تولید برق از آب دریا

برپایه و با استفاده از اختلاف دمای موجود بین آب‌های گرم سطحی دریا و آب‌های سرد اعماق، صنعت می‌تواند انرژی حرارتی اقیانوس‌ها را تبدیل کرده و مورد استفاده قرار دهد. برنامه‌های تحقیق و توسعه در زمینه‌ی این فناوری ، نسبتاً جوان اما به سرعت در حال پیش‌رفت است. در صورتی که به سؤالات و مشکلات قانونی، حقوقی، و مالی مربوط به تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس‌ها (OTEC) پاسخ مناسب داده شود، این شیوه در شکل تمام عیار خود می‌تواند مطرح شود، و برخی از مناطق ساحلی و جزیره‌ای در جهان، منابع آسان مناسبی برای دست‌یابی به انرژی قابل بهره برداری در اختیار بشر قرار خواهند داد.
اقیانوس‌های کره‌ی زمین، تابش خورشیدی را جذب می‌کنند که قسمت عمده‌ی آن به صورت انرژی گرمایی در آب‌های سطحی گرم ذخیره می‌شود. از سوی دیگر لایه‌های سرد آب به آرامی از نواحی قطبی به طرف خط استوا، در اعماق کم‌تر از هزار متر، در حرکتند. بنا بر این یک اختلاف درجه حرارت که مقدار آن تا بیست و پنج درجه‌ی سانتیگراد می‌رسد در سرتاسر سال در بسیاری از مناطق استوایی و نیمه استوایی وجود دارد. بر اساس قوانین اساسی ترمودینامیک، این اختلاف دما می‌تواند به عنوان منبعی برای تولید انرژی مورد استفاده قرار گیرد. در صورتی که آب‌های گرم سطحی و آب‌های سرد عمقی را بتوان در مجاورت یک‌دیگر قرار داد می‌توان از آن‌ها به ترتیب به عنوان منبع گرما و ظرف گرما (heat sink)، در یک موتور گرمایی استفاده نمود. یک چنین موتور گرمایی‌ای بسیار شبیه به نیروگاه‌های تبدیل انرژی عمل خواهد کرد با این تفاوت که در این جا هیچ گونه سوختی مورد نیاز نیست. اختلاف دمای اقیانوس از روز به شب نیز چندان قابل توجه نیست. از این رو چنین سیستمی به عنوان یک منبع دائمی انرژی قابل استفاده است. البته تغییرات فصلی در آن بی‌اثر نخواهد بود که این تغییرات به تناسب دور شدن از خط استوا افزایش می‌یابد.

اما قدرت این منبع انرژی تا چه حد می‌تواند باشد؟ انرژی پتانسیل طبیعی موجود در تفاوت انرژی گرمایی آب اقیانوس‌ها در حدود ده به توان سیزده وات تخمین زده می‌شود. مسلماً از لحاظ فنی استخراج همه‌ی این مقدار انرژی عملی نیست. به علاوه آن‌چه در عمل قابل دست‌یابی است حتی از مقدار فنی آن نیز کم‌تر است. امروزه نمودارهای مختلفی به عنوان نیروی پتانسیل عملیِ انرژی حرارتی اقیانوس‌ها توسط متخصصین ارائه می‌شود. شاید بتوان گفت برآورد معقول و متعادل در این زمینه حدود ده به توان یازده وات است. برای درک بهتر این مقدار انرژی بهتر است بدانیم که ظرفیت تولید الکتریسیته‌ی تأسیسات فعلی جهان ده به توان دوازده وات است. این بدین معنی است که انرژی حرارتی اقیانوس‌ها می‌تواند در زمینه‌ی تهیه‌ی الکتریسیته‌ی جهان کمک مؤثری باشد. از شناسایی تبدیل انرژی گرمایی اقیانوس‌ها (OTEC)، به عنوان یک نظریه، بیش از صد سال می‌گذرد؛ اما توسعه‌ی فنی آن در ظرف چند دهه‌ی اخیر انجام گرفته است. برنامه‌های OTEC با مدد گرفتن از توسعه‌ی فعالیت‌های دور از ساحل در ارتباط با صنایع نفت و گاز از اواخر دهه‌ی 1960 میلادی سرعت یافت (به ویژه که بهره برداری از این منابعِ سوختِ فسیلی به آب‌های عمیق‌تر و با آب و هوای سخت‌تر جا به جا شده است).
در توضیح مفاهیم و فناوری‌های مربوط به OTEC لازم است گفته شود که در برخی از نقاط جهان نظیر جزایراستوایی و نیمه استوایی، می‌توان نیروگاه‌های OTEC را با استفاده از لوله‌های آب برای انتقال آب‌های گرم و سرد به داخل نیروگاه و خارج از آن در کنار ساحل راه اندازی کرد. به طور کلی مقدار انرژی پتانسیلی که از این طریق قابل دست‌یابی است خیلی کم‌تر از مقدار عملی انرژی‌ای است که توسط نیروگاه‌های شناور می‌توان بدان دست یافت. اما از سوی دیگر، راه اندازی نیروگاه‌های شناور دور از ساحل، با مشکلاتی همراه است. از جمله‌ی این مشکلات، تدارک نیروی انسانی و خدمه در مناطق دور از دسترس و نیاز به انتقال برق و دیگر تولیدات انرژی به ساحل است. عوامل اقتصادی، تعیین کننده‌ی وسعت و ابعاد نیروگاه، خصوصیات جغرافیایی و تقاضاهای بازار هستند و مشخص می‌کنند که چه جایگاه‌هایی (کنار ساحل، دور از ساحل، و یا هر دو) باید مورد استفاده قرار گیرند. جایگاه‌های کنار ساحلی و نزدیک به ساحل احتمالاً با گسترش این اندیشه به کار گرفته خواهند شد، زیرا هم مناسب‌ترند و هم دسترسی بهتری به بازارهای محلی برای الکتریسیته OTEC و تولیدات جنبی آن دارند.

برای تبدیل اختلاف دما به انرژی الکتریکی، می‌توان از آب دریا برای گرم کردن مایعات با درجه‌ی تبخیر پایین استفاده کرد. این‌گونه مایعات که مایع عمل کننده نامیده می‌شوند ممکن است آمونیاک، فرئون، و یا پروپان باشند. مایع عمل کننده در حین تبخیر باعث افزایش فشار می‌شود و بخار منبسط شده، پس از دادن مقداری از انرژی خود به یک توربین، توسط آب سردی که از اعماق آورده شده است متراکم می‌گردد، و این چرخه به طور پیوسته تکرار می‌شود. این سیستم، سیستمِ چرخه‌ی بسته نام دارد. آبِ دریا به تنهایی نیز می‌تواند به عنوان مایعِ عمل کننده‌ای که مجدداً وارد چرخه نمی‌شود مورد استفاده قرار گیرد. این مفهوم، تحت عنوان سیستم چرخه‌ی باز شناخته می‌شود: آبِ گرم دریا با شرایط یک خلأ نسبی در یک محفظه به سرعت تبخیر می‌گردد؛ بخار آب منتقل می‌شود و در محفظه‌ی آبِ سرد دریا تراکم می‌یابد. بخار در حین انتقال، از درون توربینی که ژنراتوری الکتریکی را می‌گرداند عبور می‌کند. برتری این سیستم آن است که آبِ متراکم شده، اساساً آب شیرین است و می‌تواند به عنوان آب آشامیدنی مورد استفاده قرار گیرد.
در حالی که بیش‌ترین اختلاف درجه حرارت میان آب‌های سطحی و عمقی غالباً در نواحی نزدیک به خط استوا رخ می‌دهد، ضخامتِ لایه‌ی آب گرم در این عرض‌های جغرافیایی کم تر می‌شود. این مسأله بر طراحی آن بخش از سیستم که آب‌های گرم را جمع آوری می‌کند تأثیر قابل ملاحظه‌ای دارد. ضمناً این نکته باید مورد توجه قرار گیرد که آب سرد عمقی نیز در این مناطق استوایی به سطح نزدیک‌تر است و از این رو می‌تواند برای لوله‌های جمع آوری کننده‌ی آب سرد و انتقال دهنده‌ی آن به نیروگاه OTEC، نأثیر عملی مثبتی داشته باشد. فرایند استخراج انرژی بر اساس چرخه‌ی مناسبی در موتورهای گرمایی استوار است. قابلیت عملی OTEC در اختلاف درجه حرارت بیست درجه سانتیگراد، در مقایسه با نیروگاه‌های سوخت فسیلی با مقدار نمونه‌ای سی درصد، درحدود سه درصد است. اندازه و ابعاد نیروگاه با توجه به این که آب سرد در اعماق تا هزار متر وجود دارد و نیز این که جریان آب مورد نیاز برای هر مگاوات خروجی انرژی، درحدود چهار تا هشت متر بر ثانیه است، مشخص خواهد شد. بنا بر این، واقع بینی عملی (مهندسی سیستم) کلید ارزیابی آینده‌ی OTEC، البته همراه با جنبه‌های اقتصادی آن، خواهد بود.
بررسی استقرار نیروگاه‌های OTEC نشان می‌دهد که فرصت‌های مناسبی برای اشکال مختلف نیروگاه‌های OTEC، همراه با ترکیبی از فعالیت‌های مربوط، وجود دارد که عبارتند از: چرخه‌ی OTEC باز یا بسته، شناور و البته ساخته شده به شکلی که ایستگاه را ثابت نگاه دارد، واقع در خشکی ، و یا در برج‌های ویژه، برای تولید برق؛ و برای زراعت آبی و فرایندهای شیرین سازی آب. در هر صورت امروزه استقرار نیروگاه‌های OTEC بر روی تأسیسات شناور ترجیح داده می شود، که مبتنی بر سیستم نیروگاهی است که بر روی یک سکوی اقیانوسی قرار دارد. این سکو قادر است از طریق یک رشته‌ی زیر دریاییِ متصل شونده به ساحل، تولیدات خود را به شکل برق، هوای فشرده، آمونیاک مایع، و یا هیدروژن گازی به ساحل منتقل کند. در صورت استفاده از این رشته‌ی انتقال، لازم است از نگهدارنده‌های ثابت سکو بهره گیری شود. از طرف دیگر در صورتی که تولیدات OTEC به وسیله‌ی قایق و یا کشتی به ساحل انتقال یابند، تجهیزات مورد نیاز برای نگهداری ایستگاه ضرورت کم‌تری دارد. در صورتی که مهار کردن نیروگاه ضروری باشد محدودیت‌های دیگری، بسته به نوع جایگاه، انجام می‌گیرد. برای مثال بهتر است از یک ظرف گرمایی مناسب که تنها در اعماق هفت‌صد تا هزار متری قابل دسترسی است استفاده شود. در هر صورت مهار کردن در عمق‌های زیاد، از لحاظ فنی و یا حتی اقتصادی ممکن است به عمق کم‌تر از دو هزار متر محدود شود. آن‌گاه نیروگاه‌های OTEC مهار شده عملاً خواهند توانست تنها در محدوده‌ی عمق‌های بین هزار تا دو هزار متری فعالیت کنند.
مفهوم شناور به معنای استفاده از گزینه‌های متعدد موجودی از قبیل ساختمان کشتی‌گون، نیمه شناور، شناور، و برج‌های مهار شده است. بیش‌ترِ کارهای انجام گرفته در باره‌ی OTEC در چهار دهه‌ی گذشته، شکل تحقیقات و مطالعات برنامه ریزی در این زمینه را داشته است. بسیاری از شناخته‌ها و خطراتی که به بروز محدودیت‌هایی انجامیده بودند اکنون برطرف شده‌اند. برنامه‌ی OTEC اکنون از مرحله‌ی تجربیات آزمایشگاهی گذشته و به مرحله‌ی تجربه‌ی سخت افزارها در ابعاد بزرگ‌تر، بر روی خشکی و در دریا، رسیده است؛ تبادل کننده‌های گرمایی نمونه و لوله‌های حامل آب سرد، تولید شده و مورد آزمایش قرار گرفته‌اند. آزمایش‌های سوخت‌های زیستی (biofuelling) و زنگ زدگی در چندین منطقه انجام گرفته است. هم‌چنین آزمایش‌هایی در زمینه‌ی اقدامات متقابل و فنون پاک کنندگی انجام شده است. در حال حاضر کشورهای بسیاری دارای برنامه‌های OTEC هستند که از میان آن‌ها می‌توان از فرانسه، ژاپن، هلند، انگلستان، ایالات متحده، و روسیه نام برد.