Conversión de energía térmica oceánica
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Conversión de energía térmica oceánica (OTEC) utiliza el gradiente térmico del océano entre las aguas profundas más frías y las aguas someras o superficiales más cálidas para hacer funcionar un motor térmico y producir trabajo útil, generalmente en la forma de electricidad. OTEC puede operar con un factor de capacidad muy alto y, por lo tanto, puede operar en modo de carga base.
Las masas de agua fría más densas, formadas por la interacción del agua superficial del océano con la atmósfera fría en áreas bastante específicas del Atlántico Norte y el Océano Austral, se hunden en las cuencas marinas profundas y se extienden por todo el océano profundo por la circulación termohalina. El afloramiento de agua fría de las profundidades del océano se repone con el afloramiento de agua fría superficial del mar.
Entre las fuentes de energía oceánica, OTEC es uno de los recursos de energía renovable continuamente disponibles que podrían contribuir al suministro de energía de carga base. Se considera que el potencial de recursos de OTEC es mucho mayor que el de otras formas de energía oceánica. OTEC podría generar hasta 88 000 TWh/año de energía sin afectar la estructura térmica del océano.
Los sistemas pueden ser de ciclo cerrado o de ciclo abierto. El OTEC de ciclo cerrado utiliza fluidos de trabajo que normalmente se consideran refrigerantes como el amoníaco o el R-134a. Estos fluidos tienen puntos de ebullición bajos y, por lo tanto, son adecuados para alimentar el generador del sistema para generar electricidad. El ciclo térmico más utilizado para OTEC hasta la fecha es el ciclo Rankine, que utiliza una turbina de baja presión. Los motores de ciclo abierto utilizan el vapor del agua de mar como fluido de trabajo.
OTEC también puede suministrar cantidades de agua fría como subproducto. Esto se puede utilizar para aire acondicionado y refrigeración y el agua del océano profundo rica en nutrientes puede alimentar tecnologías biológicas. Otro subproducto es el agua dulce destilada del mar.
La teoría OTEC se desarrolló por primera vez en la década de 1880 y el primer modelo de demostración del tamaño de un banco se construyó en 1926. Actualmente, las plantas OTEC a escala piloto en funcionamiento se encuentran en Japón, supervisadas por la Universidad de Saga y Makai en Hawái.
Historia
Los intentos de desarrollar y refinar la tecnología OTEC comenzaron en la década de 1880. En 1881, Jacques Arsene d'Arsonval, un físico francés, propuso aprovechar la energía térmica del océano. El alumno de D'Arsonval, Georges Claude, construyó la primera planta OTEC, en Matanzas, Cuba, en 1930. El sistema generaba 22 kW de electricidad con una turbina de baja presión. La planta fue destruida más tarde por una tormenta.
En 1935, Claude construyó una planta a bordo de un buque de carga de 10 000 toneladas amarrado frente a la costa de Brasil. El clima y las olas lo destruyeron antes de que pudiera generar energía neta. (La potencia neta es la cantidad de energía generada después de restar la energía necesaria para hacer funcionar el sistema).
En 1956, científicos franceses diseñaron una planta de 3 MW para Abidjan, Costa de Marfil. La planta nunca se completó porque los nuevos hallazgos de grandes cantidades de petróleo barato la hicieron antieconómica.
En 1962, J. Hilbert Anderson y James H. Anderson, Jr. se concentraron en aumentar la eficiencia de los componentes. Patentaron su nuevo "ciclo cerrado" diseño en 1967. Este diseño mejoró el sistema Rankine de ciclo cerrado original y lo incluyó en un esquema para una planta que produciría energía a un costo menor que el petróleo o el carbón. En ese momento, sin embargo, su investigación atrajo poca atención ya que el carbón y la energía nuclear se consideraban el futuro de la energía.
Japón es uno de los principales contribuyentes al desarrollo de la tecnología OTEC. A partir de 1970, Tokyo Electric Power Company construyó e implementó con éxito una planta OTEC de ciclo cerrado de 100 kW en la isla de Nauru. La planta entró en funcionamiento el 14 de octubre de 1981 y produjo unos 120 kW de electricidad; 90 kW se usaron para alimentar la planta y la electricidad restante se usó para alimentar una escuela y otros lugares. Esto estableció un récord mundial para la producción de energía de un sistema OTEC donde la energía se envió a una red eléctrica real (en oposición a una experimental). 1981 también vio un gran desarrollo en la tecnología OTEC cuando el ingeniero ruso, el Dr. Alexander Kalina, usó una mezcla de amoníaco y agua para producir electricidad. Esta nueva mezcla de agua y amoníaco mejoró en gran medida la eficiencia del ciclo de energía. En 1994, la Universidad de Saga diseñó y construyó una planta de 4,5 kW con el fin de probar un ciclo Uehara recién inventado, también llamado así por su inventor Haruo Uehara. Este ciclo incluye procesos de absorción y extracción que permiten que este sistema supere el ciclo Kalina en un 1-2%. Actualmente, el Instituto de Energía Oceánica de la Universidad de Saga es el líder en investigación de plantas de energía OTEC y también se enfoca en muchos de los beneficios secundarios de la tecnología.
La década de 1970 vio un repunte en la investigación y el desarrollo de OTEC durante la guerra árabe-israelí posterior a 1973, que provocó que los precios del petróleo se triplicaran. El gobierno federal de EE. UU. destinó $260 millones a la investigación de OTEC después de que el presidente Carter firmara una ley que comprometía a EE. UU. a una meta de producción de 10 000 MW de electricidad a partir de sistemas OTEC para 1999.
En 1974, EE. UU. estableció el Laboratorio de Energía Natural de la Autoridad de Hawái (NELHA) en Keahole Point, en la costa de Kona, Hawái. Hawái es la mejor ubicación de EE. UU. para OTEC, debido a sus aguas superficiales cálidas, acceso a aguas muy profundas y frías y altos costos de electricidad. El laboratorio se ha convertido en una instalación de prueba líder para la tecnología OTEC. En el mismo año, Lockheed recibió una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. para estudiar OTEC. Esto finalmente condujo a un esfuerzo de Lockheed, la Marina de los EE. UU., Makai Ocean Engineering, Dillingham Construction y otras empresas para construir la primera y única planta OTEC del mundo que produce energía neta, denominada 'Mini-OTEC'. 34; Durante tres meses en 1979, se generó una pequeña cantidad de electricidad.
Una iniciativa europea EUROCEAN, una empresa conjunta de financiación privada de 9 empresas europeas que ya están activas en la ingeniería en alta mar, participó activamente en la promoción de OTEC de 1979 a 1983. Inicialmente, se estudió una instalación en alta mar a gran escala. Posteriormente se estudió una instalación terrestre de 100 kW que combina OTEC terrestre con Desalinización y Acuicultura, apodada ODA. Esto se basó en los resultados de una instalación de acuicultura a pequeña escala en la isla de St Croix que utilizó una línea de suministro de aguas profundas para alimentar las cuencas de acuicultura. También se investigó una planta de ciclo abierto en tierra. La ubicación del caso de estudio fue la isla de Curaçao, relacionada con el Reino Holandés.
La investigación relacionada con la realización de OTEC de ciclo abierto comenzó seriamente en 1979 en el Instituto de Investigación de Energía Solar (SERI) con financiamiento del Departamento de Energía de EE. UU. SERI desarrolló y patentó evaporadores y condensadores de contacto directo adecuadamente configurados (ver). Kreith y Bharathan (, y) describieron un diseño original para un experimento de producción de energía, entonces llamado experimento de 165 kW, como la Conferencia del Premio Max Jakob Memorial. El diseño inicial utilizó dos turbinas axiales paralelas, usando rotores de última etapa tomados de grandes turbinas de vapor. Más tarde, un equipo dirigido por el Dr. Bharathan en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) desarrolló el diseño conceptual inicial para un experimento OTEC de ciclo abierto actualizado de 210 kW (). Este diseño integró todos los componentes del ciclo, a saber, el evaporador, el condensador y la turbina en un solo recipiente de vacío, con la turbina montada en la parte superior para evitar que el agua llegue a ella. El recipiente estaba hecho de hormigón como el primer recipiente de vacío de proceso de este tipo. Los intentos de fabricar todos los componentes con material plástico de bajo costo no se pudieron lograr por completo, ya que se requería cierto conservadurismo para la turbina y las bombas de vacío desarrolladas como las primeras de su tipo. Más tarde, el Dr. Bharathan trabajó con un equipo de ingenieros en el Instituto del Pacífico para la Investigación de Alta Tecnología (PICHTR) para continuar con este diseño a través de las etapas preliminar y final. Fue rebautizado como Experimento de Producción de Energía Neta (NPPE) y fue construido en el Laboratorio de Energía Natural de Hawái (NELH) por PICHTR por un equipo dirigido por el Ingeniero Jefe Don Evans y el proyecto fue administrado por el Dr. Luis Vega.
En 2002, India probó una planta piloto OTEC flotante de 1 MW cerca de Tamil Nadu. La planta finalmente fracasó debido a una falla en la tubería de agua fría de aguas profundas. Su gobierno sigue patrocinando la investigación.
En 2006, Makai Ocean Engineering obtuvo un contrato de la Oficina de Investigación Naval (ONR) de EE. UU. para investigar el potencial de OTEC para producir cantidades significativas de hidrógeno a nivel nacional en plantas flotantes en el mar ubicadas en aguas tropicales cálidas. Al darse cuenta de la necesidad de socios más grandes para comercializar OTEC, Makai se acercó a Lockheed Martin para renovar su relación anterior y determinar si era el momento adecuado para OTEC. Y así, en 2007, Lockheed Martin reanudó su trabajo en OTEC y se convirtió en subcontratista de Makai para respaldar su SBIR, al que siguieron otras colaboraciones posteriores.
En marzo de 2011, Ocean Thermal Energy Corporation firmó un acuerdo de servicios energéticos (ESA) con el resort Baha Mar, Nassau, Bahamas, para el primer y más grande sistema de aire acondicionado de agua de mar (SWAC) del mundo. En junio de 2015, el proyecto se detuvo mientras el complejo resolvía problemas financieros y de propiedad. En agosto de 2016, se anunció que los problemas se habían resuelto y que el resort abriría en marzo de 2017. Se espera que la construcción del sistema SWAC se reanude en ese momento.
En julio de 2011, Makai Ocean Engineering completó el diseño y la construcción de una instalación de prueba de intercambiador de calor OTEC en el Laboratorio de Energía Natural de Hawái. El propósito de la instalación es llegar a un diseño óptimo para los intercambiadores de calor OTEC, aumentando el rendimiento y la vida útil al mismo tiempo que reduce los costos (los intercambiadores de calor son el factor de costo número 1 para una planta OTEC). Y en marzo de 2013, Makai anunció una adjudicación para instalar y operar una turbina de 100 kilovatios en las instalaciones de prueba de intercambiadores de calor de OTEC y, una vez más, conectar la energía de OTEC a la red.
En julio de 2016, la Comisión de Servicios Públicos de las Islas Vírgenes aprobó la solicitud de Ocean Thermal Energy Corporation para convertirse en una instalación calificada. Por lo tanto, a la empresa se le permite iniciar negociaciones con la Autoridad de Agua y Energía de las Islas Vírgenes (WAPA) para un Acuerdo de Compra de Energía (PPA) relacionado con una planta de Conversión de Energía Térmica Oceánica (OTEC) en la isla de St. Croix. Esta sería la primera planta OTEC comercial del mundo.
Plantas OTEC actualmente operativas
En marzo de 2013, la Universidad de Saga junto con varias industrias japonesas completaron la instalación de una nueva planta OTEC. La prefectura de Okinawa anunció el inicio de las pruebas de funcionamiento de OTEC en la isla de Kume el 15 de abril de 2013. El objetivo principal es probar la validez de los modelos informáticos y demostrar OTEC al público. Las pruebas y la investigación se llevarán a cabo con el apoyo de la Universidad de Saga hasta finales del año fiscal 2016. A IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation y Xenesys Inc se les encomendó la construcción de la planta de clase de 100 kilovatios dentro de los terrenos de la prefectura de Okinawa. Centro de Investigación de Aguas Profundas. La ubicación se eligió específicamente para utilizar las tuberías de entrada de agua de mar profunda y superficial instaladas para el centro de investigación en 2000. La tubería se utiliza para la entrada de agua de mar profunda para investigación, pesca y uso agrícola.[19] La planta consta de dos unidades de 50 kW en configuración doble Rankine. Las instalaciones de OTEC y el centro de investigación de aguas profundas están abiertos para visitas públicas gratuitas con cita previa en inglés y japonés. Actualmente, esta es una de las dos únicas plantas OTEC en pleno funcionamiento en el mundo. Esta planta opera de forma continua cuando no se están realizando pruebas específicas.
En 2011, Makai Ocean Engineering completó una instalación de prueba de intercambiador de calor en NELHA. Utilizado para probar una variedad de tecnologías de intercambio de calor para su uso en OTEC, Makai recibió fondos para instalar una turbina de 105 kW. La instalación hará de esta instalación la instalación OTEC operativa más grande, aunque el récord de mayor potencia se mantendrá con la planta de ciclo abierto también desarrollada en Hawái.
En julio de 2014, el grupo DCNS se asoció con Akuo Energy y anunció la financiación NER 300 para su proyecto NEMO. Si tiene éxito, la planta costa afuera de 16MW brutos y 10MW netos será la instalación OTEC más grande hasta la fecha. DCNS planea tener NEMO operativo para 2020.
Una central eléctrica de conversión de energía térmica oceánica construida por Makai Ocean Engineering entró en funcionamiento en Hawái en agosto de 2015. El gobernador de Hawái, David Ige, "pulsó el interruptor" para activar la planta. Esta es la primera planta de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) de ciclo cerrado que se conecta a una red eléctrica de EE. UU. Se trata de una planta de demostración capaz de generar 105 kilovatios, suficientes para alimentar unos 120 hogares.
Eficiencia termodinámica
Un motor térmico ofrece una mayor eficiencia cuando funciona con una gran diferencia de temperatura. En los océanos, la diferencia de temperatura entre las aguas superficiales y profundas es mayor en los trópicos, aunque sigue siendo modesta de 20 a 25 °C. Por lo tanto, es en los trópicos donde OTEC ofrece las mayores posibilidades. OTEC tiene el potencial de ofrecer cantidades globales de energía que son de 10 a 100 veces mayores que otras opciones de energía oceánica, como la energía de las olas.
Las plantas OTEC pueden operar continuamente proporcionando un suministro de carga base para un sistema de generación de energía eléctrica.
El principal desafío técnico de OTEC es generar cantidades significativas de energía de manera eficiente a partir de pequeñas diferencias de temperatura. Todavía se considera una tecnología emergente. Los primeros sistemas OTEC tenían una eficiencia térmica del 1 al 3 por ciento, muy por debajo del máximo teórico del 6 y el 7 por ciento para esta diferencia de temperatura. Los diseños modernos permiten un rendimiento que se aproxima a la máxima eficiencia teórica de Carnot.
Tipos de ciclo de energía
El agua de mar fría es una parte integral de cada uno de los tres tipos de sistemas OTEC: ciclo cerrado, ciclo abierto e híbrido. Para operar, el agua de mar fría debe ser llevada a la superficie. Los enfoques principales son el bombeo activo y la desalinización. La desalinización del agua de mar cerca del lecho marino reduce su densidad, lo que hace que suba a la superficie.
La alternativa a las costosas tuberías para llevar el agua fría condensada a la superficie es bombear fluido vaporizado de bajo punto de ebullición a las profundidades para condensarlo, lo que reduce los volúmenes de bombeo, reduce los problemas técnicos y ambientales y reduce los costos.
Cerrado
Los sistemas de ciclo cerrado usan fluidos con un punto de ebullición bajo, como el amoníaco (que tiene un punto de ebullición de alrededor de -33 °C a presión atmosférica), para impulsar una turbina y generar electricidad. El agua de mar superficial caliente se bombea a través de un intercambiador de calor para vaporizar el fluido. El vapor en expansión hace girar el turbogenerador. El agua fría, bombeada a través de un segundo intercambiador de calor, condensa el vapor en un líquido, que luego se recicla a través del sistema.
En 1979, el Laboratorio de Energía Natural y varios socios del sector privado desarrollaron el "mini OTEC" experimento, que logró la primera producción exitosa en el mar de energía eléctrica neta a partir de OTEC de ciclo cerrado. El mini barco OTEC estaba amarrado a 1,5 millas (2,4 km) de la costa de Hawái y producía suficiente electricidad neta para encender las bombillas del barco y hacer funcionar sus computadoras y televisión.
Abierto
OTEC de ciclo abierto utiliza agua superficial caliente directamente para producir electricidad. El agua de mar tibia se bombea primero a un recipiente de baja presión, lo que hace que hierva. En algunos esquemas, el vapor en expansión impulsa una turbina de baja presión conectada a un generador eléctrico. El vapor, que ha dejado su sal y otros contaminantes en el recipiente de baja presión, es agua dulce pura. Se condensa en un líquido por exposición a bajas temperaturas del agua del océano profundo. Este método produce agua dulce desalinizada, apta para agua potable, riego o acuicultura.
En otros esquemas, el vapor ascendente se utiliza en una técnica de levantamiento artificial por gas para elevar el agua a alturas significativas. Dependiendo de la forma de realización, dichas técnicas de bombeo por elevación de vapor generan energía a partir de una turbina hidroeléctrica antes o después de que se utilice la bomba.
En 1984, el Instituto de Investigación de Energía Solar (ahora conocido como Laboratorio Nacional de Energía Renovable) desarrolló un evaporador de pico vertical para convertir agua de mar tibia en vapor de baja presión para plantas de ciclo abierto. Las eficiencias de conversión llegaron al 97 % para la conversión de agua de mar en vapor (la producción total de vapor sería solo un pequeño porcentaje del agua entrante). En mayo de 1993, una planta OTEC de ciclo abierto en Keahole Point, Hawái, produjo cerca de 80 kW de electricidad durante un experimento de producción de energía neta. Esto rompió el récord de 40 kW establecido por un sistema japonés en 1982.
Híbrida
(feminine)Un ciclo híbrido combina las características de los sistemas de ciclo cerrado y abierto. En un híbrido, el agua de mar tibia ingresa a una cámara de vacío y se evapora instantáneamente, de manera similar al proceso de evaporación de ciclo abierto. El vapor vaporiza el fluido de trabajo de amoníaco de un ciclo cerrado en el otro lado de un vaporizador de amoníaco. El fluido vaporizado luego impulsa una turbina para producir electricidad. El vapor se condensa dentro del intercambiador de calor y proporciona agua desalinizada (ver tubería de calor).
Fluidos de trabajo
Una opción popular de fluido de trabajo es el amoníaco, que tiene propiedades de transporte superiores, fácil disponibilidad y bajo costo. El amoníaco, sin embargo, es tóxico e inflamable. Los carbones fluorados como los CFC y los HCFC no son tóxicos ni inflamables, pero contribuyen al agotamiento de la capa de ozono. Los hidrocarburos también son buenos candidatos, pero son altamente inflamables; además, esto crearía competencia por su uso directo como combustibles. El tamaño de la planta de energía depende de la presión de vapor del fluido de trabajo. Con el aumento de la presión de vapor, el tamaño de la turbina y los intercambiadores de calor disminuye, mientras que el grosor de la pared de la tubería y los intercambiadores de calor aumentan para soportar la alta presión, especialmente en el lado del evaporador.
Sitios terrestres, plataformas y flotantes
OTEC tiene el potencial de producir gigavatios de energía eléctrica y, junto con la electrólisis, podría producir suficiente hidrógeno para reemplazar por completo todo el consumo mundial proyectado de combustibles fósiles. Sin embargo, la reducción de costos sigue siendo un desafío sin resolver. Las plantas OTEC requieren una tubería de entrada larga y de gran diámetro, que se sumerge un kilómetro o más en las profundidades del océano, para llevar agua fría a la superficie.
Con base en tierra
Las instalaciones en tierra y cerca de la costa ofrecen tres ventajas principales sobre las ubicadas en aguas profundas. Las plantas construidas en tierra o cerca de ella no requieren amarres sofisticados, cables de alimentación largos o el mantenimiento más extenso asociado con los entornos de mar abierto. Se pueden instalar en áreas protegidas para que estén relativamente a salvo de tormentas y mar gruesa. La electricidad, el agua desalinizada y el agua de mar fría y rica en nutrientes podrían transmitirse desde las instalaciones cercanas a la costa a través de puentes de caballete o calzadas. Además, los sitios en tierra o cerca de la costa permiten que las plantas operen con industrias relacionadas, como la maricultura o aquellas que requieren agua desalinizada.
Los lugares preferidos incluyen aquellos con plataformas angostas (islas volcánicas), pendientes pronunciadas (15 a 20 grados) en alta mar y fondos marinos relativamente suaves. Estos sitios minimizan la longitud de la tubería de entrada. Una planta terrestre podría construirse tierra adentro desde la costa, ofreciendo más protección contra las tormentas, o en la playa, donde las tuberías serían más cortas. En cualquier caso, el fácil acceso para la construcción y operación ayuda a reducir los costos.
Los sitios en tierra o cerca de la costa también pueden apoyar la maricultura o la agricultura en agua helada. Los tanques o lagunas construidos en la costa permiten a los trabajadores monitorear y controlar ambientes marinos en miniatura. Los productos de maricultura se pueden entregar al mercado mediante transporte estándar.
Una desventaja de las instalaciones terrestres surge de la acción turbulenta de las olas en la zona de olas. Las tuberías de descarga de OTEC deben colocarse en zanjas protectoras para evitar someterlas a esfuerzos extremos durante tormentas y períodos prolongados de mar gruesa. Además, es posible que la descarga mixta de agua de mar fría y tibia deba transportarse varios cientos de metros mar adentro para alcanzar la profundidad adecuada antes de que se libere, lo que requiere gastos adicionales en construcción y mantenimiento.
Una forma en que los sistemas OTEC pueden evitar algunos de los problemas y gastos de operar en una zona de surf es construyéndolos en alta mar en aguas que van desde los 10 a los 30 metros de profundidad (Ocean Thermal Corporation 1984). Este tipo de planta utilizaría tuberías de toma y descarga más cortas (y por lo tanto menos costosas), lo que evitaría los peligros del oleaje turbulento. Sin embargo, la planta en sí requeriría protección contra el medio ambiente marino, como rompeolas y cimientos resistentes a la erosión, y la producción de la planta tendría que transmitirse a la costa.
Basado en estantería
Para evitar la turbulenta zona de oleaje y acercarse al recurso de agua fría, las plantas OTEC se pueden montar en la plataforma continental a profundidades de hasta 100 metros (330 pies). Se podría remolcar una planta montada en un estante hasta el sitio y fijarla al fondo del mar. Este tipo de construcción ya se usa para plataformas petroleras en alta mar. Las complejidades de operar una planta OTEC en aguas más profundas pueden hacerlas más costosas que los enfoques basados en tierra. Los problemas incluyen el estrés de las condiciones del mar abierto y la entrega más difícil del producto. Abordar las fuertes corrientes oceánicas y las grandes olas agrega gastos de ingeniería y construcción. Las plataformas requieren pilotes extensos para mantener una base estable. El suministro de energía puede requerir largos cables submarinos para llegar a tierra. Por estas razones, las plantas montadas en estantes son menos atractivas.
Flotante
Las instalaciones flotantes de OTEC operan en alta mar. Aunque son potencialmente óptimas para grandes sistemas, las instalaciones flotantes presentan varias dificultades. La dificultad de amarrar plantas en aguas muy profundas complica el suministro de energía. Los cables conectados a plataformas flotantes son más susceptibles a sufrir daños, especialmente durante las tormentas. Los cables a profundidades superiores a 1000 metros son difíciles de mantener y reparar. Los cables ascendentes, que conectan el lecho marino y la planta, deben construirse para resistir el enredo.
Al igual que con las plantas montadas en estantes, las plantas flotantes necesitan una base estable para un funcionamiento continuo. Las grandes tormentas y el mar embravecido pueden romper la tubería de agua fría suspendida verticalmente e interrumpir también la entrada de agua caliente. Para ayudar a prevenir estos problemas, las tuberías pueden estar hechas de polietileno flexible unidas a la parte inferior de la plataforma y articuladas con juntas o collares. Es posible que sea necesario desacoplar las tuberías de la planta para evitar daños por tormentas. Como alternativa a una tubería de agua caliente, el agua superficial se puede extraer directamente a la plataforma; sin embargo, es necesario evitar que el flujo de entrada se dañe o se interrumpa durante los movimientos violentos causados por el mar embravecido.
Conectar una planta flotante a los cables de suministro de energía requiere que la planta permanezca relativamente estacionaria. El amarre es un método aceptable, pero la tecnología de amarre actual se limita a profundidades de unos 2000 metros (6600 pies). Incluso a profundidades menores, el costo del amarre puede ser prohibitivo.
Preocupaciones políticas
Debido a que las instalaciones de OTEC son plataformas de superficie más o menos estacionarias, su ubicación exacta y estado legal pueden verse afectados por el tratado de la Convención de las Naciones Unidas sobre el Derecho del Mar (UNCLOS). Este tratado otorga a las naciones costeras zonas de 12 y 200 millas náuticas (22 y 370 km) de autoridad legal variable desde tierra, creando posibles conflictos y barreras regulatorias. Las plantas OTEC y estructuras similares se considerarían islas artificiales según el tratado, sin otorgarles un estatus legal independiente. Las plantas OTEC podrían percibirse como una amenaza o un socio potencial para las pesquerías o para las operaciones de minería de los fondos marinos controladas por la Autoridad Internacional de los Fondos Marinos.
Coste y economía
Debido a que los sistemas OTEC aún no se han implementado ampliamente, las estimaciones de costos son inciertas. Un estudio de 2010 realizado por la Universidad de Hawai estimó el costo de la electricidad para OTEC en 94,0 centavos por kilovatio hora (kWh) para una planta de 1,4 MW, 44,0 centavos por kWh para una planta de 10 MW y 18,0 centavos por kWh para una planta de 100 MW. Un informe de 2015 de la organización Ocean Energy Systems de la Agencia Internacional de Energía dio una estimación de alrededor de 20,0 centavos por kWh para plantas de 100 MW. Otro estudio estimó costos de generación de energía tan bajos como 7,0 centavos por kWh. En comparación con otras fuentes de energía, un estudio realizado por Lazard en 2019 estimó que el costo de la electricidad sin subsidio es de 3,2 a 4,2 centavos por kWh para la energía solar fotovoltaica a escala de servicios públicos y de 2,8 a 5,4 centavos por kWh para la energía eólica.
Un informe publicado por IRENA en 2014 afirmó que el uso comercial de la tecnología OTEC se puede escalar de varias maneras. “...las plantas OTEC a pequeña escala pueden fabricarse para acomodar la producción de electricidad de pequeñas comunidades (5 000-50 000 habitantes), pero requerirían la producción de subproductos valiosos, como agua dulce o refrigeración, para ser económicamente viables ”. Las plantas OTEC de mayor escala tendrían costos generales y de instalación mucho más altos.
Los factores beneficiosos que deben tenerse en cuenta incluyen la falta de productos de desecho y consumo de combustible de OTEC, el área en la que está disponible (a menudo dentro de los 20° del ecuador), los efectos geopolíticos de la dependencia del petróleo, compatibilidad con formas alternativas de energía oceánica, como la energía de las olas, la energía de las mareas y los hidratos de metano, y usos complementarios para el agua de mar.
Algunos proyectos propuestos
Los proyectos de OTEC que se están considerando incluyen una pequeña planta para la base de la Marina de los EE. UU. en el territorio británico de ultramar, isla de Diego García, en el Océano Índico. Ocean Thermal Energy Corporation (anteriormente OCEES International, Inc.) está trabajando con la Marina de los EE. UU. en un diseño para una planta OTEC de 13-MW propuesta, para reemplazar los generadores diesel actuales. La planta OTEC también proporcionaría 1,25 millones de galones por día de agua potable. Este proyecto está actualmente a la espera de cambios en las políticas de contratos militares de EE. UU. OTE ha propuesto construir una planta OTEC de 10 MW en Guam.
Bahamas
Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) actualmente tiene planes para instalar dos plantas OTEC de 10 MW en las Islas Vírgenes de EE. UU. y una planta OTEC de 5-10 MW en las Bahamas. OTE también ha diseñado la planta de aire acondicionado de agua de mar (SWAC) más grande del mundo para un centro turístico en las Bahamas, que utilizará agua de mar fría y profunda como método de aire acondicionado. A mediados de 2015, el proyecto con un 95 % de avance se suspendió temporalmente mientras el resort resolvía problemas financieros y de propiedad. El 22 de agosto de 2016, el gobierno de las Bahamas anunció que se había firmado un nuevo acuerdo en virtud del cual se completará el complejo Baha Mar. El 27 de septiembre de 2016, el primer ministro de las Bahamas, Perry Christie, anunció que la construcción se había reanudado en Baha Mar y que el complejo estaba programado para abrir en marzo de 2017.
Esto está en espera y es posible que nunca se reanude.
Hawái
El equipo de desarrollo de energía alternativa de Lockheed Martin se ha asociado con Makai Ocean Engineering para completar la fase de diseño final de un sistema piloto OTEC de ciclo cerrado de 10-MW que planeaba estar operativo en Hawái en el período 2012-2013. Este sistema fue diseñado para expandirse a sistemas comerciales de 100 MW en un futuro próximo. En noviembre de 2010, el Comando de Ingeniería de Instalaciones Navales de EE. UU. (NAVFAC) otorgó a Lockheed Martin una modificación de contrato de 4,4 millones de dólares estadounidenses para desarrollar componentes y diseños de sistemas críticos para la planta, lo que se suma al contrato de 8,1 millones de dólares de 2009 y dos subvenciones del Departamento de Energía por un total de más de 1 millón de dólares. en 2008 y marzo de 2010. En agosto de 2015, se inauguró en Hawái una planta de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) pequeña pero operativa. La apertura de la instalación de investigación y desarrollo de 100 kilovatios marcó la primera vez que se conectó una planta OTEC de ciclo cerrado a la red de EE. UU.
Hainán
El 13 de abril de 2013, Lockheed firmó un contrato con Reignwood Group para construir una planta de 10 megavatios frente a la costa del sur de China para suministrar energía a un centro turístico planificado en la isla de Hainan. Una planta de ese tamaño alimentaría varios miles de hogares. Reignwood Group adquirió Opus Offshore en 2011, que forma su división Reignwood Ocean Engineering, que también se dedica al desarrollo de perforación en aguas profundas.
Japón
Actualmente, el único sistema OTEC en funcionamiento continuo se encuentra en la prefectura de Okinawa, Japón. El apoyo gubernamental, el apoyo de la comunidad local y la investigación avanzada realizada por la Universidad de Saga fueron clave para que los contratistas, IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation y Xenesys Inc, tuvieran éxito con este proyecto. Se está trabajando para desarrollar una instalación de 1MW en la isla de Kume que requiere nuevas tuberías. En julio de 2014, más de 50 miembros formaron la Asociación Global de Energía y Recursos Oceánicos (GOSEA), una organización internacional formada para promover el desarrollo del Modelo Kumejima y trabajar para la instalación de tuberías de aguas profundas más grandes y una instalación OTEC de 1MW. Las empresas involucradas en los proyectos OTEC actuales, junto con otras partes interesadas, también han desarrollado planes para sistemas OTEC en alta mar. - Para obtener más detalles, consulte "Plantas OTEC actualmente en operación" encima.
Islas Vírgenes de los Estados Unidos
El 5 de marzo de 2014, Ocean Thermal Energy Corporation (OTEC) y la 30.ª Legislatura de las Islas Vírgenes de los Estados Unidos (USVI) firmaron un Memorando de Entendimiento para avanzar con un estudio para evaluar la viabilidad y los beneficios potenciales para las USVI de instalar en tierra plantas de energía renovable de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) e instalaciones de aire acondicionado de agua de mar (SWAC). Los beneficios que se evaluarán en el estudio de las Islas Vírgenes Estadounidenses incluyen tanto la electricidad limpia de carga base (24 horas al día, 7 días a la semana) generada por OTEC, como los diversos productos relacionados asociados con OTEC y SWAC, que incluyen abundante agua potable, aire acondicionado que ahorra energía, acuicultura y maricultura, y proyectos de mejora agrícola para las islas de Santo Tomás y Santa Cruz.
El 18 de julio de 2016, la Comisión de Servicios Públicos de las Islas Vírgenes aprobó la solicitud de OTE para ser una instalación calificada. OTE también recibió permiso para comenzar a negociar contratos asociados con este proyecto.
Kiribati
El Instituto de Investigación de Naves e Ingeniería Oceánica (KRISO) de Corea del Sur recibió la aprobación principal de Bureau Veritas para su diseño OTEC de 1MW en alta mar. No se proporcionó un cronograma para el proyecto, que se ubicará a 6 km de la costa de la República de Kiribati.
Martinica
Akuo Energy y DCNS recibieron fondos NER300 el 8 de julio de 2014 para su proyecto NEMO (Nueva energía para Martinica y el extranjero), que se espera que sea una instalación costa afuera de 10,7 MW netos completada en 2020. El premio ayudará con el desarrollo ascendió a 72 millones de euros.
Maldivas
El 16 de febrero de 2018, Global OTEC Resources anunció planes para construir una planta de 150 kW en las Maldivas, diseñada a medida para hoteles y resorts. "Todos estos centros turísticos extraen su energía de generadores diésel. Además, algunos complejos turísticos individuales consumen 7000 litros de diésel al día para satisfacer la demanda, lo que equivale a más de 6000 toneladas de CO2 al año," dijo el director Dan Grech. La UE otorgó una subvención y los recursos de Global OTEC lanzaron una campaña de crowdfunding para el resto.
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OTEC tiene otros usos además de la producción de energía.
Desaladora
El agua desalinizada se puede producir en plantas de ciclo abierto o híbrido utilizando condensadores de superficie para convertir el agua de mar evaporada en agua potable. El análisis del sistema indica que una planta de 2 megavatios podría producir alrededor de 4300 metros cúbicos (150 000 pies cúbicos) de agua desalinizada cada día. Otro sistema patentado por Richard Bailey crea agua condensada mediante la regulación del flujo de agua del océano profundo a través de condensadores superficiales que se correlacionan con las temperaturas fluctuantes del punto de rocío. Este sistema de condensación no usa energía incremental y no tiene partes móviles.
El 22 de marzo de 2015, la Universidad de Saga inauguró una instalación de demostración de desalinización tipo Flash en Kumejima. Este satélite de su Instituto de Energía Oceánica utiliza agua de mar profunda post-OTEC de la Instalación de Demostración OTEC de Okinawa y agua de mar superficial sin tratar para producir agua desalinizada. El aire se extrae del sistema cerrado con una bomba de vacío. Cuando se bombea agua de mar sin tratar a la cámara de evaporación, hierve, lo que permite que suba el vapor puro y se eliminen la sal y el agua de mar restante. El vapor se devuelve a estado líquido en un intercambiador de calor con agua de mar profunda post-OTEC fría. El agua desalada se puede utilizar en la producción de hidrógeno o agua potable (si se añaden minerales).
La planta NELHA establecida en 1993 produjo un promedio de 7,000 galones de agua dulce por día. KOYO USA se estableció en 2002 para capitalizar esta nueva oportunidad económica. KOYO embotella el agua que produce la planta de NELHA en Hawái. Con capacidad para producir un millón de botellas de agua todos los días, KOYO es ahora el mayor exportador de Hawái con $140 millones en ventas.[81]
Aire acondicionado
El agua de mar fría a 41 °F (5 °C) que pone a disposición un sistema OTEC crea una oportunidad para proporcionar grandes cantidades de enfriamiento a industrias y hogares cerca de la planta. El agua se puede utilizar en serpentines de agua enfriada para proporcionar aire acondicionado a los edificios. Se estima que una tubería de 1 pie (0,30 m) de diámetro puede suministrar 4700 galones de agua por minuto. El agua a 43 °F (6 °C) podría proporcionar aire acondicionado más que suficiente para un edificio grande. Operando 8,000 horas por año en lugar del acondicionamiento eléctrico que se vende a 5-10 ¢ por kilovatio-hora, ahorraría entre $200,000 y $400,000 en facturas de energía al año.
El InterContinental Resort and Thalasso-Spa en la isla de Bora Bora utiliza un sistema SWAC para climatizar sus edificios. El sistema pasa agua de mar a través de un intercambiador de calor donde enfría agua dulce en un sistema de circuito cerrado. Esta agua dulce luego se bombea a los edificios y enfría directamente el aire.
En 2010, Copenhagen Energy inauguró una planta de refrigeración urbana en Copenhague, Dinamarca. La planta entrega agua de mar fría a edificios comerciales e industriales y ha reducido el consumo de electricidad en un 80 por ciento. Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) ha diseñado un sistema SDC de 9800 toneladas para un complejo vacacional en las Bahamas.
Agricultura de suelo refrigerado
La tecnología OTEC apoya la agricultura de suelo refrigerado. Cuando el agua de mar fría fluye a través de tuberías subterráneas, enfría el suelo circundante. La diferencia de temperatura entre las raíces en el suelo frío y las hojas en el aire cálido permite que las plantas que evolucionaron en climas templados se cultiven en los subtrópicos. El Dr. John P. Craven, el Dr. Jack Davidson y Richard Bailey patentaron este proceso y lo demostraron en un centro de investigación del Laboratorio de Energía Natural de la Autoridad de Hawái (NELHA). El centro de investigación demostró que se pueden cultivar más de 100 cultivos diferentes utilizando este sistema. Muchos normalmente no podrían sobrevivir en Hawai o en Keahole Point.
Japón también ha estado investigando los usos agrícolas del agua de mar profundo desde el año 2000 en el Instituto de Investigación de Agua de Mar Profundo de Okinawa en la isla de Kume. Las instalaciones de la isla de Kume utilizan agua regular enfriada por agua de mar profundo en un intercambiador de calor que pasa por tuberías en el suelo para enfriar el suelo. Sus técnicas han desarrollado un recurso importante para la comunidad isleña, ya que ahora producen espinacas, una verdura de invierno, comercialmente durante todo el año. La ciudad de Kumejima completó una expansión de la instalación de agricultura de agua de mar profunda junto a la instalación de demostración de OTEC en 2014. La nueva instalación es para investigar la practicidad económica de la agricultura de suelo refrigerado a mayor escala.
Acuicultura
La acuicultura es el subproducto más conocido porque reduce los costos financieros y energéticos de extraer grandes volúmenes de agua de las profundidades del océano. Las aguas profundas del océano contienen altas concentraciones de nutrientes esenciales que se agotan en las aguas superficiales debido al consumo biológico. Este afloramiento artificial imita los afloramientos naturales que son responsables de fertilizar y sustentar los ecosistemas marinos más grandes del mundo y las mayores densidades de vida del planeta.
Los animales marinos de agua fría, como el salmón y la langosta, prosperan en estas aguas profundas ricas en nutrientes. También se pueden cultivar microalgas como la espirulina, un complemento alimenticio saludable. El agua de las profundidades del océano se puede combinar con el agua superficial para suministrar agua a una temperatura óptima.
Las especies no autóctonas como el salmón, la langosta, el abulón, la trucha, las ostras y las almejas se pueden criar en piscinas alimentadas con agua bombeada por OTEC. Esto amplía la variedad de productos del mar frescos disponibles para los mercados cercanos. Este tipo de refrigeración de bajo costo se puede utilizar para mantener la calidad del pescado cosechado, que se deteriora rápidamente en las regiones tropicales cálidas. En Kona, Hawái, las empresas acuícolas que trabajan con NELHA generan unos 40 millones de dólares al año, una parte importante del PIB de Hawái.
Producción de hidrógeno
El hidrógeno se puede producir mediante electrólisis usando electricidad OTEC. El vapor generado con compuestos electrolíticos agregados para mejorar la eficiencia es un medio relativamente puro para la producción de hidrógeno. OTEC se puede escalar para generar grandes cantidades de hidrógeno. El principal desafío es el costo en relación con otras fuentes de energía y combustibles.
Extracción de minerales
El océano contiene 57 oligoelementos en sales y otras formas y disueltos en solución. En el pasado, la mayoría de los análisis económicos concluyeron que extraer elementos traza del océano no sería rentable, en parte debido a la energía necesaria para bombear el agua. La minería generalmente se enfoca en minerales que se encuentran en altas concentraciones y se pueden extraer fácilmente, como el magnesio. Con plantas OTEC suministrando agua, el único costo es por extracción. Los japoneses investigaron la posibilidad de extraer uranio y descubrieron que los avances en otras tecnologías (especialmente las ciencias de los materiales) estaban mejorando las perspectivas.
Control de clima
El gradiente térmico del océano se puede utilizar para aumentar las precipitaciones y moderar las altas temperaturas ambientales de verano en los trópicos para beneficiar enormemente a la humanidad, la flora y la fauna. Cuando las temperaturas de la superficie del mar son relativamente altas en un área, se forma un área de presión atmosférica más baja en comparación con la presión atmosférica que prevalece en la masa de tierra cercana que induce vientos desde la masa de tierra hacia el océano. Los vientos hacia el océano son secos y cálidos, lo que no contribuiría a una buena precipitación en la masa terrestre en comparación con los vientos húmedos hacia la tierra. Para una precipitación adecuada y temperaturas ambientales de verano agradables (por debajo de 35 °C) en la masa de tierra, se prefiere tener vientos húmedos hacia tierra desde el océano. La creación de zonas de alta presión mediante afloramiento artificial en el área del mar de forma selectiva también se puede utilizar para desviar/guiar los vientos globales monzónicos normales hacia la masa terrestre. El afloramiento artificial de aguas oceánicas profundas ricas en nutrientes a la superficie también mejora el crecimiento de la pesca en áreas con clima tropical y templado. También conduciría a un mayor secuestro de carbono por parte de los océanos a partir de un mejor crecimiento de algas y una ganancia de masa de los glaciares a partir de la caída adicional de nieve que mitiga el aumento del nivel del mar o el proceso de calentamiento global. Los ciclones tropicales tampoco pasan por las zonas de alta presión, ya que se intensifican al obtener energía de las cálidas aguas superficiales del mar.
El agua fría de las profundidades marinas (<10 °C) se bombea a la superficie del mar para suprimir la temperatura de la superficie del mar (>26 °C) por medios artificiales usando electricidad producida por plantas de turbinas eólicas flotantes de megaescala en el mar profundo. La temperatura más baja de la superficie del agua del mar aumentaría la presión ambiental local para que se creen vientos atmosféricos hacia tierra. Para el afloramiento del agua fría del mar, se coloca una hélice estacionaria accionada hidráulicamente (≈50 m de diámetro) en el lecho marino profundo a una profundidad de 500 a 1000 m con un tubo de tiro flexible que se extiende hasta la superficie del mar. El tubo de tiro está anclado al lecho marino en su lado inferior y en su lado superior a los pontones flotantes en la superficie del mar. El tubo de tiro flexible no colapsaría ya que su presión interior es mayor en comparación con la presión exterior cuando el agua más fría se bombea a la superficie del mar. Oriente Medio, el noreste de África, el subcontinente indio y Australia pueden aliviar el clima cálido y seco en la temporada de verano, también propenso a las lluvias erráticas, bombeando agua de mar profundo a la superficie del mar desde el golfo Pérsico, el mar Rojo, el océano Índico y el Pacífico. Océano respectivamente.
Termodinámica
Un tratamiento riguroso de OTEC revela que una diferencia de temperatura de 20 °C proporcionará tanta energía como una planta hidroeléctrica con 34 m de altura para el mismo volumen de flujo de agua. La baja diferencia de temperatura significa que los volúmenes de agua deben ser muy grandes para extraer cantidades útiles de calor. Se esperaría que una planta de energía de 100MW bombee del orden de 12 millones de galones (44,400 toneladas) por minuto. En comparación, las bombas deben mover una masa de agua mayor que el peso del acorazado Bismarck, que pesaba 41.700 toneladas, cada minuto. Esto hace que el bombeo sea una pérdida parasitaria sustancial de la producción de energía en los sistemas OTEC, con un diseño de Lockheed que consume 19,55 MW en costos de bombeo por cada 49,8 MW de electricidad neta generada. Para los esquemas OTEC que utilizan intercambiadores de calor, para manejar este volumen de agua, los intercambiadores deben ser enormes en comparación con los utilizados en las plantas de generación de energía térmica convencionales, lo que los convierte en uno de los componentes más críticos debido a su impacto en la eficiencia general. Una planta de energía OTEC de 100 MW requeriría 200 intercambiadores, cada uno más grande que un contenedor de envío de 20 pies, lo que los convierte en el componente más costoso.
Variación de la temperatura del océano con la profundidad
La insolación total que reciben los océanos (que cubren el 70 % de la superficie terrestre, con un índice de claridad de 0,5 y una retención de energía media del 15 %) es: 5,45×10< sup>18 MJ/año × 0,7 × 0,5 × 0,15 = 2,87 × 1017 MJ/año
Podemos usar la ley de Beer-Lambert-Bouguer para cuantificar la absorción de energía solar por el agua,
donde, y es la profundidad del agua, I es la intensidad y μ es el coeficiente de absorción. Resolviendo la ecuación diferencial anterior,
El coeficiente de absorción μ puede oscilar entre 0,05 m−1 para agua dulce muy clara y 0,5 m−1 para agua muy salada.
Dado que la intensidad cae exponencialmente con la profundidad y, la absorción de calor se concentra en las capas superiores. Por lo general, en los trópicos, los valores de temperatura de la superficie superan los 25 °C (77 °F), mientras que a 1 kilómetro (0,62 mi), la temperatura es de aproximadamente 5 a 10 °C (41 a 50 °F). Las aguas más cálidas (y por lo tanto más ligeras) en la superficie significan que no hay corrientes de convección térmica. Debido a los pequeños gradientes de temperatura, la transferencia de calor por conducción es demasiado baja para igualar las temperaturas. El océano es, por lo tanto, una fuente de calor prácticamente infinita y un sumidero de calor prácticamente infinito.
Esta diferencia de temperatura varía con la latitud y la estación, con el máximo en aguas tropicales, subtropicales y ecuatoriales. Por lo tanto, los trópicos son generalmente las mejores ubicaciones de OTEC.
Ciclo abierto/Claude
En este esquema, el agua superficial tibia a alrededor de 27 °C (81 °F) ingresa a un evaporador a una presión ligeramente inferior a las presiones de saturación, lo que hace que se vaporice.
Donde Hf es la entalpía del agua líquida a la temperatura de entrada, T1.
Esta agua sobrecalentada temporalmente se somete a un volumen de ebullición a diferencia de la ebullición en piscina en las calderas convencionales donde la superficie de calentamiento está en contacto. Así, el agua se convierte parcialmente en vapor prevaleciendo el equilibrio de dos fases. Suponga que la presión dentro del evaporador se mantiene a la presión de saturación, T2.
Aquí, x2 es la fracción de agua en masa que se vaporiza. El caudal másico de agua caliente por unidad de caudal másico de la turbina es 1/x2.
La baja presión en el evaporador se mantiene mediante una bomba de vacío que también elimina los gases no condensables disueltos del evaporador. El evaporador ahora contiene una mezcla de agua y vapor de muy baja calidad de vapor (contenido de vapor). El vapor se separa del agua como vapor saturado. El agua restante se satura y se descarga al océano en el ciclo abierto. El vapor es un fluido de trabajo de baja presión/alto volumen específico. Se expande en una turbina especial de baja presión.
Aquí, Hg corresponde a T2. Para una turbina ideal isentrópica (adiabática reversible),
La ecuación anterior corresponde a la temperatura en el escape de la turbina, T5. x5,s es la fracción de masa de vapor en el estado 5.
La entalpía en T5 es,
Esta entalpía es menor. El trabajo adiabático de turbina reversible = H3-H5,s .
Trabajo real de la turbina WT = (H3-< i>H5,s) x eficiencia politrópica
La temperatura y la presión del condensador son más bajas. Dado que los gases de escape de la turbina se deben descargar de nuevo al océano, se utiliza un condensador de contacto directo para mezclar los gases de escape con agua fría, lo que da como resultado un agua casi saturada. Esa agua ahora se descarga de nuevo al océano.
H6=Hf, en T5 . T7 es la temperatura del escape mezclado con agua de mar fría, ya que el contenido de vapor ahora es insignificante,
Las diferencias de temperatura entre las etapas incluyen la que existe entre el agua superficial caliente y el vapor de trabajo, la que existe entre el vapor de escape y el agua de enfriamiento, y la que existe entre el agua de enfriamiento que llega al condensador y el agua profunda. Estos representan irreversibilidades externas que reducen la diferencia de temperatura general.
El caudal de agua fría por unidad de caudal másico de la turbina,
Flujo de masa de Turbina,
Flujo de masa de agua caliente,
Flujo de masa de agua fría
Ciclo Anderson cerrado
Como fue desarrollado a partir de la década de 1960 por J. Hilbert Anderson de Sea Solar Power, Inc., en este ciclo, QH es el calor transferido en el evaporador desde el agua de mar caliente al fluido de trabajo. El fluido de trabajo sale del evaporador como un gas cerca de su punto de rocío.
El gas a alta temperatura y alta presión se expande en la turbina para generar trabajo de turbina, WT. El fluido de trabajo está ligeramente sobrecalentado a la salida de la turbina y, por lo general, la turbina tiene una eficiencia del 90% basada en una expansión adiabática reversible.
Desde la salida de la turbina, el fluido de trabajo ingresa al condensador donde rechaza el calor, -QC, al agua de mar fría. Luego, el condensado se comprime a la presión más alta del ciclo, lo que requiere el trabajo de la bomba de condensado, WC. Por lo tanto, el ciclo cerrado de Anderson es un ciclo de tipo Rankine similar al ciclo de vapor de una planta de energía convencional, excepto que en el ciclo de Anderson el fluido de trabajo nunca se sobrecalienta más de unos pocos grados Fahrenheit. Debido a los efectos de la viscosidad, la presión del fluido de trabajo cae tanto en el evaporador como en el condensador. Esta caída de presión, que depende de los tipos de intercambiadores de calor utilizados, debe tenerse en cuenta en los cálculos del diseño final, pero se ignora aquí para simplificar el análisis. Por lo tanto, el trabajo de la bomba de condensado parásito, WC, calculado aquí será menor que si se incluyera la caída de presión del intercambiador de calor. Los principales requisitos adicionales de energía parásita en la planta OTEC son el trabajo de la bomba de agua fría, WCT, y el trabajo de la bomba de agua caliente, WHT< /sub>. Denotando todos los demás requisitos de energía parasitaria por WA, el trabajo neto de la planta OTEC, WNP es
El ciclo termodinámico experimentado por el fluido de trabajo se puede analizar sin una consideración detallada de los requisitos de energía parásita. A partir de la primera ley de la termodinámica, el balance de energía para el fluido de trabajo como sistema es
donde WN = WT + W C es el trabajo neto del ciclo termodinámico. Para el caso ideal en el que no hay caída de presión del fluido de trabajo en los intercambiadores de calor,
y
para que el trabajo neto del ciclo termodinámico sea
El líquido subenfriado entra en el evaporador. Debido al intercambio de calor con agua de mar tibia, se produce la evaporación y, por lo general, el vapor sobrecalentado sale del evaporador. Este vapor impulsa la turbina y la mezcla de 2 fases ingresa al condensador. Usualmente, el líquido subenfriado sale del condensador y finalmente, este líquido es bombeado al evaporador completando un ciclo.
Impacto ambiental
El dióxido de carbono disuelto en capas muy frías y de alta presión sube a la superficie y se libera a medida que el agua se calienta.
La mezcla de aguas profundas del océano con aguas menos profundas aporta nutrientes y los pone a disposición de la vida en aguas poco profundas. Esto puede ser una ventaja para la acuicultura de especies comercialmente importantes, pero también puede desequilibrar el sistema ecológico alrededor de la planta de energía.
Las plantas OTEC utilizan flujos muy grandes de agua de mar superficial cálida y agua de mar profunda fría para generar energía renovable constante. El agua de mar profunda es deficiente en oxígeno y generalmente 20-40 veces más rica en nutrientes (en nitrato y nitrito) que el agua de mar poco profunda. Cuando estos penachos se mezclan, son ligeramente más densos que el agua de mar ambiental. Aunque no se han realizado pruebas ambientales físicas a gran escala de OTEC, se han desarrollado modelos informáticos para simular el efecto de las plantas OTEC.
Modelado hidrodinámico
En 2010, se desarrolló un modelo informático para simular los efectos oceanográficos físicos de una o varias plantas OTEC de 100 megavatios. El modelo sugiere que las plantas OTEC se pueden configurar de modo que la planta pueda realizar operaciones continuas, con variaciones resultantes de temperatura y nutrientes que se encuentran dentro de los niveles naturales. Los estudios realizados hasta la fecha sugieren que al descargar los flujos de OTEC hacia abajo a una profundidad inferior a 70 metros, la dilución es adecuada y el enriquecimiento de nutrientes es lo suficientemente pequeño como para que las plantas OTEC de 100 megavatios puedan operar de manera sostenible de manera continua.
Modelado biológico
Los nutrientes de una descarga de OTEC podrían causar un aumento de la actividad biológica si se acumulan en grandes cantidades en la zona fótica. En 2011, se agregó un componente biológico al modelo informático hidrodinámico para simular la respuesta biológica a los penachos de las plantas OTEC de 100 megavatios. En todos los casos modelados (descarga a 70 metros de profundidad o más), no se producen variaciones no naturales en los 40 metros superiores de la superficie del océano. La respuesta del picoplancton en la capa de 110 a 70 metros de profundidad es de aproximadamente un 10 a 25% de aumento, lo que se encuentra dentro de la variabilidad natural. La respuesta del nanoplancton es insignificante. La productividad mejorada de las diatomeas (microplancton) es pequeña. El sutil aumento de fitoplancton de la planta OTEC de referencia sugiere que los efectos bioquímicos de orden superior serán muy pequeños.
Estudios
Una declaración final de impacto ambiental (EIS) anterior para los Estados Unidos' NOAA de 1981 está disponible, pero debe actualizarse a los estándares oceanográficos y de ingeniería actuales. Se han realizado estudios para proponer las mejores prácticas ambientales de monitoreo de referencia, centrándose en un conjunto de diez parámetros oceanográficos químicos relevantes para OTEC. Más recientemente, NOAA llevó a cabo un Taller OTEC en 2010 y 2012 con el objetivo de evaluar los impactos y riesgos físicos, químicos y biológicos, e identificar las necesidades o lagunas de información.
La base de datos Tethys brinda acceso a literatura científica e información general sobre los posibles efectos ambientales de OTEC.
Dificultades técnicas
Gases disueltos
El rendimiento de los intercambiadores de calor de contacto directo que funcionan en las condiciones límite típicas de OTEC es importante para el ciclo de Claude. Muchos de los primeros diseños de ciclos de Claude usaban un condensador de superficie ya que su desempeño era bien conocido. Sin embargo, los condensadores de contacto directo ofrecen desventajas significativas. A medida que el agua fría sube por la tubería de admisión, la presión disminuye hasta el punto en que comienza a desprenderse gas. Si sale una cantidad significativa de gas de la solución, puede estar justificado colocar una trampa de gas antes de los intercambiadores de calor de contacto directo. Los experimentos que simularon las condiciones en la tubería de entrada de agua tibia indicaron que alrededor del 30 % del gas disuelto evoluciona en los 8,5 metros (28 pies) superiores del tubo. El equilibrio entre la desaireación previa del agua de mar y la expulsión de gases no condensables del condensador depende de la dinámica de evolución del gas, la eficiencia del desaireador, la pérdida de carga, la eficiencia del compresor de ventilación y la energía parásita. Los resultados experimentales indican que los condensadores de pico vertical funcionan un 30 % mejor que los tipos de chorro descendente.
Ensuciamiento microbiano
Debido a que el agua de mar sin tratar debe pasar a través del intercambiador de calor, se debe tener cuidado para mantener una buena conductividad térmica. Las capas de bioincrustaciones tan delgadas como de 25 a 50 micrómetros (0,00098 a 0,00197 pulgadas) pueden degradar el rendimiento del intercambiador de calor hasta en un 50 %. Un estudio de 1977 en el que se expusieron intercambiadores de calor simulados al agua de mar durante diez semanas concluyó que, aunque el nivel de contaminación microbiana era bajo, la conductividad térmica del sistema se veía significativamente afectada. La aparente discrepancia entre el nivel de incrustación y el deterioro de la transferencia de calor es el resultado de una fina capa de agua atrapada por el crecimiento microbiano en la superficie del intercambiador de calor.
Otro estudio concluyó que las incrustaciones degradan el rendimiento con el tiempo y determinó que, aunque el cepillado regular podía eliminar la mayor parte de la capa microbiana, con el tiempo se formaba una capa más resistente que no podía eliminarse con un simple cepillado. El estudio pasó bolas de goma esponja a través del sistema. Llegó a la conclusión de que, aunque el tratamiento con bolas disminuyó la tasa de ensuciamiento, no fue suficiente para detener por completo el crecimiento y, en ocasiones, fue necesario cepillar para restaurar la capacidad. Los microbios volvieron a crecer más rápidamente más adelante en el experimento (es decir, el cepillado se hizo necesario con más frecuencia) replicando los resultados de un estudio anterior. El aumento de la tasa de crecimiento después de las limpiezas posteriores parece ser el resultado de la presión de selección sobre la colonia microbiana.
Se estudiaron el uso continuo de 1 hora por día y períodos intermitentes de ensuciamiento libre y luego períodos de cloración (nuevamente 1 hora por día). La cloración ralentizó pero no detuvo el crecimiento microbiano; sin embargo, los niveles de cloración de 0,1 mg por litro durante 1 hora al día pueden resultar eficaces para el funcionamiento a largo plazo de una planta. El estudio concluyó que, aunque el ensuciamiento microbiano fue un problema para el intercambiador de calor de agua superficial caliente, el intercambiador de calor de agua fría sufrió poco o ningún bioensuciamiento y solo un ensuciamiento inorgánico mínimo.
Además de la temperatura del agua, el ensuciamiento microbiano también depende de los niveles de nutrientes, y el crecimiento ocurre más rápido en agua rica en nutrientes. La tasa de ensuciamiento también depende del material utilizado para construir el intercambiador de calor. La tubería de aluminio ralentiza el crecimiento de la vida microbiana, aunque la capa de óxido que se forma en el interior de las tuberías complica la limpieza y provoca mayores pérdidas de eficiencia. Por el contrario, los tubos de titanio permiten que la bioincrustación se produzca más rápidamente, pero la limpieza es más eficaz que con el aluminio.
Sellado
El evaporador, la turbina y el condensador funcionan en un vacío parcial que oscila entre el 3 % y el 1 % de la presión atmosférica. El sistema debe sellarse cuidadosamente para evitar la fuga de aire atmosférico que puede degradar o detener la operación. En OTEC de ciclo cerrado, el volumen específico de vapor a baja presión es muy grande en comparación con el del fluido de trabajo presurizado. Los componentes deben tener grandes áreas de flujo para asegurar que las velocidades del vapor no alcancen valores excesivamente altos.
Consumo de energía parasitario por compresor de escape
Un enfoque para reducir la pérdida de potencia parásita del compresor de escape es el siguiente. Una vez que la mayor parte del vapor ha sido condensado por los condensadores de pico, la mezcla de gas y vapor no condensable pasa a través de una región de contracorriente que aumenta la reacción gas-vapor en un factor de cinco. El resultado es una reducción del 80% en los requisitos de potencia de bombeo de escape.
Conversión aire frío/agua caliente
En invierno, en las zonas costeras del Ártico, la diferencia de temperatura entre el agua de mar y el aire ambiente puede alcanzar los 40 °C (72 °F). Los sistemas de ciclo cerrado podrían aprovechar la diferencia de temperatura del aire y el agua. La eliminación de las tuberías de extracción de agua de mar podría hacer que un sistema basado en este concepto sea menos costoso que OTEC. Esta tecnología se debe a H. Barjot, quien sugirió el butano como criógeno, debido a su punto de ebullición de -0,5 °C (31,1 °F) y su insolubilidad en agua. Suponiendo un nivel realista de eficiencia del 4 %, los cálculos muestran que la cantidad de energía generada con un metro cúbico de agua a una temperatura de 2 °C (36 °F) en un lugar con una temperatura del aire de −22 °C (−8 °F) es igual a la cantidad de energía generada al dejar correr este metro cúbico de agua a través de una planta hidroeléctrica de 4000 pies (1200 m) de altura.
Las centrales eléctricas polares de Barjot podrían ubicarse en islas de la región polar o diseñarse como barcazas o plataformas flotantes adheridas a la capa de hielo. La estación meteorológica Myggbuka en la costa este de Groenlandia, por ejemplo, que está a solo 2100 km de Glasgow, detecta temperaturas medias mensuales por debajo de -15 °C (5 °F) durante 6 meses de invierno al año. Esta tecnología también se puede utilizar para crear casquetes polares o glaciares artificiales en los valles de la Antártida ubicados cerca de la costa del mar. Por lo tanto, se puede mitigar el aumento del nivel del mar debido a las emisiones de carbono y también la electricidad generada, incluso de las plantas de energía eólica, se utiliza para la minería de criptomonedas y el calor liberado en el proceso se utiliza para los requisitos de calefacción de espacios.
Aplicación del efecto termoeléctrico
En 1979 SERI propuso usar el efecto Seebeck para producir energía con una eficiencia de conversión total del 2%.
En 2014, Liping Liu, profesor asociado de la Universidad de Rutgers, imaginó un sistema OTEC que utiliza el efecto termoeléctrico de estado sólido en lugar de los ciclos de fluidos que se usan tradicionalmente.
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