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En los Estados Unidos, aproximadamente dos quintas partes de toda el agua extraída de lagos, ríos y pozos no se utiliza para la agricultura, la bebida o el saneamiento, sino para enfriarlos. Plantas de energía que proporcionan electricidad a partir de combustibles fósiles o energía nuclear. Más del 65% de estas fábricas utilizan refrigeración por evaporación, lo que da como resultado enormes columnas blancas que escapan de sus torres de refrigeración, 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 de estas fábricas como las plumas resultantes, y potencialmente ayudar a aliviar la escasez de agua en la ciudad. 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 instalaciones industriales fue una propuesta más compleja. Esto requirió la experiencia práctica que obtuvieron los fundadores de la empresa 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 la vibración de una planta industrial en funcionamiento, sino también a los duros inviernos de Nueva Inglaterra, se demostró que el sistema es eficaz para eliminar la columna de vapor y recoger el agua. Y purificó el agua en el proceso, por lo que era 100 veces más limpia que el agua de enfriamiento entrante. El sistema se está preparando actualmente para pruebas a gran escala en una planta de energía comercial y una planta de procesamiento químico.
"El campus como laboratorio vivo"
La tecnología fue concebida originalmente por el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi para desarrollar sistemas eficientes de recolección de agua mediante la captura de gotas de agua de la niebla natural y las columnas de las torres de enfriamiento de las centrales eléctricas. El proyecto comenzó como parte de la investigación de tesis doctoral PhD '18 de Maher Damak, con fondos del MIT Tata Center for Technology and Design, para mejorar la eficiencia de los sistemas de recolección de niebla como los que se utilizan en algunas regiones costeras áridas como fuente de agua potable. Estos sistemas, que generalmente están hechos de enrejados de plástico o metal suspendidos verticalmente sobre el camino de los bancos de niebla, son extremadamente ineficientes, ya que 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 podría ser mucho más eficiente si primero se golpearan las diminutas gotas de agua con un haz de partículas cargadas eléctricamente, o iones, para dar a cada gota una ligera carga eléctrica. Luego, el flujo de gotas pasa a través de una malla metálica, como una pantalla de ventana, que tiene una carga eléctrica opuesta. Esto provoca una fuerte atracción de las gotitas hacia la malla, donde caen por gravedad y pueden recogerse 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 de $ 100,000 del MIT en 2018 por el concepto central. La incipiente empresa, 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 planta de energía de gas natural del MIT, con financiación del MIT. Oficina de Sostenibilidad. Después de experimentar con diferentes configuraciones, pudieron demostrar que el sistema puede eliminar eficazmente 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, ofreciendo el uso del centro de investigación del Laboratorio de Reactores Nucleares del MIT para realizar más pruebas del sistema con la ayuda del ingeniero de LNR Ed Block. Con su funcionamiento las 24 horas del día, los 7 días de la semana y las emisiones de vapor a mayor temperatura, la planta proporcionaría pruebas más estrictas del sistema en el mundo real, además de demostrar su eficiencia en un reactor en funcionamiento real autorizado por la Comisión Reguladora Nuclear, un paso importante en " reduciendo el riesgo "de la tecnología para que las empresas eléctricas puedan adoptar el sistema con confianza.
Una vez que el sistema se instaló en la parte superior de una de las cuatro torres de enfriamiento de la planta, las pruebas mostraron que el agua recolectada era más de 100 veces más limpia que el agua 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 al flujo de vapor, no tuvo ningún efecto en el funcionamiento de la planta. El video de las pruebas ilustra dramáticamente cómo tan pronto como se pone la corriente en la malla del colector, la columna de vapor blanca desaparece inmediatamente por completo.
La alta temperatura y el volumen de la columna de vapor de las torres de enfriamiento del reactor fue "una especie de escenario en el peor de los casos en términos de columnas", dice Damak, "así que si podemos capturar eso, podemos capturar prácticamente cualquier cosa".
Trabajar con el laboratorio de reactores nucleares del MIT, dice Varanasi, “fue un gran paso porque nos ayudó a probarlo a gran escala. … Realmente validó tanto la calidad del agua como el rendimiento del sistema. El proceso, dice, "muestra la importancia de utilizar el campus como un laboratorio viviente". Nos permite hacer este tipo de experimentos a gran escala y también ha demostrado la capacidad de reducir de manera sostenible la huella hídrica del campus. "
Ventajas de gran alcance
Los penachos de las plantas de energía a menudo se consideran una monstruosidad y pueden llevar a la oposición local a las nuevas plantas de energía debido a la posibilidad de que las vistas oscurezcan e incluso a los posibles peligros del tráfico cuando los penachos oscurecen las carreteras. "La capacidad de eliminar las plumas podría ser un beneficio significativo, permitiendo que las plantas se establezcan en lugares que de otro modo podrían estar restringidos", dijo Buongiorno. Al mismo tiempo, el sistema podría eliminar una cantidad significativa de agua utilizada por las plantas y luego perdida al aire, aliviando potencialmente la presión sobre los sistemas de agua locales, lo que podría ser particularmente 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. Esto podría reducir la necesidad de agua dulce y sistemas de purificación para calderas.
Además, en muchas áreas costeras áridas, las plantas de energía se enfrían directamente con agua de mar. Este sistema esencialmente agregaría capacidad de desalinización de agua a la planta, a una fracción del costo. una fracción más pequeña de sus costos operativos, ya que el calor se proporcionaría esencialmente de forma gratuita.
La contaminación del agua se mide típicamente 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 ser de 3.000 microsiemens por centímetro, explica Khalil, mientras que el suministro de agua de 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 fábricas del MIT, la compañía ahora ha podido asegurar los arreglos para sus dos primeras instalaciones en fábricas comerciales operativas, que se espera que comiencen a finales de este año. Una es una planta de energía de 900 megavatios donde la producción de agua limpia del sistema será un gran beneficio, 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 los requisitos de agua hasta en un 20%. Para una planta de energía típica, eso por sí solo podría sumar alrededor de un millón de dólares en ahorros de agua por año, dice.
« 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 investigacion. “Dado que el cambio climático impacta en todos los aspectos de la vida, incluido el suministro global de agua, las empresas de toda la cadena de suministro están innovando para encontrar soluciones. La prueba de esta tecnología innovadora en el MIT proporciona una base valiosa para su consideración en aplicaciones comerciales. "
