Nyt system genvinder ferskvand fra kraftværker

Et nyt system udviklet af MIT-ingeniører kunne give en billig drikkevandskilde til udtørrede byer rundt om i verden og samtidig reducere kraftværkets driftsomkostninger.

Omkring 39 procent af alt det ferskvand, der trækkes ud af floder, søer, og reservoirer i USA er øremærket til kølebehovene for elektriske kraftværker, der bruger fossile brændstoffer eller atomkraft, og meget af det vand ender med at flyde væk i dampskyer. Men det nye MIT-system kan potentielt spare en væsentlig del af det tabte vand - og kan endda blive en betydelig kilde til rent, sikkert drikkevand til kystbyer, hvor havvand bruges til at køle lokale kraftværker.

Princippet bag det nye koncept er vildledende simpelt:Når luft, der er rig på tåge, zappes med en stråle af elektrisk ladede partikler, kendt som ioner, vanddråber bliver elektrisk ladede og kan derfor trækkes mod et net af ledninger, ligner en vinduesskærm, stillet i deres vej. Dråberne samler sig så på det net, drænes ned i en opsamlingsgryde, og kan genbruges i kraftværket eller sendes til en bys vandforsyningssystem.

Systemet, som er grundlaget for et startup firma kaldet Infinite Cooling, der i sidste måned vandt MIT's $100K Entrepreneurship Competition, er beskrevet i et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , medforfatter af Maher Damak Ph.D. '17 og lektor i maskinteknik Kripa Varanasi. Damak og Varanasi er blandt medstifterne af opstarten.

Varanasis vision var at udvikle højeffektive vandgenvindingssystemer ved at opfange vanddråber fra både naturlig tåge og industrikøletårne. Projektet startede som en del af Damaks doktorafhandling, som havde til formål at forbedre effektiviteten af ​​tåge-høstsystemer, der bruges i mange vand-knappe kystområder som en kilde til drikkevand. Disse systemer, som generelt består af en slags plastik- eller metalnet, der hænger lodret i vejen for tågebanker, der jævnligt ruller ind fra havet, er ekstremt ineffektive, kun fanger omkring 1 til 3 procent af de vanddråber, der passerer gennem dem. Varanasi og Damak spekulerede på, om der var en måde at få nettet til at fange flere af dråberne - og fandt en meget enkel og effektiv måde at gøre det på.

Årsagen til de eksisterende systemers ineffektivitet blev tydelig i holdets detaljerede laboratorieeksperimenter:Problemet ligger i systemets aerodynamik. Når en luftstrøm passerer en forhindring, såsom ledningerne i disse nettågefangende skærme, luftstrømmen afviger naturligt omkring forhindringen, meget som luft, der strømmer rundt om en flyvinge, adskilles i vandløb, der passerer over og under vingestrukturen. Disse afvigende luftstrømme bærer dråber, der var på vej mod ledningen ud til siden, medmindre de var rettet mod ledningens centrum.

Resultatet er, at andelen af ​​opfangede dråber er langt lavere end den del af opsamlingsområdet, der er optaget af ledningerne, fordi dråber bliver fejet til side fra ledninger, der ligger foran dem. Bare det at gøre ledningerne større eller mellemrummene i nettet mindre har en tendens til at være kontraproduktivt, fordi det hæmmer den overordnede luftstrøm, resulterer i et nettofald i indsamlingen.

Men når den indkommende tåge først bliver zappet med en ionstråle, den modsatte effekt sker. Ikke alene lander alle de dråber, der er i ledningernes vej, på dem, selv dråber, der sigtede mod hullerne i nettet, bliver trukket mod ledningerne. Dette system kan således fange en meget større del af de dråber, der passerer igennem. Som sådan, det kunne dramatisk forbedre effektiviteten af ​​tågefangersystemer, og til en overraskende lav pris. Udstyret er enkelt, og den nødvendige mængde strøm er minimal.

Næste, holdet fokuserede på at opfange vand fra køletårnenes fjer. der, strømmen af ​​vanddamp er meget mere koncentreret end nogen naturligt forekommende tåge, og det gør systemet endnu mere effektivt. Og da indfangning af fordampet vand i sig selv er en destillationsproces, det opfangede vand er rent, også selvom kølevandet er salt eller forurenet. På dette tidspunkt, Karim Khalil, en anden kandidatstuderende fra Varanasis laboratorium sluttede sig til holdet.

"Det er destilleret vand, som er af højere kvalitet, det er nu bare spildt, " siger Varanasi. "Det er det, vi prøver at fange." Vandet kunne ledes til en bys drikkevandssystem, eller bruges i processer, der kræver rent vand, såsom i et kraftværks kedler, i modsætning til at blive brugt i sit kølesystem, hvor vandkvaliteten ikke betyder meget.

Et typisk 600 megawatt kraftværk, Varanasi siger, kunne fange 150 millioner gallons vand om året, repræsenterer en værdi af millioner af dollars. Dette repræsenterer omkring 20 til 30 procent af det vand, der går tabt fra køletårne. Med yderligere justeringer, systemet kan muligvis fange endnu mere af outputtet, han siger.

Hvad mere er, da kraftværker allerede er på plads langs mange tørre kyster, og mange af dem køles med havvand, dette giver en meget enkel måde at levere vandafsaltningstjenester til en lille brøkdel af omkostningerne ved at bygge et selvstændigt afsaltningsanlæg. Damak og Varanasi vurderer, at installationsomkostningerne ved en sådan ombygning vil være omkring en tredjedel af en bygning af et nyt afsaltningsanlæg, og dets driftsomkostninger ville være omkring 1/50. Tilbagebetalingstiden for at installere et sådant system vil være omkring to år, Varanasi siger, og det ville stort set ikke have noget miljømæssigt fodaftryk, tilføjer intet til den oprindelige plante.

"Dette kan være en fantastisk løsning til at løse den globale vandkrise, " Varanasi siger. "Det kan opveje behovet for omkring 70 procent af nye afsaltningsanlæg installationer i det næste årti."

I en række dramatiske proof-of-concept-eksperimenter, Damak, Khalil, og Varanasi demonstrerede konceptet ved at bygge en lille laboratorieversion af en stak, der udsender en fane af vanddråber, svarende til dem, der ses på faktiske kraftværkskøletårne, og placerede deres ionstråle og netskærm på den. I video af eksperimentet, en tyk sky af tågedråber ses stige op fra enheden - og forsvinder næsten øjeblikkeligt, så snart systemet tændes.

Holdet er i øjeblikket ved at bygge en fuldskala testversion af deres system, der skal placeres på køletårnet på MIT's Central Utility Plant, et naturgas kraftvarmeværk, der leverer det meste af campus' elektricitet, opvarmning, og afkøling. Opsætningen forventes at være på plads i slutningen af ​​sommeren og vil blive testet i efteråret. Testene vil omfatte afprøvning af forskellige variationer af nettet og dets støttestruktur, siger Damak.

Det skulle give den nødvendige dokumentation for at muliggøre kraftværksoperatører, som har tendens til at være konservative i deres teknologivalg, at adoptere systemet. Fordi kraftværker har årtier lang driftslevetid, deres operatører har en tendens til at "være meget risikovillige" og vil gerne vide "er dette blevet gjort et andet sted?" Varanasi siger. Campus-kraftværkstesten vil ikke kun "de-risiko" teknologien, men vil også hjælpe MIT campus med at forbedre sit vandfodaftryk, han siger. "Dette kan have en stor indvirkning på vandforbruget på campus."