Sul tetto dell'edificio dell'impianto di utilità centrale, in piedi davanti a una delle torri di raffreddamento, sono (da sinistra a destra):Seth Kinderman, Central Utility Plant Engineering Manager; Kripa Varanasi, professore associato di ingegneria meccanica; i neolaureati Karim Khalil e Maher Damak; e Patrick Karalekas, ingegnere impiantista, Centrale Utilità Centrale. Credito:Melanie Gonick/MIT
Un nuovo sistema ideato dagli ingegneri del MIT potrebbe fornire una fonte di acqua potabile a basso costo per le città riarse di tutto il mondo, riducendo anche i costi operativi delle centrali elettriche.
Circa il 39% di tutta l'acqua dolce prelevata dai fiumi, laghi, e serbatoi negli Stati Uniti è destinato alle esigenze di raffreddamento delle centrali elettriche che utilizzano combustibili fossili o energia nucleare, e gran parte di quell'acqua finisce per galleggiare via in nuvole di vapore. Ma il nuovo sistema del MIT potrebbe potenzialmente risparmiare una frazione sostanziale di quell'acqua persa e potrebbe persino diventare una fonte significativa di acqua pulita, acqua potabile sicura per le città costiere in cui l'acqua di mare viene utilizzata per raffreddare le centrali elettriche locali.
Il principio alla base del nuovo concetto è ingannevolmente semplice:quando l'aria ricca di nebbia viene colpita da un raggio di particelle caricate elettricamente, conosciuti come ioni, le gocce d'acqua si caricano elettricamente e quindi possono essere attirate verso una rete di fili, simile allo schermo di una finestra, posti sul loro cammino. Le goccioline poi si raccolgono su quella maglia, scolare in una bacinella di raccolta, e può essere riutilizzato nella centrale elettrica o inviato al sistema di approvvigionamento idrico di una città.
Il sistema, che è la base per una startup chiamata Infinite Cooling che il mese scorso ha vinto il concorso per l'imprenditorialità da $ 100.000 del MIT, è descritto in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Progressi scientifici , co-autore di Maher Damak Ph.D. '17 e professore associato di ingegneria meccanica Kripa Varanasi. Damak e Varanasi sono tra i co-fondatori della startup.
La visione di Varanasi era quella di sviluppare sistemi di recupero dell'acqua altamente efficienti catturando le gocce d'acqua sia dalla nebbia naturale che dai pennacchi delle torri di raffreddamento industriali. Il progetto è iniziato come parte della tesi di dottorato di Damak, che mirava a migliorare l'efficienza dei sistemi di raccolta della nebbia che vengono utilizzati in molte regioni costiere con scarsità d'acqua come fonte di acqua potabile. Quei sistemi, che generalmente sono costituiti da una sorta di rete di plastica o di metallo appesa verticalmente nel percorso di banchi di nebbia che arrivano regolarmente dal mare, sono estremamente inefficienti, catturando solo dall'1 al 3% circa delle gocce d'acqua che le attraversano. Varanasi e Damak si sono chiesti se ci fosse un modo per fare in modo che la rete catturi più goccioline e hanno trovato un modo molto semplice ed efficace per farlo.
La ragione dell'inefficienza dei sistemi esistenti è diventata evidente negli esperimenti di laboratorio dettagliati del team:il problema è nell'aerodinamica del sistema. Come un flusso d'aria passa un ostacolo, come i fili in questi schermi a rete cattura nebbia, il flusso d'aria devia naturalmente intorno all'ostacolo, proprio come l'aria che scorre intorno all'ala di un aeroplano si separa in flussi che passano sopra e sotto la struttura dell'ala. Questi flussi d'aria devianti trasportano goccioline che si dirigevano verso il filo da un lato, a meno che non fossero diretti verso il centro del filo.
Il risultato è che la frazione di goccioline catturate è di gran lunga inferiore alla frazione dell'area di raccolta occupata dai fili, perché le goccioline vengono spazzate via dai fili che si trovano di fronte a loro. Ingrandire i fili o ridurre gli spazi nella rete tende a essere controproducente perché ostacola il flusso d'aria complessivo, con conseguente diminuzione netta della raccolta.
Ma quando la nebbia in arrivo viene prima fulminata con un raggio ionico, avviene l'effetto opposto. Non solo tutte le goccioline che si trovano sul percorso dei fili cadono su di loro, anche le goccioline che miravano ai fori nella rete vengono tirate verso i fili. Questo sistema può quindi catturare una frazione molto più grande delle goccioline che lo attraversano. Come tale, potrebbe migliorare notevolmente l'efficienza dei sistemi di cattura della nebbia, e ad un costo sorprendentemente basso. L'attrezzatura è semplice, e la quantità di energia richiesta è minima.
Prossimo, il team si è concentrato sulla cattura dell'acqua dai pennacchi delle torri di raffreddamento delle centrali elettriche. Là, il flusso di vapore acqueo è molto più concentrato di qualsiasi nebbia naturale, e questo rende il sistema ancora più efficiente. E poiché catturare l'acqua evaporata è di per sé un processo di distillazione, l'acqua catturata è pura, anche se l'acqua di raffreddamento è salata o contaminata. A questo punto, Karim Khalil, un altro studente laureato del laboratorio di Varanasi si è unito al team.
"È acqua distillata, che è di qualità superiore, che ora è solo sprecato, " dice Varanasi. "Questo è quello che stiamo cercando di catturare." L'acqua potrebbe essere convogliata al sistema di acqua potabile di una città, o utilizzati in processi che richiedono acqua pura, come nelle caldaie di una centrale elettrica, invece di essere utilizzato nel suo sistema di raffreddamento dove la qualità dell'acqua non ha molta importanza.
Una tipica centrale elettrica da 600 megawatt, Varanasi dice, potrebbe catturare 150 milioni di galloni d'acqua all'anno, che rappresenta un valore di milioni di dollari. Ciò rappresenta circa il 20-30% dell'acqua persa dalle torri di raffreddamento. Con ulteriori affinamenti, il sistema potrebbe essere in grado di acquisire anche una parte maggiore dell'output, lui dice.
Cosa c'è di più, poiché le centrali elettriche sono già presenti lungo molte coste aride, e molti di loro sono raffreddati con acqua di mare, questo fornisce un modo molto semplice per fornire servizi di desalinizzazione dell'acqua a una piccola frazione del costo di costruzione di un impianto di desalinizzazione autonomo. Damak e Varanasi stimano che il costo di installazione di una tale conversione sarebbe di circa un terzo rispetto alla costruzione di un nuovo impianto di dissalazione, e i suoi costi operativi sarebbero di circa 1/50. Il tempo di ammortamento per l'installazione di un tale sistema sarebbe di circa due anni, Varanasi dice, e non avrebbe essenzialmente alcuna impronta ambientale, aggiungendo nulla a quello della pianta originaria.
"Questa può essere un'ottima soluzione per affrontare la crisi idrica globale, " Dice Varanasi. "Potrebbe compensare la necessità di circa il 70 per cento di nuove installazioni di impianti di desalinizzazione nel prossimo decennio".
In una serie di drammatici esperimenti di proof-of-concept, Damak, Khalil, e Varanasi hanno dimostrato il concetto costruendo una piccola versione da laboratorio di una pila che emette un pennacchio di goccioline d'acqua, simili a quelli visti sulle vere torri di raffreddamento delle centrali elettriche, e hanno posizionato il loro fascio ionico e lo schermo a maglie su di esso. Nel video dell'esperimento, si vede uno spesso pennacchio di goccioline di nebbia che si alza dal dispositivo e scompare quasi istantaneamente non appena il sistema viene acceso.
Il team sta attualmente costruendo una versione di prova su larga scala del proprio sistema da posizionare sulla torre di raffreddamento del Central Utility Plant del MIT, una centrale di cogenerazione a gas naturale che fornisce la maggior parte dell'elettricità del campus, il riscaldamento, e raffreddamento. La configurazione dovrebbe essere operativa entro la fine dell'estate e sarà sottoposta a test in autunno. Le prove includeranno provare diverse varianti della rete e della sua struttura portante, dice Damak.
Ciò dovrebbe fornire le prove necessarie per consentire ai gestori delle centrali elettriche, che tendono ad essere conservatori nelle loro scelte tecnologiche, adottare il sistema. Poiché le centrali elettriche hanno una durata di vita di decenni, i loro operatori tendono ad "essere molto avversi al rischio" e vogliono sapere "è stato fatto da qualche altra parte?" dice Varanasi. I test della centrale elettrica del campus non solo "rischiano" la tecnologia, ma aiuterà anche il campus del MIT a migliorare la sua impronta idrica, lui dice. "Questo può avere un forte impatto sull'uso dell'acqua nel campus".
