La technologie de collecte de vapeur économise l’eau tout en purifiant l’air

La technologie de collecte de vapeur économise l'eau tout en purifiant l'air

La tour de refroidissement de la centrale nucléaire du MIT a démontré l’efficacité du nouveau système de récupération d’eau. Le côté droit de la tour a le nouveau système installé, éliminant son panache de vapeur, tandis que le côté gauche non traité continue de produire un flux de vapeur constant. Crédit : Massachusetts Institute of Technology

Aux États-Unis, environ les deux cinquièmes de toute l’eau prélevée dans les lacs, les rivières et les puits ne sont pas utilisés pour l’agriculture, la boisson ou l’assainissement, mais pour refroidir les centrales électriques qui fournissent de l’électricité à partir de combustibles fossiles ou d’énergie nucléaire. Plus de 65% de ces usines utilisent le refroidissement par évaporation, ce qui entraîne d’énormes panaches blancs qui s’échappent de leurs tours de refroidissement, ce qui peut être une nuisance et, dans certains cas, même contribuer à des conditions de conduite dangereuses.

Aujourd’hui, une petite entreprise basée sur une technologie récemment développée au MIT par le Varanasi Research Group espère réduire à la fois les besoins en eau de ces usines et les panaches qui en résultent, et potentiellement contribuer à atténuer les pénuries d’eau dans les zones où les centrales électriques font pression sur l’eau locale. systèmes.

La technologie est étonnamment simple dans son principe, mais la développer au point où elle peut maintenant être testée à grande échelle sur des installations industrielles était une proposition plus complexe. Cela nécessitait l’expérience concrète que les fondateurs de l’entreprise ont acquise en installant des systèmes prototypes, d’abord sur la centrale de cogénération au gaz naturel du MIT, puis sur le réacteur de recherche nucléaire du MIT.

Dans ces tests exigeants, qui impliquaient une exposition non seulement à la chaleur et aux vibrations d’une usine industrielle en fonctionnement, mais aussi aux rigueurs des hivers de la Nouvelle-Angleterre, le système a prouvé son efficacité à éliminer le panache de vapeur et à récupérer l’eau. Et, il a purifié l’eau dans le processus, de sorte qu’elle était 100 fois plus propre que l’eau de refroidissement entrante. Le système est actuellement en cours de préparation pour des tests à grande échelle dans une centrale électrique commerciale et dans une usine de traitement chimique.

« Le campus comme laboratoire vivant »

La technologie a été initialement envisagée par le professeur de génie mécanique Kripa Varanasi pour développer des systèmes efficaces de récupération d’eau en capturant les gouttelettes d’eau du brouillard naturel et des panaches des tours de refroidissement des centrales électriques. Le projet a commencé dans le cadre de la recherche de la thèse de doctorat de Maher Damak PhD ’18, avec un financement du MIT Tata Center for Technology and Design, pour améliorer l’efficacité des systèmes de collecte de brouillard comme ceux utilisés dans certaines régions côtières arides comme source de eau potable. Ces systèmes, qui sont généralement constitués de treillis en plastique ou en métal suspendus verticalement sur le chemin des bancs de brouillard, sont extrêmement inefficaces, ne capturant qu’environ 1 à 3 pour cent des gouttelettes d’eau qui les traversent.

Varanasi et Damak ont ​​découvert que la collecte de vapeur pouvait être rendue beaucoup plus efficace en zappant d’abord les minuscules gouttelettes d’eau avec un faisceau de particules chargées électriquement, ou d’ions, pour donner à chaque gouttelette une légère charge électrique. Ensuite, le flux de gouttelettes traverse un treillis métallique, comme un écran de fenêtre, qui a une charge électrique opposée. Cela provoque une forte attraction des gouttelettes vers le maillage, où elles tombent par gravité et peuvent être collectées dans des plateaux placés sous le maillage.

Des tests en laboratoire ont montré que le concept fonctionnait et les chercheurs, rejoints par Karim Khalil PhD ’18, ont remporté le concours d’entrepreneuriat du MIT 100 000 $ en 2018 pour le concept de base. La société naissante, qu’ils appelaient Infinite Cooling, avec Damak comme PDG, Khalil comme CTO et Varanasi comme président, s’est immédiatement mise au travail pour mettre en place une installation de test sur l’une des tours de refroidissement de la centrale électrique du MIT, alimentée au gaz naturel. avec un financement du MIT Office of Sustainability. Après avoir expérimenté différentes configurations, ils ont pu montrer que le système pouvait effectivement éliminer le panache et produire de l’eau d’une grande pureté.

Le professeur Jacopo Buongiorno du Département des sciences et de l’ingénierie nucléaires a immédiatement repéré une bonne opportunité de collaboration, offrant l’utilisation du centre de recherche du Laboratoire des réacteurs nucléaires du MIT pour des tests supplémentaires du système avec l’aide de l’ingénieur du LNR Ed Block. Avec son fonctionnement 24h/24 et 7j/7 et ses émissions de vapeur à température plus élevée, la centrale fournirait un test plus strict du système dans le monde réel, ainsi que prouver son efficacité dans un réacteur en fonctionnement réel autorisé par la Commission de réglementation nucléaire, une étape importante à « réduire les risques » de la technologie afin que les services publics d’électricité puissent adopter le système en toute confiance.

Une fois le système installé au-dessus de l’une des quatre tours de refroidissement de l’usine, les tests ont montré que l’eau collectée était plus de 100 fois plus propre que l’eau d’alimentation entrant dans le système de refroidissement. Il a également prouvé que l’installation, qui, contrairement à la version précédente, avait ses tamis à mailles montés verticalement, parallèlement au flux de vapeur, n’avait aucune incidence sur le fonctionnement de l’usine. La vidéo des tests illustre de manière spectaculaire comment dès que le courant est mis sur le maillage collecteur, le panache blanc de vapeur disparaît immédiatement complètement.






Crédit : Massachusetts Institute of Technology

La température et le volume élevés du panache de vapeur des tours de refroidissement du réacteur représentaient « une sorte de pire scénario en termes de panache », dit Damak, « donc si nous pouvons capturer cela, nous pouvons pratiquement tout capturer ».

Travailler avec le laboratoire des réacteurs nucléaires du MIT, a déclaré Varanasi, « a été une étape assez importante car cela nous a aidés à le tester à grande échelle. … Cela a vraiment validé à la fois la qualité de l’eau et les performances du système. » Le processus, dit-il, « montre l’importance d’utiliser le campus comme un laboratoire vivant. Il nous permet de faire ce genre d’expériences à grande échelle, et a également montré la capacité de réduire durablement l’empreinte hydrique du campus. »

Des avantages de grande envergure

Les panaches des centrales électriques sont souvent considérés comme une horreur et peuvent entraîner une opposition locale aux nouvelles centrales électriques en raison du potentiel de vues obscurcies, et même des dangers potentiels de la circulation lorsque les panaches obscurcissants soufflent sur les routes. « La capacité d’éliminer les panaches pourrait être un avantage important, permettant aux plantes d’être implantées dans des endroits qui pourraient autrement être restreints », a déclaré Buongiorno. Dans le même temps, le système pourrait éliminer une quantité importante d’eau utilisée par les plantes puis perdue dans le ciel, allégeant potentiellement la pression sur les systèmes d’eau locaux, ce qui pourrait être particulièrement utile dans les régions arides.

Le système est essentiellement un processus de distillation, et l’eau pure qu’il produit pourrait aller dans les chaudières des centrales électriques, qui sont séparées du système de refroidissement, qui nécessitent une eau de haute pureté. Cela pourrait réduire le besoin d’eau douce et de systèmes de purification pour les chaudières.

De plus, dans de nombreuses zones côtières arides, les centrales électriques sont refroidies directement avec de l’eau de mer. Ce système ajouterait essentiellement une capacité de dessalement d’eau à l’usine, à une fraction du coût de construction d’une nouvelle usine de dessalement autonome, et à une fraction encore plus petite de ses coûts d’exploitation puisque la chaleur serait essentiellement fournie gratuitement.

La contamination de l’eau est généralement mesurée en testant sa conductivité électrique, qui augmente avec la quantité de sels et autres contaminants qu’elle contient. L’eau utilisée dans les systèmes de refroidissement des centrales électriques mesure généralement 3 000 microsiemens par centimètre, explique Khalil, tandis que l’approvisionnement en eau de la ville de Cambridge est généralement d’environ 500 ou 600 microsiemens par centimètre. L’eau capturée par ce système, dit-il, mesure généralement moins de 50 microsiemens par centimètre.

Grâce à la validation fournie par les tests sur les usines du MIT, la société a maintenant pu sécuriser les arrangements pour ses deux premières installations sur les usines commerciales en exploitation, qui devraient commencer plus tard cette année. L’une est une centrale électrique de 900 mégawatts où la production d’eau propre du système sera un avantage majeur, et l’autre se trouve dans une usine de fabrication de produits chimiques dans le Midwest.

Dans de nombreux endroits, les centrales électriques doivent payer pour l’eau qu’elles utilisent pour le refroidissement, dit Varanasi, et le nouveau système devrait réduire les besoins en eau jusqu’à 20 %. Pour une centrale électrique typique, cela pourrait représenter à lui seul environ un million de dollars d’économies d’eau par an, dit-il.

« L’innovation est la marque de fabrique de l’industrie commerciale américaine depuis plus de six décennies », déclare Maria G. Korsnick, présidente-directrice générale du Nuclear Energy Institute, qui n’a pas participé à la recherche. « Alors que le changement climatique a un impact sur tous les aspects de la vie, y compris l’approvisionnement mondial en eau, les entreprises de la chaîne d’approvisionnement innovent pour trouver des solutions. Les tests de cette technologie innovante au MIT fournissent une base précieuse pour sa prise en compte dans les applications commerciales. »


Un nouveau système récupère l’eau douce des centrales électriques


Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Citation: La technologie de collecte de vapeur économise l’eau tout en purifiant l’air (2021, 3 août) récupéré le 3 août 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-08-vapor-collection-technology-air.html

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