La tecnología de recolección de vapor ahorra agua mientras limpia el aire

La tecnología de recolección de vapor ahorra agua mientras limpia el aire

La torre de refrigeración de la central nuclear MIT 檚 ha demostrado la eficacia del nuevo sistema de recuperación de agua. El lado derecho de la torre tiene instalado el nuevo sistema, eliminando su columna de vapor, mientras que el lado izquierdo sin tratar continúa produciendo una corriente de vapor constante. Crédito: Instituto de Tecnología de Massachusetts

Aproximadamente dos quintas partes de toda el agua que se extrae de los lagos, ríos y pozos en los EE. UU. No se usa para la agricultura, la bebida o el saneamiento, sino para enfriar las plantas de energía que proporcionan electricidad a partir de combustibles fósiles o energía nuclear. Más del 65 por ciento de estas plantas utilizan enfriamiento por evaporación, lo que genera enormes columnas blancas que salen de sus torres de enfriamiento, lo que puede ser una molestia y, en algunos casos, incluso contribuir a condiciones de conducción peligrosas.

Ahora, una pequeña empresa basada en tecnología desarrollada recientemente en el MIT por el Grupo de Investigación de Varanasi espera reducir tanto las necesidades de agua en estas plantas como las plumas resultantes, y ayudar potencialmente a aliviar la escasez de agua en áreas donde las plantas de energía ejercen presión sobre el agua local. sistemas.

La tecnología es sorprendentemente simple en principio, pero desarrollarla hasta el punto en que ahora se puede probar a gran escala en plantas industriales fue una propuesta más compleja. Eso requirió la experiencia del mundo real que los fundadores de la compañía obtuvieron al instalar sistemas prototipo, primero en la planta de cogeneración de gas natural del MIT y luego en el reactor de investigación nuclear del MIT.

En estas exigentes pruebas, que implicaron la exposición no solo al calor y las vibraciones de una planta industrial en funcionamiento, sino también a los rigores de los inviernos de Nueva Inglaterra, el sistema demostró su eficacia tanto para eliminar la columna de vapor como para recuperar el agua. Y purificó el agua en el proceso, de modo que fuera 100 veces más limpia que el agua de enfriamiento entrante. El sistema se está preparando ahora para pruebas a gran escala en una planta de energía comercial y en una planta de procesamiento químico.

“Campus como laboratorio vivo”

La tecnología fue concebida originalmente por el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi para desarrollar sistemas eficientes de recuperación de agua mediante la captura de gotas de agua tanto de la niebla natural como de las columnas de las torres de enfriamiento de las centrales eléctricas. El proyecto comenzó como parte de la investigación de tesis doctoral de Maher Damak PhD ’18, con financiamiento del MIT Tata Center for Technology and Design, para mejorar la eficiencia de los sistemas de recolección de niebla como los que se usan en algunas regiones costeras áridas como fuente de agua potable. Esos sistemas, que generalmente consisten en plástico o malla metálica que cuelga verticalmente en el camino de los bancos de niebla, son extremadamente ineficaces y capturan solo alrededor del 1 al 3 por ciento de las gotas de agua que pasan a través de ellos.

Varanasi y Damak descubrieron que la recolección de vapor se podría hacer mucho más eficiente si se aplicaran primero las diminutas gotas de agua con un haz de partículas cargadas eléctricamente, o iones, para dar a cada gota una ligera carga eléctrica. Luego, la corriente de gotas pasa a través de una malla de alambre, como una pantalla de ventana, que tiene una carga eléctrica opuesta. Esto hace que las gotas sean fuertemente atraídas hacia la malla, donde caen debido a la gravedad y pueden ser recolectadas en bandejas colocadas debajo de la malla.

Las pruebas de laboratorio mostraron que el concepto funcionó, y los investigadores, junto con Karim Khalil PhD ’18, ganaron el Concurso de Emprendimiento MIT $ 100K en 2018 por el concepto básico. La empresa naciente, a la que llamaron Infinite Cooling, con Damak como director ejecutivo, Khalil como director de tecnología y Varanasi como presidente, se puso a trabajar de inmediato en la instalación de una instalación de prueba en una de las torres de refrigeración de la central eléctrica de gas natural del MIT. con financiamiento de la Oficina de Sostenibilidad del MIT. Después de experimentar con varias configuraciones, pudieron demostrar que el sistema podía eliminar la pluma y producir agua de alta pureza.

El profesor Jacopo Buongiorno, del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear, vio de inmediato una buena oportunidad de colaboración al ofrecer el uso de las instalaciones de investigación del Laboratorio de Reactores Nucleares del MIT para realizar más pruebas del sistema con la ayuda del ingeniero de NRL Ed Block. Con su funcionamiento las 24 horas del día, los 7 días de la semana y sus emisiones de vapor a mayor temperatura, la planta proporcionaría una prueba más estricta del sistema en el mundo real, además de demostrar su eficacia en un reactor en funcionamiento real autorizado por la Comisión Reguladora Nuclear, un paso importante. en “eliminar el riesgo” de la tecnología para que las empresas eléctricas pudieran sentirse seguras de adoptar el sistema.

Después de que el sistema se instaló sobre una de las cuatro torres de enfriamiento de la planta, las pruebas mostraron que el agua que se recolectaba era más de 100 veces más limpia que el agua de alimentación que ingresa al sistema de enfriamiento. También demostró que la instalación, que, a diferencia de la versión anterior, tenía sus pantallas de malla montadas verticalmente, paralelas a la corriente de vapor, no tuvo ningún efecto en el funcionamiento de la planta. El video de las pruebas ilustra dramáticamente cómo tan pronto como se conecta la energía a la malla recolectora, la columna de vapor blanca desaparece inmediatamente por completo.

Crédito: Instituto de Tecnología de Massachusetts

La alta temperatura y el volumen de la columna de vapor de las torres de enfriamiento del reactor representaron “una especie de escenario en el peor de los casos en términos de columnas”, dice Damak, “así que si podemos capturar eso, básicamente podemos capturar cualquier cosa”.

Trabajar con el Laboratorio de Reactores Nucleares del MIT, dice Varanasi, “ha sido un paso bastante importante porque nos ayudó a probarlo a escala. Realmente validó la calidad del agua y el rendimiento del sistema”. El proceso, dice, “muestra la importancia de usar el campus como un laboratorio viviente. Nos permite hacer este tipo de experimentos a escala y también mostró la capacidad de reducir de manera sostenible la huella hídrica del campus”.

Beneficios de gran alcance

Las columnas de las plantas de energía a menudo se consideran una monstruosidad y pueden generar oposición local a las nuevas plantas de energía debido a la posibilidad de que las vistas oscurezcan e incluso los peligros potenciales del tráfico cuando las columnas oscurecedoras atraviesan las carreteras. “La capacidad de eliminar las plumas podría ser un beneficio importante, ya que permitiría ubicar las plantas en lugares que de otro modo podrían estar restringidos”, dice Buongiorno. Al mismo tiempo, el sistema podría eliminar una cantidad significativa de agua utilizada por las plantas y luego perdida hacia el cielo, aliviando potencialmente la presión sobre los sistemas de agua locales, lo que podría ser especialmente útil en regiones áridas.

El sistema es esencialmente un proceso de destilación, y el agua pura que produce podría ir a las calderas de las centrales eléctricas, que están separadas del sistema de enfriamiento, que requieren agua de alta pureza. Eso podría reducir la necesidad de sistemas de purificación y agua dulce para las calderas.

Además, en muchas zonas costeras áridas, las centrales eléctricas se enfrían directamente con agua de mar. Este sistema esencialmente agregaría una capacidad de desalinización de agua a la planta, a una fracción del costo de construir una nueva planta de desalinización independiente, y a una fracción aún menor de sus costos operativos, ya que el calor se proporcionaría esencialmente de forma gratuita.

La contaminación del agua generalmente se mide probando su conductividad eléctrica, que aumenta con la cantidad de sales y otros contaminantes que contiene. El agua que se utiliza en los sistemas de refrigeración de las centrales eléctricas suele medir 3.000 microsiemens por centímetro, explica Khalil, mientras que el suministro de agua en la ciudad de Cambridge suele rondar los 500 o 600 microsiemens por centímetro. El agua capturada por este sistema, dice, típicamente mide menos de 50 microsiemens por centímetro.

Gracias a la validación proporcionada por las pruebas en las plantas del MIT, la compañía ahora ha podido asegurar los arreglos para sus dos primeras instalaciones en plantas comerciales en funcionamiento, que deberían comenzar a finales de este año. Una es una planta de energía de 900 megavatios donde la producción de agua limpia del sistema será una gran ventaja, y la otra es una planta de fabricación de productos químicos en el Medio Oeste.

En muchos lugares, las plantas de energía tienen que pagar por el agua que usan para enfriar, dice Varanasi, y se espera que el nuevo sistema reduzca la necesidad de agua hasta en un 20 por ciento. Para una planta de energía típica, eso por sí solo podría representar alrededor de un millón de dólares ahorrados en costos de agua por año, dice.

“La innovación ha sido un sello distintivo de la industria comercial de EE. UU. Durante más de seis décadas”, dice Maria G. Korsnick, presidenta y directora ejecutiva del Instituto de Energía Nuclear, que no participó en la investigación. “A medida que el clima cambiante afecta todos los aspectos de la vida, incluido el suministro de agua mundial, las empresas de toda la cadena de suministro están innovando en busca de soluciones. Las pruebas de esta tecnología innovadora en el MIT proporcionan una base valiosa para su consideración en aplicaciones comerciales”.


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