Sfruttare i pennacchi delle torri di raffreddamento per fornire acqua purificata

Una nuova tecnologia sorprendentemente semplice in linea di principio promette di ridurre significativamente il consumo di acqua nei sistemi di torri di raffreddamento evaporative catturando l’acqua dai pennacchi delle torri di raffreddamento.

Le torri di raffreddamento nelle centrali elettriche sono essenzialmente sistemi di smaltimento del calore che utilizzano quantità significative di acqua per dissipare il calore dall'acqua ricircolante. Nelle torri di raffreddamento umide, il processo prevede l'evaporazione di una parte dell'acqua circolante, producendo un trasferimento di calore attraverso sia il calore sensibile dell'aria che il calore latente di evaporazione.

Una preoccupazione di lunga data nel settore energetico riguarda la quantità di perdite d’acqua dalle torri di raffreddamento. L'acqua viene persa principalmente attraverso l'evaporazione, che comporta la dissipazione del vapore nell'aria ambiente durante il processo di smaltimento del calore. Ma si verifica anche durante lo spurgo, quando l'acqua deve essere rimossa dalla torre e sostituita per evitare incrostazioni e formazione di calcare. Una parte dell'acqua viene persa anche a causa della deriva, che si verifica quando minuscole goccioline vengono trascinate con il flusso di aria o vapore in uscita, sebbene le perdite per deriva siano generalmente minime e costituiscano meno dell'1% del consumo.

Le perdite d’acqua possono essere considerevoli. L’Agenzia per la Protezione dell’Ambiente degli Stati Uniti (EPA) suggerisce che, indipendentemente dall’efficienza operativa della torre di raffreddamento, circa 1,8 litri di acqua vengono evaporati per ogni tonnellata ora di raffreddamento. "Le tradizionali centrali elettriche raffreddate a umido perdono dal 60% al 90% dell'acqua in ingresso attraverso l'evaporazione o la deriva della torre di raffreddamento", ha osservato Dan Sampson, uno dei principali consulenti tecnici di HDR.

Oltre ad essere costose, queste perdite hanno altri effetti collaterali. Poiché l’evaporazione dell’acqua richiede un rifornimento continuo da una fonte d’acqua, le preoccupazioni attuali e future sulla scarsità d’acqua possono influenzare direttamente l’affidabilità e la vitalità delle centrali elettriche. Nel 2017, due studenti di dottorato del Massachusetts Institute of Technology (MIT), Maher Damak e Karim Khalil, e il professore di ingegneria meccanica del MIT Kripa Varanasi hanno deciso di affrontare questo problema urgente concentrandosi sui pennacchi delle centrali elettriche.

Quando il vapore lascia una torre di raffreddamento, in determinate condizioni ambientali (di solito quando l'aria ambiente è fredda o umida), può condensarsi e formare un pennacchio di nebbia, hanno osservato i ricercatori. I pennacchi rappresentano da tempo un’altra preoccupazione per l’industria energetica, hanno osservato i ricercatori. Possono essere fastidiosi e persino pericolosi.

"I requisiti normativi relativi alla sicurezza (i pennacchi derivanti possono ridurre la visibilità su strade e aeroporti) e all'estetica, obbligano alcune torri di raffreddamento a essere dotate di sistemi di abbattimento dei pennacchi, che generalmente riscaldano il vapore in uscita e ne diminuiscono il contenuto di umidità, tramite scambiatori di calore o mediante soffiando aria calda e secca e mescolandola con il vapore in uscita, evitando così la formazione di goccioline di nebbia all'uscita della torre," hanno detto.

Sebbene questi sistemi di abbattimento possano eliminare l’aspetto di un pennacchio, una centrale elettrica che li utilizza può comunque consumare la stessa quantità di acqua e subire una riduzione dell’efficienza energetica netta complessiva, a causa del fabbisogno di calore aggiuntivo reindirizzato alle uscite delle torri di raffreddamento. E mentre alcuni dispositivi sono stati progettati per raccogliere il vapore in uscita dalle torri di raffreddamento per il riutilizzo nel ciclo, la maggior parte dei metodi si basa sull’assorbimento di liquidi o solidi, richiedendo notevole energia o apparecchiature costose.

1. Schema che mostra l'ubicazione e l'uso della soluzione retrofittabile di Infinite Cooling. Per gentile concessione: Raffreddamento infinito / Laboratorio nazionale di tecnologia energetica (NETL)

Nell'ambito di un progetto promosso dal MIT Varanasi Research Group, i ricercatori hanno sviluppato il Water Panel (Figura 1). Quando l'aria ricca di nebbia viene colpita da un raggio di ioni, le gocce d'acqua nella nebbia si caricano elettricamente. Queste goccioline possono quindi essere attirate verso una rete di fili (come lo schermo di una finestra), catturate e drenate in una vaschetta di raccolta. La centrale elettrica può quindi riutilizzare l'acqua “raccolta” o inviarla al sistema di approvvigionamento idrico di una città.

Il sistema è essenzialmente un processo di distillazione che potrebbe consentire a una centrale elettrica da 600 MW di catturare fino a 150 milioni di litri d'acqua all'anno, che rappresenta circa dal 20% al 30% dell'acqua persa dalle torri di raffreddamento, afferma Infinite Cooling. I risultati della ricerca e dello sviluppo suggeriscono che l’acqua catturata dal sistema misura tipicamente meno di 50 microsiemens per centimetro, una misura della conduttività elettrica che misura la contaminazione dell’acqua. Ciò rispetto ai 3.000 microsiemens per centimetro misurati tipicamente dall’acqua utilizzata nei sistemi di raffreddamento delle centrali elettriche.