La production d'électricité est l'une des industries les plus consommatrices d'eau du pays chaque jour. Des chercheurs de Sandia National Laboratories aident la plus grande centrale électrique des États-Unis à identifier les stratégies les plus efficaces et les plus rentables pour réduire la consommation d'eau.

Ils ont développé une analyse complète de la dynamique du système, la première du genre, qui peut montrer aux centrales électriques équipées de systèmes de refroidissement par voie humide comment elles peuvent leur faire économiser de l'argent. L'analyse pourrait éventuellement être utilisée dans d'autres usines alors que les régulateurs fédéraux commenceraient à réduire l'approvisionnement en eau autorisé de l'industrie électrique. Les chercheurs ont également repensé et breveté un système de refroidissement par air pour rendre le refroidissement sans eau plus économe en énergie et possible dans une plus large gamme de conditions de fonctionnement.

La centrale nucléaire de Palo Verde près de Phoenix convertit la chaleur des réactions nucléaires en électricité. La chaleur fait bouillir l'eau, créer de la vapeur qui entraîne les turbogénératrices. La vapeur sortant d'une turbine doit être refroidie et condensée avant d'être réutilisée.

Plus de 40 % de toute l'eau utilisée dans le pays est destinée au refroidissement humide des centrales électriques. Typiquement, les grandes centrales thermoélectriques sont situées à proximité des lacs ou des rivières afin que les opérateurs puissent puiser une quantité d'eau régulée, le faire passer dans un condenseur pour refroidir la vapeur sortant des turbines, et décharger à peu près le même montant qu'ils ont retiré.

Mais l'usine de Palo Verde a un accès limité à l'eau car elle se trouve au milieu d'un désert. Son eau de refroidissement est une eau usée traitée, qui devient de plus en plus chère à mesure que d'autres clients - qui sont prêts à payer des prix plus élevés pour l'eau - émergent. Pour freiner la hausse des coûts, les opérateurs veulent réduire la consommation d'eau de l'usine d'environ 9 millions de gallons par jour. Annuellement, que les économies sont à peu près équivalentes à une piscine d'eau de 16 milles carrés d'un pied de profondeur, dit Bobby Middleton, un ingénieur nucléaire à Sandia.

D'autres centrales thermoélectriques rechercheront à l'avenir des approches d'économie d'eau, en tant que population croissante, l'augmentation de la consommation d'énergie par habitant et les réglementations fédérales potentielles réduisent l'approvisionnement en eau de refroidissement. L'analyse de Sandia pourrait également être utilisée pour économiser l'eau dans ces centrales électriques, s'ils fonctionnent au charbon, le gaz naturel ou l'énergie nucléaire.

"Nous avons sauté sur l'occasion de nous attaquer à ce problème pour Palo Verde, car des solutions qui fonctionnent pour Palo Verde pourraient également fonctionner pour d'autres usines, ", a déclaré Middleton.

Pour réduire la consommation d'eau de la plante, les opérateurs de Palo Verde ont d'abord examiné les solutions disponibles dans le commerce. Lorsqu'ils ont réalisé que rien de disponible ne pouvait répondre à leurs besoins, ils se sont tournés vers Sandia Labs pour les aider à identifier les systèmes de refroidissement en cours de développement qui pourraient éventuellement offrir les plus grandes économies d'eau.

Les eaux usées qui arrivent à Palo Verde contiennent de la silice, calcium, ions magnésium et phosphate. Ces sels se concentrent à mesure que l'eau de refroidissement s'évapore dans le système de refroidissement, éventuellement former de nouveaux minéraux qui pourraient obstruer les tours de refroidissement. Actuellement, les opérateurs ajoutent de la chaux, de la soude et de l'acide aux eaux usées avant qu'elles n'entrent dans la tour de refroidissement afin de réduire la possibilité de formation de minéraux.

Le chimiste de Middleton et Sandia, Patrick Brady, utilise le modèle pour identifier des moyens moins coûteux d'éliminer les ions à différents points du cycle de refroidissement. Par exemple, les chercheurs de Sandia étudient la faisabilité du dessalement de l'eau de refroidissement rejetée afin qu'elle puisse être réutilisée. Autrement, l'eau est trop salée pour être réutilisée et doit être évaporée des grands étangs.

Les chercheurs ont terminé la première phase du projet de développement du logiciel d'analyse. La phase suivante consiste à utiliser le logiciel pour identifier les technologies d'économie d'eau les plus prometteuses, y compris les approches alternatives de traitement de l'eau, ainsi que des refroidisseurs secs et hybrides qui utilisent du dioxyde de carbone supercritique au lieu des réfrigérants standard utilisés dans la technologie commerciale. La phase finale du projet consiste à tester la technologie la plus prometteuse en laboratoire dans l'espoir qu'une solution rentable puisse être installée à Palo Verde en 2026.

Refroidissement efficace sans eau

Tout en évaluant des technologies de refroidissement efficaces, Les chercheurs de Sandia travaillent également à améliorer les solutions existantes. Plus tôt cette année, Middleton et ses collègues ont obtenu un brevet pour avoir repensé un refroidisseur d'air afin d'utiliser du dioxyde de carbone supercritique pour transférer la chaleur de la vapeur à l'air. Ce changement rend le refroidissement à sec indirect réalisable dans une plus large gamme de conditions tout en augmentant l'efficacité du système.

Les systèmes de refroidissement humides tels que ceux de Palo Verde ont des condenseurs remplis d'eau pour refroidir la vapeur sortant des turbines. Les systèmes de refroidissement à sec direct transfèrent la chaleur de la vapeur directement à l'air; les systèmes de refroidissement à sec indirect transfèrent la chaleur de la vapeur à l'eau puis de l'eau à l'air. Les systèmes actuellement disponibles dans le commerce conçus pour moderniser une centrale électrique utilisent généralement un réfrigérant de recirculation, à la place de l'eau, pour aider à transférer la chaleur à l'air.

Dans ces systèmes disponibles dans le commerce, le réfrigérant liquide bout lorsqu'il absorbe la chaleur de la vapeur et se condense en un liquide lorsqu'il perd cette chaleur dans l'air. Ce passage du liquide au gaz libère de l'énergie qui fait circuler naturellement le réfrigérant à travers un échangeur de chaleur.

La nouvelle conception du refroidisseur indirect utilise du dioxyde de carbone supercritique au lieu d'un réfrigérant. Voici comment cela fonctionne :Au-dessus d'une certaine pression et température, le dioxyde de carbone devient un fluide supercritique. Cela signifie que le CO 2 agit comme un liquide au-dessous de la température critique et comme un gaz au-dessus de la température critique. Cependant, en aucun point le fluide n'est un fluide diphasique; ça ne bout pas. Parce qu'un fluide peut passer d'un liquide à un gaz sans bouillir, un fluide supercritique peut transférer de la chaleur sur une plage de température plus large qu'un fluide sous-critique (comme le R134a utilisé dans les technologies actuelles).

Les avantages en termes de performances de cette conception proviennent de la quantité d'air nécessaire pour rafraîchir le dioxyde de carbone supercritique pour un autre cycle de refroidissement. Un échangeur de chaleur avec du dioxyde de carbone supercritique utilise moins d'air pour refroidir l'eau à la même température qu'un refroidisseur sec traditionnel avec un réfrigérant sous-critique ; il peut également rendre l'eau plus fraîche en utilisant la même quantité d'air. Les deux impacts améliorent l'efficacité énergétique globale du processus de refroidissement.

"Les conditions de fonctionnement étendues signifient également qu'il y a plus de périodes de l'année où les usines peuvent utiliser le refroidissement à sec, ", a déclaré Middleton.

Les chercheurs prévoient de tester la conception de Sandia par rapport à l'état de l'art, technologie disponible dans le commerce, et ils l'analysent actuellement comme une solution potentielle pour l'usine de Palo Verde.

En raison de la diminution de la disponibilité de l'eau, ce qui était autrefois la ressource la moins chère pour les centrales thermoélectriques devient rapidement l'un des aspects les plus coûteux de la production d'électricité.

"Les technologies d'économie d'eau pour la production d'énergie sont essentielles pour les scientifiques et les ingénieurs à considérer aujourd'hui, " a déclaré Brady.

Sandia National Laboratories est un laboratoire multimission exploité par National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, une filiale en propriété exclusive de Honeywell International Inc., pour la National Nuclear Security Administration du département de l'Énergie des États-Unis. Sandia Labs a des responsabilités majeures en recherche et développement dans le domaine de la dissuasion nucléaire, sécurité mondiale, la défense, technologies énergétiques et compétitivité économique, avec des installations principales à Albuquerque, Nouveau Mexique, et Livermore, Californie.

Évaluer différentes technologies émergentes, Middleton a développé un logiciel qui combine la physique du processus de refroidissement, comme l'écoulement de fluide, transfert de chaleur, évaporation atmosphérique et traitement de l'eau - avec l'impact financier de différentes solutions. Parfois, une certaine technologie permet à une usine d'économiser de l'argent grâce à une efficacité accrue ; d'autres fois, les réductions de la consommation d'eau permettent de réaliser des économies globales.

"Personne n'a créé une analyse de la dynamique du système qui considère simultanément tous ces facteurs avant, ", a-t-il déclaré. "Cela nous aide à prédire les avantages que nous pourrions voir d'une technologie particulière afin que nous passions du temps à tester uniquement les approches les plus prometteuses."