Des chercheurs de l'Université de Cincinnati affirment avoir trouvé une solution à l'un des plus grands problèmes environnementaux auxquels l'industrie de l'énergie est confrontée :la consommation d'eau.

Les centrales électriques aux États-Unis ont besoin d'autant d'eau chaque année que toutes les fermes du pays réunies - environ 133 milliards de gallons par jour, selon les chiffres fédéraux. Cela exerce une pression énorme sur les ressources en eau et a un impact négatif sur l'environnement.

Mais Raj Manglik et Milind Jog, professeurs de génie mécanique au Collège d'ingénierie et de sciences appliquées de l'UC, disent qu'ils ont développé un nouveau système de refroidissement par air pour les centrales électriques qui n'utilise pas d'eau mais est presque aussi efficace que les systèmes refroidis à l'eau.

"À un moment donné, ce sera une crise de l'eau - et ce sera assez bientôt, " Manglik a déclaré. "C'était la motivation principale. Pouvons-nous rendre le refroidissement par air significativement plus viable pour que les entreprises l'adoptent malgré tout ?" ?

Le projet a été financé par une subvention de 3,4 millions de dollars du département américain de l'Énergie.

La plupart des centrales électriques aux États-Unis sont construites le long de plans d'eau pour répondre aux exigences de leurs systèmes de refroidissement. Une partie de l'eau est perdue par évaporation dans les tours de refroidissement. Dans d'autres cas, l'eau plus chaude est pompée vers les lacs, rivières ou baies, qui peut augmenter la température ambiante, tuant les poissons et autres organismes aquatiques et créant des proliférations d'algues toxiques. Les scientifiques appellent cela la "pollution thermique".

"L'eau autour des centrales électriques peut être nettement plus chaude que le reste d'une rivière ou d'un lac, " a déclaré Manglik. "Cela a un impact négatif sur les poissons et les plantes et détruit l'écosystème."

Les deux chercheurs ont utilisé leurs connaissances en transfert de chaleur expérimental, modélisation informatique et dynamique des fluides pour concevoir un meilleur condenseur à air pour les centrales électriques. Comme le radiateur d'une voiture, le condenseur est doté d'un maillage d'ailettes métalliques spécialement conçu par les chercheurs d'UC pour évacuer la chaleur de l'air en circulation.

Les chercheurs d'UC ont développé des ailettes métalliques améliorées avec une conception géométrique unique qui modifie favorablement le flux d'air au-dessus d'elles. Cela fournit une bien meilleure convection de chaleur pour refroidir la vapeur dans le condenseur à air.

"Le flux d'air est perturbé avec plus de mélange et un transfert de chaleur plus efficace par rapport aux ailettes traditionnelles utilisées sur ces condenseurs à air, " dit Jog.

Manglik a dit qu'il n'y avait pas un seul "Eureka!" moment, mais plutôt des améliorations délibérées au fil du temps.

"Nous utilisons une expérimentation soigneusement contrôlée couplée à une modélisation informatique, " a déclaré Manglik. " La modélisation nous aide à comprendre la physique. Les expériences nous donnent les résultats qui peuvent être utilisés pour optimiser la conception."

L'émission de plus de chaleur augmente l'efficacité des centrales électriques, ce qui signifie qu'ils peuvent produire plus d'électricité. Et comme le système de refroidissement est plus efficace, il n'a pas besoin d'être aussi gros et coûteux à construire, ils ont dit. Des tests à l'échelle du laboratoire ont suggéré que le système des chercheurs pouvait réduire la température de refroidissement des 140 degrés actuels à 115 degrés.

Les doctorants de l'UC Kuan-Ting Lin et Dantong Shi ont testé un petit prototype dans un laboratoire d'ingénierie. Désormais, UC s'associe à Taneytown, Maryland, société EVAPCO sur un test de prototype à grande échelle de la conception dans les laboratoires de la société.

Mais les ingénieurs d'UC ne se sont pas arrêtés aux ailettes du condenseur. Ils travaillent également sur une solution à l'une des plus grandes énigmes de l'industrie de l'énergie. En été, la demande d'électricité atteint généralement un pic pendant la partie la plus chaude de la journée, lorsque les systèmes de refroidissement d'une usine sont les moins efficaces.

Les professeurs Jog et Manglik développent un meilleur système pour prérefroidir l'air en circulation à l'aide d'un dissipateur thermique qui capte les températures plus fraîches la nuit.

"La deuxième partie que nous développons est un prérefroidisseur d'air couplé à un stockage d'énergie thermique, " dit Jog. " Donc la nuit quand les températures sont basses, le système « emmagasine » le froid. Et cela est utilisé pendant les heures de pointe pour refroidir l'air avant qu'il n'aille au condenseur."

Les chercheurs de l'UC travaillent également avec Babcock &Wilcox, à Lancaster, Ohio, qui a acquis en 2016 la société italienne SPIG spécialisée dans les systèmes de refroidissement des centrales électriques.

Manglik a déclaré que les centrales électriques refroidies par air deviendront de plus en plus précieuses dans les régions arides du monde face à l'industrialisation croissante et au changement climatique.

« Il y a déjà une pénurie d'eau, exacerbée par les besoins mondiaux en énergie, " a déclaré Manglik. " Nous aurons besoin d'un nombre considérablement élevé de nouvelles centrales électriques si le reste du monde commence à consommer de l'énergie au même rythme que nous le faisons aux États-Unis. "

Les chercheurs de l'UC ont travaillé sur le brevetage de leurs idées depuis la soumission de leur proposition de subvention en 2015. Manglik a déclaré que leurs résultats des expériences à grande échelle devront être convaincants.

« L'inertie des systèmes d'ingénierie est ahurissante. Vous allez dans une raffinerie de pétrole ou une usine pétrochimique, et certaines des technologies utilisées ont 40 ou 50 ans, " a déclaré Manglik. " L'efficacité n'est pas toujours une mesure qui compte. "

Les deux chercheurs ont collaboré à divers projets de recherche à l'UC au cours de la dernière décennie.

"Le Dr Jog a des talents particuliers en physique informatique et en modélisation, " a déclaré Manglik. " J'ajoute à cela des idées expérimentales. Cela ne me dérange pas de me salir les mains, littéralement."

"Je pense que la synergie fait que ça marche, " dit Jog.