冷却塔のプルームを利用して精製水を供給

原理的には驚くほどシンプルなこの新しい技術は、冷却塔のプルームから水を捕捉することにより、蒸発冷却塔システムにおける水の消費量を大幅に削減することを約束します。

発電所の冷却塔は本質的に、大量の水を使用して再循環水からの熱を放散する熱遮断システムです。 湿式冷却塔では、プロセスに循環水の一部が蒸発し、空気の顕熱と蒸発潜熱の両方を介して熱伝達が発生します。

電力業界における長年の懸念は、冷却塔からの水の損失に関するものです。 水は主に蒸発によって失われますが、これには熱除去プロセス中に周囲空気への蒸気の放散が含まれます。 しかし、これは、汚れやスケールの形成を防ぐために水をタワーから除去して交換する必要があるブローダウン中にも発生します。 一部の水は漂流によっても失われます。漂流は、小さな液滴が流出する空気または蒸気の流れに同伴するときに発生しますが、漂流による損失は通常最小限であり、消費量の 1% 未満にとどまります。

水分の損失はかなりの量になる可能性があります。 米国環境保護庁 (EPA) は、冷却塔の運転効率に関係なく、1 トン時間の冷却ごとに約 1.8 ガロンの水が蒸発すると示唆しています。 「従来の湿式冷却発電所では、冷却塔の蒸発や漂流によって流入水の 60% ～ 90% が失われます」と HDR の主任技術コンサルタントであるダン サンプソン氏は述べています。

これらの損失はコストがかかることに加えて、別の副作用も伴います。 水の蒸発には水源からの継続的な補給が必要であるため、現在および将来の水不足の懸念は、発電所の信頼性と実行可能性に直接影響を与える可能性があります。 2017年、マサチューセッツ工科大学（MIT）の2人の博士課程学生、マハー・ダマック氏とカリム・カリル氏、およびマサチューセッツ工科大学機械工学教授クリパ・バラナシ氏は、発電所のプルームに焦点を合わせてこの差し迫った問題に取り組むことに着手した。

研究者らは、蒸気が冷却塔から出ると、特定の周囲条件下（通常、周囲の空気が冷たいか湿っているとき）に凝縮して霧のプルームを形成する可能性があると観察した。 研究者らは、プルームは長い間、電力業界に別の懸念を引き起こしていると指摘した。 それらは迷惑なだけでなく、危険な場合もあります。

「安全性（プルームの漂流により、道路や空港での視認性が低下する可能性があります）と美観に関する規制要件により、一部の冷却塔にはプルーム軽減システムの装備が義務付けられています。このシステムは一般に、熱交換器または熱交換器によって排出される蒸気を加熱し、その水分含有量を減少させます」高温の乾燥空気を吹き込み、それを出てくる蒸気と混合することで、塔の出口での霧滴の形成を防止している」と彼らは述べた。

これらの軽減システムはプルームの外観を取り除くことができますが、それらを使用する発電所は依然として同じ量の水を消費し、冷却塔の出口にリダイレクトされる追加の熱要件により、全体的な正味エネルギー効率の低下に悩まされる可能性があります。 また、一部の装置は冷却塔から出る蒸気を収集してサイクルで再利用するように設計されていますが、ほとんどの方法は液体または固体の吸着に依存しており、多大なエネルギーや高価な設備が必要です。

1. Infinite Cooling の改造可能なソリューションの位置と使用法を示す概略図。 提供: 無限冷却 / 米国エネルギー技術研究所 (NETL)

MIT バラナシ研究グループが推進したプロジェクトの下、研究者らはウォーター パネルを開発しました (図 1)。 霧を多く含んだ空気にイオンビームを当てると、霧の中の水滴が帯電します。 これらの液滴は、ワイヤーのメッシュ (窓網戸など) に向かって引き寄せられ、捕捉され、収集パンに排出されます。 その後、発電所はその「採取した」水を再利用したり、都市の給水システムに送ったりすることができます。

このシステムは本質的に蒸留プロセスであり、600MWの発電所で年間1億5000万ガロンもの水を回収できる可能性があり、これは冷却塔から失われる水の約20～30％に相当するとインフィニット・クーリング社は述べている。 研究開発の結果によると、システムに捕捉された水の測定値は、通常、水の汚染を測る導電率の尺度である 50 マイクロジーメンス/センチメートル未満であることが示唆されています。 これは、発電所の冷却システムで使用される水が通常測定する 1 センチメートルあたり 3,000 マイクロジーメンスに匹敵します。

「水回収システムは、単純な淡水化サービスとしても機能する可能性があります。変換システムの設置費用は、新しい淡水化プラントの建設にかかる費用の約 3 分の 1 であり、その運用コストは、淡水化プラントと比較して約 2% です。実質的に設置面積がありません」と同社は述べた。

このコンセプトは、2017 年に設立されたダマック、カリル、バラナシの新興企業である Infinite Cooling の中核的な焦点となりました。ダマックは設立間もない会社の CEO、ハリルは最高技術責任者、バラナシは会長を務めています。 2017年、研究者らは、学生起業家がビジネスを立ち上げるための指導とインキュベーションを提供する学生ベンチャーアクセラレーターであるMITデルタvコホートの他の20チームに参加した。 それ以来、産業界や学界からの関心が高まり、このコンセプトの開発は劇的に加速しました。

Infinite Cooling は、2018 年の MIT $100K Entrepreneurship Challenge でグランプリを受賞しました。同社はその賞金を利用して MIT 持続可能性局からの資金を増やし、MIT の冷却塔の 1 つにさまざまな構成のテスト設備を設置しました。天然ガスを燃料とする中央ユーティリティプラント。

2. ここに示されているのは、マサチューセッツ工科大学の原子炉研究所の研究施設にある Infinite Cooling の水回収システムの試験設置です。 塔の右側には新しいシステムが設置されており、蒸気のプルームが除去されていますが、未処理の左側は安定した蒸気流を生成し続けています。 提供: 無限冷却

コーゲンプラントでのテストで、このシステムがプルームを除去し、高純度の水を生成できることが示されたとき、Infinite Cooling は、MIT の原子炉研究所の研究施設でさらなるテストを行うよう招待されました。 この研究用原子炉は年中無休で稼働し、高温の蒸気を放出し、原子力規制委員会から認可を受けた実際に稼動している原子炉で実際の試験を実施しました（図2）。

極めて重要なこととして、Infinite Cooling はテクノロジーを大規模にテストし、水質とシステムのパフォーマンスを検証できるようになりました。 「プラントの4つの冷却塔のうちの1つにシステムを設置した後、テストの結果、収集された水は冷却システムに入る給水よりも100倍以上きれいであることが判明した」とMITは述べた。 「また、この設備は、以前のバージョンとは異なり、メッシュスクリーンが蒸気流と平行に垂直に取り付けられていたが、プラントの稼働にまったく影響を及ぼさないことも証明した。」

Infinite Cooling は、すぐにさらなる評価と競争力のある賞を獲得しました。 受賞歴には、MassChallenge Awards、エネルギー省 (DOE) の全国クリーンテック コンペティション、ライス ビジネス プラン コンペティションなどがあります。 つい最近の2022年4月には、2022年のEdison Best New Productコンテストで金賞を受賞しました。 しかし、Infinite Cooling は、2019 年に EPA から受けたフェーズ I 中小企業イノベーション研究 (SBIR) 補助金 10 万ドルなど、開発促進に役立ついくつかの注目すべき連邦補助金も獲得しています。この賞は最近、SBIR の一環として 100 万ドル近くに増額されました。フェーズ II の助成金。

DOE の水管理横断的ピアレビューに基づく 150 万ドルの賞金によって別途強化され、Infinite Cooling は現在、機械式 (誘導) 通風冷却塔でのプルームの形成と収集を研究しています。 テストは、一部は忠実度の高い制御された環境で、一部は本格的な産業用冷却塔で行われています。 このプロジェクトは、国立エネルギー技術研究所 (NETL) の支援を受けており、2022 年 9 月に終了する予定です。このプロジェクトには、数値流体力学 (CFD) モデルを使用して発電所のプルームの特性を理解し、テスト電極とコレクターに情報を提供することが含まれます。これは、NETL が冷却塔に設置するモジュラー パネルを構成します。 その後、設計の一部がプロトタイプ化され、収集効率を評価するために研究室の冷却塔でテストされます。 「その結果、産業用冷却塔の冷却塔プルーム用の高スループット水収集器のすぐに導入できる設計が得られるでしょう」とNETLは述べた。

設計が完了すると、モジュール式収集パネルと構造の製造が開始されます。 次に、2024 年 7 月に完了する、最近獲得した 110 万ドルの DOE 資金による別のプロジェクトの下で、プロジェクト チームは、ウィスコンシン州公共サービスのフォックス エネルギー センターの冷却塔上に、2 ユニットの 620 MW 自然エネルギーによる実物大のプロトタイプを構築する予定です。ウィスコンシン州ライツタウンにあるガス火力複合サイクル発電所。 NETL によると、このプロジェクトは技術の成熟に向けた潜在的な次のステップを知らせ、商業化への道を切り開くことになるとのことです。

「成功すれば、開発された技術は最小限のエネルギーコストで大幅な節水と水質の改善につながる可能性がある」と同研究所は述べた。 「既存の塔をこの技術で簡単に改修できるため、冷却塔での水の使用量が大幅に削減され、石炭火力発電所の水処理での化学薬品の使用量も削減されます。」

—Sonal Patel は POWER 上級副編集者 (@sonalcpatel、@POWERmagazine) です。

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