تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس (Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC)) از گرادیان یا شیب حرارتی اقیانوس بین آبهای عمیق سردتر و آبهای کم عمق یا سطحی دریا برای راه‌اندازی یک موتور حرارتی و تولید کار مفید معمولاً به شکل برق استفاده می‌کند. OTEC می تواند با ضریب ظرفیت بسیار بالا کار کند و بنابراین می تواند در حالت بار پایه کار کند.
توده‌های متراکم‌تر آب سرد، که از برهمکنش آب سطحی اقیانوس با جو سرد در مناطق کاملاً مشخصی از اقیانوس اطلس شمالی و اقیانوس جنوبی تشکیل شده‌اند، در حوضه‌های عمیق دریا فرو می‌روند و با گردش ترموهالین در تمام اعماق اقیانوس پخش می‌شوند. خلأ ایجاد شده ناشی از بالا آمدن آب سرد از اعماق اقیانوس با پایین آمدن آب سرد سطحی دریا دوباره پر می شود.
در میان منابع انرژی اقیانوسی، OTEC یکی از منابع انرژی تجدیدپذیر دائماً در دسترس است که می‌تواند به تأمین انرژی بار پایه کمک کند. پتانسیل منبع برای OTEC بسیار بزرگتر از سایر اشکال انرژی اقیانوس در نظر گرفته می شود. تا 88000 تراوات ساعت برق می تواند از OTEC بدون تأثیر بر ساختار حرارتی اقیانوس تولید شود.
سیستم ها ممکن است چرخه بسته یا چرخه باز باشند. چرخه بسته OTEC از مایعات کاری استفاده می کند که معمولاً به عنوان مبرد در نظر گرفته می شوند مانند آمونیاک یا R-134a. این سیالات نقطه جوش پایینی دارند و بنابراین برای تأمین انرژی ژنراتور سیستم برای تولید برق مناسب هستند. متداول‌ترین چرخه حرارتی مورد استفاده برای OTEC تا به امروز، سیکل رانکین است که از توربین کم فشار استفاده می‌کند. موتورهای چرخه باز از بخار آب دریا به عنوان مایع کار استفاده می کنند.
OTEC همچنین می تواند مقادیری آب سرد را به عنوان محصول جانبی تأمین کند. این می تواند برای تهویه مطبوع و تبرید مورد استفاده قرار گیرد و آب اقیانوس غنی از مواد مغذی می تواند فناوری های بیولوژیکی را تغذیه کند. یکی دیگر از محصولات جانبی آب شیرین تقطیر شده از دریا است.
نظریه OTEC برای اولین بار در دهه 1880 توسعه یافت و اولین مدل نمایشی اندازه نیمکت در سال 1926 ساخته شد. در حال حاضر کارخانه های OTEC در مقیاس آزمایشی در ژاپن، نظارت شده توسط دانشگاه ساگا، و ماکای در هاوایی واقع شده اند.
بازده ترمودینامیکی
یک موتور حرارتی زمانی که با اختلاف دمای زیاد کار می کند راندمان بیشتری دارد. در اقیانوس‌ها، تفاوت دما بین آبهای سطحی و عمیق در مناطق استوایی بیشتر است، اگرچه هنوز هم دارای مقدار نسبتاً کم 20 تا 25 درجه سانتی گراد است. بنابراین در مناطق استوایی است که OTEC بیشترین امکانات را ارائه می دهد. OTEC پتانسیل ارائه مقادیر جهانی انرژی را دارد که 10 تا 100 برابر بیشتر از سایر گزینه های انرژی اقیانوس مانند قدرت موج است.نیروگاه های OTEC می توانند به طور مداوم کار کنند و منبع بار پایه برای یک سیستم تولید برق را فراهم کنند.
چالش فنی اصلی OTEC این است که مقادیر قابل توجهی توان را به طور کارآمد از تفاوت های دمایی کوچک تولید کند. OTEC هنوز به عنوان یک فناوری نوظهور در نظر گرفته می شود. سیستم‌های اولیه OTEC از نظر حرارتی 1 تا 3 درصد کارآمد بودند، که بسیار کمتر از حداکثر تئوری 6 و 7 درصدی برای این اختلاف دما بود. طراحی های مدرن اجازه می دهد تا عملکرد به حداکثر بازده نظری کارنو نزدیک شود.
انواع چرخه قدرت
آب سرد دریا بخشی جدایی ناپذیر از هر یک از سه نوع سیستم OTEC است: چرخه بسته، چرخه باز و هیبریدی. برای کار کردن، آب سرد دریا باید به سطح آب آورده شود. رویکردهای اولیه، پمپاژ فعال و نمک زدایی هستند. نمک زدایی آب دریا در نزدیکی کف دریا، چگالی آن را کاهش می دهد که باعث بالا آمدن آن به سطح می شود.جایگزین لوله های گران قیمت برای آوردن آب سرد متراکم به سطح، پمپاژ سیال تبخیر شده دارای نقطه جوش کم به اعماق است تا متراکم شود، در نتیجه حجم پمپاژ کاهش می یابد و مشکلات فنی و زیست محیطی کم می شود و هزینه ها کاهش می یابد.
بسته
تصویر: نمودار یک کارخانه OTEC چرخه بسته
سیستم‌های چرخه بسته از مایعی با نقطه جوش پایین، مانند آمونیاک (با نقطه جوش حدود 33- درجه سانتی‌گراد در فشار اتمسفر)، برای نیرو دادن به توربین برای تولید برق استفاده می‌کنند. آب سطح گرم دریا از طریق یک مبدل حرارتی برای تبخیر سیال پمپ می شود. بخار در حال گسترش توربو ژنراتور را می چرخاند. آب سرد که از طریق یک مبدل حرارتی دوم پمپ می شود، بخار را به مایع تبدیل می کند و سپس از طریق سیستم بازیافت می شود.
در سال 1979، آزمایشگاه انرژی طبیعی و چندین شریک بخش خصوصی، آزمایش "مینی OTEC" را توسعه دادند، که اولین تولید موفقیت آمیز نیروی الکتریکی خالص در دریا را از چرخه بسته OTEC به دست آورد. کشتی مینی OTEC در 1.5 مایلی (2.4 کیلومتری) از سواحل هاوایی لنگر انداخته بود و برق خالص کافی برای روشن کردن لامپ های کشتی و اجرای رایانه ها و تلویزیون آن تولید می کرد.
باز
تصویر: نمودار یک کارخانه چرخه باز OTEC
OTEC چرخه باز مستقیماً از آب سطحی گرم برای تولید برق استفاده می کند. آب گرم دریا ابتدا به یک ظرف کم فشار پمپ می شود که باعث جوشیدن آن می شود. در برخی از طرح ها، بخار در حال انبساط یک توربین کم فشار متصل به یک ژنراتور الکتریکی را به حرکت در می آورد. بخاری که نمک و سایر آلاینده های خود را در ظرف کم فشار گذاشته است، آب شیرین خالص است. با قرار گرفتن در معرض دمای سرد از آب های اعماق اقیانوس به مایع تبدیل می شود. این روش، آب شیرین نمک زدایی را تولید می کند که برای آب آشامیدنی، آبیاری یا آبزی پروری مناسب است.
در طرح های دیگر، از بخار بالارونده در تکنیک بالابر گازی برای بالا بردن آب به ارتفاعات قابل توجه استفاده می شود. بسته به دربرداری، چنین تکنیک‌های پمپ بالابر بخار، نیرو را از یک توربین هیدروالکتریک قبل یا بعد از استفاده از پمپ تولید می‌کنند.
در سال 1984، مؤسسه تحقیقات انرژی خورشیدی (که اکنون به عنوان آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر شناخته می شود) یک تبخیر کننده عمودی برای تبدیل آب گرم دریا به بخار کم فشار برای نیروگاه های چرخه باز ایجاد کرد. راندمان تبدیل برای تبدیل آب دریا به بخار 97 درصد بود (تولید بخار کلی تنها چند درصد از آب ورودی خواهد بود). در ماه مه 1993، یک نیروگاه چرخه باز OTEC در کیهول پوینت، هاوایی، نزدیک به 80 کیلووات الکتریسیته را طی یک آزمایش تولید انرژی خالص تولید کرد. این، رکورد 40 کیلووات تعیین شده توسط یک سیستم ژاپنی در سال 1982 را شکست.
ترکیبی یا هیبرید
یک چرخه ترکیبی ویژگی های سیستم های چرخه بسته و باز را ترکیب می کند. در یک هیبرید، آب دریای گرم وارد یک محفظه خلأ می شود و مانند فرآیند تبخیر چرخه باز تبخیر می شود. بخار، سیال عامل آمونیاک یک حلقه چرخه بسته در طرف دیگر بخارساز آمونیاکی را تبخیر می کند. سیال تبخیر شده سپس یک توربین را برای تولید برق به حرکت در می آورد. بخار در داخل مبدل حرارتی متراکم می شود و آب شیرین شده را فراهم می کند.سیالات کاری
یک انتخاب محبوب سیال کاری، آمونیاک است که دارای خواص حمل و نقل برتر، در دسترس بودن آسان و هزینه کم است. اما آمونیاک سمی و قابل اشتعال است. کربن های فلوئوردار مانند CFC ها و HCFC ها سمی یا قابل اشتعال نیستند، اما در تخریب لایه اوزون نقش دارند. هیدروکربن ها نیز کاندیدهای خوبی هستند، اما بسیار قابل اشتعال هستند؛ علاوه بر این، این امر باعث ایجاد رقابت برای استفاده مستقیم از آنها به عنوان سوخت می شود. اندازه نیروگاه به فشار بخار سیال عامل بستگی دارد. با افزایش فشار بخار، اندازه توربین و مبدل‌های حرارتی کاهش می‌یابد در حالی که ضخامت دیواره لوله و مبدل‌های حرارتی افزایش می‌یابد تا فشار بالا به ویژه در سمت اواپراتور تحمل شود.زمین، سنگ بستر و سایت های شناور
OTEC پتانسیل تولید گیگاوات توان الکتریکی را دارد و در ارتباط با الکترولیز، می‌تواند هیدروژن کافی برای جایگزینی کامل مصرف سوخت فسیلی جهانی تولید کند. کارخانه‌های OTEC به یک لوله ورودی طولانی و با قطر زیاد نیاز دارند که یک کیلومتر یا بیشتر در اعماق اقیانوس غوطه ور می شود تا آب سرد را به سطح بیاورد.در میان منابع انرژی اقیانوسی، OTEC یکی از منابع انرژی تجدیدپذیر دائماً در دسترس است که می‌تواند به تأمین انرژی بار پایه کمک کند. پتانسیل منبع برای OTEC بسیار بزرگتر از سایر اشکال انرژی اقیانوس در نظر گرفته می شود.
مبتنی بر خشکی
تأسیسات مبتنی بر خشکی و نزدیک به ساحل، دارای سه مزیت اصلی، نسبت به آنهایی که در آبهای عمیق قرار دارند، هستند. کارخانه‌هایی که روی خشکی یا نزدیک آن ساخته می‌شوند، نیازی به پهلوگیری پیچیده، کابل‌های برق طویل یا نگهداری گسترده‌تر مرتبط با محیط‌های باز اقیانوس ندارند. آنها را می توان در مناطق سرپوشیده نصب کرد تا از طوفان و سختی های دریایی سنگین در امان باشند. الکتریسیته، آب نمک زدایی شده و آب دریای سرد و غنی از مواد مغذی می تواند از تأسیسات نزدیک به ساحل از طریق پل های پایه یا گذرگاه ها منتقل شود. علاوه بر این، سایت‌های مستقر در خشکی یا نزدیک به ساحل به کارخانه‌ها اجازه می‌دهند تا با صنایع مرتبط مانند دریانوردی یا صنایعی که نیاز به آب شیرین‌کن دارند، کار کنند.مکان‌های مورد علاقه شامل مکان‌هایی با سنگ بسترهای باریک (جزایر آتشفشانی)، شیب‌های تند از جانب ساحل (15 تا 20 درجه) و کف دریای نسبتاً صاف است. این مکان ها طول لوله ورودی را به حداقل می رسانند. یک کارخانه مستقر در خشکی می تواند به خوبی دور از ساحل ساخته شود، که محافظت بیشتری در برابر طوفان ارائه می دهد، یا در ساحل، جایی که لوله ها کوتاه تر هستند، ساخته شود. در هر صورت، دسترسی آسان برای ساخت و ساز و بهره برداری به کاهش هزینه ها کمک می کند.
سایت های مستقر در خشکی یا نزدیک به ساحل همچنین می توانند از کشاورزی دریایی یا آب سرد حمایت کنند. مخازن یا تالاب های ساخته شده در ساحل به کارگران اجازه می دهد تا محیط های دریایی کوچک را نظارت و کنترل کنند. محصولات کشاورزی را می توان از طریق حمل و نقل استاندارد به بازار تحویل داد.
یکی از معایب تأسیسات مبتنی بر خشکی ناشی از فعالیت امواج متلاطم در منطقه خیزاب است. لوله های تخلیه OTEC باید در ترانشه های محافظ قرار داده شوند تا از تحت فشار قرار گرفتن آنها در طول طوفان و دوره های طولانی دریاهای سنگین جلوگیری شود. همچنین، تخلیه مختلط آب سرد و گرم دریا ممکن است نیاز به حمل چند صد متری دور از ساحل داشته باشد تا قبل از رهاسازی به عمق مناسب برسد که مستلزم هزینه‌های اضافی در ساخت و نگهداری است.
یکی از راه‌هایی که سیستم‌های OTEC می‌توانند از برخی مشکلات و هزینه‌های عملیات در یک منطقه خیزاب جلوگیری کنند، ساختن آنها در آبهای دریایی با عمق 10 تا 30 متر است. این نوع نیروگاه از لوله‌های ورودی و تخلیه کوتاه‌تر (و در نتیجه کم‌هزینه‌تر) استفاده می‌کند که از خطرات خیزاب آشفته جلوگیری می‌کند. با این حال، خود نیروگاه به حفاظت از محیط دریایی مانند موج شکن ها و پایه های مقاوم در برابر فرسایش نیاز دارد و خروجی کارخانه باید به ساحل منتقل شود.
بر اساس سنگ بستر
برای اجتناب از منطقه متلاطم خیزاب و همچنین نزدیک‌تر شدن به منابع آب سرد، می‌توان دستگاه‌های OTEC را در اعماق تا 100 متر (330 فوت) در فلات قاره یا سنگ بستر نصب کرد. یک کارخانه سوار شده بر سنگ بستر را می‌توان به محل بکسل کرد و به کف دریا چسباند. از این نوع ساخت و ساز در حال حاضر برای سکوهای نفتی دریایی استفاده می شود. پیچیدگی‌های راه‌اندازی یک کارخانه OTEC در آبهای عمیق‌تر ممکن است آنها را نسبت به روش‌های خشکی گران‌تر کند. مشکلات شامل استرس شرایط اقیانوس باز و تحویل محصول دشوارتر است. پرداختن به جریان های قوی اقیانوس و امواج بزرگ هزینه های مهندسی و ساخت و ساز را افزایش می دهد. سکوها برای حفظ یک پایه پایدار به ستون بندی های گسترده نیاز دارند. تحویل برق می تواند به کابل های طولانی زیر آب برای رسیدن به خشکی نیاز داشته باشد. به این دلایل، کارخانه‌های سوار شده بر سنگ بستر جذابیت کمتری دارند.شناور
تأسیسات OTEC شناور، دور از ساحل کار می کنند. اگرچه به طور بالقوه برای سیستم های بزرگ بهینه است، اما تأسیسات شناور مشکلات متعددی را به همراه دارد. دشواری پهلوگیری نیروگاه ها در آب های بسیار عمیق، تحویل نیرو را پیچیده می کند. کابل های متصل به سکوهای شناور به ویژه در هنگام طوفان بیشتر در معرض آسیب هستند. نگهداری و تعمیر کابل ها در عمق بیش از 1000 متر مشکل است. کابل‌های بالابرنده که بستر دریا و کارخانه را به هم متصل می‌کنند، باید برای مقاومت در برابر درهم‌تنیدگی ساخته شوند.مانند کارخانه‌های سوار شده بر سنگ بستر، کارخانه‌های شناور برای کار مداوم نیاز به یک پایه ثابت دارند. طوفان های بزرگ و دریاهای سنگین می توانند لوله آب سرد معلق عمودی را بشکنند و آب گرم را نیز قطع کنند. برای کمک به جلوگیری از این مشکلات، لوله‌ها را می‌توان از پلی اتیلن منعطف که به پایین سکو متصل می‌شود و با اتصالات یا طوق‌ها به هم متصل (گیمبال) می‌شوند، ساخت. برای جلوگیری از آسیب طوفان ممکن است لازم باشد لوله ها از کارخانه جدا شوند. به عنوان جایگزینی برای یک لوله آب گرم، آب سطحی را می توان مستقیماً به داخل سکو کشید. با این حال، لازم است از آسیب یا قطع شدن جریان آبگیر در هنگام حرکات خشونت آمیز ناشی از دریاهای سنگین جلوگیری شود.
اتصال یک نیروگاه شناور به کابل های تحویل برق مستلزم آن است که نیروگاه نسبتاً ثابت بماند. پهلوگیری روش قابل قبولی است، اما فناوری پهلوگیری فعلی، به عمق حدود 2000 متر (6600 فوت) محدود شده است. حتی در اعماق کمتر، هزینه پهلوگیری ممکن است بسیار زیاد باشد.
هزینه و اقتصاد
از آنجایی که سیستم های OTEC هنوز به طور گسترده مستقر نشده اند، برآورد هزینه نامشخص است. یک مطالعه در سال 2010 توسط دانشگاه هاوایی هزینه برق برای OTEC را به 94.0 سنت در هر کیلووات ساعت برای یک نیروگاه 1.4 مگاواتی، 44.0 سنت در هر کیلووات ساعت برای نیروگاه 10 مگاوات و 18.0 سنت در هر کیلووات ساعت برای یک نیروگاه 100 مگاوات برآورد کرد. گزارش سال 2015 توسط سازمان سیستم های انرژی اقیانوس زیر نظر آژانس بین المللی انرژی تخمینی حدود 20 سنت در هر کیلووات ساعت برای نیروگاه های 100 مگاواتی ارائه می دهد. مطالعه دیگری هزینه های تولید برق را 7 سنت در هر کیلووات ساعت تخمین می زند. در مقایسه با سایر منابع انرژی، یک مطالعه در سال 2019 توسط لازارد هزینه برق بدون یارانه را بین 3.2 تا 4.2 سنت در هر کیلووات ساعت برای خورشیدی PV در مقیاس شهری و 2.8 تا 5.4 سنت در هر کیلووات ساعت برای نیروی بادی برآورد کرد.گزارشی که توسط IRENA در سال 2014 منتشر شد، ادعا کرد که استفاده تجاری از فناوری OTEC را می توان به روش های مختلفی مقیاس بندی کرد. نیروگاه‌های OTEC در مقیاس کوچک می‌توانند برای تولید برق جوامع کوچک (5000-50000 نفر ساکن) ساخته شوند، اما به تولید محصولات جانبی با ارزش - مانند آب شیرین یا خنک‌کننده - نیاز دارند تا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشند. کارخانه های OTEC در مقیاس بزرگتر هزینه های سربار و نصب بسیار بالاتری خواهند داشت.
عوامل سودمندی که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از فقدان مواد زائد و مصرف سوخت OTEC، منطقه ای که در آن در دسترس است (اغلب در 20 درجه از خط استوا)، اثرات ژئوپلیتیکی وابستگی به نفت، سازگاری با اشکال جایگزین انرژی اقیانوس مانند انرژی موج، انرژی جزر و مد و هیدرات های متان، و استفاده های تکمیلی برای آب دریا.
منبع: otecorporation
