Turbine Koeling

    Een kerncentrale gebruikt net als elke andere thermische centrale (bijv. kolen- of gas-centrales) een turbine om de elektrische stroom-generator mee aan te drijven. In bijna alle gevallen zal dit een stoom-turbine zijn Bij een kerncentrale wordt de stoom gegenereerd in een stoomgenerator in het  secundair koelwatercircuit. Het secundaire koelwatercircuit (280 °C, 70 bar druk) wordt verhit door het primaire koelwatercircuit (325 °C) via een warmtewisselaar. Het secundaire koelwater-/stoomcircuit wordt op zijn beurt gekoeld door het tertiaire koelcircuit. Dit tertiaire circuit is onmisbaar om de stoom in het secundaire circuit te condenseren en de restwarmte af te voeren. Het condenseren van de stoom is noodzakelijk om in de stoomturbine een vacuümkracht aan de uitgaande kant van de turbine te creëren, die de turbinebladen mede doet draaien. De turbine krijgt aan de voorkant een stoomdruk van 70 bar, die voor de meeste aandrijfkracht zorgt. De stoom die de turbine heeft aangedreven, wordt in het secundaire circuit opnieuw in water omgezet via een condensor die uit duizenden buizen bestaat, waar in de meeste gevallen koud koelwater van het tertiaire circuit doorheen stroomt. Dat koude water is vaak afkomstig van een externe bron, zoals een rivier of de zee. Als het koelwater uit zee of de rivier te warm is, leidt dat tot een efficiency-vermindering van het elektrisch vermogen. Elke stijging van 1 °C van het koelwater zorgt voor een daling van de thermische efficiëntie met ~0,12% tot 0,15%. Dit vertaalt zich in een verlies van 0,44% tot 0,5% aan werkelijke elektriciteitsproductie (MW) per graad stijging. Een extreme stijging van het inlaatwater met 15 °C leidt zo tot een direct productieverlies van ongeveer 6%. Nationale wettelijke reguleringen t.a.v. de rivier-watertemperatuur en debiet kunnen de hoeveelheid koelwaterinlaat verder beperken.  De warmte van het tertiaire koelcircuit, die rond de 60 procent van het thermisch vermogen van de centrale bedraagt, is afvalwarmte en kan fors bijdragen aan Urban Heat Isles. De kerncentrale Borssele loost haar afvalwarmte in de Westerschelde. Het lijkt aannemelijk dat de twee locaties die nog in beeld zijn (Borssele, Maasvlakte II en SLOE-gebied zijn afgevallen) voor de nieuwe kerncentrales t.w. Terneuzen en Eemshaven zullen kiezen voor waterkoeling vanuit resp. de Westerschelde en de Eems. Als dat realiteit wordt, zal er - naast andere nadelen - in ieder geval behoorlijke ecologische schade ontstaan in het aquatische milieu. Hieronder bespreken wij de technische mogelijkheden van verschillende soorten koeling van het tertiaire circuit:

• Open koelwatercircuit (Once-Through Cooling): Water wordt direct opgepompt uit een nabijgelegen grote waterbron (zee, grote rivier, meer of zelfs stedelijk gezuiverd rioolwater), door de condensor geleid en opgewarmd weer afgevoerd. 

• Gesloten koelwatercircuit met Natte Koeltorens (Wet Recirculating): Het koelwater circuleert continu tussen de condensor en een koeltoren. In de koeltoren verdampt een klein deel van het vernevelde koelwater om de rest van het koelwater beter te kunnen  afkoelen. Moderne varianten van wet recirculation gebruiken componenten in een koeltoren of verdampingscondensor die waterdruppels uit de luchtstroom opvangen en terugvoeren naar het systeem) om zo het waterverlies te minimaliseren (drift eliminators )

• Directe Luchtgekoelde Condensors (Air-Cooled Condensers - ACC): De afgewerkte stoom uit de turbine stroomt direct door speciale grote radiateurs, waar gigantische ventilatoren buitenlucht doorheen blazen om de stoom in de radiateurs te condenseren 

• Indirecte Droge Koeling (Heller-systeem) : De stoom in het secundaire koelcircuit condenseert in een direct-contact jet condensor. Met behulp van gekoeld, ultra-zuiver water wordt in een direct contact jet condenser koud koelwater direct in de stoom gespoten. De stoom condenseert hierdoor direct en mengt zich met het koelwater. Dit warme water wordt vervolgens naar een droge koeltoren gepompt. Het warme koelwater stroomt in de koeltoren door speciale warmtewisselaars uitgerust met fijne aluminium lamellen om via de buitenlucht af te koelen.

• Hybride Koelsystemen (Wet/Dry): Dit systeem combineert droge en natte koeling. In de winter of bij milde temperaturen draait het systeem volledig droog (luchtgekoeld). Tijdens piekhitte in de zomer wordt er water verneveld (evaporative cooling) om de lucht extra te koelen voordat deze de warmtewisselaar raakt.

• Combined Heat and Power (CHP) of Warmte-krachtkoppeling (WKK): Bij een WKK-centrale fungeert het stadsverwarmingsnetwerk (district heating network) als het tertiaire koelsysteem: het opgewarmde water gaat rechtstreeks naar huizen en bedrijven. In de zomer is er helaas nauwelijks vraag naar verwarming. De energiecentrale moet dan alsnog overschakelen op traditionele koelmethoden. De energiecentrale moet bovendien relatief dicht bij de stad liggen, omdat de warmte over langere afstanden langzaamverloren gaat. In de winter kan stadsverwarming i.c.m. warmtepompen in de te verwarmen woningen en gebouwen zelf, een héle goede Coefficient of Performance (COP) gehaald worden.

Nieuwe Ontwiskeling t.a.v. Efficiency-verhoging van de Turbine in een Energiecentrale

    In plaats van water en stoom te gebruiken voor de secundaire koeling wordt soms ook al superkritische CO2 (sCO2) gebruikt. De eerste commerciële sCO2-generator, genaamd Chaotan One, staat in een staalfabriek in Liupanshui, Guizhou. De installatie bestaat uit twee units van elk 15 megawatt en is eind 2025 aan het elektriciteitsnet gekoppeld. De centrale benut restwarmte van de staalproductie om stroom te genereren. Bij een temperatuur hoger dan 31,1 °C en een druk hoger dan 73,8 bar wordt CO2 superkritisch. Omdat sCO2 een zeer hoge dichtheid heeft, gedraagt het zich als een vloeistof voor warmteoverdracht, maar stroomt het zo makkelijk als een gas.  Het kost minder energie om CO2 superkritisch te maken dan water om te zetten in stoom. Hierdoor kan 50% meer van de gebruikte energie daadwerkelijk worden omgezet in elektriciteit. Als een energiecentrale met stoomturbine een 40% efficiency haalt, kan dit met een sCO2-turbine 60% worden. De sCO2 turbine kan veel kleiner zijn dan een stoomturbine met eenzelfde vermogen. Bij een superkritische sCO₂-turbine vindt koeling op twee verschillende niveaus plaats: binnen de thermodynamische cyclus (het proces) zelf en als componentkoeling van de turbine-onderdelen (zoals de bladen en de as). Nadat de superkritische CO₂ is geëxpandeerd, door de turbine is gestroomd en arbeid heeft geleverd, moet het worden afgekoeld voordat het opnieuw kan worden gecomprimeerd. De hete sCO₂ die uit de turbine komt, stroomt eerst door een warmtewisselaar. Hier geeft het zijn warmte af aan de koudere  sCO₂ die al op weg is naar de reactor of warmtebron. Die sterke afkoeling verhoogt het rendement van de centrale. Na de warmtewisselaar stroomt de terugkerende sCO₂ door een voorkoeler. Hier wordt externe koeling (zoals koelwater of omgevingslucht) gebruikt om de sCO₂ verder af te koelen tot net boven het kritieke punt (ca. 31,1 °C en 73,8 bar).
    Efficiency-verhoging van een energiecentrale draagt natuurlijk bij tot minder warmteproductie per geproduceerde MW. Maar alle geproduceerde MW's tellen nog altijd zelf mee als door de mens geproduceerde warmte (AHR, Anthropogenic Heat Release) dat bijdraagt tot Urban Heat Isle's.

Alle Afvalwarmte het Heelal Insturen?

   Broeikasgassen, Infraroodstraling, de Aardse stralingsbalans en Anthropogenic Heat Release, kwamen al ter sprake op deze pagina. Maar het blijkt tóch mogelijk om afvalwarmte als langgolvige infraroodstraling met een hele specifieke golflengte het heelal in te sturen, zonder dat de broeikasgassen in de Aardse atmosfeer die warmte opnemen en weer afgeven en zo bijdragen aan het broeikasgas-effect. De innovatieve technologie heet Radiative Sky Cooling. Speciale meta-materialen als coating op de koelpanelen die de afvalwarmte uitstralen, zorgen ervoor dat dat gebeurt in het juiste infrarode spectrum (het zogeheten infrared atmospheric window). Er is namelijk vastgesteld dat de atmosfeer in het golflengtebereik van 0,8 tot 15 μm drie banden heeft met zwakke infraroodabsorptie, namelijk 1-3 μm, 3-5 μm en 8-14 μm. Deze drie banden worden daarom ook wel atmospheric windows genoemd. In deze drie golflengte-banden heeft de atmosfeer goede transmissie-eigenschappen voor infraroodstraling. Door deze windows straalt warmte rechtstreeks door de atmosfeer heen de ijskoude ruimte in, zelfs overdag en zonder dat er elektriciteit of water voor nodig is. De infrared atmospheric window zijn die gedeelten van het langgolvige infrarood-spectrum, waarvoor de bekende broeikasgassen niet gevoelig zijn. Immers elk broeikasgas is maar gvoelig voor een klein deel van het langgolvig infraroodspectrum dat het broeikasgas-molecuul aan kan slaan. Daartussen liggen windows. 

Skycool maakt een speciale thinfilm die gebruik maakt van infrared atmospheric windows. Overdag in de volle zon blijft die thinfilm - geheel passief (!) - 5 C koeler dan de omgeving. 's Nachts kan dat 10 C zijn. De meta-materialen die in de thinfilm worden gebruikt zijn hafniumoxide, siliciumoxide en zilver. De thin-film van SkyCool maakt gebruik van metamaterialen - zoals microscopisch kleine SiO2-nanodeeltjes ingebed in de matrix - die door hun specifieke chemische bindingen en vorm gaan resoneren bij golflengten tussen 8 en 13 μm. Hierdoor zendt het materiaal de warmte die het bevat met een extreem hoge efficiëntie (emissiviteit van >94%) uit in die specifieke band. 
Phonon-polariton resonantie is het verschijnsel dat gebruikt wordt. Het is een fysisch verschijnsel dat optreedt wanneer fotonen koppelen met de trillingen van het kristalrooster (optische phononen) in een polair materiaal. Deze sterke wisselwerking creëert een nieuw, hybride deeltje (een quasi-deeltje) dat een phonon-polariton (PhP) wordt genoemd. Wanneer de frequentie van het inkomende licht perfect matcht met de natuurlijke trillingsfrequentie van de ionen in het materiaal, treedt er resonantie op. Dit zorgt ervoor dat licht extreem sterk wordt opgevangen en samengedrukt op nanoschaal. Skycool is een ideale thinfilm om op platte daken te leggen, want het spaart airco-kosten uit in een warm klimaat. Afhankelijk van de toepassing en de klimaatomstandigheden kan de technologie het energieverbruik voor het koelen van gebouwen met 10 tot 70 procent verminderen. In combinatie met een paneel met stromend water door smalle leidingen is ook besparing op airco-energie mogelijk. Maar een ander groot voordeel is dat het in steden (als alle daken/gebouwen er mee bekleed worden) IHL kan verminderen.
    Hoewel de technologie zich nog in een ontwikkelingsfase bevindt, maakt financiering van het Advanced Research Projects Agency (ARPA-E) van het Amerikaanse ministerie van Energie (DoE) het voor SkyCool Systems, Radi-Cool,die werken aan stralingskoeling overdag mogelijk om het potentiële gebruik ervan te onderzoeken voor de koeling van thermische energiecentrales.  Volgens deze studie kan het waterverbruik van thermische energiecentrales met 30-90% verminderd worden als gebruik wordt gemaakt van radiative sky cooling. Dat geldt ongeveer voor dezelfde mate voor de afvalwarmte.

In de eindconcept Plan-MER van juni 2026 Antea Groep wordt vooralsnog alleen uitgegaan van directe koeling met oppervlaktewater. Koeltorens worden alleen als alternatief genoemd. Alle andere opties zoals hierboven genoemd, lijken onbekend bij Antea Groep.