A produção de eletricidade é uma das indústrias que mais consome água no país a cada dia. Pesquisadores do Sandia National Laboratories estão ajudando a maior usina de energia dos Estados Unidos a identificar as estratégias mais eficientes e econômicas para reduzir o uso de água.

Eles desenvolveram uma análise de dinâmica de sistema abrangente, inédita, que pode mostrar às usinas com sistemas de resfriamento úmido como economizar dinheiro. A análise pode eventualmente ser usada em outras usinas, à medida que os reguladores federais começam a reduzir o abastecimento de água permitido para o setor de energia. Os pesquisadores também redesenharam e patentearam um sistema de resfriamento a ar para tornar o resfriamento sem água mais eficiente em termos de energia e possível em uma ampla gama de condições operacionais.

A Estação de Geração Nuclear de Palo Verde, perto de Phoenix, converte o calor das reações nucleares em eletricidade. O calor ferve a água, criando vapor que aciona geradores de turbina. O vapor que sai de uma turbina deve ser resfriado e condensado antes de ser reutilizado.

Mais de 40% de toda a água utilizada no país é para resfriamento úmido em usinas de energia. Tipicamente, grandes usinas termelétricas estão localizadas perto de lagos ou rios para que os operadores possam tirar uma quantidade regulada de água, passe-o por um condensador para resfriar o vapor que sai das turbinas, e descarregar aproximadamente a mesma quantia que retiraram.

Mas a fábrica da Palo Verde tem acesso limitado à água porque está no meio de um deserto. Sua água de resfriamento é água residual tratada, que está se tornando cada vez mais caro à medida que outros clientes - que estão dispostos a pagar preços mais altos pela água - surgem. Para conter os custos crescentes, os operadores querem reduzir o uso de água da planta em cerca de 9 milhões de galões por dia. Anualmente, essa economia é aproximadamente equivalente a uma piscina de 16 milhas quadradas de água com um pé de profundidade, disse Bobby Middleton, um engenheiro nuclear em Sandia.

Outras usinas termelétricas buscarão abordagens de economia de água no futuro, com o aumento da população, o aumento do uso de energia per capita e os potenciais regulamentos federais reduzem o fornecimento de água para resfriamento. A análise de Sandia também pode ser usada para economizar água nessas usinas, se eles funcionam com carvão, gás natural ou energia nuclear.

"Aproveitamos a oportunidade para resolver este problema para a Palo Verde porque soluções que funcionam para a Palo Verde também podem funcionar para outras fábricas, "Middleton disse.

Para reduzir o uso de água da planta, os operadores da Palo Verde primeiro olharam para as soluções disponíveis comercialmente. Quando perceberam que nada disponível poderia atender às suas necessidades, eles recorreram ao Sandia Labs para ajudar a identificar quais sistemas de resfriamento em desenvolvimento podem, eventualmente, oferecer a maior economia de água.

O esgoto que chega a Palo Verde contém sílica, cálcio, íons magnésio e fosfato. Esses sais se concentram conforme a água de resfriamento evapora no sistema de resfriamento, possivelmente formando novos minerais que podem obstruir as torres de resfriamento. Atualmente, operadores adicionam cal, carbonato de sódio e ácido para a água residual antes de entrar na torre de resfriamento para reduzir a possibilidade de formação de minerais.

O químico Patrick Brady de Middleton e Sandia está usando o modelo para identificar maneiras menos caras de remover íons em diferentes pontos do ciclo de resfriamento. Por exemplo, os pesquisadores do Sandia estão examinando a viabilidade de dessalinizar a água de resfriamento descarregada para que possa ser reutilizada. De outra forma, a água é muito salgada para ser reutilizada e deve ser evaporada de grandes lagoas.

Os pesquisadores concluíram a primeira fase do projeto de desenvolvimento do software de análise. A próxima fase envolve o uso do software para identificar as tecnologias de economia de água mais promissoras, incluindo abordagens alternativas de tratamento de água, bem como refrigeradores secos e híbridos que usam dióxido de carbono supercrítico em vez dos refrigerantes padrão em uso na tecnologia comercial. A fase final do projeto envolve testar a tecnologia mais promissora em um ambiente de laboratório, na esperança de que uma solução econômica possa ser instalada em Palo Verde em 2026.

Resfriamento eficiente sem água

Ao avaliar tecnologias de resfriamento eficazes, Os pesquisadores da Sandia também estão trabalhando para melhorar as soluções existentes. No início deste ano, Middleton e seus colegas receberam uma patente por reprojetar um refrigerador de ar para usar dióxido de carbono supercrítico para transferir calor do vapor para o ar. Essa mudança torna o resfriamento a seco indireto viável em uma ampla gama de condições, ao mesmo tempo que aumenta a eficiência do sistema.

Os sistemas de resfriamento úmido, como os de Palo Verde, têm condensadores cheios de água para resfriar o vapor que sai das turbinas. Os sistemas de resfriamento a seco direto transferem calor do vapor diretamente para o ar; os sistemas de resfriamento a seco indireto transferem o calor do vapor para a água e, em seguida, da água para o ar. Os atuais sistemas disponíveis comercialmente projetados para modernizar uma usina de energia normalmente usam um refrigerante recirculante, em vez de água, para ajudar a transferir calor para o ar.

Nestes sistemas disponíveis comercialmente, o refrigerante líquido ferve ao absorver o calor do vapor e se condensa em um líquido ao perder esse calor para o ar. Essa mudança de líquido para gás libera energia que faz com que o refrigerante circule naturalmente por meio de um trocador de calor.

O novo design do resfriador indireto usa dióxido de carbono supercrítico em vez de um refrigerante. Funciona assim:acima de uma certa pressão e temperatura, o dióxido de carbono se torna um fluido supercrítico. Isso significa que o CO ₂ atua como um líquido abaixo da temperatura crítica e como um gás acima da temperatura crítica. Contudo, em nenhum ponto o fluido é um fluido de duas fases; não ferve. Porque um fluido pode mudar de um líquido para um gás sem ferver, um fluido supercrítico pode transferir calor em uma faixa de temperatura mais ampla do que um fluido subcrítico (como o R134a usado nas tecnologias atuais).

Os benefícios de desempenho com este design vêm da quantidade de ar necessária para renovar o dióxido de carbono supercrítico para outra rodada de resfriamento. Um trocador de calor com dióxido de carbono supercrítico usa menos ar para resfriar a água até a mesma temperatura que um refrigerador a seco tradicional com um refrigerante subcrítico; também pode esfriar a água usando a mesma quantidade de ar. Ambos os impactos melhoram a eficiência energética geral do processo de resfriamento.

"As condições de operação ampliadas também significam que há mais épocas do ano que as plantas podem usar o resfriamento a seco, "Middleton disse.

Os pesquisadores planejam testar o design de Sandia em relação ao estado da arte, tecnologia disponível comercialmente, e eles estão atualmente analisando isso como uma solução potencial para a planta de Palo Verde.

Devido à disponibilidade decrescente de água, o que antes era o recurso mais barato para usinas termelétricas está rapidamente se tornando um dos aspectos mais caros da produção de eletricidade.

"As tecnologias de economia de água para a produção de energia são fundamentais para os cientistas e engenheiros considerarem hoje, "Brady disse.

Sandia National Laboratories é um laboratório de multimissão operado pela National Technology and Engineering Solutions da Sandia LLC, uma subsidiária integral da Honeywell International Inc., para a Administração Nacional de Segurança Nuclear do Departamento de Energia dos EUA. Sandia Labs tem grandes responsabilidades de pesquisa e desenvolvimento em dissuasão nuclear, segurança global, defesa, tecnologias de energia e competitividade econômica, com instalações principais em Albuquerque, Novo México, e Livermore, Califórnia.

Para avaliar diferentes tecnologias emergentes, Middleton desenvolveu um software que combina a física do processo de resfriamento, como fluxo de fluido, transferência de calor, evaporação atmosférica e tratamento de água - com o impacto financeiro de diferentes soluções. As vezes, uma determinada tecnologia economiza dinheiro para a fábrica por meio de maior eficiência; outros tempos, as reduções no uso de água proporcionam economia geral de custos.

"Ninguém criou uma análise de dinâmica do sistema que considere simultaneamente todos esses fatores antes, "ele disse." Isso nos ajuda a prever os benefícios que podemos ver de uma tecnologia em particular, de modo que gastamos tempo apenas testando as abordagens mais promissoras. "