Reducering af kraftværker tørster

Elproduktion er en af ​​de industrier, der hver dag bruger mest vand i landet. Forskere ved Sandia National Laboratories hjælper det største kraftværk i USA med at finde de mest effektive og omkostningseffektive strategier til at reducere vandforbruget.

De udviklede en første af sin slags omfattende systemdynamikanalyse, der kan vise kraftværker med våde kølesystemer, hvordan det kan spare dem penge. Analysen kan i sidste ende bruges på andre anlæg, da føderale tilsynsmyndigheder begynder at reducere kraftindustriens tilladte vandforsyning. Forskerne har også redesignet og patenteret et luftkølesystem for at gøre vandløs køling mere energieffektiv og mulig over en bredere vifte af driftsbetingelser.

Kerneproducerende station Palo Verde nær Phoenix omdanner varme fra atomreaktioner til elektricitet. Varmen koger vand, skabe damp, der driver møllegeneratorer. Damp, der forlader en turbine, skal afkøles og kondenseres, før den genbruges.

Mere end 40% af alt det vand, der bruges i landet, er til vådkøling på kraftværker. Typisk, store termoelektriske kraftværker er placeret nær søer eller floder, så operatører kan trække en reguleret mængde vand, kør den gennem en kondensator for at afkøle damp, der forlader møllerne, og udleder nogenlunde samme mængde, som de trak tilbage.

Men Palo Verde -anlægget har begrænset adgang til vand, fordi det er midt i en ørken. Dens kølevand er renset spildevand, som bliver stadig dyrere, efterhånden som andre kunder - der er villige til at betale højere priser for vand - dukker op. For at dæmpe stigende omkostninger, operatører ønsker at reducere anlæggets vandforbrug med omkring 9 millioner gallon om dagen. Årligt, at besparelser stort set svarer til en 16 kvadratkilometer stor vandbassin en fod dyb, sagde Bobby Middleton, en atomingeniør hos Sandia.

Andre termoelektriske kraftværker vil i fremtiden lede efter vandbesparende tilgange, som stigende befolkninger, øget energiforbrug pr. indbygger og potentielle føderale regler reducerer forsyningen af ​​kølevand. Sandia -analysen kan også bruges til at spare vand på disse kraftværker, om de kører på kul, naturgas eller atomkraft.

"Vi sprang på muligheden for at løse dette problem for Palo Verde, fordi løsninger, der fungerer for Palo Verde, også kunne fungere for andre fabrikker, "Sagde Middleton.

For at reducere plantens vandforbrug, operatører på Palo Verde kiggede først på kommercielt tilgængelige løsninger. Da de indså, at intet tilgængeligt kunne opfylde deres behov, de henvendte sig til Sandia Labs for at hjælpe med at identificere, hvilke kølesystemer under udvikling, der i sidste ende kan tilbyde de største vandbesparelser.

Spildevandet, der ankommer til Palo Verde, indeholder silica, kalk, magnesium- og phosphationer. Disse salte koncentreres, når kølevandet fordamper i kølesystemet, muligvis danne nye mineraler, der kan tilstoppe køletårnene. I øjeblikket, operatører tilføjer kalk, sodavand og syre til spildevandet, før det kommer ind i køletårnet for at reducere muligheden for mineraldannelse.

Middleton og Sandia -kemikeren Patrick Brady bruger modellen til at identificere billigere måder at fjerne ioner på forskellige punkter i afkølingscyklussen. For eksempel, Sandia -forskerne undersøger muligheden for at afsaltet udledt kølevand, så det kan genbruges. Ellers, vandet er for salt til genbrug og skal fordampes fra store damme.

Forskerne har afsluttet den første fase af projektet med at udvikle analysesoftwaren. Den næste fase indebærer at bruge softwaren til at identificere de mest lovende vandbesparende teknologier, herunder alternative metoder til vandrensning, samt tør- og hybridkølere, der bruger superkritisk kuldioxid i stedet for de standard kølemidler, der bruges i kommerciel teknologi. Projektets sidste fase indebærer afprøvning af den mest lovende teknologi i et laboratorium i håb om, at der kan installeres en omkostningseffektiv løsning på Palo Verde i 2026.

Effektiv køling uden vand

Mens man evaluerer effektive køleteknologier, Sandia -forskere arbejder også på at forbedre eksisterende løsninger. Tidligere i år, Middleton og hans kolleger blev tildelt et patent for at redesigne en luftkøler til at bruge superkritisk kuldioxid til at overføre varme fra damp til luft. Denne ændring gør indirekte tørkøling mulig over en bredere række betingelser, samtidig med at systemets effektivitet øges.

Våde kølesystemer som dem på Palo Verde har vandfyldte kondensatorer til afkøling af damp, der forlader møllerne. Direkte tørkølesystemer overfører varme fra dampen direkte til luften; indirekte tørkølesystemer overfører varme fra dampen til vandet og derefter fra vandet til luften. Nuværende kommercielt tilgængelige systemer designet til at eftermontere et kraftværk bruger typisk et recirkulerende kølemiddel, i stedet for vand, for at hjælpe med at overføre varme til luft.

I disse kommercielt tilgængelige systemer, det flydende kølemiddel koger, da det absorberer varme fra dampen og kondenserer til en væske, da det mister den varme til luft. Denne ændring fra væske til gas frigiver energi, der får kølemidlet til at cirkulere naturligt gennem en varmeveksler.

Det nye indirekte køligere design bruger superkritisk kuldioxid i stedet for et kølemiddel. Sådan fungerer det:Over et bestemt tryk og temperatur, kuldioxid bliver en superkritisk væske. Det betyder CO ₂ fungerer som en væske under den kritiske temperatur og som en gas over den kritiske temperatur. Imidlertid, på intet tidspunkt er væsken en tofaset væske; det koger ikke. Fordi en væske kan skifte fra en væske til en gas uden at koge, en superkritisk væske kan overføre varme over et bredere temperaturområde end en subkritisk væske (f.eks. R134a, der bruges i nuværende teknologier).

Ydelsesfordelene med dette design kommer fra den mængde luft, der er nødvendig for at opdatere det superkritiske kuldioxid til endnu en omgang køling. En varmeveksler med superkritisk kuldioxid bruger mindre luft til at afkøle vand til samme temperatur som en traditionel tørkøler med et subkritisk kølemiddel; det kan også gøre vand køligere ved hjælp af den samme mængde luft. Begge påvirkninger forbedrer den samlede energieffektivitet for køleprocessen.

"De udvidede driftsbetingelser betyder også, at der på flere tidspunkter af året kan anlæg bruge tørkøling, "Sagde Middleton.

Forskerne planlægger at teste Sandias design mod topmoderne, kommercielt tilgængelig teknologi, og de analyserer det i øjeblikket som en potentiel løsning for Palo Verde -anlægget.

På grund af den faldende tilgængelighed af vand, det, der engang var den billigste ressource for termoelektriske kraftværker, bliver hurtigt et af de dyreste aspekter ved elproduktion.

"Vandbesparende teknologier til energiproduktion er afgørende for forskere og ingeniører at overveje i dag, "Sagde Brady.

Sandia National Laboratories er et multimissionslaboratorium, der drives af National Technology and Engineering Solutions fra Sandia LLC, et 100 % ejet datterselskab af Honeywell International Inc., for US Department of Energy's National Nuclear Security Administration. Sandia Labs har store forsknings- og udviklingsansvar inden for atomafskrækkelse, global sikkerhed, forsvar, energiteknologier og økonomisk konkurrenceevne med hovedfaciliteter i Albuquerque, Ny mexico, og Livermore, Californien.

For at evaluere forskellige nye teknologier, Middleton udviklede software, der kombinerer fysikken i køleprocessen - såsom væskestrøm, varmeoverførsel, atmosfærisk fordampning og vandbehandling - med den økonomiske effekt af forskellige løsninger. Sommetider, en bestemt teknologi sparer et anlæg penge gennem øget effektivitet; andre gange, reduktioner i vandforbruget giver samlede omkostningsbesparelser.

"Ingen har skabt en systemdynamikanalyse, der samtidig overvejer alle disse faktorer før, "sagde han." Det hjælper os med at forudsige de fordele, vi kan se ved en bestemt teknologi, så vi bruger tid på kun at teste de mest lovende tilgange. "