Elektrownie maretermiczne

Wstęp

(OTEC) ocean thermal energy conversion, to forma konwersji energii wykorzystująca różnicę temperatur między ciepłymi wodami powierzchniowymi oceanów, ogrzewanymi przez promieniowanie słoneczne, a głębszymi, zimnymi wodami, aby wytworzyć energię w konwencjonalnym silniku cieplnym.  Aby było to ekonomicznie opłacalne, różnica temperatur powinna wynosić co najmniej 20 °C (36 °F). Tak duże różnice temperatur występują dość popularnie w strefach tropikalnych. Na poniższej ilustracji możemy zobaczyć rozkład temperatury wody w strefie powierzchniowej oceanów.

Rys. Temperatura oceanów (źr. Wikipedia)

Jest ona najwyższa na równiku, gdzie potrafi osiągać nawet 30C, podczas gdy w strefach umiarkowanych nie przekracza zwykle 20C. Jeszcze ciekawiej przedstawia się rozkład pionowy temperatury. Gorąca, przez co lżejsza i mniej zasolona woda utrzymuje się na powierzchni, podczas gdy chłodna i bardziej zasolona opada tworząc termoklinę. Najbardziej spektakularne różnice temperatur występują oczywiście w strefach równikowych, gdzie już na głębokości około 700m możemy spodziewać się wody chłodniejszej o ponad 20K względem powierzchni oceanu (wykres).

Wykres. Typowa zmiana temperatury oceanu tropikalnego w zależności od głębokości wody (źr. Adiputra i inni 2020)

W odróżnieniu do produkcji energii z fal, energia pochodząca z ciepła oceanów jest do pozyskania przez 24 godziny i przez 365 dni w roku.

Historia

Koncepcja OTEC została po raz pierwszy zaproponowana na początku lat 80-tych XIX wieku przez francuskiego inżyniera Jacquesa-Arsène d’Arsonvala. Jego pomysł zakładał zamknięty cykl obiegu,  który został dostosowany do większości obecnych instalacji pilotażowych OTEC. Taki system wykorzystuje wtórny czynnik roboczy (czynnik chłodniczy), taki jak amoniak. Ciepło przekazywane z ciepłej powierzchniowej wody oceanicznej powoduje, że czynnik roboczy odparowuje w wymienniku ciepła (parowniku). Wytworzona para rozpręża się następnie, napędzając przy tym turbinę podłączoną do generatora i wytwarzając w ten sposób energię elektryczną. Zimna woda morska pompowana z głębin oceanu do drugiego wymiennika ciepła (skraplacza) zapewnia wystarczająco niską temperaturę, aby spowodować skroplenie pary.

Rys. System OTEC typu zamkniętego.

 Czynnik roboczy pozostaje w takiej instalacji w układzie zamkniętym, stale odparowując i ponownie się skraplając. Instalację taką zamocowaną na statku pokazuje rys poniżej. Zimna woda o temp. 4°C pobierana jest tutaj długą elastyczną rurą o dużej średnicy z głębokości 700-1000m i po schłodzeniu par amoniaku zrzucana ponownie do oceanu poniżej strefy eufotycznej. Woda ciepła ze strefy powierzchniowej o temp. 25°C zasysana jest przez pompę do parownika, oddaje ciepło i schłodzona wtłaczana jest do wspólnego strumienia zrzutowego. Wytworzona za pomocą generatora energia może być przesłana na ląd za pomocą podmorskiego kabla, lub (jeśli odległość od lądu jest zbyt duża), wykorzystywana bezpośrednio na okręcie do produkcji np. amoniaku, metanolu czy współcześnie wodoru.   

Niektórzy badacze skupili swoją uwagę na systemie OTEC z otwartym cyklem, który wykorzystuje parę wodną jako czynnik roboczy i rezygnuje z pośredniego czynnika chłodniczego. W tego typu systemie ciepła woda morska z powierzchni jest częściowo odparowywana podczas wtryskiwania do zbiornika z pompą próżniową. Wytworzone podciśnienie powoduje intensywne wrzenie wody, a powstała para jest rozprężana przez niskociśnieniowy turbogenerator parowy w celu wytworzenia energii elektrycznej. Zimna woda morska jest z kolei używana do skraplania pary. Produktem końcowym jest czysta i odsolona woda, stąd system otwarty, oprócz produkcji energii, może służyć dodatkowo do odsalania wody morskiej.

Rys. Schemat OTEC systemu otwartego

 Istnieją również systemy hybrydowe, które łączą elementy systemów z cyklem zamkniętym i otwartym. W tych systemach para wytwarzana przez ciepłą wodę przepływającą przez komorę próżniową jest używana do odparowywania wtórnego czynnika roboczego, który napędza turbinę.
Generalnie systemy OTEC, z uwagi na sposób wykonania można podzielić też na:

  • Pływające, zamocowane na barkach lub okrętach, zlokalizowane z dala od lądu
  • Brzegowe, wykorzystujące sprzyjające warunki brzegowe przy niektórych krajach wyspiarskich, gdzie na stosunkowo małej głębokości można spodziewać się niskich temperatur wody. Zaletą są niższe koszty konserwacji i przesyłu energii, możliwość wykorzystania systemu do odsalania wody morskiej, zapewnienia chłodzenia w budynkach, itp.
  • Szelfowe, w regionach, w których występuje długi szelf kontynentalny o łagodnym nachyleniu, elektrownie OTEC mogą być montowane na krawędzi szelfu na głębokości do około 100 m. Tego typu elektrownie mogą być układane w formie słupów na dnie morskim, podobnie jak w przypadku konwencjonalnych platform wiertniczych montowanych na dnie.

W latach 70. i 80. Stany Zjednoczone, Japonia i kilka innych krajów rozpoczęło eksperymenty z systemami OTEC w celu opracowania realnego źródła energii odnawialnej. W 1979 roku amerykańscy badacze uruchomili pierwszą instalację OTEC zdolną do generowania użytecznych ilości energii elektrycznej — około 15 kilowatów mocy netto.

Ta jednostka, zwana Mini-OTEC, była systemem o obiegu zamkniętym zamontowanym na barce marynarki wojennej USA kilka kilometrów od wybrzeży Hawajów. (zdjęcie po prawej). W latach 1981–1982 japońskie firmy testowały inną eksperymentalną instalację OTEC o obiegu zamkniętym. Ta instalacja, zlokalizowana w wyspiarskiej republice Pacyfiku, Nauru, produkowała 35 kilowatów mocy netto. Od tego czasu naukowcy kontynuowali prace rozwojowe w celu ulepszenia wymienników ciepła i opracowania sposobów na zmniejszenie korozji sprzętu systemowego przez wodę morską. Do 1999 r. Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority (NELHA) stworzyło i przetestowało instalację o mocy do 250 kilowatów.

Instalacja o mocy 100kW została ukończona w 2011 roku przez firmę MAKAI na Hawajach (fot. poniżej). Zasada działania systemu dostępna jest na Youtube (zob. film)

Systemy OTEC zdecydowanie częściej wykorzystywane są w instalacjach chłodniczych. W krajach równikowych klimatyzowanie pomieszczeń z powodu upałów pochłania ogromne ilości energii. Zastosowanie w tym wypadku chłodzenia z wykorzystaniem zimnych wód oceanicznych jest świetnym rozwiązaniem. Przykładem takiej instalacji jest system SWAC (Seawater air coditioning), zastosowany min. w hotelu na wyspie Bora Bora w Polinezji Francuskiej.  

Rys. System SWAC, czyli chłodzenie z wykorzystaniem zimnej wody morskiej.

Zimna woda oceaniczna wymienia tutaj ciepło w wymienniku płytowym z blachy tytanowej. Instalacja została uruchomiona w roku 2006 i ma moc chłodniczą 1,6MW. Zastosowano pobór wody z głębokości 915m rurą o długości 2300m i średnicy 400mm. Powodzenie inwestycji spowodowało wybudowanie podobnych instalacji w hotelu na wyspie Teriaroa (2,4MW) i Tahiti (szpital – instalacja o mocy chłodniczej 6MW).

Rys. Plan instalacji SWAC w atolu Teriaroa. (źr. Energy performance assessment of Sea Water Air Conditioning (SWAC) as a solution toward net zero carbon emissions: A case study in French Polynesia)