Elproduktion är en av de industrier som använder mest vatten i landet varje dag. Forskare vid Sandia National Laboratories hjälper det största kraftverket i USA att identifiera de mest effektiva och kostnadseffektiva strategierna för att minska vattenanvändningen.

De utvecklade en första i sitt slag omfattande systemdynamikanalys som kan visa kraftverk med våtkylningssystem hur det kan spara pengar för dem. Analysen kan så småningom användas vid andra anläggningar när federala tillsynsmyndigheter börjar minska kraftindustrins tillåtna vattenförsörjning. Forskarna har också designat om och patenterat ett luftkylningssystem för att göra vattenfri kylning mer energieffektiv och möjlig över ett bredare spektrum av driftsförhållanden.

Palo Verde kärnkraftverk nära Phoenix omvandlar värme från kärnreaktioner till elektricitet. Värmen kokar vatten, skapar ånga som driver turbingeneratorer. Ånga som lämnar en turbin måste kylas och kondenseras innan den återanvänds.

Mer än 40 % av allt vatten som används i landet går till våtkyla vid kraftverk. Vanligtvis, stora termoelektriska kraftverk ligger nära sjöar eller floder så att operatörer kan dra en reglerad mängd vatten, kör den genom en kondensor för att kyla ånga som lämnar turbinerna, och släpper ut ungefär samma summa som de tagit ut.

Men Palo Verde-anläggningen har begränsad tillgång till vatten eftersom den ligger mitt i en öken. Dess kylvatten är renat avloppsvatten, som blir allt dyrare i takt med att andra kunder — som är villiga att betala högre priser för vatten — dyker upp. För att stävja stigande kostnader, operatörer vill minska anläggningens vattenanvändning med cirka 9 miljoner liter per dag. Årligen, att besparingar ungefär motsvarar en 16 kvadratkilometer vattenpool en fot djup, sa Bobby Middleton, en kärnkraftsingenjör på Sandia.

Andra termoelektriska kraftverk kommer att leta efter vattenbesparingsmetoder i framtiden, som växande befolkning, ökad energianvändning per capita och potentiella federala bestämmelser minskar tillförseln av kylvatten. Sandia-analysen kan också användas för att spara vatten vid dessa kraftverk, om de kör på kol, naturgas eller kärnenergi.

"Vi hoppade på tillfället att ta itu med det här problemet för Palo Verde eftersom lösningar som fungerar för Palo Verde också skulle kunna fungera för andra anläggningar också, sa Middleton.

För att minska växtens vattenanvändning, operatörer på Palo Verde tittade först på kommersiellt tillgängliga lösningar. När de insåg att inget tillgängligt kunde tillgodose deras behov, de vände sig till Sandia Labs för att hjälpa till att identifiera vilka kylsystem under utveckling som så småningom kan ge de största vattenbesparingarna.

Avloppsvattnet som kommer till Palo Verde innehåller kiseldioxid, kalcium, magnesium- och fosfatjoner. Dessa salter koncentreras när kylvattnet avdunstar i kylsystemet, möjligen bildar nya mineraler som kan täppa till kyltornen. För närvarande, operatörer lägger till kalk, soda och syra till avloppsvattnet innan det kommer in i kyltornet för att minska risken för mineralbildning.

Middleton och Sandia kemisten Patrick Brady använder modellen för att identifiera billigare sätt att avlägsna joner vid olika punkter i kylningscykeln. Till exempel, Sandia-forskarna undersöker möjligheten att avsalta utsläppt kylvatten så att det kan återanvändas. Annat, vattnet är för salt för återanvändning och måste förångas från stora dammar.

Forskarna har avslutat den första fasen av projektet med att utveckla analysmjukvaran. Nästa fas innebär att använda programvaran för att identifiera de mest lovande vattenbesparande teknikerna, inklusive alternativa metoder för vattenrening, samt torr- och hybridkylare som använder superkritisk koldioxid istället för de vanliga köldmedierna som används inom kommersiell teknik. Den sista fasen av projektet innebär att testa den mest lovande tekniken i laboratoriemiljö i hopp om att en kostnadseffektiv lösning kan installeras på Palo Verde 2026.

Effektiv kylning utan vatten

Medan man utvärderar effektiv kylteknik, Sandia-forskare arbetar också med att förbättra befintliga lösningar. Tidigare i år, Middleton och hans kollegor tilldelades ett patent för att göra om en luftkylare för att använda superkritisk koldioxid för att överföra värme från ånga till luft. Denna förändring gör indirekt torrkylning möjlig över ett bredare spektrum av förhållanden samtidigt som systemets effektivitet ökar.

Våta kylsystem som de vid Palo Verde har vattenfyllda kondensorer för att kyla ånga som lämnar turbinerna. Direkt torrkylningssystem överför värme från ångan direkt till luft; indirekta torrkylningssystem överför värme från ångan till vattnet och sedan från vattnet till luften. Nuvarande kommersiellt tillgängliga system utformade för att eftermontera ett kraftverk använder vanligtvis ett recirkulerande köldmedium, istället för vatten, för att hjälpa till att överföra värme till luft.

I dessa kommersiellt tillgängliga system, det flytande köldmediet kokar när det absorberar värme från ångan och kondenserar till en vätska när det förlorar värmen till luft. Denna förändring från vätska till gas frigör energi som får köldmediet att cirkulera naturligt genom en värmeväxlare.

Den nya indirekta kylarens design använder superkritisk koldioxid istället för ett köldmedium. Så här fungerar det:Över ett visst tryck och temperatur, koldioxid blir en superkritisk vätska. Det betyder att CO ₂ fungerar som en vätska under den kritiska temperaturen och som en gas över den kritiska temperaturen. Dock, vid ingen punkt är vätskan en tvåfasvätska; det kokar inte. Eftersom en vätska kan förändras från en vätska till en gas utan att koka, en superkritisk vätska kan överföra värme över ett bredare temperaturområde än en underkritisk vätska (som R134a som används i nuvarande teknologier).

Prestandafördelarna med denna design kommer från mängden luft som behövs för att fräscha upp den superkritiska koldioxiden för ytterligare en kylning. En värmeväxlare med superkritisk koldioxid använder mindre luft för att kyla vatten till samma temperatur som en traditionell torrkylare med ett underkritiskt köldmedium; det kan också göra vattnet svalare med samma mängd luft. Båda effekterna förbättrar den totala energieffektiviteten för kylningsprocessen.

"De utökade driftsförhållandena gör också att det finns fler tider på året som anläggningar kan använda torrkylning, sa Middleton.

Forskarna planerar att testa Sandias design mot toppmoderna, kommersiellt tillgänglig teknik, och de analyserar för närvarande det som en potentiell lösning för Palo Verde-anläggningen.

På grund av den minskande tillgången på vatten, det som en gång var den billigaste resursen för termoelektriska kraftverk håller snabbt på att bli en av de dyraste aspekterna av elproduktion.

"Vattenbesparande teknik för energiproduktion är avgörande för forskare och ingenjörer att överväga idag, " sa Brady.

Sandia National Laboratories är ett multimissionslaboratorium som drivs av National Technology and Engineering Solutions från Sandia LLC, ett helägt dotterbolag till Honeywell International Inc., för det amerikanska energidepartementets National Nuclear Security Administration. Sandia Labs har stort forsknings- och utvecklingsansvar inom kärnvapenavskräckning, global säkerhet, försvar, energiteknik och ekonomisk konkurrenskraft, med huvudanläggningar i Albuquerque, New Mexico, och Livermore, Kalifornien.

För att utvärdera olika framväxande teknologier, Middleton utvecklade mjukvara som kombinerar kylningsprocessens fysik – som vätskeflöde, värmeöverföring, atmosfärisk avdunstning och vattenbehandling — med den ekonomiska effekten av olika lösningar. Ibland, en viss teknik sparar en anläggning pengar genom ökad effektivitet; andra tider, minskad vattenanvändning ger totala kostnadsbesparingar.

"Ingen har skapat en systemdynamikanalys som samtidigt tar hänsyn till alla dessa faktorer tidigare, ", sa han. "Det hjälper oss att förutsäga fördelarna vi kan se av en viss teknik så att vi spenderar tid på att bara testa de mest lovande metoderna."