Exploitation des panaches des tours de refroidissement pour fournir de l'eau purifiée

Une nouvelle technologie dont le principe est étonnamment simple promet de réduire considérablement la consommation d'eau dans les systèmes de tours de refroidissement par évaporation en captant l'eau des panaches des tours de refroidissement.

Les tours de refroidissement des centrales électriques sont essentiellement des systèmes de rejet de chaleur qui utilisent des quantités importantes d'eau pour dissiper la chaleur de l'eau de recirculation. Dans les tours de refroidissement par voie humide, le processus consiste à évaporer une partie de l'eau en circulation, produisant un transfert de chaleur à la fois par la chaleur sensible de l'air et la chaleur latente d'évaporation.

Une préoccupation de longue date dans l'industrie de l'électricité concerne la quantité d'eau perdue par les tours de refroidissement. L'eau est principalement perdue par évaporation, ce qui implique une dissipation de vapeur dans l'air ambiant pendant le processus de rejet de chaleur. Mais cela se produit également pendant la purge, lorsque l'eau doit être retirée de la tour et remplacée pour éviter l'encrassement et la formation de tartre. Une partie de l'eau est également perdue en raison de la dérive, qui se produit lorsque de minuscules gouttelettes sont entraînées avec le flux d'air ou de vapeur sortant, bien que les pertes par dérive soient généralement minimes, représentant moins de 1 % de la consommation.

Les pertes d'eau peuvent être importantes. L'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) suggère que, quelle que soit l'efficacité de fonctionnement de la tour de refroidissement, environ 1,8 gallon d'eau s'évapore pour chaque tonne-heure de refroidissement. "Les centrales électriques traditionnelles refroidies par voie humide perdent 60 % à 90 % de leur eau entrante via l'évaporation ou la dérive des tours de refroidissement", a noté Dan Sampson, consultant technique principal chez HDR.

En plus d'être coûteuses, ces pertes ont d'autres effets secondaires. Étant donné que l'évaporation de l'eau nécessite un appoint continu à partir d'une source d'eau, les problèmes actuels et futurs de pénurie d'eau peuvent affecter directement la fiabilité et la viabilité de la centrale électrique. En 2017, deux doctorants du Massachusetts Institute of Technology (MIT), Maher Damak et Karim Khalil, et le professeur de génie mécanique du MIT, Kripa Varanasi, ont entrepris de s'attaquer à ce problème urgent en se concentrant sur les panaches des centrales électriques.

Lorsque la vapeur quitte une tour de refroidissement, elle peut, dans certaines conditions ambiantes (généralement lorsque l'air ambiant est froid ou humide), se condenser et former un panache de brouillard, ont observé les chercheurs. Les panaches ont longtemps posé une autre préoccupation pour l'industrie de l'énergie, ont noté les chercheurs. Ils peuvent être gênants et même dangereux.

"Les exigences réglementaires relatives à la sécurité (les panaches dérivants peuvent réduire la visibilité sur les routes et les aéroports) et à l'esthétique, obligent certaines tours de refroidissement à être équipées de systèmes de réduction des panaches, qui chauffent généralement la vapeur sortante et diminuent son taux d'humidité, soit par des échangeurs de chaleur, soit par soufflant de l'air chaud et sec et le mélangeant avec la vapeur sortante, empêchant ainsi la formation de gouttelettes de brouillard à la sortie de la tour », ont-ils déclaré.

Bien que ces systèmes de réduction puissent supprimer l'apparence d'un panache, une centrale électrique qui les utilise peut toujours consommer la même quantité d'eau et souffrir d'une efficacité énergétique nette globale réduite, en raison des besoins de chaleur supplémentaires redirigés vers les sorties de la tour de refroidissement. Et tandis que certains dispositifs ont été conçus pour collecter la vapeur sortant des tours de refroidissement pour la réutiliser dans le cycle, la plupart des méthodes reposent sur la sorption liquide ou solide, nécessitant une énergie importante ou des équipements coûteux.

1. Schéma montrant l'emplacement et l'utilisation de la solution adaptable d'Infinite Cooling. Avec l'aimable autorisation : Infinite Cooling / Laboratoire national des technologies de l'énergie (NETL)

Dans le cadre d'un projet soutenu par le MIT Varanasi Research Group, les chercheurs ont développé le Water Panel (Figure 1). Lorsque l'air riche en brouillard est zappé avec un faisceau d'ions, les gouttelettes d'eau dans le brouillard se chargent électriquement. Ces gouttelettes peuvent ensuite être attirées vers un maillage de fils (comme un écran de fenêtre), capturées et drainées dans un bac de collecte. La centrale électrique peut alors réutiliser cette eau "récoltée" ou l'envoyer au système d'approvisionnement en eau d'une ville.

Le système est essentiellement un processus de distillation qui pourrait permettre à une centrale électrique de 600 MW de capter jusqu'à 150 millions de gallons d'eau par an, ce qui représente environ 20 à 30 % de l'eau perdue par les tours de refroidissement, selon Infinite Cooling. Les résultats de la recherche et du développement suggèrent que l'eau capturée par le système mesure généralement moins de 50 microsiemens par centimètre, une mesure de la conductivité électrique qui mesure la contamination de l'eau. Cela se compare aux 3 000 microsiemens par centimètre que l'eau utilisée dans les systèmes de refroidissement des centrales électriques mesure généralement.

"Le système de récupération d'eau pourrait également servir de simple service de dessalement. L'installation du système de conversion coûterait environ un tiers de ce que coûterait la construction d'une nouvelle usine de dessalement - et ses coûts d'exploitation seraient d'environ 2 % par rapport à une usine de dessalement. n'ont pratiquement aucune empreinte », a déclaré la société.

Le concept est devenu un objectif central pour Infinite Cooling, une start-up fondée par Damak, Khalil et Varanasi en 2017. Damak est le PDG de la société naissante, Khalil en tant que directeur de la technologie et Varanasi en tant que président. En 2017, les chercheurs ont rejoint 20 autres équipes de la cohorte delta v du MIT, un accélérateur d'entreprises étudiantes qui offre un mentorat et une incubation aux étudiants entrepreneurs pour lancer leur entreprise. Le développement du concept s'est depuis considérablement accéléré, soutenu par l'intérêt de l'industrie et du milieu universitaire.

Infinite Cooling a ensuite remporté le grand prix du MIT $100K Entrepreneurship Challenge en 2018. Il a utilisé ce prix pour augmenter le financement du MIT Office of Sustainability afin de mettre en place des installations de test dans diverses configurations sur l'une des tours de refroidissement du MIT. Central Utility Plant alimenté au gaz naturel.

2. L'illustration montre une installation d'essai du système de récupération d'eau d'Infinite Cooling dans les installations de recherche du Laboratoire des réacteurs nucléaires du Massachusetts Institute of Technology. Le côté droit de la tour a le nouveau système installé, éliminant son panache de vapeur, tandis que le côté gauche non traité continue de produire un flux de vapeur constant. Courtoisie : refroidissement infini

Lorsque les tests à l'usine de cogénération ont montré que le système pouvait éliminer le panache et produire de l'eau de haute pureté, Infinite Cooling a été invité à effectuer d'autres tests dans le centre de recherche du Laboratoire des réacteurs nucléaires du MIT. Le réacteur de recherche, qui fonctionne 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 et produit des émissions de vapeur à plus haute température, a proposé un test en situation réelle dans un réacteur en fonctionnement réel autorisé par la Commission de réglementation nucléaire (Figure 2).

De manière essentielle, cela a permis à Infinite Cooling de tester la technologie à grande échelle et de valider la qualité de l'eau et les performances du système. "Après l'installation du système au-dessus de l'une des quatre tours de refroidissement de l'usine, les tests ont montré que l'eau collectée était plus de 100 fois plus propre que l'eau d'alimentation entrant dans le système de refroidissement", a déclaré le MIT. "Cela a également prouvé que l'installation - qui, contrairement à la version précédente, avait ses écrans à mailles montés verticalement, parallèlement au flux de vapeur - n'avait aucun effet sur le fonctionnement de l'usine."

Plus de reconnaissance et de récompenses compétitives ont rapidement suivi pour Infinite Cooling. Les récompenses incluent les MassChallenge Awards, le concours national Cleantech du Department of Energy (DOE) et le Rice Business Plan Competition. Pas plus tard qu'en avril 2022, il a remporté le prix d'or du concours Edison Best New Product 2022. Mais Infinite Cooling a également obtenu plusieurs subventions fédérales notables pour l'aider à accélérer son développement, notamment une subvention de 100 000 $ pour la recherche sur l'innovation dans les petites entreprises (SBIR) de l'EPA en 2019. Ce prix a récemment été porté à près d'un million de dollars dans le cadre d'un SBIR. Subvention Phase II.

Renforcé séparément par un prix de 1,5 million de dollars dans le cadre de l'examen croisé par les pairs de la gestion de l'eau du DOE, Infinite Cooling explore actuellement la formation et la collecte de panaches sur les tours de refroidissement à tirage mécanique (induit). Des tests sont en cours en partie dans un environnement contrôlé haute fidélité et en partie sur une tour de refroidissement industrielle grandeur nature. Ce projet, qui est soutenu par le National Energy Technology Laboratory (NETL), devrait se terminer en septembre 2022. Il implique l'utilisation d'un modèle de dynamique des fluides computationnelle (CFD) pour comprendre les caractéristiques du panache des centrales électriques et pour informer les électrodes de test et les collecteurs, qui composeront des panneaux modulaires que NETL installera sur sa tour de refroidissement. Des parties de la conception seront ensuite prototypées et testées sur la tour de refroidissement du laboratoire pour évaluer l'efficacité de la collecte. "Le résultat sera une conception prête à être déployée pour un collecteur d'eau à haut débit pour les panaches de tour de refroidissement sur une tour de refroidissement industrielle", a déclaré NETL.

Une fois la conception terminée, la fabrication des panneaux de collecte modulaires et de la structure commencera. Ensuite, dans le cadre d'un autre projet récemment financé par le DOE de 1,1 million de dollars qui se terminera en juillet 2024, l'équipe du projet construira un prototype à grande échelle sur la tour de refroidissement du Fox Energy Center du Wisconsin Public Service, un parc naturel à deux unités de 620 MW. centrale électrique à cycle combiné au gaz à Wrightstown, Wisconsin. Selon NETL, ce projet éclairera toutes les prochaines étapes potentielles de la maturation technologique, ouvrant la voie à la commercialisation.

"En cas de succès, la technologie développée pourrait entraîner d'importantes économies d'eau et améliorer la qualité de l'eau avec un coût énergétique minimal", a déclaré le laboratoire. "Les tours existantes peuvent être facilement modernisées avec la technologie, ce qui entraîne une réduction significative de la consommation d'eau dans les tours de refroidissement ainsi qu'une réduction de l'utilisation de produits chimiques pour le traitement de l'eau dans les centrales au charbon."

—Sonal Patel est rédacteur en chef adjoint de POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

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