejets thermiques sont adaptés à la ressource disponible. A ce titre, mentionnons que les circuits de refroidissement ouverts ou fermés retenus sont classés parmi les Meilleures Techniques Disponibles (MTD) pour les systèmes de refroidissement LA HOUILLE BLANCHE/N

6 Les besoins en eau de refroidissement des centrales thermiques de production d électricité industriel, dans le cadre des travaux de l Union Européenne pour la prévention et la réduction intégrées de la pollution (Directive Européenne IPPC). Face à une élévation de température déjà constatée associée à des périodes de canicule plus fréquentes (cf. 2003, 2006), peut-on encore faire mieux à l avenir pour se prémunir des effets du changement climatique? D une façon générale, trois grands types d installations de refroidissement peuvent être envisagés pour assurer le refroidissement d une installation industrielle, selon les températures de fonctionnement souhaitées, les puissances thermiques à évacuer et les débits d eau à traiter : les installations de refroidissement par eau en circuit ouvert (cf. II), les installations de refroidissement par air, par voie humide, avec dispersion d eau (cf. II), les installations de refroidissement par air, par voie sèche. On peut trouver également des combinaisons de ces trois grands types : refroidissement mixte fonctionnant alternativement en circuit ouvert et en circuit fermé, refroidissement par air, à la fois par voie sèche et humide,. Le choix de la technologie la plus adaptée pour la construction d une centrale est déterminé par les performances techniques attendues vis-à-vis du procédé à refroidir (températures de fonctionnement, puissance à évacuer,...) et par ses impacts sur l environnement, notamment en terme de consommation d eau, rejets thermiques, panaches rejetés à l atmosphère, consommation dénergie, encombrement, bruit, impact sur le paysage,... Nous ne reviendrons pas sur les deux premiers types d installation déjà vus au 2. Les installations de refroidissement par air, par voie sèche Ces installations ont été développées pour limiter les consommations d eau. Elles sont basées sur un échange indirect entre le fluide à refroidir et l air ambiant : il n y a donc pas de perte d eau par évaporation, à la différence des réfrigérants humides. La réfrigération des centrales thermiques par des échanges sans contact direct entre l air ambiant et l eau de circulation peut être réalisée selon deux techniques : la mise en place d un aérocondenseur, la construction d un réfrigérant sec, associé à un condenseur classique. Les aérocondenseurs Le principe des aérocondenseurs repose sur la condensation de la vapeur en sortie turbine à l intérieur d un faisceau de tubes en contact direct avec l air extérieur ; le refroidissement du condenseur par un circuit d eau intermédiaire refroidi par l air dans une tour réfrigérante n existe plus. Cette technologie s est améliorée au cours des 20 dernières années réduisant la différence de température entre l air ambiant et la température de condensation à seulement 25 C. Elle ne trouve son utilisation aujourd hui que dans les zones arides et sèches (ex : centrales à cycle combiné au Mexique construites par EDF) et pour des puissances limitées (de l ordre de 200 MWe) en raison des volumes importants de vapeur transportée. Les réfrigérants secs Le fluide à refroidir reste dans un circuit fermé et l échange se fait avec l air au travers des tubes d un échangeur, généralement des serpentins munis d ailettes pour augmenter la surface d échange et améliorer l efficacité de la réfrigération. Ce type de refroidissement nécessite des surfaces d échange élevées et des débits d air importants, qui peuvent être assurés par tirage naturel ou au moyen de ventilateurs (à puissance équivalente, la zone d échange est 4fois plus grande qu avec un échange humide). En cas de forte température, le transfert thermique au niveau de l échangeur peut être amélioré en arrosant les surfaces d échange (concept de réfrigérant «sec arrosé») mais cela va à l encontre de l objectif initial de cette technologie sèche qui vise à éliminer toute consommation d eau. Synthèse Le tableau page suivante présente une synthèse des avantages et inconvénients de ces différents types de refroidissement. La démarche pour déterminer le mode de refroidissement d une centrale thermique consiste à trouver l optimum entre les performances techniques des différents modes de refroidissement envisageables (température de fonctionnement, puissances à évacuer) et leurs impacts sur l environnement. Compte tenu des puissances à évacuer et des conditions climatiques et hydrologiques en France, le refroidissement des centrales par voie humide apparaît comme l optimum, d un point de vue environnemental et économique lorsque les conditions de débit sont insuffisantes pour recourir à un refroidissement en circuit ouvert. Depuis la conception des centrales, EDF a pris en compte les évolutions environnementales et réglementaires sur les sites présentant des vulnérabilités vis-à-vis de la gestion de la ressource en eau. Ainsi, les tranches nucléaires de Civaux ont fait l objet d une conception particulière, compte tenu de la faiblesse des débits de la Vienne en été (mise en œuvre d aéroréfrigérant sur le circuit de purge). Le futur réacteur EPR à Flamanville, sera équipé d une installation de dessalement de l eau de mer, pour les besoins en eau industrielle de la tranche. Néanmoins, dans une perspective de rareté de l eau, la possibilité de réduire la consommation d eau des tranches en circuit fermé existantes, c est-à-dire la possibilité de réduire le débit évaporé, doit être examinée, à la lumière des éléments présentés ci-avant mais en prenant en compte également les contraintes inhérentes aux installations existantes. EDF R&D évalue l intérêt et la faisabilité de systèmes permettant de récupérer une partie de l eau évaporée. Différents procédés existent à petites échelles allant de l usage de «filets à brouillard» à des systèmes plus actifs (c est à dire consommateurs d énergies) : membranes, refroidissement de l air. Un programme d actions de R&D visant à l amélioration des performances des systèmes secs est en cours d élaboration avec l EPRI (Electric Power Research Institute) aux Etats-Unis 39 LA HOUILLE BLANCHE/N

7 Gestion sociale et économique de l eau : Comment agir sur la demande Type de refroidissement Avantages Inconvénients Circuit ouvert Circuit fermé avec aéroréfrigérants par voie humide Aéroréfrigérants humidesec Aéroréfrigérants secs Pas de consommation d eau Pas de bruit Pas de panache dans l air Rendement optimum de la centrale Débits prélevés faibles Impact thermique faible sur la rivière Rendement bon Débits prélevés faibles Consommation d eau faible Impact thermique faible sur la rivière Pas de panache Pas de débit prélevé Pas de consommation d eau Pas d impact thermique sur la rivière Pas de panache Débits prélevés importants Rejet thermique important mais impact thermique limité au champ proche. Consommation d eau modérée Panache Impact visuel de l ouvrage Rejets chimiques liés aux traitements Coûts d investissements et d exploitation du circuit. Surface au sol importante Rendement modéré Impact visuel de l ouvrage Rejets chimiques liés aux traitements Consommation d énergie pour alimenter les ventilateurs Bruit (ventilateurs) Coûts d investissement élevés Surface au sol très importante Impact visuel de l ouvrage Rendement faible (d autant plus dégradé qu il fait chaud) Consommation d énergie pour alimenter les ventilateurs Bruit (ventilateurs) Coûts d investissement très élevés Puissance limitée Dans une perspective d accroissement des températures moyennes avec des excursions de températures lors d épisodes caniculaires, plusieurs voies d études et recherches, à l exemple des études Rhône, sont à poursuivre en collaboration avec l ensemble des parties prenantes pour mieux apprécier les impacts des échauffements, naturels pour une grande part, sur les milieux. L exploitant, de son côté, mettant tout en œuvre, par des actions de surveillance, de maintenance et de rénovation, pour garantir la performance thermique des circuits de refroidissement et une température de rejets conforme à la conception. LA HOUILLE BLANCHE/N