L'eau de refroidissement des centrales thermiques est un apport qui permet aux centrales électriques thermiques de clore le circuit de transfert de la chaleur qu'elles exploitent. Cette eau industrielle représente la source froide du cycle thermodynamique de leurs circuits primaire et éventuellement secondaire.

Certains systèmes de refroidissement prélèvent l'eau d'un lac, d'un cours d'eau, d'un aquifère ou d'un océan et en renvoient la quasi-totalité à la source, à une température plus élevée. De tels systèmes de refroidissement à circuit ouvert (ou passage unique) ont des prélèvements élevés et une consommation faible, mais génèrent une pollution thermique du fait de l'augmentation de température de quelques degrés entre la prise d’eau et l’eau restituée.

D’autres centrales utilisent des systèmes de refroidissement à circuit fermé (ou recirculation, ou boucle fermée), qui demandent des prélèvements beaucoup plus faibles que ceux des centrales à circuit ouvert, mais leur consommation d'eau est plus élevée du fait de l'évaporation de l'eau dans les tours de refroidissement.

Les prélèvements destinés au refroidissement, représentent : en France près de 60 % des prélèvements totaux en eau douce du pays (OCDE 2012.), aux États-Unis près de 40 %, en Belgique 57 %, en Allemagne 65,3 % et au Royaume-Uni 21,2 %. La production d'énergie primaire et la production d'électricité représentent environ 10 % du total des prélèvements d'eau mondiaux et environ 3 % de la consommation totale d'eau IEA Water Energy Nexus, Excerpt from the World Energy Outlook 2016 , Agence internationale de l'énergie.. La consommation d'eau de certaines centrales thermiques (celles fonctionnant en circuit fermé avec aéroréfrigérant) devient un problème important dans les régions où l'eau est limitée et où la concurrence entre utilisateurs est élevée. La disponibilité de l'eau et l'élévation de température de l'eau de refroidissement sont des facteurs à prendre en compte pour assurer la sécurité énergétique et la sécurité en eau dans les décennies à venir Michelle T. H. van Vliet, David Wiberg, Sylvain Leduc & Keywan Riahi. Power-generation system vulnerability and adaptation to changes in climate and water resources, Nature Climate Change, 2016, volume 6, pages 375–380..

vignette|Centrale thermique de Bełchatów, la plus grande d'Europe, en Pologne. thumb|Centrale nucléaire de Belleville sur les rives de la Loire.

Présentation L'eau employée dans une centrale électrique provient d'un fleuve ou de la mer sur le bord desquels les centrales à flamme ou nucléaires sont construites pour leur refroidissement. Elles sont reconnaissables au panache de vapeur blanc s’échappant des tours aéroréfrigérantes, le cas échéant. Le refroidissement est, de loin, la plus grande utilisation de l’eau par les centrales électriques, qui permet de refroidir le flux sortant de leurs turbines.

Une centrale de vapeur implique différents circuits d'eaux, qui doivent subir différents traitements en amont et en aval. Les eaux extérieures de refroidissement doivent être filtrées et traitées chimiquement pour éviter diverses nuisances qui tiennent à l'encrassement biologique, l'entartrage, la corrosion et des micro-organismes pathogènes qui se développent dans les aux eaux chaudes (légionelles et amibes) ; les eaux du circuit de vapeur sont traitées chimiquement contre entartrage, corrosion et micro-organismes pathogènes. Ces traitements chimiques se retrouvent dans la rivière et les rejets de ce type sont encadrés réglementairementChemical discharges from nuclear power stations: historical releases and implications for Best Available Techniques Report – SC090012/R1 Environment Agency. sur assets.publishing.service.gov.uk.

Les eaux employées dans les centrales nucléaires et à combustibles fossiles sont pour la plupart identiques. La plus grande distinction entre centrale à flamme et nucléaire tient aux eaux en contact avec le combustible nucléaire. Dans la terminologie des eaux du secteur nucléaire, cette eau est qualifiée d'eau légère dans un réacteur à eau légère - une eau très pure servant de fluide caloporteur et de modérateur - et d'eau lourde, dans un réacteur à eau lourde pressurisée. L’eau (légère) employée dans un réacteur à eau pressurisée (REP) est additionnée d'acide borique qui vise à renforcer le rôle modérateur de l'eau. Cette eau au moment de son délestage du secteur primaire est considérée comme déchet radioactif et les rejets éventuels dans les eaux de la rivière sont strictement encadrés.

Prélèvement et consommation d'eau de refroidissement par type de refroidissement L’utilisation de l'eau dans les centrales thermiques a deux composantes : le prélèvement et la consommation. Le prélèvement d'eau est le fait de retirer l'eau d'une source d'eau locale. L'eau prélevée peut être renvoyée à la source ou non, ou mise à disposition pour être utilisée ailleurs. La consommation d'eau correspond à la quantité d'eau perdue lors de l'évaporation pendant le processus de refroidissement.

Les centrales électriques à circuit ouvert utilisent des systèmes de refroidissement qui prélèvent l'eau d'un lac, d'un cours d'eau, d'un aquifère ou d'un océan et, après évaporation d'une partie de cette eau, la renvoient à la source, à des températures plus élevées de quelques degrés. De tels systèmes, dits de « refroidissement à passage unique » (« »), ont des prélèvements élevés mais une consommation relativement faible. Au contraire, les centrales utilisant les systèmes à recirculation ( ou ) retirent nettement moins d'eau, mais en consomment la plupart ou la totalité. Ainsi, une centrale de à circuit ouvert prélève , tandis que suffisent à une centrale à circuit fermé..

Les prélèvements et consommation d'eau par kilowattheure de production nette d'électricité montrent une très grande variabilité entre les différentes centrales utilisant le même type de systèmes de refroidissement. La consommation d'eau est par exemple plus élevée lors de pics d'utilisation lorsque la centrale fonctionne à faible niveau d'utilisation de ses capacités B. Dziegielewski et T.Bik, Water Use Benchmarks for Thermoelectric Power Generation (Research Report of the Department of Geography and Environmental Resources) (Carbondale, IL: Southern Illinois University), 2006.. La consommation peut aussi être tributaire du climat, de la saison et d'autres facteurs comme l'âge de la centrale, son efficacité thermique, l'âge du système de refroidissement et la source d'eau J Macknick, R Newmark, G Heath and K C Hallett. Operational water consumption and withdrawal factors for electricity generating technologies: a review of existing literature. Environmental Research Letters, vol. 7, n° 4, 2012 (lire en ligne)..

en circuit ouvert, ou système à passage unique () : l’eau du circuit de refroidissement, directement prélevée dans la mer ou dans un fleuve à grand débit, se réchauffe en traversant le condenseur puis est renvoyée dans la rivière ou la mer; dans ce cas de figure, les prélèvements sont d'environ /s pour les réacteurs nucléaires de , et l'eau est intégralement restituée à la source; EPRI renseigne des prélèvements de pour les centrales nucléaires, pour les centrales à combustible fossile Electric Power Research Institute. Water Use for Electric Power Generation. Final Report, February 2008. Lire en ligne . ; en circuit fermé () : l’eau du circuit de refroidissement – prélevée d'un fleuve à débit plus faible ou d'une rivière –, qui s’est réchauffée dans le condenseur, est refroidie par un courant d’air dans une tour de refroidissement, appelée tour aéroréfrigérante ; une partie de l’eau s’évapore dans l’atmosphère (panache de vapeur d’eau) ; l’autre partie retourne au condenseur, un appoint d’eau d’environ pour une tranche nucléaire de , est réalisé pour compenser l’eau évaporée et le débit de purge ()Les besoins en eau de refroidissement des centrales thermiques de production d’électricité , EDF, 17 octobre 2007, sur physagreg.fr, pages 8 et 11. ; EPRI renseigne des prélèvements de pour les centrales nucléaires, pour les centrales à combustible fossile ; condenseur à air () : un autre type de système de condensation est le condenseur à air, qui n'emploie pas d'eau ; hybride () : EPRI renseigne des prélèvements de pour les centrales à combustible fossile ; prélèvement à l’arrêt : l'eau du circuit primaire (centrales thermiques à flammes) ou secondaire (centrale nucléaire) doit être renouvelée en quantités bien moindres. À l’arrêt, il faut environ d’eau par heure pour refroidir le cœur d'un réacteur nucléaireAudrey Garric, La sécheresse menace le bon fonctionnement des centrales nucléaires, 16 mai 2011, sur ecologie.blog.lemonde.fr, Le Monde..

La réduction des prélèvements proposée par les systèmes à recirculation, mais une augmentation correspondante de la consommation, peut être bénéfique pour un bassin hydrographique, mais peut susciter des inquiétudes dans une zone qui manque déjà d’eau.

Quelques chiffres mettent en évidence les prélèvements et la consommation d'eau de certaines centrales. Les centrales nucléaires ou au charbon peuvent prélever (20 à ) d’eau pour chaque kilowattheure d’électricité qu’elles produisent, en fonction de la façon dont elles sont refroidies. En France, la localisation géographique des plus gros prélèvements d’eau douce s’explique par la présence de réacteurs nucléaires dotés de circuits de refroidissement ouverts : par ordre décroissant, Tricastin (Isère – Drôme), Saint-Alban (Rhône moyen), Bugey (Haut Rhône), toutes trois situées sur le Rhône, suivies de Fessenheim (Rhin supérieur), respectivement , , , de m prélevés annuellementVolume des prélèvements en eau pour le refroidissement des usines de production d’énergie, en 2006 sur statistiques.developpement-durable.gouv.frMinistère de l’environnement, de l’énergie et de la mer, chargé des relations internationales sur le climat. Les prélèvements d’eau douce en France: les grands usages en 2013 et leur évolution depuis . Ces réacteurs constituent 70 % des prélèvements d’eau douce des centrales électriques en France. Près de 90 % de l’eau prélevée est toutefois restituée au milieu naturel à proximité du lieu de prélèvement.

Les systèmes de refroidissement humide classiques à passage unique ou à recirculation peuvent être à tirage naturel (en anglais ) ou à tirage induit (en anglais ) et à courant croisé (en anglais ) ou à contre-courant (en anglais ). Ils utilisent soit des ou des . Les systèmes de refroidissement à sec sont par contre indirects ou directs Power Plant Cooling Systems: The Unsung Heroes, power-eng.com, 5 janvier 2001 (consulté le 19 mai 2019)..

Tour de refroidissement

Dans les systèmes en boucle fermée avec tours de refroidissement, de grandes quantités d'eau sont recyclées dans le système de refroidissement. Les principales préoccupations sont l'évaporation de l'eau dans ces tours et l'entartrage du système par concentration des matières présentes dans l'eau.

Il existe plusieurs façons de concevoir la tour de refroidissement par voie humide. Avec les tours à tirage mécanique, l'air est aspiré à travers la tour par de grands ventilateurs. Les tours à tirage naturel sont de grandes structures hyperboliques qui aspirent l'air à travers la tour par un effet de cheminée présentent l'avantage de réduire les coûts d'exploitation et de maintenance. Leur utilisation aux États-Unis a été limité aux très grandes unités de charbon et nucléaires.

Environ 2 % de l’eau de refroidissement est perdue du fait de l’évaporation dans une tour aéroréfrigérante de type cellule à tirage mécanique, ce qui nécessite des ajouts continus d ’eau d'appoint. Cette évaporation entraîne l'accumulation de solides dans l’eau de circulation, une partie de l’eau est évacuée sous forme de « purge » afin de limiter la concentration de ces solides et empêcher l’entartrage et la corrosion qui pourraient gêner les transferts de chaleur.