Ny nanopartikelteknologi reducerer vandforbruget, energiomkostninger

Atom- og kulkraftværker er nogle af de tørstigste maskiner på jorden. De turbiner, der snurrer inde i dem for at generere elektricitet, kræver tonsvis af damp, og alt det vand skal komme et sted fra.

Nylige undersøgelser har anslået, at omkring to femtedele af landets ferskvandsudtag og tre procent af det samlede ferskvandsforbrug går til at forsyne dampgeneratorerne på store kraftværker i USA. For at skære ned på de enorme mængder vand, der kræves for at drive disse anlæg, forskere er begyndt at lede efter nye teknologier, der kan forbedre deres effektivitet og reducere efterspørgslen efter vand.

Som del af et større konsortium med partnere fra flere energiselskaber, universiteter, og offentlige myndigheder, forskere ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory er ved at udvikle en særlig klasse af nanopartikler, der delvist smelter, når damp fordamper fra en plantes køletårne, absorberer en betydelig procentdel af den diffuse varme i systemet.

For at kunne fungere, elektriske anlæg bruger en cyklus, der bruger delvist kondenseret højtemperaturdamp til at dreje en stor turbine. Under generation, en betydelig mængde af denne damp går tabt på grund af fordampning. "I hver cyklus, der er en betydelig mængde vand, som vi ikke kan genfange, " sagde Argonne materialeforsker Dileep Singh, som arbejder på at udvikle de specialiserede nanopartikler.

Nanopartiklerne er baseret på det, der er kendt som en "kerne-skal"-konfiguration, hvor et solidt ydre lag beskytter et indre lag, der kan smelte over en vis temperatur. Når den først er spredt i plantens vandforsyning, nanopartiklerne er i stand til at absorbere varme under den termiske cyklus. Efter delvis smeltning, partiklerne rejser til køletårnet, hvor de størkner igen. Systemet er lukket og designet til at sikre mod lækage af anlæggets vand eller damp til miljøet.

På molekylært niveau, Singh og hans kolleger er især optaget af overfladen af ​​nanopartikler, da kemien ved grænsen mellem metallet og vandet bestemmer, hvor meget varme partiklerne kan optage. "Vi eksperimenterer med at se på bindingen mellem partiklerne og vandmolekylerne, " sagde han.

"Det, vi virkelig gerne vil vide, er, hvor meget varme vi kan optage givet en konstant mængde vand for at afkøle systemet, " tilføjede han. "Miljøansvarlig energivækst involverer at bekymre dig om, hvordan du forvalter dine vandressourcer."

De enorme mængder vand, der er nødvendige for at drive disse faciliteter, vil nødvendiggøre masseproduktion af nanopartiklerne, når de først er kommercielt udviklet, et faktum, der potentielt kan komplicere forsknings- og udviklingsprocessen, sagde Argonne associeret divisionsdirektør Thomas Ewing. "Når vi begynder laboratorietestning, vi skal huske på omkostningerne og problemerne forbundet med at få dette til at fungere i et rigtigt kraftværk, " sagde han. "Der er mange afvejninger at tage højde for."

Ifølge Ewing, Argonne arbejder sammen med Electric Power Research Institute og andre partnere for at flytte denne grundlæggende teknologi hurtigt gennem udviklingspipelinen. De indledende planer kræver, at demonstrationen af ​​proof of concept begynder i år, og at fuldskala kommerciel udrulning begynder om fire år. "Det er praktisk talt uhørt for industrien at søge at implementere en ny teknologi så hurtigt, " sagde Ewing. "Men vandforbrug er et stort problem, der begrænser udvidelsen af ​​strøm. Hvis vi vil løse energikrisen, vi bliver nødt til at bevæge os dristigt."