La producción de electricidad es una de las industrias que más agua consume en el país cada día. Los investigadores de Sandia National Laboratories están ayudando a la planta de energía más grande de los Estados Unidos a identificar las estrategias más eficientes y rentables para reducir el uso de agua.

Desarrollaron un análisis integral de dinámica de sistemas, el primero en su tipo, que puede mostrar a las plantas de energía con sistemas de enfriamiento húmedo cómo puede ahorrarles dinero. El análisis podría eventualmente usarse en otras plantas a medida que los reguladores federales comiencen a reducir el suministro de agua permitido por la industria eléctrica. Los investigadores también han rediseñado y patentado un sistema de refrigeración por aire para hacer que la refrigeración sin agua sea más eficiente energéticamente y sea posible en una gama más amplia de condiciones de funcionamiento.

La estación de generación nuclear Palo Verde cerca de Phoenix convierte el calor de las reacciones nucleares en electricidad. El calor hierve el agua creando vapor que impulsa los generadores de turbina. El vapor que sale de una turbina debe enfriarse y condensarse antes de reutilizarse.

Más del 40% de toda el agua utilizada en el país es para enfriamiento húmedo en plantas de energía. Típicamente, Las grandes centrales termoeléctricas están ubicadas cerca de lagos o ríos para que los operadores puedan extraer una cantidad regulada de agua. pasarlo por un condensador para enfriar el vapor que sale de las turbinas, y descargar aproximadamente la misma cantidad que retiraron.

Pero la planta de Palo Verde tiene acceso limitado al agua porque está en medio de un desierto. Su agua de enfriamiento es agua residual tratada, lo que se está volviendo cada vez más caro a medida que surgen otros clientes, que están dispuestos a pagar precios más altos por el agua. Para frenar los costos crecientes, Los operadores quieren reducir el uso de agua de la planta en aproximadamente 9 millones de galones por día. Anualmente, que los ahorros equivalen aproximadamente a una piscina de agua de 16 millas cuadradas y un pie de profundidad, dijo Bobby Middleton, ingeniero nuclear en Sandia.

Otras centrales termoeléctricas buscarán enfoques de ahorro de agua en el futuro, como poblaciones en aumento, el aumento del uso de energía per cápita y las posibles regulaciones federales reducen el suministro de agua de refrigeración. El análisis de Sandia también podría usarse para ahorrar agua en estas plantas de energía, si funcionan con carbón, gas natural o energía nuclear.

"Aprovechamos la oportunidad de abordar este problema para Palo Verde porque las soluciones que funcionan para Palo Verde también podrían funcionar para otras plantas, "Dijo Middleton.

Para reducir el uso de agua de la planta, Los operadores de Palo Verde primero miraron las soluciones disponibles comercialmente. Cuando se dieron cuenta de que nada disponible podía satisfacer sus necesidades, recurrieron a Sandia Labs para ayudar a identificar qué sistemas de enfriamiento en desarrollo podrían eventualmente ofrecer el mayor ahorro de agua.

Las aguas residuales que llegan a Palo Verde contienen sílice, calcio, iones magnesio y fosfato. Estas sales se concentran a medida que el agua de enfriamiento se evapora en el sistema de enfriamiento, posiblemente formando nuevos minerales que podrían obstruir las torres de enfriamiento. En la actualidad, los operadores agregan cal, carbonato de sodio y ácido a las aguas residuales antes de que ingresen a la torre de enfriamiento para reducir la posibilidad de formación de minerales.

El químico de Middleton y Sandia, Patrick Brady, están utilizando el modelo para identificar formas menos costosas de eliminar iones en diferentes puntos del ciclo de enfriamiento. Por ejemplo, los investigadores de Sandia están examinando la viabilidad de desalinizar el agua de refrigeración vertida para poder reutilizarla. De lo contrario, el agua es demasiado salada para su reutilización y debe evaporarse de los estanques grandes.

Los investigadores han finalizado la primera fase del proyecto desarrollando el software de análisis. La siguiente fase implica el uso del software para identificar las tecnologías de ahorro de agua más prometedoras, incluyendo enfoques alternativos de tratamiento de agua, así como refrigerantes secos e híbridos que utilizan dióxido de carbono supercrítico en lugar de los refrigerantes estándar que se utilizan en la tecnología comercial. La fase final del proyecto implica probar la tecnología más prometedora en un laboratorio con la esperanza de que se pueda instalar una solución rentable en Palo Verde en 2026.

Refrigeración eficiente sin agua

Al evaluar tecnologías de enfriamiento efectivas, Los investigadores de Sandia también están trabajando para mejorar las soluciones existentes. A principios de este año, Middleton y sus colegas obtuvieron una patente para rediseñar un enfriador de aire para usar dióxido de carbono supercrítico para transferir calor del vapor al aire. Este cambio hace que el enfriamiento en seco indirecto sea factible en una gama más amplia de condiciones al tiempo que aumenta la eficiencia del sistema.

Los sistemas de enfriamiento húmedo como los de Palo Verde tienen condensadores llenos de agua para enfriar el vapor que sale de las turbinas. Los sistemas de enfriamiento en seco directo transfieren el calor del vapor directamente al aire; Los sistemas de enfriamiento seco indirecto transfieren calor del vapor al agua y luego del agua al aire. Los sistemas actuales disponibles comercialmente diseñados para modernizar una planta de energía generalmente usan un refrigerante recirculante, en lugar de agua, para ayudar a transferir calor al aire.

En estos sistemas disponibles comercialmente, el refrigerante líquido hierve a medida que absorbe el calor del vapor y se condensa en un líquido a medida que pierde ese calor en el aire. Este cambio de líquido a gas libera energía que hace que el refrigerante circule naturalmente a través de un intercambiador de calor.

El nuevo diseño de enfriador indirecto utiliza dióxido de carbono supercrítico en lugar de refrigerante. Así es como funciona:por encima de una determinada presión y temperatura, el dióxido de carbono se convierte en un fluido supercrítico. Esto significa que el CO ₂ actúa como líquido por debajo de la temperatura crítica y como gas por encima de la temperatura crítica. Sin embargo, en ningún momento el fluido es un fluido de dos fases; no hierve. Debido a que un fluido puede cambiar de líquido a gas sin hervir, un fluido supercrítico puede transferir calor en un rango de temperatura más amplio que un fluido subcrítico (como el R134a utilizado en las tecnologías actuales).

Los beneficios de rendimiento con este diseño provienen de la cantidad de aire necesaria para renovar el dióxido de carbono supercrítico para otra ronda de enfriamiento. Un intercambiador de calor con dióxido de carbono supercrítico utiliza menos aire para enfriar el agua a la misma temperatura que un enfriador en seco tradicional con un refrigerante subcrítico; también puede enfriar el agua usando la misma cantidad de aire. Ambos impactos mejoran la eficiencia energética general del proceso de enfriamiento.

"Las condiciones de operación ampliadas también significan que hay más épocas del año en que las plantas pueden usar enfriamiento en seco, "Dijo Middleton.

Los investigadores planean probar el diseño de Sandia contra el estado de la técnica, tecnología disponible comercialmente, y actualmente lo están analizando como una posible solución para la planta de Palo Verde.

Debido a la disponibilidad decreciente de agua, lo que alguna vez fue el recurso más barato para las centrales termoeléctricas se está convirtiendo rápidamente en uno de los aspectos más costosos de la producción de electricidad.

"Las tecnologías de ahorro de agua para la producción de energía son fundamentales para que los científicos e ingenieros las consideren hoy en día, "Dijo Brady.

Sandia National Laboratories es un laboratorio multimisión operado por National Technology and Engineering Solutions de Sandia LLC, una subsidiaria de propiedad total de Honeywell International Inc., para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU. Sandia Labs tiene importantes responsabilidades de investigación y desarrollo en disuasión nuclear, seguridad global, defensa, tecnologías energéticas y competitividad económica, con instalaciones principales en Albuquerque, Nuevo Mexico, y Livermore, California.

Evaluar diferentes tecnologías emergentes, Middleton desarrolló un software que combina la física del proceso de enfriamiento, como el flujo de fluidos, transferencia de calor, evaporación atmosférica y tratamiento de agua, con el impacto financiero de diferentes soluciones. Algunas veces, una determinada tecnología ahorra dinero a la planta mediante una mayor eficiencia; otros tiempos, las reducciones en el uso de agua generan ahorros de costos generales.

"Nadie ha creado un análisis de dinámica de sistemas que considere simultáneamente todos estos factores antes, "Nos ayuda a predecir los beneficios que podríamos obtener de una tecnología en particular, de modo que dedicamos tiempo a probar únicamente los enfoques más prometedores".