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Diagrama y aplicaciones de OTEC

Océano térmica Conversión de Energía ( OTEC ) utiliza el gradiente térmico del océano entre profunda más fresca y más poco profundas o superficiales aguas de mar para ejecutar un motor de calor y producir útiles de trabajo , por lo general en forma de electricidad . OTEC puede funcionar con un factor de capacidad muy alto y, por tanto, puede funcionar en modo de carga base .

Las masas de agua fría más densas, formadas por la interacción del agua de la superficie 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 mediante el afloramiento del agua de mar superficial fría.

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. [1] Se considera que el potencial de recursos de OTEC es mucho mayor que el de otras formas de energía oceánica. [2] Se podrían generar hasta 88.000 TWh / año de energía a partir de OTEC sin afectar la estructura térmica del océano. [3]

Los sistemas pueden ser de ciclo cerrado o de ciclo abierto. 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 de calor más utilizado para OTEC hasta la fecha es el ciclo Rankine , que utiliza una turbina de baja presión. Los motores de ciclo abierto utilizan 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. [4]

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, la única planta OTEC operativa del mundo se encuentra en Japón, supervisada por la Universidad de Saga .

Historia [ editar ]

Los intentos de desarrollar y perfeccionar 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. [5] [6] El sistema generó 22 kW de electricidad con una turbina de baja presión . [7] La planta fue destruida más tarde por una tormenta. [8]

En 1935, Claude construyó una planta a bordo de un buque de carga de 10.000 toneladas amarrado frente a las costas de Brasil. El clima y las olas lo destruyeron antes de que pudiera generar energía neta. [7] (La potencia neta es la cantidad de energía generada después de restar la energía necesaria para ejecutar 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. [7]

En 1962, J. Hilbert Anderson y James H. Anderson, Jr. se enfocaron en aumentar la eficiencia de los componentes. Ellos patentaron su nuevo diseño de "ciclo cerrado" en 1967. [9] Este diseño mejoró el sistema Rankine de ciclo cerrado original, e incluyó esto 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. [8]

Japón es un contribuyente importante al desarrollo de la tecnología OTEC. [10] A partir de 1970, la Compañía de Energía Eléctrica de Tokio construyó y desplegó con éxito una planta OTEC de ciclo cerrado de 100 kW en la isla de Nauru . [10] La planta entró en funcionamiento el 14 de octubre de 1981 y produjo unos 120 kW de electricidad; Se utilizaron 90 kW para alimentar la planta y la electricidad restante se utilizó para alimentar una escuela y otros lugares. [7] Esto estableció un récord mundial para la producción de energía de un sistema OTEC donde la energía se enviaba a una red eléctrica real (en oposición a una experimental). [11]1981 también vio un gran desarrollo en la tecnología OTEC cuando el ingeniero ruso, Dr. Alexander Kalina, usó una mezcla de amoníaco y agua para producir electricidad. Esta nueva mezcla de amoníaco y agua 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 propósito de probar un ciclo Uehara recién inventado, también llamado así por su inventor Haruo Uehara. Este ciclo incluyó procesos de absorción y extracción que permiten que este sistema supere al ciclo de Kalina en un 1-2%. [12] Actualmente, el Instituto de Energía Oceánica de la Universidad de Saga es líder en la investigación de plantas de energía OTEC y también se centra 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, lo que provocó que los precios del petróleo se triplicaran. El gobierno federal de los EE. UU. Invirtió 260 millones de dólares en la investigación de OTEC después de que el presidente Carter firmara una ley que comprometía a los EE. UU. Con una meta de producción de 10,000 MW de electricidad de los sistemas de OTEC para 1999. [13]

Vista de una instalación OTEC en tierra en Keahole Point en la costa de Kona en Hawai

En 1974, EE. UU. Estableció el Laboratorio de Energía Natural de la Autoridad de Hawái (NELHA) en Keahole Point en la costa de Kona en Hawái . Hawái es la mejor ubicación de OTEC de EE. UU., Debido a su agua superficial cálida, acceso a agua muy profunda y muy fría y altos costos de electricidad. El laboratorio se ha convertido en una instalación de prueba líder para la tecnología OTEC. [14] 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 por parte de Lockheed, la Marina de los EE. UU., Makai Ocean Engineering, Dillingham Construction y otras empresas para construir la primera y única planta OTEC de producción de energía neta del mundo, denominada "Mini-OTEC" [15]. Durante tres meses en 1979, se generó una pequeña cantidad de electricidad.

Una iniciativa europea EUROCEAN, una empresa conjunta financiada con fondos privados de 9 empresas europeas ya activas en la ingeniería offshore, estuvo activa en la promoción de OTEC desde 1979 hasta 1983. Inicialmente se estudió una instalación offshore 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 Curazao, relacionada con el Reino de los Países Bajos. [16] [ referencia circular ]

La investigación relacionada con hacer realidad OTEC de ciclo abierto comenzó seriamente en 1979 en el Instituto de Investigación de Energía Solar (SERI) con fondos del Departamento de Energía de EE. UU. Los evaporadores y condensadores de contacto directo configurados adecuadamente fueron desarrollados y patentados por SERI (ver [17] [18] [19] ). Un diseño original para un experimento de producción de energía, entonces llamado experimento de 165 kW, fue descrito por Kreith y Bharathan (, [20] y [21] ) como el premio en memoria de Max Jakob.Conferencia. El diseño inicial utilizó dos turbinas axiales paralelas, utilizando 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 el experimento OTEC de ciclo abierto actualizado de 210 kW ( [22]). 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 la posibilidad de que el agua lo alcance. El recipiente estaba hecho de hormigón como el primer recipiente de vacío de proceso de su tipo. Los intentos de fabricar todos los componentes utilizando material plástico de bajo costo no pudieron lograrse por completo, ya que se requería cierto conservadurismo para la turbina y las bombas de vacío se desarrollaron 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 seguir adelante 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.

India : tuberías utilizadas para OTEC (izquierda) y planta flotante de OTEC construida en 2000 (derecha)

En 2002, India probó una planta piloto OTEC flotante de 1 MW cerca de Tamil Nadu. La planta finalmente no tuvo éxito debido a una falla en la tubería de agua fría de aguas profundas. [23] Su gobierno continúa patrocinando la investigación. [24]

En 2006, Makai Ocean Engineering recibió un contrato de la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos (ONR) 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 que los socios más grandes comercialicen OTEC, Makai se acercó a Lockheed Martin para renovar su relación anterior y determinar si había llegado el momento de OTEC. Y así, en 2007, Lockheed Martin reanudó su trabajo en OTEC y se convirtió en subcontratista de Makai para apoyar su SBIR, a lo que siguieron otras colaboraciones posteriores [15].

En marzo de 2011, Ocean Thermal Energy Corporation firmó un Acuerdo de Servicios de Energía (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. [25] En junio de 2015, el proyecto se puso en pausa mientras el complejo resolvía problemas financieros y de propiedad. [26] En agosto de 2016, se anunció que los problemas se habían resuelto y que el complejo se abriría en marzo de 2017. [27] 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 intercambiadores de calor OTEC en el Laboratorio de Energía Natural de Hawái . El propósito de la instalación es lograr un diseño óptimo para los intercambiadores de calor OTEC, aumentando el rendimiento y la vida útil al tiempo que se reducen los costos (los intercambiadores de calor son el factor de costo número uno para una planta OTEC). [28] Y en marzo de 2013, Makai anunció un premio para instalar y operar una turbina de 100 kilovatios en la instalación de prueba del intercambiador de calor de OTEC, y una vez más conectar la energía de OTEC a la red. [29] [30]

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, la compañía puede comenzar negociaciones con la Autoridad de Agua y Energía de las Islas Vírgenes (WAPA) para un Acuerdo de Compra de Energía (PPA) perteneciente a una planta de Conversión de Energía Térmica Oceánica (OTEC) en la isla de St. Croix. Esta sería la primera planta OTEC comercial del mundo. [31] [32]

Plantas OTEC actualmente en funcionamiento [ editar ]

En marzo de 2013, la Universidad de Saga con varias industrias japonesas completaron la instalación de una nueva planta OTEC. La prefectura de Okinawa anunció el inicio de las pruebas de operación OTEC en la isla de Kume el 15 de abril de 2013. El objetivo principal es demostrar 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. Se encomendó a IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation y Xenesys Inc 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 toma de agua de mar profunda y superficial instaladas para el centro de investigación en 2000. La tubería se utiliza para la toma 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.[33] Las instalaciones de OTEC y el centro de investigación de aguas profundas están abiertos a visitas públicas gratuitas con cita previa en inglés y japonés. [34] Actualmente, esta es una de las dos únicas plantas OTEC en pleno funcionamiento en el mundo. Esta planta opera continuamente cuando no se están realizando pruebas específicas.

En 2011, Makai Ocean Engineering completó una instalación de prueba de intercambiadores de calor en NELHA. Utilizado para probar una variedad de tecnologías de intercambio de calor para su uso en OTEC, Makai ha recibido financiación para instalar una turbina de 105 kW. [35] La instalación hará de esta instalación la instalación OTEC operativa más grande, aunque el récord de energía más grande 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 de NER 300 para su proyecto NEMO. Si tiene éxito, la planta costa afuera neta neta de 16MW de 10MW será la instalación OTEC más grande hasta la fecha. DCNS planea tener NEMO operativo para 2020. [36]

Una planta de conversión de energía térmica oceánica construida por Makai Ocean Engineering entró en funcionamiento en Hawai en agosto de 2015. El gobernador de Hawai, David Ige , "accionó el interruptor" para activar la planta. Esta es la primera planta de conversión de energía térmica oceánica de ciclo cerrado (OTEC) real que se conecta a una red eléctrica de EE. UU. Es una planta de demostración capaz de generar 105 kilovatios, suficiente para alimentar alrededor de 120 hogares. [37]

Eficiencia termodinámica [ editar ]

Un motor térmico proporciona 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 tanto, es en los trópicos donde OTEC ofrece las mayores posibilidades. [4] 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 . [38] [39]

Las plantas OTEC pueden operar continuamente proporcionando un suministro de carga base para un sistema de generación de energía eléctrica. [4]

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. [40] Los diseños modernos permiten un rendimiento que se acerca a la máxima eficiencia teórica de Carnot .

Tipos de ciclos de energía [ editar ]

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 llevarse a la superficie. Los enfoques principales son el bombeo activo y la desalinización. La desalinización del agua de mar cerca del fondo del mar reduce su densidad, lo que hace que suba a la superficie. [41]

La alternativa a las costosas tuberías para traer agua fría condensada a la superficie es bombear fluido vaporizado de bajo punto de ebullición a las profundidades a condensar, reduciendo así los volúmenes de bombeo y reduciendo los problemas técnicos y ambientales y reduciendo los costos. [42]

Cerrado [ editar ]

Diagrama de una planta OTEC de ciclo cerrado

Los sistemas de ciclo cerrado utilizan fluido con un punto de ebullición bajo, como el amoníaco (que tiene un punto de ebullición alrededor de -33 ° C a presión atmosférica), para hacer funcionar una turbina para 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 experimento "mini OTEC", que logró la primera producción exitosa en el mar de energía eléctrica neta a partir de OTEC de ciclo cerrado. [43] La mini embarcación OTEC estaba amarrada a 2,4 km (1,5 millas) de la costa hawaiana y producía suficiente electricidad neta para iluminar las bombillas del barco y hacer funcionar sus computadoras y televisión.

Abrir [ editar ]

Diagrama de una planta OTEC de ciclo abierto

El OTEC de ciclo abierto utiliza agua superficial cálida directamente para generar 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 temperaturas frías del agua de las profundidades del océano. Este método produce agua dulce desalinizada , apta para agua potable , riego o acuicultura . [44]

En otros esquemas, el vapor ascendente se utiliza en una elevación de gas técnica de elevación de agua a alturas significativas. Dependiendo de la realización, tales técnicas de bomba de elevación de vapor generan energía a partir de una turbina hidroeléctrica antes o después de que se use la bomba. [45]

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 caliente en vapor de baja presión para plantas de ciclo abierto. Las eficiencias de conversión fueron tan altas como el 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, Hawaii, produjo cerca de 80 kW de electricidad durante un experimento de producción de energía neta. [46] Esto rompió el récord de 40 kW establecido por un sistema japonés en 1982. [46]

Híbrido [ editar ]

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, similar al proceso de evaporación de ciclo abierto. El vapor vaporiza el fluido de trabajo de amoníaco de un circuito de 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 tubo de calor ). [ cita requerida ]

Fluidos de trabajo [ editar ]

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 central eléctrica 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 alta presión, especialmente en el lado del evaporador.

Terrenos, plataformas y sitios flotantes [ editar ]

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. [ cita requerida ] Sin embargo, la reducción de costos sigue siendo un desafío sin resolver. Las plantas de 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 [ editar ]

Las instalaciones terrestres y cercanas a 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 mares agitados. 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 estrechas (islas volcánicas), pendientes empinadas (15-20 grados) en alta mar y fondos marinos relativamente suaves. Estos sitios minimizan la longitud de la tubería de entrada. Una planta en tierra 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 terrestres o cercanos a la costa también pueden apoyar la maricultura o la agricultura de agua fría. Los tanques o lagunas construidos en la costa permiten a los trabajadores monitorear y controlar entornos marinos en miniatura. Los productos de la maricultura se pueden entregar al mercado mediante transporte estándar.

Una desventaja de las instalaciones terrestres surge de la acción de las olas turbulentas en la zona de surf . Las tuberías de descarga OTEC deben colocarse en zanjas protectoras para evitar someterlas a tensiones extremas durante tormentas y períodos prolongados de marejada. Además, es posible que la descarga mixta de agua de mar fría y caliente deba transportarse varios cientos de metros mar adentro para alcanzar la profundidad adecuada antes de su liberación, lo que requiere gastos adicionales de 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 cerca de la costa en aguas que varían de 10 a 30 metros de profundidad (Ocean Thermal Corporation 1984). Este tipo de planta utilizaría tuberías de entrada y descarga más cortas (y por lo tanto menos costosas), lo que evitaría los peligros de las olas turbulentas. Sin embargo, la planta en sí necesitaría protección contra el medio marino, como rompeolas y cimientos resistentes a la erosión, y la producción de la planta tendría que transmitirse a la costa. [47]

Basado en estantería [ editar ]

Para evitar la zona de oleaje turbulento, así como para acercarse al recurso de agua fría, las plantas OTEC se pueden montar en la plataforma continental a profundidades de hasta 100 metros (330 pies). Una planta montada en estantes podría remolcarse al sitio y fijarse al fondo del mar. Este tipo de construcción ya se utiliza para plataformas petrolíferas en alta mar. Las complejidades de operar una planta OTEC en aguas más profundas pueden hacerlas más caras que los enfoques basados ​​en tierra. Los problemas incluyen el estrés de las condiciones del océano abierto y la entrega de productos más difícil. 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. La entrega de energía puede requerir largos cables submarinos para llegar a tierra. Por estas razones, las plantas montadas en estantes son menos atractivas. [47] [cita requerida ]

Flotante [ editar ]

Las instalaciones flotantes de OTEC operan en alta mar. Aunque potencialmente óptimas para sistemas grandes, 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 dañarse, especialmente durante las tormentas. Los cables a profundidades superiores a 1000 metros son difíciles de mantener y reparar. Los cables verticales, que conectan el lecho marino y la planta, deben construirse para resistir el enredo. [47]

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 y también interrumpir 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 cardán con juntas o collares. Es posible que sea necesario desacoplar las tuberías de la planta para evitar daños por tormenta. 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 caudal de entrada se dañe o se interrumpa durante los movimientos violentos provocados por la marejada. [47]

La conexión de 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 2.000 metros (6.600 pies). Incluso a menor profundidad, el costo del amarre puede ser prohibitivo. [48]

Preocupaciones políticas [ editar ]

Debido a que las instalaciones de OTEC son plataformas de superficie más o menos estacionarias, su ubicación exacta y estatus 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 (370 km) de autoridad legal variable desde la tierra, creando conflictos potenciales y barreras regulatorias. Las plantas de OTEC y estructuras similares se considerarían islas artificiales según el tratado, lo que no les da un estatus legal independiente. Las plantas de OTEC podrían percibirse como una amenaza o un socio potencial para la pesca o para las operaciones mineras de los fondos marinos controladas por la Autoridad Internacional de los Fondos Marinos .

Costo y economía [ editar ]

Debido a que los sistemas OTEC aún no se han implementado ampliamente, las estimaciones de costos son inciertas. Un estudio de 2010 de la Universidad de Hawái estimó el costo de la electricidad para OTEC en 94,0 % (EE.UU.) por kilovatio hora (kWh) para una planta de 1,4 MW, 44,0% por kWh para una planta de 10 MW y 18,0% por kWh para una de 100 MW. planta. [49] Un informe de 2015 de la organización Ocean Energy Systems dependiente de la Agencia Internacional de Energía da una estimación de alrededor del 20% por kWh para plantas de 100 MW. [50] Otro estudio estima que los costos de generación de energía son tan bajos como 7 centavos por kWh. [51]En comparación con otras fuentes de energía, un estudio de Lazard de 2019 estimó el costo no subsidiado de la electricidad en 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 . [52]

Un informe publicado por IRENA en 2014 afirmó que el uso comercial de la tecnología OTEC se puede escalar de varias formas. “... se pueden hacer plantas OTEC a pequeña escala para acomodar la producción de electricidad de pequeñas comunidades (5000-50 000 residentes), pero requerirían la producción de subproductos valiosos, como agua dulce o refrigeración, para ser económicamente viables ”. Las plantas OTEC de mayor escala tendrían unos costes generales y de instalación mucho más elevados. </ref> Conversión de energía térmica oceánica [53]

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 [ cita requerida ] (a menudo dentro de los 20 ° del ecuador), [54] los efectos geopolíticos de la dependencia del petróleo , la compatibilidad con formas alternativas de energía oceánica, como energía de las olas, energía de las mareas e hidratos de metano , y usos suplementarios para el agua de mar. [55]

Algunos proyectos propuestos [ editar ]

Los proyectos de OTEC que se están considerando incluyen una pequeña planta para la base de la Marina de los Estados Unidos en la isla de Diego García, territorio británico de ultramar, en el Océano Índico . Ocean Thermal Energy Corporation (anteriormente OCEES International, Inc.) está trabajando con la Marina de los EE. UU. En el diseño de una planta OTEC de 13 MW propuesta, para reemplazar los generadores diésel actuales. La planta de OTEC también proporcionaría 1,25 millones de galones [ aclaración necesaria ] por día de agua potable. Este proyecto es actualmente [ ¿cuándo? ] esperando cambios en las políticas de contratos militares de EE. UU. OTE ha propuesto construir una planta OTEC de 10 MW en Guam .

Bahamas [ editar ]

Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) actualmente [ ¿cuándo? ] tiene planes de instalar dos plantas OTEC de 10 MW en las Islas Vírgenes de EE.UU. y una instalación 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 profunda fría como método de aire acondicionado. [56] A mediados de 2015, el proyecto con un 95% de finalización se suspendió temporalmente mientras el complejo resolvía problemas financieros y de propiedad. [57] 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 de Baha Mar. [27]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 [58].

OTE espera tener la planta de SWAC en funcionamiento dentro de los dos años posteriores a la apertura de Baha Mar.

Hawái [ editar ]

El equipo de Desarrollo de Energía Alternativa de Lockheed Martin se ha asociado con Makai Ocean Engineering [59] para completar la fase de diseño final de un sistema piloto OTEC de ciclo cerrado de 10 MW que planeaba entrar en funcionamiento en Hawai en el período 2012-2013. Este sistema fue diseñado para expandirse a sistemas comerciales de 100 MW en un futuro cercano. En noviembre de 2010, el Comando de Ingeniería de Instalaciones Navales de los EE. UU. (NAVFAC) otorgó a Lockheed Martin una modificación del contrato de US $ 4,4 millones para desarrollar componentes y diseños críticos del sistema para la planta, lo que se suma al contrato de 2009 de $ 8,1 millones y dos subvenciones del Departamento de Energía por un total de más de $ 1 millón. en 2008 y marzo de 2010. [60]En agosto de 2015 se inauguró en Hawái una pequeña pero operativa planta de conversión de energía térmica oceánica (OTEC). La apertura de la instalación de investigación y desarrollo de 100 kilovatios marcó la primera vez que una planta OTEC de ciclo cerrado se conectó a la red de EE. UU. [61]

Hainan [ editar ]

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 proporcionar energía a un complejo planificado en la isla de Hainan . [62] Una planta de ese tamaño abastecería a varios miles de hogares. [63] [64] El Grupo Reignwood adquirió Opus Offshore en 2011, que forma su división Reignwood Ocean Engineering, que también se dedica al desarrollo de perforaciones en aguas profundas . [sesenta y cinco]

Japón [ editar ]

Actualmente, el único sistema OTEC que funciona continuamente se encuentra en la prefectura de Okinawa, Japón. El apoyo gubernamental, el apoyo de la comunidad local y la investigación avanzada llevada a cabo 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 Recursos y Energía Oceánicos ( GOSEA ), una organización internacional formada para promover el desarrollo del Modelo Kumejima y trabajar hacia la instalación de tuberías de agua de mar profunda más grandes y una instalación OTEC de 1MW. [66]Las empresas involucradas en los proyectos OTEC actuales, junto con otras partes interesadas, también han desarrollado planes para sistemas OTEC costa afuera. [67] - Para obtener más detalles, consulte "Plantas OTEC actualmente en funcionamiento" más arriba.

Islas Vírgenes de los Estados Unidos [ editar ]

El 5 de marzo de 2014, Ocean Thermal Energy Corporation (OTEC) [68] y la 30ª 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 posibles beneficios para las Islas Vírgenes Estadounidenses. de instalar plantas de energía renovable de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) en tierra e instalaciones de aire acondicionado de agua de mar (SWAC). [69] Los beneficios que se evaluarán en el estudio de las Islas Vírgenes Estadounidenses incluyen tanto la electricidad limpia de carga básica (24 horas al día, 7 días a la semana) generada por OTEC, así como los diversos productos relacionados asociados con OTEC y SWAC, que incluyen abundante agua potable fresca y aire que ahorra energía. acondicionamiento, acuicultura y maricultura sostenibles y proyectos de mejoramiento agrícola para las islas de St Thomas y St Croix.[70]

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. [31] OTE también recibió permiso para comenzar a negociar contratos asociados con este proyecto. [32]

Kiribati [ editar ]

El Instituto de Investigación de Buques e Ingeniería Oceánica de Corea del Sur (KRISO) recibió la aprobación principal de Bureau Veritas por su diseño OTEC costa afuera de 1MW. No se dio un cronograma para el proyecto, que se ubicará a 6 km de la costa de la República de Kiribati. [71]

Martinica [ editar ]

Akuo Energy y DCNS recibieron financiación NER300 el 8 de julio de 2014 [72] para su proyecto NEMO (Nueva energía para Martinica y ultramar), que se espera que sea una instalación costa afuera de 10,7 MW netos completada en 2020. [73] La concesión a la ayuda al desarrollo ascendió a 72 millones de euros. [74]

Maldivas [ editar ]

El 16 de febrero de 2018, Global OTEC Resources anunció planes [75] para construir una planta de 150 kW en las Maldivas, diseñada a medida para hoteles y complejos turísticos. [76] "Todos estos centros turísticos obtienen su energía de generadores diésel. Además, algunos centros turísticos individuales consumen 7.000 litros de diésel al día para satisfacer la demanda, lo que equivale a más de 6.000 toneladas de CO2 al año", dijo el director Dan Grech. [77] La UE concedió una subvención y los recursos de Global OTEC lanzaron una campaña de financiación colectiva para el resto. [75]

Actividades relacionadas [ editar ]

OTEC tiene usos distintos a la producción de energía.

Desalinización [ editar ]

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 aproximadamente 4,300 metros cúbicos (150,000 pies cúbicos) de agua desalinizada cada día. [78] Otro sistema patentado por Richard Bailey crea agua condensada regulando el flujo de agua del océano profundo a través de condensadores de superficie que se correlacionan con las temperaturas fluctuantes del punto de rocío. [79] Este sistema de condensación no utiliza energía incremental y no tiene partes móviles.

El 22 de marzo de 2015, la Universidad de Saga abrió una instalación de demostración de desalinización tipo Flash en Kumejima. [80] 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 cruda para producir agua desalinizada. El aire se extrae del sistema cerrado con una bomba de vacío. Cuando se bombea agua de mar cruda a la cámara de evaporación, hierve, lo que permite que el vapor puro se eleve y la sal y el agua de mar restante se eliminen. El vapor se vuelve líquido en un intercambiador de calor con agua de mar profunda fría post-OTEC. [81] El agua desalinizada se puede utilizar en la producción de hidrógeno o en agua potable (si se añaden minerales).

La planta de NELHA establecida en 1993 produjo un promedio de 7,000 galones de agua dulce por día. KOYO USA se estableció en 2002 para aprovechar esta nueva oportunidad económica. KOYO embotella el agua producida por la planta de NELHA en Hawaii. Con capacidad para producir un millón de botellas de agua al día, KOYO es ahora el mayor exportador de Hawái con 140 millones de dólares en ventas. [81]

Aire acondicionado [ editar ]

El agua de mar fría de 41 ° F (5 ° C) disponible por un sistema OTEC crea una oportunidad para proporcionar grandes cantidades de enfriamiento a las industrias y hogares cerca de la planta. El agua se puede utilizar en serpentines de agua helada para proporcionar aire acondicionado a los edificios. Se estima que una tubería de 1 pie (0,30 m) de diámetro puede suministrar 4,700 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 de la venta de acondicionamiento eléctrico a 5-10 ¢ por kilovatio-hora, ahorraría $ 200,000- $ 400,000 en facturas de energía anualmente. [82]

El InterContinental Resort and Thalasso-Spa en la isla de Bora Bora utiliza un sistema SWAC para acondicionar sus edificios. [83] El sistema pasa agua de mar a través de un intercambiador de calor donde enfría el agua dulce en un sistema de circuito cerrado. Luego, esta agua dulce se bombea a los edificios y enfría el aire directamente.

En 2010, Copenhagen Energy abrió una planta de refrigeración de distrito en Copenhague, Dinamarca. La planta suministra agua de mar fría a edificios comerciales e industriales y ha reducido el consumo de electricidad en un 80 por ciento. [84] Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) ha diseñado un sistema SDC de 9800 toneladas para un centro vacacional en Las Bahamas.

Agricultura de suelo helado [ editar ]

La tecnología OTEC es compatible con la agricultura de suelos refrigerados. 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 crezcan en los subtrópicos . El Dr. John P. Craven, el Dr. Jack Davidson y Richard Bailey patentaron este proceso y lo demostraron en una instalación de investigación en el Laboratorio de Energía Natural de la Autoridad de Hawái (NELHA). [85] La instalación 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. [ cita requerida ]

Japón también ha estado investigando los usos agrícolas del agua del mar profundo desde 2000 en el Instituto de Investigación del Agua del Mar Profundo de Okinawa en la isla de Kume. Las instalaciones de la isla de Kume usan agua regular enfriada por Deep Sea Water en un intercambiador de calor que se ejecuta a través de 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 está destinada a investigar la viabilidad económica de la agricultura de suelo refrigerado a mayor escala. [86]

Acuicultura [ editar ]

La acuicultura es el subproducto más conocido porque reduce los costos financieros y energéticos de bombear grandes volúmenes de agua desde las profundidades del océano. El agua del océano profundo contiene 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.

Las delicias de agua fría, como el salmón y la langosta , prosperan en esta agua de mar profunda y rica 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 pueden criarse en piscinas suministradas por agua bombeada por OTEC. Esto amplía la variedad de productos del mar frescos disponibles para los mercados cercanos. Esta 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 de acuicultura que trabajan con NELHA generan alrededor de $ 40 millones al año, una parte significativa del PIB de Hawái. [87]

La planta de NELHA establecida en 1993 produjo un promedio de 7,000 galones de agua dulce por día. KOYO USA se estableció en 2002 para aprovechar esta nueva oportunidad económica. KOYO embotella el agua producida por la planta de NELHA en Hawaii. Con la capacidad de producir un millón de botellas de agua todos los días, KOYO es ahora el mayor exportador de Hawái con $ 140 millones en ventas. [88]

Producción de hidrógeno [ editar ]

El hidrógeno se puede producir mediante electrólisis utilizando electricidad OTEC. El vapor generado con compuestos de electrolitos añadidos 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. [89]

Extracción de minerales [ editar ]

El océano contiene 57 oligoelementos en sales y otras formas y se disuelve en solución. En el pasado, la mayoría de los análisis económicos concluyeron que la extracción del océano en busca de oligoelementos no sería rentable, en parte debido a la energía necesaria para bombear el agua. La minería generalmente tiene como objetivo los minerales que se encuentran en altas concentraciones y se pueden extraer fácilmente, como el magnesio . Con las plantas de OTEC que suministran agua, el único costo es la extracción. [90] 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. [91]

Control climático [ editar ]

El gradiente térmico del océano se puede utilizar para mejorar 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 terrestre cercana que induce vientos desde la masa terrestre hacia el océano. Los vientos hacia el océano son secos y cálidos, lo que no contribuiría a una buena lluvia en la masa terrestre en comparación con los vientos húmedos hacia tierra. Para una lluvia adecuada y temperaturas ambientales agradables en verano (por debajo de 35 ° C) en la masa terrestre, se prefiere tener vientos húmedos hacia tierra desde el océano. Creación de zonas de alta presión por afloramiento artificialen el área del mar de forma selectiva también se puede utilizar para desviar / guiar los vientos globales normales del monzón hacia la masa terrestre. El afloramiento artificial de aguas oceánicas profundas ricas en nutrientes hacia la superficie también mejora el crecimiento de las pesquerías en áreas con clima tropical y templado. [92] También conduciría a un mayor secuestro de carbono por los océanos a partir de la mejora del crecimiento de algas y la ganancia de masa por parte de los glaciares debido a la caída de nieve adicional 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 del mar profundo (<10 ° C) se bombea al área de la superficie del mar para suprimir la temperatura de la superficie del mar (> 26 ° C) por medios artificiales utilizando electricidad producida por plantas de turbinas eólicas flotantes a gran escala en el mar profundo. La temperatura más baja de la superficie del agua de mar aumentaría la presión ambiental local de modo que se creen vientos atmosféricos hacia tierra. Para el afloramiento del agua de mar fría, una hélice estacionaria impulsada hidráulicamente (≈50 m de diámetro similar a una hélice submarina de propulsión nuclear) se encuentra en el fondo del mar 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 fondo del mar en su parte inferior y en la parte superior a 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 obtener alivio del clima cálido y seco en la temporada de verano, también propenso a lluvias irregulares, al bombear 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 [ editar ]

Un tratamiento riguroso de OTEC revela que una diferencia de temperatura de 20 ° C proporcionará tanta energía como una central 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 espera que una planta de energía de 100MW bombee del orden de 12 millones de galones (44,400 toneladas) por minuto. [93] A modo de comparación, las bombas deben mover una masa de agua mayor que el peso del acorazado Bismarck , que pesaba 41.700 toneladas por minuto. Esto hace que el bombeo sea un drenaje parásito sustancial.en 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, [94] 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 caro. [95]

Variación de la temperatura del océano con la profundidad [ editar ]

Gráfico de diferentes termoclinas (profundidad frente a temperatura) según las estaciones y la latitud

La insolación total recibida por los océanos (que cubre el 70% de la superficie de la tierra, con un índice de claridad de 0,5 y una retención de energía media del 15%) es: 5,45 × 10 18 MJ / año × 0,7 × 0,5 × 0,15 = 2,87 × 10 17 MJ / año

Podemos utilizar 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 millas), 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 tanto, una fuente de calor prácticamente infinita y un disipador de calor prácticamente infinito. [ aclaración necesaria ]

Esta diferencia de temperatura varía con la latitud y la estación, siendo máxima en aguas tropicales , subtropicales y ecuatoriales . Por lo tanto, los trópicos son generalmente las mejores ubicaciones de OTEC.

Ciclo abierto / Claude [ editar ]

En este esquema, el agua superficial caliente a alrededor de 27 ° C (81 ° F) ingresa a un evaporador a una presión ligeramente por debajo de las presiones de saturación, lo que hace que se vaporice.

Donde H f es la entalpía del agua líquida a la temperatura de entrada, T 1 .

Esta agua sobrecalentada temporalmente se somete a un volumen de ebullición en oposición a la ebullición de la piscina en las calderas convencionales donde la superficie de calentamiento está en contacto. Por lo tanto, el agua se evapora parcialmente con el equilibrio de dos fases prevaleciendo. Suponga que la presión dentro del evaporador se mantiene a la presión de saturación, T 2 .

Aquí, x 2 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 / x 2 .

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 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, H g corresponde a T 2 . Para una turbina isentrópica ( adiabática reversible ) ideal ,

La ecuación anterior corresponde a la temperatura en el escape de la turbina, T 5 . x 5, s es la fracción de masa de vapor en el estado 5.

La entalpía en T 5 es,

Esta entalpía es menor. La turbina adiabática reversible trabaja = H 3 - H 5, s .

Trabajo real de la turbina W T = ( H 3 - H 5, s ) x eficiencia politrópica

La temperatura y la presión del condensador son más bajas. Dado que el escape de la turbina se va a descargar de nuevo al océano, se utiliza un condensador de contacto directo para mezclar el escape con agua fría, lo que da como resultado un agua casi saturada. Esa agua ahora se descarga de nuevo al océano.

H 6 = H f , en T 5 . T 7 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 refrigeración, y la que existe entre el agua de refrigeración que llega al condensador y las aguas profundas. Estos representan irreversibilidades externas que reducen la diferencia de temperatura general.

El caudal de agua fría por unidad de caudal másico de turbina,

Caudal másico de la turbina,

Caudal másico de agua caliente,

Caudal másico de agua fría

Ciclo cerrado de Anderson [ editar ]

Según lo desarrollado a partir de la década de 1960 por J. Hilbert Anderson de Sea Solar Power, Inc., en este ciclo, Q H es el calor transferido en el evaporador desde el agua de mar tibia al fluido de trabajo. El fluido de trabajo sale del evaporador como gas cerca de su punto de rocío .

La alta presión, el gas de alta temperatura y luego se expande en la turbina para producir trabajo de la turbina, W T . El fluido de trabajo se sobrecalienta ligeramente en la salida de la turbina y la turbina típicamente tiene una eficiencia del 90% basada en la expansión adiabática reversible.

Desde la salida de la turbina, el fluido de trabajo ingresa al condensador donde rechaza el calor, -Q C , al agua de mar fría. El condensado se comprime a la presión más alta en el ciclo, lo que requiere trabajo de la bomba de condensado, W C . Por lo tanto, el ciclo cerrado de Anderson es un ciclo de tipo Rankine similar al ciclo de vapor de la 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 de diseño finales, pero se ignora aquí para simplificar el análisis. Por lo tanto, el trabajo de la bomba de condensado parásito, W C , calculado aquí será menor que si se incluyera la caída de presión del intercambiador de calor. Los principales requisitos adicionales de energía parasitaria en la planta de OTEC son el trabajo de la bomba de agua fría, W CT , y el trabajo de la bomba de agua caliente, W HT . Denotando todos los demás requisitos de energía parasitaria por W A , el trabajo neto de la planta OTEC, W NP es

El ciclo termodinámico sufrido por el fluido de trabajo se puede analizar sin una consideración detallada de los requisitos de energía parásita. De la primera ley de la termodinámica, el balance de energía para el fluido de trabajo como sistema es

donde W N = W T + W C es el trabajo neto para el ciclo termodinámico. Para el caso idealizado en el que no hay caída de presión del fluido de trabajo en los intercambiadores de calor,

y

de modo que el trabajo del ciclo termodinámico neto se convierte en

El líquido subenfriado ingresa al 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. Por lo general, el líquido subenfriado sale del condensador y finalmente, este líquido se bombea al evaporador completando un ciclo.

Impacto ambiental [ editar ]

El dióxido de carbono disuelto en capas frías profundas y de alta presión se lleva a la superficie y se libera a medida que el agua se calienta. [ cita requerida ]

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. [ cita requerida ]

Las plantas de 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 de 20 a 40 veces más rica en nutrientes (en nitratos y nitritos) que el agua de mar poco profunda. Cuando estas plumas se mezclan, son ligeramente más densas que el agua de mar ambiental. [96] 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 [ editar ]

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 manera que la planta pueda realizar operaciones continuas, con las variaciones resultantes de temperatura y nutrientes que se encuentran dentro de los niveles que ocurren naturalmente. Los estudios hasta la fecha sugieren que al descargar los flujos OTEC hacia abajo a una profundidad por debajo de los 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 funcionar de manera sostenible de manera continua. [97]

Modelado biológico [ editar ]

Los nutrientes de una descarga de OTEC podrían potencialmente causar un aumento de la actividad biológica si se acumulan en grandes cantidades en la zona fótica . [97] En 2011, se agregó un componente biológico al modelo de computadora hidrodinámico para simular la respuesta biológica a las plumas de las plantas OTEC de 100 megavatios. En todos los casos modelados (descarga a 70 metros de profundidad o más), no ocurren variaciones no naturales en los 40 metros superiores de la superficie del océano. [96]La respuesta del picoplancton en la capa de 110 a 70 metros de profundidad es aproximadamente un aumento del 10-25%, lo que está 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 línea de base sugiere que los efectos bioquímicos de orden superior serán muy pequeños. [96]

Estudios [ editar ]

Se dispone de una Declaración Final de Impacto Ambiental (DIA) anterior para la NOAA de los Estados Unidos de 1981, [98] pero debe ajustarse a los estándares oceanográficos y de ingeniería actuales. Se han realizado estudios para proponer las mejores prácticas de monitoreo de línea de base ambiental, enfocándose en un conjunto de diez parámetros oceanográficos químicos relevantes para OTEC. [99] Más recientemente, la 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 lagunas o necesidades de información. [100] [101]

La base de datos de Tethys proporciona acceso a literatura científica e información general sobre los posibles efectos ambientales de OTEC. [102]

Dificultades técnicas [ editar ]

Gases disueltos [ editar ]

El rendimiento de los intercambiadores de calor de contacto directo que operan en las condiciones límite típicas de OTEC es importante para el ciclo de Claude. Muchos de los primeros diseños de ciclos de Claude utilizaban un condensador de superficie, ya que se conocía bien su rendimiento. Sin embargo, los condensadores de contacto directo ofrecen importantes desventajas. A medida que sube el agua fría en la tubería de entrada, la presión disminuye hasta el punto en que el gas comienza a desprenderse. 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 simulan las condiciones en la tubería de entrada de agua caliente indicaron que aproximadamente el 30% del gas disuelto se desarrolla en los 8,5 metros superiores (28 pies) del tubo. La compensación entre la prea-desaireación [103]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 potencia parásita. Los resultados experimentales indican que los condensadores de pico vertical funcionan un 30% mejor que los tipos de chorro descendente.

Incrustaciones microbianas [ editar ]

Debido a que el agua de mar cruda debe pasar a través del intercambiador de calor, se debe tener cuidado para mantener una buena conductividad térmica . Las capas de bioincrustación 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%. [40] 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 estaba significativamente deteriorada. [104] La aparente discrepancia entre el nivel de suciedad 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. [104]

Otro estudio concluyó que el ensuciamiento degrada el rendimiento con el tiempo y determinó que aunque el cepillado regular fue capaz de eliminar la mayor parte de la capa microbiana, con el tiempo se formó una capa más resistente que no se pudo eliminar con un simple cepillado. [40] El estudio pasó bolas de goma esponjosa a través del sistema. Llegó a la conclusión de que, aunque el tratamiento con bolas redujo la tasa de incrustaciones, 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. [105] 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. [105]

Se estudió el uso continuo de 1 hora por día y los períodos intermitentes de incrustaciones libres y luego los períodos de cloración (nuevamente 1 hora por día). La cloración disminuyó pero no detuvo el crecimiento microbiano; sin embargo, los niveles de cloración de .1 mg por litro durante 1 hora por día pueden resultar efectivos para el funcionamiento a largo plazo de una planta. [40] El estudio concluyó que aunque la contaminación microbiana era un problema para el intercambiador de calor de agua de superficie caliente, el intercambiador de calor de agua fría sufría poca o ninguna contaminación biológica y solo una mínima contaminación inorgánica. [40]

Además de la temperatura del agua, la contaminación microbiana también depende de los niveles de nutrientes, y el crecimiento ocurre más rápido en agua rica en nutrientes. [106] La tasa de ensuciamiento también depende del material utilizado para construir el intercambiador de calor. Los tubos de aluminio ralentizan el crecimiento de la vida microbiana, aunque la capa de óxido que se forma en el interior de los tubos complica la limpieza y conduce a mayores pérdidas de eficiencia. [105] En contraste, los tubos de titanio permiten que la bioincrustación ocurra más rápidamente, pero la limpieza es más efectiva que con el aluminio. [105]

Sellado [ editar ]

El evaporador, la turbina y el condensador funcionan en vacío parcial que varía entre el 3% y el 1% de la presión atmosférica. El sistema debe sellarse cuidadosamente para evitar fugas de aire atmosférico que pueden degradar o detener el funcionamiento. En OTEC de ciclo cerrado, el volumen específico de vapor de baja presión es muy grande en comparación con el del fluido de trabajo presurizado. Los componentes deben tener grandes áreas de flujo para garantizar que las velocidades del vapor no alcancen valores excesivamente altos.

Consumo de energía parasitaria por el compresor de escape [ editar ]

Un enfoque para reducir la pérdida de potencia parásita del compresor de escape es el siguiente. Después de que la mayor parte del vapor se ha condensado mediante condensadores de pico, la mezcla de vapor de gas no condensable pasa a través de una región en contracorriente que aumenta la reacción de vapor de gas en un factor de cinco. El resultado es una reducción del 80% en los requisitos de potencia de bombeo de escape.

Conversión de aire frío / agua caliente [ editar ]

En invierno, en las zonas costeras del Ártico , el delta T 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 entre el 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 no solubilidad en agua. [107]Suponiendo un nivel de eficiencia del 4% realista, 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. [108]

Las plantas de energía polar de Barjot podrían ubicarse en islas de la región polar o diseñarse como barcazas para nadar o plataformas unidas a la capa de hielo . La estación meteorológica Myggbuka en la costa este de Groenlandia, por ejemplo, que está a solo 2.100 km de Glasgow, detecta temperaturas medias mensuales por debajo de -15 ° C (5 ° F) durante 6 meses de invierno al año. [109]

Aplicación del efecto termoeléctrico [ editar ]

En 1979, SERI propuso utilizar el efecto Seebeck para producir energía con una eficiencia de conversión total del 2%. [110]

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 tradicionalmente utilizados. [111] [112]

Ver también [ editar ]

  • Enfriamiento de fuente de agua profunda
  • Motor térmico
  • Aerogenerador flotante
  • Ingeniería oceánica
  • Poder osmótico
  • Aire acondicionado de agua de mar
  • Célula termogalvánica

Referencias [ editar ]

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Fuentes [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

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  • Departamento de Energía de EE. UU., Recursos de información
  • Wired Magazine 's entrevista con John Craven Piña sobre el futuro de OTEC
  • Edición de 2007 de la Encuesta de recursos energéticos producida por el Consejo Mundial de Energía
  • El Proyecto Océano Verde - Biblioteca OTEC
  • Sondear los océanos podría traer energía limpia ilimitada
  • Capacidad máxima de flujo de agua de las tuberías de acero: dimensiones que varían de 2 a 24 pulgadas
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