Aprovechamiento de las columnas de la torre de enfriamiento para proporcionar agua purificada

Una tecnología novedosa que es sorprendentemente simple en principio promete reducir significativamente el consumo de agua en los sistemas de torres de enfriamiento por evaporación mediante la captura de agua de las columnas de la torre de enfriamiento.

Las torres de enfriamiento en las plantas de energía son esencialmente sistemas de rechazo de calor que usan cantidades significativas de agua para disipar el calor del agua recirculante. En las torres de refrigeración húmedas, el proceso implica la evaporación de una parte del agua en circulación, lo que produce transferencia de calor a través del calor sensible del aire y el calor latente de evaporación.

Una preocupación de larga data en la industria de la energía tiene que ver con la cantidad de agua que se pierde en las torres de enfriamiento. El agua se pierde principalmente por evaporación, lo que implica la disipación de vapor en el aire ambiente durante el proceso de rechazo de calor. Pero también ocurre durante la purga, cuando el agua debe retirarse de la torre y reemplazarse para evitar la formación de incrustaciones e incrustaciones. También se pierde algo de agua debido a la deriva, que ocurre cuando pequeñas gotas son arrastradas por el flujo de aire o vapor que sale, aunque las pérdidas por deriva suelen ser mínimas y comprenden menos del 1% del consumo.

Las pérdidas de agua pueden ser sustanciales. La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) sugiere que, independientemente de la eficiencia operativa de la torre de enfriamiento, se evaporan alrededor de 1,8 galones de agua por cada tonelada-hora de enfriamiento. "Las centrales eléctricas tradicionales de refrigeración húmeda pierden del 60 % al 90 % del agua entrante a través de la evaporación o deriva de la torre de refrigeración", señaló Dan Sampson, consultor técnico principal de HDR.

Además de ser costosas, estas pérdidas tienen otros efectos secundarios. Debido a que la evaporación del agua requiere una reposición continua de una fuente de agua, las preocupaciones actuales y futuras sobre la escasez de agua pueden afectar directamente la confiabilidad y viabilidad de la planta de energía. En 2017, dos estudiantes de doctorado del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Maher Damak y Karim Khalil, y el profesor de Ingeniería Mecánica del MIT, Kripa Varanasi, se propusieron abordar este problema apremiante con un enfoque concertado en las columnas de las centrales eléctricas.

Cuando el vapor sale de una torre de enfriamiento, puede, bajo ciertas condiciones ambientales (generalmente cuando el aire ambiental es frío o húmedo), condensarse y formar una columna de niebla, observaron los investigadores. Los penachos han planteado durante mucho tiempo otra preocupación para la industria energética, anotaron los investigadores. Pueden ser una molestia e incluso peligrosos.

"Los requisitos reglamentarios relacionados con la seguridad (los penachos a la deriva pueden reducir la visibilidad en carreteras y aeropuertos) y la estética obligan a algunas torres de refrigeración a equiparse con sistemas de reducción de penachos, que generalmente calientan el vapor que sale y reducen su contenido de humedad, ya sea mediante intercambiadores de calor o mediante soplando aire caliente y seco y mezclándolo con el vapor que sale, evitando así la formación de gotas de niebla en la salida de la torre", dijeron.

Si bien estos sistemas de reducción pueden eliminar la apariencia de un penacho, una planta de energía que los usa aún puede consumir la misma cantidad de agua y sufrir una menor eficiencia energética neta general, debido a los requisitos adicionales de calor redirigido a las salidas de la torre de enfriamiento. Y aunque algunos dispositivos han sido diseñados para recolectar el vapor que sale de las torres de enfriamiento para su reutilización en el ciclo, la mayoría de los métodos se basan en la sorción de líquidos o sólidos, lo que requiere una energía significativa o un equipo costoso.

1. Esquema que demuestra la ubicación y el uso de la solución reconvertible de Infinite Cooling. Cortesía: Infinite Cooling / Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (NETL)

Bajo un proyecto promovido por el MIT Varanasi Research Group, los investigadores desarrollaron el Water Panel (Figura 1). Cuando el aire rico en niebla se elimina con un haz de iones, las gotas de agua en la niebla se cargan eléctricamente. Estas gotitas pueden luego ser atraídas hacia una malla de alambres (como una pantalla de ventana), capturadas y drenadas en una bandeja de recolección. Luego, la planta de energía puede reutilizar esa agua "recolectada" o enviarla al sistema de suministro de agua de una ciudad.

El sistema es esencialmente un proceso de destilación que podría permitir que una planta de energía de 600 MW capture hasta 150 millones de galones de agua al año, lo que representa alrededor del 20% al 30% del agua perdida de las torres de enfriamiento, dice Infinite Cooling. Los resultados de la investigación y el desarrollo sugieren que el agua capturada por el sistema suele medir menos de 50 microsiemens por centímetro, una medida de conductividad eléctrica que mide la contaminación del agua. Eso se compara con los 3.000 microsiemens por centímetro que suele medir el agua utilizada en los sistemas de refrigeración de las centrales eléctricas.

"El sistema de recuperación de agua también podría servir como un servicio de desalinización simple. La instalación del sistema de conversión costaría alrededor de un tercio de lo que cuesta construir una nueva planta de desalinización, y sus costos operativos serían de alrededor del 2 % en comparación con una planta de desalinización. prácticamente no tienen huella", dijo la compañía.

El concepto se convirtió en un enfoque central para Infinite Cooling, una empresa nueva que Damak, Khalil y Varanasi fundaron en 2017. Damak se desempeña como director ejecutivo de la empresa naciente, Khalil como director de tecnología y Varanasi como presidente. En 2017, los investigadores se unieron a otros 20 equipos en la cohorte delta v del MIT, un acelerador de empresas estudiantiles que brinda tutoría e incubación para que los estudiantes emprendedores inicien sus negocios. Desde entonces, el desarrollo del concepto se ha acelerado dramáticamente, gracias al interés de la industria y la academia.

Infinite Cooling se convirtió en el ganador del gran premio en el MIT $100K Entrepreneurship Challenge en 2018. Usó ese dinero del premio para aumentar los fondos de la Oficina de Sustentabilidad del MIT para establecer instalaciones de prueba en varias configuraciones en una de las torres de enfriamiento del MIT. Planta Central de Servicios que funciona con gas natural.

2. Aquí se muestra una instalación de prueba del sistema de recuperación de agua de Infinite Cooling en las instalaciones de investigación del Laboratorio de Reactores Nucleares del Instituto Tecnológico de Massachusetts. El lado derecho de la torre tiene instalado el nuevo sistema, eliminando su penacho de vapor, mientras que el lado izquierdo sin tratar continúa produciendo una corriente de vapor constante. Cortesía: Infinite Cooling

Cuando las pruebas en la planta de cogeneración mostraron que el sistema podía eliminar el penacho y producir agua de alta pureza, se invitó a Infinite Cooling a realizar más pruebas en las instalaciones de investigación del Laboratorio de Reactores Nucleares del MIT. El reactor de investigación, que opera las 24 horas del día, los 7 días de la semana y produce emisiones de vapor a mayor temperatura, ofreció una prueba del mundo real en un reactor en funcionamiento real autorizado por la Comisión Reguladora Nuclear (Figura 2).

De manera fundamental, permitió a Infinite Cooling probar la tecnología a escala y validar la calidad del agua y el rendimiento del sistema. "Después de que el sistema se instaló sobre una de las cuatro torres de enfriamiento de la planta, las pruebas mostraron que el agua recolectada era más de 100 veces más limpia que el agua de alimentación que ingresa al sistema de enfriamiento", dijo el MIT. "También demostró que la instalación, que, a diferencia de la versión anterior, tenía sus pantallas de malla montadas verticalmente, paralelas a la corriente de vapor, no tuvo ningún efecto en el funcionamiento de la planta".

Más reconocimiento y premios competitivos siguieron rápidamente para Infinite Cooling. Los galardones incluyen los Premios MassChallenge, la competencia nacional de Tecnología Limpia del Departamento de Energía (DOE) y la Competencia del Plan Comercial del Arroz. Recientemente, en abril de 2022, obtuvo el premio de oro en la competencia Edison Best New Product de 2022. Pero Infinite Cooling también obtuvo varias subvenciones federales notables para ayudarlo a impulsar su desarrollo, incluida una subvención de $ 100,000 Phase I Small Business Innovation Research (SBIR) de la EPA en 2019. Ese premio se incrementó recientemente a casi $ 1 millón como parte de un SBIR Subvención de la fase II.

Reforzado por separado con un premio de $1.5 millones bajo la Revisión de pares transversales de gestión del agua del DOE, Infinite Cooling actualmente está explorando la formación y recolección de penachos en torres de enfriamiento de tiro mecánico (inducido). Las pruebas están en curso en parte en un entorno controlado de alta fidelidad y en parte en una torre de enfriamiento industrial a gran escala. Ese proyecto, que cuenta con el apoyo del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (NETL), está programado para concluir en septiembre de 2022. Implica el uso de un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) para comprender las características de la pluma de la planta de energía y para informar electrodos de prueba y colectores, que conformarán paneles modulares que NETL instalará en su torre de enfriamiento. A continuación, se crearán prototipos de partes del diseño y se probarán en la torre de enfriamiento del laboratorio para evaluar la eficiencia de recolección. "El resultado será un diseño listo para implementar para un colector de agua de alto rendimiento para columnas de torre de enfriamiento en una torre de enfriamiento industrial", dijo NETL.

Una vez que el diseño esté completo, comenzará la fabricación de los paneles y la estructura de la colección modular. Luego, bajo otro proyecto financiado por el DOE de $1.1 millones recientemente adjudicado que concluirá en julio de 2024, el equipo del proyecto construirá un prototipo a gran escala en la torre de enfriamiento en el Fox Energy Center de Wisconsin Public Service, un sistema natural de dos unidades de 620 MW. central eléctrica de ciclo combinado a gas en Wrightstown, Wisconsin. Según NETL, ese proyecto informará cualquier posible próximo paso para la maduración de la tecnología, allanando el camino hacia la comercialización.

"Si tiene éxito, la tecnología que se desarrolle podría generar ahorros significativos de agua y mejorar la calidad del agua con un costo mínimo de energía", dijo el laboratorio. "Las torres existentes se pueden adaptar fácilmente con la tecnología, lo que lleva a una reducción significativa en el uso de agua en las torres de refrigeración, así como a una reducción en el uso de productos químicos para el tratamiento del agua en las plantas de carbón".

—Sonal Patel es editor asociado sénior de POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

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