Il rivestimento del condensatore di vapore potrebbe far risparmiare 460 milioni di tonnellate

Grainger College of Engineering dell'Università dell'Illinois

immagine: Tubi del condensatore di vapore in rame rivestiti con F-DLC (in alto) e senza rivestimento (in basso). Il rivestimento F-DLC consente all'acqua di condensa di formarsi in goccioline anziché in una pellicola sottile che ricopre il tubo.vedere di più

Credito: Grainger College of Engineering presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign

Se la produzione di energia elettrica da carbone e gas naturale fosse più efficiente del 2%, ogni anno potrebbero essere rilasciate 460 milioni di tonnellate di anidride carbonica in meno e utilizzati 2 trilioni di litri d’acqua in meno. Una recente innovazione al ciclo del vapore utilizzato nella produzione di energia da combustibili fossili potrebbe raggiungere questo obiettivo.

I ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign hanno sviluppato un rivestimento per condensatori di vapore utilizzati nella generazione di cicli a vapore a combustibili fossili, realizzato con carbonio fluorurato simile al diamante o F-DLC. I ricercatori hanno riferito sulla rivista Nature Communications che questo rivestimento potrebbe aumentare l’efficienza complessiva del processo del 2%. Inoltre, hanno dimostrato l'idoneità del rivestimento all'uso industriale eseguendo il test di durabilità più lungo mai realizzato.

"La realtà è che i combustibili fossili non scompariranno prima di almeno 100 anni", ha affermato Nenad Miljkovic, professore di scienze meccaniche e ingegneria presso l'UIUC e responsabile del progetto. “Molta CO2 verrà emessa prima di arrivare a un punto in cui possiamo fare affidamento sulle energie rinnovabili. Se il nostro rivestimento F-DLC fosse adottato a livello globale, ridurrebbe notevolmente le emissioni di carbonio e il consumo di acqua per le infrastrutture elettriche esistenti”.

La produzione di energia da combustibili fossili dipende da un processo chiamato ciclo del vapore, in cui il combustibile viene bruciato per far bollire l’acqua, il vapore risultante fa girare una turbina e la turbina aziona un generatore elettrico. Il vapore raggiunge quindi un condensatore che recupera l'acqua dal vapore e mantiene una differenza di pressione attraverso la turbina in modo che il vapore scorra. Migliorare le proprietà di trasferimento del calore dei condensatori consentirebbe di mantenere una differenza di pressione bruciando meno carburante.

Il nuovo rivestimento F-DLC dei ricercatori migliora il trasferimento di calore perché il materiale è idrofobo. Quando il vapore si condensa in acqua, non forma una pellicola sottile che ricopre la superficie, come fa l'acqua su molti metalli puliti e sui loro ossidi. L’acqua forma invece goccioline sulla superficie dell’F-DLC, mettendo il vapore a diretto contatto con il condensatore e consentendo il trasferimento diretto del calore. I ricercatori hanno scoperto che questo ha migliorato le proprietà di trasferimento del calore di un fattore 20, il che si traduce in un aumento complessivo del processo del 2%.

"È straordinario che possiamo raggiungere questo obiettivo con F-DLC, qualcosa che utilizza solo carbonio, fluorene e un po' di silicio", ha affermato Muhammad Hoque, ricercatore associato post-dottorato e autore principale dello studio. "E può rivestire praticamente qualsiasi metallo comune, inclusi rame, bronzo, alluminio e titanio."

Per dimostrare la durabilità dell'F-DLC, i ricercatori hanno sottoposto i metalli rivestiti a condizioni di condensatore di vapore per 1.095 giorni, il test più lungo riportato in letteratura. I metalli rivestiti hanno mantenuto le loro proprietà idrofobiche per l'intero periodo di tempo. I ricercatori hanno anche scoperto che i metalli rivestiti mantenevano le loro proprietà idrofobiche dopo 5.000 graffi in un test di abrasione.

Il gruppo di ricerca sta ora collaborando con la centrale elettrica Abbott dell'UIUC per studiare le prestazioni del rivestimento per sei mesi di esposizione costante alla condensa in condizioni industriali.

"Se tutto va bene, speriamo di dimostrare a tutti che questa è una soluzione efficace ed economicamente sostenibile", ha detto Miljkovic. "Vogliamo che la nostra soluzione venga adottata perché, anche se lo sviluppo delle energie rinnovabili dovrebbe assolutamente essere una priorità, vale comunque la pena continuare a migliorare ciò che abbiamo adesso."

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L'articolo dei ricercatori, "Superfici idrofobiche in carbonio fluorurato simile al diamante multistrato ultra resilienti", è disponibile online. DOI: 10.1038/s41467-023-40229-6.