Biofouling als natuurlijk proces
Biofouling is een natuurlijk proces dat optreedt bij drie faseovergangen: van water naar hard substraat, zoals zeepokken en mosselen; van lucht naar substraat, zoals korstmossen; en van lucht naar water met gespecialiseerd microplankton in de bovenste paar mm van het water.
Koelwatersystemen
Elektriciteitscentrales gebruiken grote hoeveelheden water om de stoomcyclus te voltooien. Stoom uit de lage-drukzijde van de turbines wordt gecondenseerd in grote, meestal pijp condensors of platen-warmtewisselaars. Het gecondenseerde water wordt na reiniging opnieuw gebruikt in de stoomcyclus. Voor deze condensatie zijn grote hoeveelheden koelwater nodig. Een fossiel gestookte centrale gebruikt in algemene zin circa 25 m³/s bij een thermische lozing van 600 MWth.
Bij zulke volumes is het niet economisch om behandeld water of leidingwater te gebruiken. Daarom worden rivieren, meren en kustwater als bron gebruikt. Deze oppervlaktewateren bevatten een grote variatie aan biologische soorten, waaronder larven van schaaldieren en bacteriën. Bacteriën kunnen slijmopbouw in warmtewisselaars veroorzaken, waardoor warmteoverdracht afneemt en microbiologisch beïnvloede corrosie kan ontstaan. Planktonische larven van zeepokken, mosselen en oesters kunnen zich in alle delen van het koelwatersysteem hechten en dikke matten vormen in leidingen en andere delen van de installatie.
Ongecontroleerde kolonisatie door micro- of macrofouling-organismen kan de efficiëntie verminderen en uiteindelijk tot "trippen" van een installatie leiden. Tegelijkertijd neemt in de wereldeconomie de druk toe voor efficiëntie verhoging en om elektriciteitskosten te verlagen. Hoe langer fouling-organismen ongestoord aanwezig blijven nadat zij zich hebben gevestigd, hoe moeilijker en hoger de kosten worden voor schoonmaak.
Offshore, onshore en recirculerende systemen
In algemene zin zijn er drie typen koelwatersystemen: offshore systemen, onshore systemen en recirculerende koelwatersystemen met koeltorens. Een offshore inlaatsysteem bestaat uit een leiding die vanaf land onder de zeebodem doorloopt en op enige afstand uitkomt in relatief diep water. De openingen liggen meestal dicht bij de zeebodem om het aanzuigen van warmere oppervlaktelagen te vermijden. Soms worden ze voorzien van een betonnen kap, de zogeheten "velocity cap", om onttrekking uit de oppervlaktelaag te beperken. Zo’n voorziening kan ook de instroom van vis verminderen doordat verticale waterstromen worden weggenomen.
De koelwaterleiding voert het water terug naar de centrale en wordt doorgaans ontworpen voor een watersnelheid van 2 tot 3 m/s om sedimentatie zo veel mogelijk tegen te gaan. Een dalende schacht onder de inlaatopening leidt naar een vrijwel horizontale tunnel met een lichte stijging om luchtinsluiting te voorkomen. Aan landzijde komt de tunnel uit in een inlaat bassin dat open is naar de atmosfeer en waar het water opwelt. De stroming naar het bassin vindt plaats door zwaartekracht, waarna koelwaterpompen het water verder aanzuigen.
Onshore inlaten bevinden zich direct aan de kust waar diep water dicht bij de oever aanwezig is. Ook een gebaggerde geul, damwandkanaal of haven kan offshore water verbinden met een onshore inlaat. Vanaf de inlaat verzamelt het water zich doorgaans in een inlaatbassin. Grofvuil wordt afgevangen op grofroosters en fijner materiaal wordt verwijderd door draaiende band- of trommelzeven welke voortdurend worden afgespoeld. Het koelwater wordt naar hoofdcondensors en hulpwarmtewisselaars gepompt. Opgewarmd water, met een ΔT van 5 tot 10 ºC, stroomt dan onder vrij verval via grote leidingen naar het lozingsgebied.
Biofouling: microfouling en macrofouling
Microfouling
Alle rivier- en kustwateren in koelwatersystemen kunnen snelle vestiging en groei van organismen veroorzaken volgens een herkenbaar patroon. Eerst worden organische moleculen afgezet, kort daarop gevolgd door bacteriële hechting, vooral door bacteriën die slijm produceren als onderdeel van hun behuizing. Deze extracellulaire polymere substanties (xPS), verbeteren het leefmilieu voor verschillende bacteriepopulaties. Zij vormen geen strakke aaneengesloten laag maar juist paddenstoelachtige structuren met waterkanalen.
De xPS-lagen werken als beschermend schild tegen oxiderende biociden. Voedingsstoffen worden vastgehouden door de kleverige slijmlaag. Binnen deze bescherming kunnen bacteriën groeien en zich vermenigvuldigen. Een biofilm is een ecosysteem op zichzelf, met grazers zoals amoeben die zich voeden met bacteriën. Zodra er een biofilm is gevormd, wordt kolonisatie door andere organismen mogelijk. Welke soorten zich afzetten en in welke mate hangt af van geografische ligging, temperatuur, zoutgehalte en waterkwaliteit.
Formation sequence of bacterial growth into a biofilm (Internet)
Electron microscope picture of bacteria in a biofilm (Internet)
Macrofouling
Macrofouling wordt vaak gezien als kolonisatie van het inlaatsysteem van direct gekoelde centrales. Problemen door de blauwe mossel Mytilus edulis, Sabellaria-soorten, oesters en zeepokken zijn belangrijke voorbeelden. In niet-getijdegebonden wateren met laag zoutgehalte, zoals het Noordzeekanaal, komt de brakwatermossel Mytilopsis leucophaeata voor. In zoetwater is de zebramossel Dreissena polymorpha het equivalente probleem. In Noord-Amerika zijn ernstige problemen veroorzaakt door de Aziatische korfmossel Corbicula, die inmiddels ook in verschillende Europese riviersystemen is aangetroffen. De foto hieronder laat het aangroei proces zien in zeewater dat begint met vasthechting van zeepokken en daarna mosselen in een bekistingsnaad van een betonnen leiding bij een watersnelheid boven de 2 m/s. (foto KEMA).
Andere fouling-gerelateerde problemen
Fouling is niet beperkt tot micro- en macrofouling. Ten eerste is er materiaal dat vaak als trash wordt aangeduid. Voor de inlaatputten, vóór de roterende zeven, bevinden zich vuilroosters. Trash bestaat uit inert afval, zeewier, hydroiden, riet, plastic zakken en stukken hout. Roterende zeven verwijderen veel kleiner vrij drijvend materiaal en levend materiaal zoals ribkwallen, grote kwallen en vissen.
Historisch gezien is dosering van natriumhypochloriet aan het begin van een inlaatwatersysteem, wereldwijd, de meest gebruikte methode om biofouling te bestrijden en te beheersen. Een chloor besparende techniek (tot 50%) is de op KEMA ontwikkelde Pulse-Chlorination®. Bij deze doseertechniek wordt het gedrag (openen en sluiten van de schelpen) van tweekleppigen in een aan/uit-doseerregime gebruikt.
Getrokken grofrooster van een Franse centrale (foto EdF)
Ten tweede kunnen binnenlandse centrales met koeltorens te maken krijgen met scaling: chemische afzetting als laag aan de koelwaterzijde van warmtewisselaars. Dit lijkt op processen die samenhangen met biofilmvorming op dezelfde oppervlakken. De kwaliteit van suppletiewater, circulatiestromen en in- en uitlaattemperaturen van condensorwater hebben sterke invloed op scaling.
Koeltoren "packing" buitenzijde met scaling, biofilm en groei van algen. (Internet)
Ten derde kan slib worden afgezet uit suppletiewater met een hoge concentratie zwevende stoffen. Dit veroorzaakt problemen in zones met lage stroming, vooral in koeltorenvijvers, en kan biofilm doen toenemen doordat het in de xPS laag wordt vastgehouden. Hierdoor kunnen afzettingen in condensors en in koeltoren "packing" dikker worden dan bij bacteriële biofilm alleen.
Meer informatie kan op verzoek via het contactformulier worden verstrekt.