Le revêtement du condenseur de vapeur pourrait permettre d'économiser 460 millions de tonnes

Collège d'ingénierie Grainger de l'Université de l'Illinois

image : Tuyaux de condenseur de vapeur en cuivre recouverts de F-DLC (en haut) et sans revêtement (en bas). Le revêtement F-DLC permet à l'eau condensée de se former en gouttelettes plutôt qu'en un mince film recouvrant le tuyau.Voir plus

Crédit : Le Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign

Si la production d’électricité au charbon et au gaz naturel était 2 % plus efficace, alors, chaque année, il y aurait 460 millions de tonnes de dioxyde de carbone en moins rejetées et 2 000 milliards de gallons d’eau en moins utilisés. Une innovation récente dans le cycle de la vapeur utilisé dans la production d’électricité à partir de combustibles fossiles pourrait y parvenir.

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont développé un revêtement pour les condenseurs de vapeur utilisés dans la production de combustibles fossiles par cycle de vapeur, composé de carbone fluoré de type diamant, ou F-DLC. Les chercheurs ont rapporté dans la revue Nature Communications que ce revêtement pourrait augmenter l'efficacité globale du processus de 2 %. De plus, ils ont démontré l'adéquation du revêtement à un usage industriel en effectuant le test de durabilité le plus long jamais réalisé.

"La réalité est que les combustibles fossiles ne disparaîtront pas avant au moins 100 ans", a déclaré Nenad Miljkovic, professeur de sciences et d'ingénierie mécaniques à l'UIUC et responsable du projet. « Beaucoup de CO2 va être émis avant que nous puissions nous appuyer sur les énergies renouvelables. Si notre revêtement F-DLC était adopté à l’échelle mondiale, il réduirait considérablement les émissions de carbone et la consommation d’eau pour l’infrastructure électrique existante.

La production d’électricité à partir de combustibles fossiles dépend d’un processus appelé cycle de la vapeur, dans lequel le combustible est brûlé pour faire bouillir l’eau, la vapeur qui en résulte fait tourner une turbine et la turbine entraîne un générateur électrique. La vapeur atteint ensuite un condenseur qui récupère l'eau de la vapeur et maintient une différence de pression à travers la turbine afin que la vapeur s'écoule. L'amélioration des propriétés de transfert de chaleur des condenseurs permettrait de maintenir une différence de pression tout en brûlant moins de carburant.

Le nouveau revêtement F-DLC des chercheurs améliore le transfert de chaleur car le matériau est hydrophobe. Lorsque la vapeur se condense en eau, elle ne forme pas une fine pellicule qui recouvre la surface, comme le fait l'eau sur de nombreux métaux propres et leurs oxydes. Au lieu de cela, l'eau forme des gouttelettes sur la surface du F-DLC, mettant la vapeur en contact direct avec le condenseur et permettant un transfert direct de la chaleur. Les chercheurs ont constaté que cela améliorait les propriétés de transfert de chaleur d'un facteur 20, ce qui se traduit par une augmentation globale du processus de 2 %.

"Il est remarquable que nous puissions y parvenir avec le F-DLC, quelque chose qui utilise uniquement du carbone, du fluorène et un peu de silicium", a déclaré Muhammad Hoque, associé de recherche postdoctoral et auteur principal de l'étude. "Et il peut recouvrir pratiquement tous les métaux courants, notamment le cuivre, le bronze, l'aluminium et le titane."

Pour démontrer la durabilité du F-DLC, les chercheurs ont soumis les métaux revêtus à des conditions de condenseur à vapeur pendant 1 095 jours, le test le plus long rapporté dans la littérature. Les métaux revêtus ont conservé leurs propriétés hydrophobes pendant toute cette durée. Les chercheurs ont également constaté que les métaux revêtus conservaient leurs propriétés hydrophobes après 5 000 rayures lors d'un test d'abrasion.

L'équipe de recherche collabore désormais avec la centrale électrique d'Abbott de l'UIUC pour étudier les performances du revêtement pendant six mois d'exposition constante à la condensation dans des conditions industrielles.

"Si tout se passe bien, nous espérons montrer à tout le monde qu'il s'agit d'une solution efficace et économiquement viable", a déclaré Miljkovic. «Nous voulons que notre solution soit adoptée, car même si le développement des énergies renouvelables doit absolument être une priorité, il est toujours très utile de continuer à améliorer ce dont nous disposons actuellement.»

***

L'article des chercheurs, « Surfaces hydrophobes en carbone fluoré multicouches ultra-résilientes de type diamant », est disponible en ligne. DOI : 10.1038/s41467-023-40229-6.