I ricercatori dell'Università di Cincinnati affermano di aver trovato una soluzione a uno dei maggiori problemi ambientali dell'industria energetica:il consumo di acqua.

Le centrali elettriche negli Stati Uniti hanno bisogno ogni anno di tanta acqua quanta tutte le fattorie della nazione messe insieme:si stima che 133 miliardi di galloni al giorno, secondo i numeri federali. Ciò mette a dura prova le risorse idriche e ha un impatto ambientale dannoso.

Ma Raj Manglik e Milind Jog, professori di ingegneria meccanica presso il College of Engineering and Applied Science della UC, affermano di aver sviluppato un nuovo sistema di raffreddamento ad aria per centrali elettriche che non utilizza acqua ma è efficace quasi quanto i sistemi raffreddati ad acqua.

"A un certo punto questa sarà una crisi idrica, e sarà piuttosto presto, " Manglik ha detto. "Questa è stata la motivazione principale. Possiamo rendere il raffreddamento ad aria significativamente più praticabile in modo che le aziende lo adottino a prescindere?"??

Il progetto è stato finanziato da una sovvenzione di 3,4 milioni di dollari del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

La maggior parte delle centrali elettriche negli Stati Uniti sono costruite accanto a corpi idrici per soddisfare le esigenze dei loro sistemi di raffreddamento. Parte dell'acqua viene persa per evaporazione nelle torri di raffreddamento. In altri casi, l'acqua più calda viene reimmessa nei laghi, fiumi o baie, che può aumentare la temperatura ambiente, uccidendo pesci e altri organismi acquatici e creando fioriture di alghe tossiche. Gli scienziati chiamano questo "inquinamento termico".

"L'acqua intorno alle centrali elettriche può essere significativamente più calda rispetto al resto di un fiume o di un lago, " Manglik ha detto. "Questo ha un impatto negativo su pesci e piante e distrugge l'ecosistema".

I due ricercatori hanno utilizzato il loro background nel trasferimento di calore sperimentale, modellazione computazionale e fluidodinamica per progettare un condensatore raffreddato ad aria migliore per centrali elettriche. Come il radiatore di una macchina, il condensatore ha una rete di alette metalliche appositamente progettate dai ricercatori di UC per dissipare il calore nell'aria in circolo.

I ricercatori di UC hanno sviluppato alette metalliche avanzate con un design geometrico unico che altera favorevolmente il flusso d'aria su di esse. Ciò fornisce una convezione del calore di gran lunga migliore per il raffreddamento del vapore nel condensatore raffreddato ad aria.

"Il flusso d'aria viene interrotto con una maggiore miscelazione e un trasferimento di calore più efficiente rispetto alle alette tradizionali utilizzate su questi condensatori raffreddati ad aria, " ha detto Jog.

Manglik ha detto che non c'era un singolo "Eureka!" momento, ma piuttosto deliberati miglioramenti nel tempo.

"Utilizziamo una sperimentazione attentamente controllata abbinata a modelli computazionali, " Manglik ha detto. "La modellazione ci aiuta a capire la fisica. Gli esperimenti ci danno i risultati che possono essere utilizzati per ottimizzare il design".

Lo spargimento di più calore aumenta l'efficienza delle centrali elettriche, il che significa che possono produrre più elettricità. E poiché il sistema di raffreddamento è più efficace, non deve essere così grande e costoso da costruire, loro hanno detto. Test su scala di laboratorio hanno suggerito che il sistema dei ricercatori può ridurre la temperatura di raffreddamento dagli attuali 140 gradi fino a 115 gradi.

Gli studenti di dottorato della UC Kuan-Ting Lin e Dantong Shi hanno testato un piccolo prototipo in un laboratorio di ingegneria. Ora UC sta collaborando con Taneytown, Maryland, azienda EVAPCO su un prototipo su larga scala di test del design presso i laboratori dell'azienda.

Ma gli ingegneri di UC non si sono fermati alle alette del condensatore. Stanno anche lavorando a una soluzione a uno dei più grandi enigmi del settore energetico. In estate, la domanda di elettricità tipicamente raggiunge i picchi durante la parte più calda della giornata, quando i sistemi di raffreddamento di un impianto sono meno efficienti.

I professori Jog e Manglik stanno sviluppando un sistema migliore per preraffreddare l'aria in circolo utilizzando un dissipatore di calore che cattura le temperature più fresche di notte.

"La seconda parte che stiamo sviluppando è un preraffreddatore ad aria accoppiato con l'accumulo di energia termica, " Jog ha detto. "Così di notte, quando le temperature sono basse, il sistema "immagazzina" il freddo. E questo viene utilizzato durante le ore di punta per raffreddare l'aria prima che vada al condensatore".

I ricercatori di UC stanno anche lavorando con Babcock &Wilcox, a Lancaster, Ohio, che nel 2016 ha acquisito la società italiana SPIG specializzata in sistemi di raffreddamento per centrali elettriche.

Manglik ha affermato che le centrali elettriche raffreddate ad aria diventeranno sempre più preziose nelle parti aride del mondo di fronte alla crescente industrializzazione e al cambiamento climatico.

"C'è già carenza d'acqua, aggravato dal bisogno globale di energia, " Manglik ha detto. "Avremo bisogno di un numero sostanzialmente elevato di nuove centrali elettriche se il resto del mondo inizia a consumare energia al ritmo che facciamo negli Stati Uniti".

I ricercatori della UC hanno lavorato alla brevettazione delle loro idee da quando hanno presentato la loro proposta di finanziamento nel 2015. Manglik ha affermato che i risultati degli esperimenti su vasta scala dovranno essere convincenti.

"L'inerzia nei sistemi di ingegneria è sbalorditiva. Vai in una raffineria di petrolio o in un impianto petrolchimico, e alcune delle tecnologie utilizzate hanno 40 o 50 anni, " Manglik ha detto. "L'efficienza non è sempre una misura che conta".

I due ricercatori hanno collaborato a diversi progetti di ricerca presso la UC negli ultimi dieci anni.

"Il Dr. Jog ha talenti speciali nella fisica computazionale e nella modellazione, " Manglik ha detto. "A ciò aggiungo intuizioni sperimentali. Non mi dispiace sporcarmi le mani, letteralmente."

"Penso che la sinergia lo faccia funzionare, " ha detto Jog.