Nutzung der Kühlturmfahnen zur Bereitstellung von gereinigtem Wasser

Eine neuartige Technologie, die im Prinzip überraschend einfach ist, verspricht, den Wasserverbrauch in Verdunstungskühlturmsystemen durch das Auffangen von Wasser aus Kühlturmfahnen deutlich zu senken.

Bei Kühltürmen in Kraftwerken handelt es sich im Wesentlichen um Wärmeabfuhrsysteme, die große Mengen Wasser verbrauchen, um die Wärme aus dem Umlaufwasser abzuleiten. In Nasskühltürmen umfasst der Prozess die Verdampfung eines Teils des zirkulierenden Wassers, wodurch eine Wärmeübertragung sowohl durch fühlbare Luftwärme als auch durch latente Verdampfungswärme erfolgt.

Ein seit langem bestehendes Problem in der Energiebranche betrifft die Menge an Wasserverlusten aus Kühltürmen. Wasser geht hauptsächlich durch Verdunstung verloren, bei der es während des Wärmeabgabeprozesses zu einer Dampfabgabe an die Umgebungsluft kommt. Es tritt aber auch beim Abblasen auf, wenn das Wasser aus dem Turm entfernt und ersetzt werden muss, um Verschmutzung und Kalkbildung zu verhindern. Ein Teil des Wassers geht auch durch Abdrift verloren, die auftritt, wenn winzige Tröpfchen mit dem austretenden Luft- oder Dampfstrom mitgerissen werden. Die Abdriftverluste sind jedoch in der Regel minimal und machen weniger als 1 % des Verbrauchs aus.

Wasserverluste können erheblich sein. Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) geht davon aus, dass unabhängig von der Betriebseffizienz des Kühlturms pro Tonne Kühlung etwa 1,8 Gallonen Wasser verdunsten. „Herkömmliche nassgekühlte Kraftwerke verlieren 60 bis 90 % ihres einströmenden Wassers durch Verdunstung oder Drift im Kühlturm“, bemerkte Dan Sampson, leitender technischer Berater bei HDR.

Diese Verluste sind nicht nur kostspielig, sondern haben auch andere Nebenwirkungen. Da die Wasserverdunstung eine kontinuierliche Nachspeisung aus einer Wasserquelle erfordert, können sich aktuelle und zukünftige Wasserknappheitsprobleme direkt auf die Zuverlässigkeit und Rentabilität von Kraftwerken auswirken. Im Jahr 2017 machten sich zwei Doktoranden des Massachusetts Institute of Technology (MIT), Maher Damak und Karim Khalil, sowie der MIT-Professor für Maschinenbau Kripa Varanasi daran, dieses drängende Problem mit einem gezielten Fokus auf Kraftwerksfahnen anzugehen.

Wenn Dampf einen Kühlturm verlässt, kann er unter bestimmten Umgebungsbedingungen (normalerweise, wenn die Umgebungsluft kalt oder feucht ist) kondensieren und eine Nebelwolke bilden, beobachteten die Forscher. Die Forscher stellten fest, dass Wolkenfahnen seit langem ein weiteres Problem für die Energiewirtschaft darstellen. Sie können lästig und sogar gefährlich sein.

„Behördliche Anforderungen in Bezug auf Sicherheit (treibende Rauchwolken können die Sicht auf Straßen und Flughäfen beeinträchtigen) und Ästhetik zwingen einige Kühltürme dazu, mit Rauchfahnenminderungssystemen ausgestattet zu sein, die im Allgemeinen den austretenden Dampf erwärmen und seinen Feuchtigkeitsgehalt verringern, entweder durch Wärmetauscher oder durch „Wir blasen heiße, trockene Luft und vermischen sie mit dem austretenden Dampf, wodurch die Bildung von Nebeltröpfchen am Auslass des Turms verhindert wird“, sagten sie.

Während diese Abgasreinigungssysteme das Erscheinungsbild einer Wolke beseitigen können, verbraucht ein Kraftwerk, das sie verwendet, möglicherweise immer noch die gleiche Menge Wasser und leidet unter einer geringeren Gesamtnettoenergieeffizienz, da zusätzlicher Wärmebedarf an die Auslässe des Kühlturms weitergeleitet wird. Und während einige Geräte dafür konzipiert sind, aus Kühltürmen austretenden Dampf zur Wiederverwendung im Kreislauf zu sammeln, basieren die meisten Methoden auf der Sorption von Flüssigkeiten oder Feststoffen, was viel Energie oder kostspielige Ausrüstung erfordert.

1. Schematische Darstellung des Standorts und der Verwendung der nachrüstbaren Lösung von Infinite Cooling. Mit freundlicher Genehmigung: Infinite Cooling / National Energy Technology Laboratory (NETL)

Im Rahmen eines von der MIT Varanasi Research Group geförderten Projekts entwickelten die Forscher das Water Panel (Abbildung 1). Wenn nebelreiche Luft mit einem Ionenstrahl bestrahlt wird, werden die Wassertröpfchen im Nebel elektrisch aufgeladen. Diese Tröpfchen können dann zu einem Drahtgeflecht (wie einem Fenstergitter) gezogen, aufgefangen und in eine Auffangwanne abgeleitet werden. Das Kraftwerk kann das „geerntete“ Wasser dann wiederverwenden oder in das Wasserversorgungssystem einer Stadt einspeisen.

Bei dem System handelt es sich im Wesentlichen um einen Destillationsprozess, der es einem 600-MW-Kraftwerk ermöglichen könnte, bis zu 150 Millionen Gallonen Wasser pro Jahr aufzufangen – was etwa 20 bis 30 % des Wasserverlusts von Kühltürmen entspricht, sagt Infinite Cooling. Forschungs- und Entwicklungsergebnisse deuten darauf hin, dass das vom System aufgefangene Wasser typischerweise weniger als 50 Mikrosiemens pro Zentimeter misst – ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit, das die Wasserverschmutzung misst. Dies steht im Vergleich zu den 3.000 Mikrosiemens pro Zentimeter, die Wasser, das in Kühlsystemen von Kraftwerken verwendet wird, normalerweise misst.

„Das Wasserrückgewinnungssystem könnte auch als einfacher Entsalzungsdienst dienen. Die Installation des Umwandlungssystems würde etwa ein Drittel der Kosten für den Bau einer neuen Entsalzungsanlage kosten – und die Betriebskosten würden im Vergleich zu einer Entsalzungsanlage etwa 2 % betragen. Das wäre auch so.“ haben praktisch keinen Fußabdruck“, sagte das Unternehmen.

Das Konzept wurde zum Kernthema von Infinite Cooling, einem 2017 von Damak, Khalil und Varanasi gegründeten Startup-Unternehmen. Damak fungiert als CEO des aufstrebenden Unternehmens, Khalil als Chief Technology Officer und Varanasi als Vorsitzender. Im Jahr 2017 schlossen sich die Forscher 20 anderen Teams der MIT-Delta-V-Kohorte an, einem studentischen Venture-Accelerator, der studentischen Unternehmern Mentoring und Inkubation bei der Gründung ihres Unternehmens bietet. Die Entwicklung des Konzepts hat seitdem dramatische Fortschritte gemacht, was auf das große Interesse von Industrie und Wissenschaft zurückzuführen ist.

Infinite Cooling wurde 2018 zum Hauptpreisträger der MIT $100.000 Entrepreneurship Challenge. Das Unternehmen nutzte dieses Preisgeld, um die Mittel des MIT Office of Sustainability für die Einrichtung von Testinstallationen in verschiedenen Konfigurationen auf einem der Kühltürme des MIT aufzustocken erdgasbetriebenes zentrales Versorgungswerk.

2. Hier ist eine Testinstallation des Wasserrückgewinnungssystems von Infinite Cooling in der Forschungseinrichtung Nuclear Reactor Laboratory des Massachusetts Institute of Technology zu sehen. Auf der rechten Seite des Turms ist das neue System installiert, wodurch die Dampffahne beseitigt wird, während auf der unbehandelten linken Seite weiterhin ein gleichmäßiger Dampfstrom erzeugt wird. Mit freundlicher Genehmigung: Unendliche Kühlung

Als Tests im Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerk zeigten, dass das System die Wolke beseitigen und hochreines Wasser produzieren konnte, wurde Infinite Cooling eingeladen, weitere Tests in der Forschungseinrichtung Nuclear Reactor Laboratory des MIT durchzuführen. Der Forschungsreaktor, der rund um die Uhr in Betrieb ist und Dampfemissionen mit höherer Temperatur erzeugt, bot einen realen Test in einem tatsächlich in Betrieb befindlichen Reaktor, der von der Nuclear Regulatory Commission lizenziert wurde (Abbildung 2).

Ausschlaggebend war, dass Infinite Cooling die Technologie im großen Maßstab testen und die Wasserqualität und Leistung des Systems validieren konnte. „Nachdem das System über einem der vier Kühltürme der Anlage installiert wurde, zeigten Tests, dass das gesammelte Wasser mehr als 100-mal sauberer war als das Speisewasser, das in das Kühlsystem gelangte“, sagte MIT. „Es zeigte sich auch, dass die Installation, bei der die Maschensiebe im Gegensatz zur früheren Version vertikal und parallel zum Dampfstrom montiert waren, keinerlei Auswirkungen auf den Betrieb der Anlage hatte.“

Es folgten schnell weitere Anerkennungen und Wettbewerbsauszeichnungen für Infinite Cooling. Zu den Auszeichnungen zählen die MassChallenge Awards, der nationale Cleantech-Wettbewerb des Department of Energy (DOE) und der Rice Business Plan Competition. Erst im April 2022 gewann es die Goldauszeichnung im Edison-Wettbewerb „Bestes neues Produkt 2022“. Aber Infinite Cooling hat auch mehrere bemerkenswerte Bundeszuschüsse erhalten, um seine Entwicklung voranzutreiben, darunter einen Zuschuss der EPA in Höhe von 100.000 US-Dollar für Phase I Small Business Innovation Research (SBIR) im Jahr 2019. Diese Auszeichnung wurde kürzlich im Rahmen eines SBIR auf fast 1 Million US-Dollar erhöht Zuschuss der Phase II.

Infinite Cooling wird im Rahmen des Water Management Crosscutting Peer Review des DOE gesondert mit einer Auszeichnung in Höhe von 1,5 Millionen US-Dollar ausgezeichnet und erforscht derzeit die Bildung und Sammlung von Schwaden an Kühltürmen mit mechanischem (induziertem) Zug. Die Tests laufen teilweise in einer kontrollierten High-Fidelity-Umgebung und teilweise an einem industriellen Kühlturm im Originalmaßstab. Dieses Projekt, das vom National Energy Technology Laboratory (NETL) unterstützt wird, soll im September 2022 abgeschlossen werden. Es beinhaltet die Verwendung eines CFD-Modells (Computational Fluid Dynamics), um die Eigenschaften der Kraftwerksfahnen zu verstehen und Testelektroden und Kollektoren zu informieren. Dabei handelt es sich um modulare Paneele, die NETL auf seinem Kühlturm installieren wird. Teile des Entwurfs werden dann als Prototypen erstellt und im Laborkühlturm getestet, um die Sammeleffizienz zu bewerten. „Das Ergebnis wird ein einsatzbereiter Entwurf für einen Hochdurchsatz-Wasserkollektor für Kühlturmfahnen eines industriellen Kühlturms sein“, sagte NETL.

Sobald der Entwurf abgeschlossen ist, beginnt die Herstellung der modularen Kollektionsplatten und -struktur. Anschließend wird das Projektteam im Rahmen eines weiteren kürzlich mit 1,1 Millionen US-Dollar vom DOE finanzierten Projekts, das im Juli 2024 abgeschlossen wird, einen Prototypen in Originalgröße auf dem Kühlturm im Fox Energy Center des Wisconsin Public Service bauen, einem 620-MW-Erdkühlturm mit zwei Blöcken Gas-Kombikraftwerk in Wrightstown, Wisconsin. Laut NETL wird dieses Projekt Informationen über mögliche nächste Schritte zur Technologiereife liefern und den Weg zur Kommerzialisierung ebnen.

„Bei Erfolg könnte die entwickelte Technologie zu erheblichen Wassereinsparungen und einer Verbesserung der Wasserqualität bei minimalen Energiekosten führen“, sagte das Labor. „Bestehende Türme können problemlos mit der Technologie nachgerüstet werden, was zu einer erheblichen Reduzierung des Wasserverbrauchs in Kühltürmen sowie zu einer Reduzierung des Chemikalieneinsatzes für die Wasseraufbereitung in Kohlekraftwerken führt.“

– Sonal Patel ist leitender Associate Editor bei POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

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