La produzione di elettricità è una delle industrie che utilizza più acqua nel paese ogni giorno. I ricercatori dei Sandia National Laboratories stanno aiutando la più grande centrale elettrica degli Stati Uniti a identificare le strategie più efficienti ed economiche per ridurre il consumo di acqua.

Hanno sviluppato un'analisi completa della dinamica del sistema unica nel suo genere che può mostrare alle centrali elettriche con sistemi di raffreddamento a umido come può far risparmiare loro denaro. L'analisi potrebbe eventualmente essere utilizzata in altri impianti mentre i regolatori federali iniziano a ridurre l'approvvigionamento idrico consentito all'industria energetica. I ricercatori hanno anche ridisegnato e brevettato un sistema di raffreddamento ad aria per rendere il raffreddamento senza acqua più efficiente dal punto di vista energetico e possibile in una gamma più ampia di condizioni operative.

La centrale nucleare di Palo Verde vicino a Phoenix converte il calore delle reazioni nucleari in elettricità. Il calore fa bollire l'acqua, creando vapore che aziona i generatori di turbine. Il vapore che esce da una turbina deve essere raffreddato e condensato prima di essere riutilizzato.

Più del 40% di tutta l'acqua utilizzata nel paese è per il raffreddamento a umido nelle centrali elettriche. Tipicamente, le grandi centrali termoelettriche sono ubicate in prossimità di laghi o fiumi in modo che gli operatori possano prelevare una quantità d'acqua regolata, farlo passare attraverso un condensatore per raffreddare il vapore in uscita dalle turbine, e scaricano all'incirca la stessa quantità che hanno prelevato.

Ma l'impianto di Palo Verde ha un accesso limitato all'acqua perché si trova nel mezzo di un deserto. La sua acqua di raffreddamento è acque reflue trattate, che sta diventando sempre più costoso man mano che emergono altri clienti, disposti a pagare prezzi più alti per l'acqua. Per frenare l'aumento dei costi, gli operatori vogliono ridurre il consumo di acqua dell'impianto di circa 9 milioni di galloni al giorno. Annualmente, quel risparmio è approssimativamente equivalente a una pozza d'acqua di 16 miglia quadrate profonda un piede, disse Bobby Middleton, un ingegnere nucleare a Sandia.

Altre centrali termoelettriche cercheranno in futuro approcci al risparmio idrico, come popolazioni in aumento, l'aumento del consumo energetico pro capite e le potenziali normative federali riducono le forniture di acqua di raffreddamento. L'analisi Sandia potrebbe essere utilizzata per risparmiare acqua anche in queste centrali elettriche, se funzionano a carbone, gas naturale o energia nucleare.

"Abbiamo colto al volo l'opportunità di affrontare questo problema per Palo Verde perché le soluzioni che funzionano per Palo Verde potrebbero funzionare anche per altri impianti, " ha detto Middleton.

Per ridurre il consumo di acqua dell'impianto, gli operatori di Palo Verde hanno prima esaminato le soluzioni disponibili in commercio. Quando si sono resi conto che nulla di disponibile poteva soddisfare le loro esigenze, si sono rivolti a Sandia Labs per aiutare a identificare quali sistemi di raffreddamento in fase di sviluppo potrebbero eventualmente offrire i maggiori risparmi di acqua.

Le acque reflue che arrivano a Palo Verde contengono silice, calcio, ioni magnesio e fosfato. Questi sali si concentrano quando l'acqua di raffreddamento evapora nel sistema di raffreddamento, possibilmente formando nuovi minerali che potrebbero intasare le torri di raffreddamento. Attualmente, gli operatori aggiungono calce, carbonato di sodio e acido nelle acque reflue prima che entrino nella torre di raffreddamento per ridurre la possibilità di formazione di minerali.

Il chimico di Middleton e Sandia, Patrick Brady, sta utilizzando il modello per identificare modi meno costosi per rimuovere gli ioni in diversi punti del ciclo di raffreddamento. Per esempio, i ricercatori Sandia stanno esaminando la fattibilità di desalinizzare l'acqua di raffreddamento scaricata in modo che possa essere riutilizzata. Altrimenti, l'acqua è troppo salata per essere riutilizzata e deve essere evaporata da grandi stagni.

I ricercatori hanno terminato la prima fase del progetto sviluppando il software di analisi. La fase successiva prevede l'utilizzo del software per identificare le tecnologie di risparmio idrico più promettenti, compresi approcci alternativi al trattamento delle acque, così come i refrigeratori a secco e ibridi che utilizzano anidride carbonica supercritica invece dei refrigeranti standard in uso nella tecnologia commerciale. La fase finale del progetto prevede di testare la tecnologia più promettente in un ambiente di laboratorio, nella speranza che una soluzione conveniente possa essere installata a Palo Verde nel 2026.

Raffreddamento efficiente senza acqua

Durante la valutazione delle tecnologie di raffreddamento efficaci, Anche i ricercatori di Sandia stanno lavorando per migliorare le soluzioni esistenti. All'inizio di quest'anno, Middleton e i suoi colleghi hanno ottenuto un brevetto per la riprogettazione di un refrigeratore d'aria per utilizzare l'anidride carbonica supercritica per trasferire il calore dal vapore all'aria. Questa modifica rende possibile il raffreddamento a secco indiretto in una gamma più ampia di condizioni, aumentando l'efficienza del sistema.

I sistemi di raffreddamento a umido come quelli di Palo Verde hanno condensatori pieni d'acqua per raffreddare il vapore che esce dalle turbine. I sistemi di raffreddamento a secco diretto trasferiscono il calore dal vapore direttamente all'aria; i sistemi di raffreddamento a secco indiretto trasferiscono il calore dal vapore all'acqua e poi dall'acqua all'aria. Gli attuali sistemi disponibili in commercio progettati per il retrofit di una centrale elettrica utilizzano tipicamente un refrigerante a ricircolo, invece dell'acqua, per aiutare a trasferire il calore all'aria.

In questi sistemi disponibili in commercio, il refrigerante liquido bolle mentre assorbe calore dal vapore e si condensa in un liquido mentre perde quel calore nell'aria. Questo passaggio da liquido a gas rilascia energia che fa circolare naturalmente il refrigerante attraverso uno scambiatore di calore.

Il nuovo design del dispositivo di raffreddamento indiretto utilizza anidride carbonica supercritica invece di un refrigerante. Ecco come funziona:al di sopra di una certa pressione e temperatura, l'anidride carbonica diventa un fluido supercritico. Ciò significa che la CO ₂ agisce come un liquido al di sotto della temperatura critica e come un gas al di sopra della temperatura critica. Però, in nessun punto il fluido è un fluido a due fasi; non bolle. Poiché un fluido può trasformarsi da liquido a gas senza bollire, un fluido supercritico può trasferire calore in un intervallo di temperatura più ampio rispetto a un fluido subcritico (come l'R134a utilizzato nelle tecnologie attuali).

I vantaggi in termini di prestazioni con questo design derivano dalla quantità di aria necessaria per rinfrescare l'anidride carbonica supercritica per un altro ciclo di raffreddamento. Uno scambiatore di calore con anidride carbonica supercritica utilizza meno aria per raffreddare l'acqua alla stessa temperatura di un dry cooler tradizionale con refrigerante subcritico; può anche raffreddare l'acqua utilizzando la stessa quantità di aria. Entrambi gli impatti migliorano l'efficienza energetica complessiva per il processo di raffreddamento.

"Le condizioni operative ampliate significano anche che ci sono più periodi dell'anno in cui gli impianti possono utilizzare il raffreddamento a secco, " ha detto Middleton.

I ricercatori hanno in programma di testare il design di Sandia rispetto allo stato dell'arte, tecnologia disponibile in commercio, e attualmente lo stanno analizzando come una potenziale soluzione per l'impianto di Palo Verde.

A causa della diminuzione della disponibilità di acqua, quella che un tempo era la risorsa più economica per le centrali termoelettriche sta rapidamente diventando uno degli aspetti più costosi della produzione di energia elettrica.

"Le tecnologie di risparmio idrico per la produzione di energia sono fondamentali per scienziati e ingegneri da considerare oggi, " ha detto Brady.

Sandia National Laboratories è un laboratorio multimissione gestito da National Technology and Engineering Solutions di Sandia LLC, una consociata interamente controllata da Honeywell International Inc., per la National Nuclear Security Administration del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Sandia Labs ha importanti responsabilità di ricerca e sviluppo nella deterrenza nucleare, sicurezza globale, difesa, tecnologie energetiche e competitività economica, con le principali strutture ad Albuquerque, Nuovo Messico, e Livermore, California.

Per valutare le diverse tecnologie emergenti, Middleton ha sviluppato un software che combina la fisica del processo di raffreddamento, come il flusso del fluido, trasferimento termico, evaporazione atmosferica e trattamento dell'acqua, con l'impatto finanziario di diverse soluzioni. Qualche volta, una certa tecnologia consente di risparmiare denaro all'impianto attraverso una maggiore efficienza; altri tempi, la riduzione dell'uso dell'acqua consente risparmi complessivi sui costi.

"Nessuno ha creato un'analisi della dinamica del sistema che considera simultaneamente tutti questi fattori prima, " ha detto. "Ci aiuta a prevedere i benefici che potremmo vedere da una particolare tecnologia in modo da dedicare tempo solo a testare gli approcci più promettenti".