Elektriciteitsproductie is een van de industrieën die dagelijks het meeste water in het land gebruikt. Onderzoekers van Sandia National Laboratories helpen de grootste energiecentrale in de Verenigde Staten bij het identificeren van de meest efficiënte en kosteneffectieve strategieën om het waterverbruik te verminderen.

Ze ontwikkelden een eerste in zijn soort uitgebreide systeemdynamica-analyse die energiecentrales met natte koelsystemen kan laten zien hoe ze geld kunnen besparen. De analyse zou uiteindelijk in andere fabrieken kunnen worden gebruikt, aangezien federale regelgevers de toegestane watervoorziening van de energiesector beginnen te verminderen. De onderzoekers hebben ook een luchtkoelsysteem opnieuw ontworpen en gepatenteerd om waterloze koeling energiezuiniger en mogelijk te maken voor een breder scala aan bedrijfsomstandigheden.

Het Palo Verde Nuclear Generating Station in de buurt van Phoenix zet warmte van kernreacties om in elektriciteit. De hitte kookt water, het creëren van stoom die turbinegeneratoren aandrijft. Stoom die een turbine verlaat, moet worden gekoeld en gecondenseerd voordat deze opnieuw wordt gebruikt.

Meer dan 40% van al het water dat in het land wordt gebruikt, is voor natte koeling in elektriciteitscentrales. Typisch, grote thermo-elektrische centrales bevinden zich in de buurt van meren of rivieren, zodat operators een gereguleerde hoeveelheid water kunnen putten, laat het door een condensor lopen om stoom af te koelen die de turbines verlaat, en kwijten ongeveer hetzelfde bedrag dat ze hebben opgenomen.

Maar de Palo Verde-plant heeft beperkte toegang tot water omdat hij midden in een woestijn staat. Het koelwater is gezuiverd afvalwater, die steeds duurder wordt naarmate andere klanten - die bereid zijn hogere prijzen voor water te betalen - opkomen. Om stijgende kosten te beteugelen, operators willen het waterverbruik van de fabriek met ongeveer 9 miljoen gallons per dag verminderen. Jaarlijks, die besparing is ongeveer gelijk aan een plas water van 16 vierkante mijl van een voet diep, zei Bobby Middleton, een nucleair ingenieur bij Sandia.

Andere thermo-elektrische centrales zullen in de toekomst op zoek gaan naar waterbesparende benaderingen, als stijgende bevolking, toegenomen energieverbruik per hoofd van de bevolking en mogelijke federale regelgeving verminderen de toevoer van koelwater. De Sandia-analyse zou ook bij deze energiecentrales kunnen worden gebruikt om water te besparen, of ze op steenkool rijden, aardgas of kernenergie.

"We hebben de kans gegrepen om dit probleem voor Palo Verde aan te pakken, omdat oplossingen die voor Palo Verde werken, ook voor andere fabrieken kunnen werken, ' zei Middelton.

Om het waterverbruik van de plant te verminderen, operators bij Palo Verde keken eerst naar commercieel beschikbare oplossingen. Toen ze zich realiseerden dat niets beschikbaar was om aan hun behoeften te voldoen, ze wendden zich tot Sandia Labs om te helpen bepalen welke koelsystemen in ontwikkeling uiteindelijk de grootste waterbesparing zouden kunnen opleveren.

Het afvalwater dat bij Palo Verde aankomt, bevat silica, calcium, magnesium- en fosfaationen. Deze zouten concentreren zich wanneer het koelwater in het koelsysteem verdampt, mogelijk nieuwe mineralen vormen die de koeltorens kunnen verstoppen. Momenteel, operators voegen kalk toe, natriumcarbonaat en zuur aan het afvalwater voordat het de koeltoren binnengaat om de mogelijkheid van mineraalvorming te verminderen.

Middleton en Sandia-chemicus Patrick Brady gebruiken het model om goedkopere manieren te identificeren om ionen op verschillende punten in de koelcyclus te verwijderen. Bijvoorbeeld, de Sandia-onderzoekers onderzoeken de haalbaarheid om geloosd koelwater te ontzilten zodat het kan worden hergebruikt. Anders, het water is te zout voor hergebruik en moet uit grote vijvers worden verdampt.

De onderzoekers hebben de eerste fase van het project voor het ontwikkelen van de analysesoftware afgerond. De volgende fase omvat het gebruik van de software om de meest veelbelovende waterbesparende technologieën te identificeren, inclusief alternatieve waterbehandelingsmethoden, evenals droge en hybride koelers die superkritisch kooldioxide gebruiken in plaats van de standaard koelmiddelen die in commerciële technologie worden gebruikt. De laatste fase van het project omvat het testen van de meest veelbelovende technologie in een laboratoriumomgeving in de hoop dat in 2026 een kosteneffectieve oplossing kan worden geïnstalleerd in Palo Verde.

Efficiënt koelen zonder water

Bij het evalueren van effectieve koeltechnologieën, Sandia-onderzoekers werken ook aan het verbeteren van bestaande oplossingen. Eerder dit jaar, Middleton en zijn collega's kregen een patent voor het opnieuw ontwerpen van een luchtkoeler om superkritisch koolstofdioxide te gebruiken om warmte van stoom naar lucht over te brengen. Deze verandering maakt indirecte droge koeling mogelijk onder een breder scala van omstandigheden, terwijl de efficiëntie van het systeem wordt verhoogd.

Natte koelsystemen zoals die van Palo Verde hebben met water gevulde condensors om stoom af te koelen die de turbines verlaat. Directe droge koelsystemen brengen warmte van de stoom rechtstreeks naar de lucht; indirecte droge koelsystemen dragen warmte over van de stoom naar het water en vervolgens van het water naar de lucht. De huidige in de handel verkrijgbare systemen die zijn ontworpen om een ​​elektriciteitscentrale achteraf aan te passen, maken doorgaans gebruik van een recirculerend koelmiddel, in plaats van water, om te helpen bij het overbrengen van warmte naar lucht.

In deze in de handel verkrijgbare systemen het vloeibare koelmiddel kookt als het warmte van de stoom absorbeert en condenseert in een vloeistof als het die warmte aan de lucht verliest. Bij deze overgang van vloeistof naar gas komt energie vrij die ervoor zorgt dat het koelmiddel op natuurlijke wijze door een warmtewisselaar circuleert.

Het nieuwe ontwerp van de indirecte koeler maakt gebruik van superkritisch kooldioxide in plaats van een koelmiddel. Zo werkt het:Boven een bepaalde druk en temperatuur, koolstofdioxide wordt een superkritische vloeistof. Dit betekent dat de CO ₂ werkt als een vloeistof onder de kritische temperatuur en als een gas boven de kritische temperatuur. Echter, op geen enkel moment is de vloeistof een tweefasenvloeistof; het kookt niet. Omdat een vloeistof kan veranderen van een vloeistof in een gas zonder te koken, een superkritische vloeistof kan warmte over een groter temperatuurbereik overdragen dan een subkritische vloeistof (zoals de R134a die in de huidige technologieën wordt gebruikt).

De prestatievoordelen van dit ontwerp komen van de hoeveelheid lucht die nodig is om de superkritische kooldioxide te verversen voor nog een ronde van koeling. Een warmtewisselaar met superkritisch kooldioxide gebruikt minder lucht om water af te koelen tot dezelfde temperatuur als een traditionele droge koeler met een subkritisch koelmiddel; het kan water ook koeler maken met dezelfde hoeveelheid lucht. Beide effecten verbeteren de algehele energie-efficiëntie voor het koelproces.

"De uitgebreide bedrijfsomstandigheden betekenen ook dat er meer tijden van het jaar zijn dat planten droge koeling kunnen gebruiken, ' zei Middelton.

De onderzoekers zijn van plan om Sandia's ontwerp te toetsen aan de modernste, commercieel beschikbare technologie, en ze analyseren het momenteel als een mogelijke oplossing voor de Palo Verde-fabriek.

Door de afnemende beschikbaarheid van water, wat ooit de goedkoopste bron was voor thermo-elektrische centrales, wordt snel een van de duurste aspecten van elektriciteitsproductie.

"Waterbesparende technologieën voor energieproductie zijn van cruciaal belang voor wetenschappers en ingenieurs om vandaag te overwegen, ' zei Brady.

Sandia National Laboratories is een multifunctioneel laboratorium dat wordt beheerd door National Technology and Engineering Solutions van Sandia LLC, een volledige dochteronderneming van Honeywell International Inc., voor de National Nuclear Security Administration van het Amerikaanse ministerie van Energie. Sandia Labs heeft grote onderzoeks- en ontwikkelingsverantwoordelijkheden op het gebied van nucleaire afschrikking, wereldwijde veiligheid, verdediging, energietechnologieën en economisch concurrentievermogen, met de belangrijkste faciliteiten in Albuquerque, New Mexico, en Livermore, Californië.

Om verschillende opkomende technologieën te evalueren, Middleton ontwikkelde software die de fysica van het koelproces combineert, zoals vloeistofstroom, warmteoverdracht, atmosferische verdamping en waterbehandeling - met de financiële impact van verschillende oplossingen. Soms, een bepaalde technologie bespaart een fabriek geld door verhoogde efficiëntie; andere tijden, reducties in het watergebruik zorgen voor totale kostenbesparingen.

"Niemand heeft eerder een systeemdynamiekanalyse gemaakt die al deze factoren tegelijkertijd in overweging neemt, " zei hij. "Het helpt ons de voordelen te voorspellen die we zouden kunnen zien van een bepaalde technologie, zodat we tijd besteden aan het testen van de meest veelbelovende benaderingen."