Oceánu tepelná přeměna energie ( OTEC ) nebo maréthermique energie se vyrábí pomocí teplotní rozdíl mezi povrchové vody a hlubokého oceánu. Často se vyskytující zkratka je OTEC pro „ přeměnu tepelné energie oceánu “ . Evropská unie používá termín hydrotermální energii pro „energii uloženou ve formě tepla v povrchových vodách“ .
Díky povrchové ploše, kterou zabírají, se moře a oceány Země chovají jako gigantický senzor pro:
I když je část této energie rozptýlena (proudy, bobtnání, tření atd.), Hodně z ní ohřívá horní vrstvy oceánu. Takže na povrchu je díky sluneční energii teplota vody vysoká ( v intertropickém pásmu může přesáhnout 25 ° C ) a do hloubky zbavená slunečního záření je voda studená (kolem 2 až 4 ° C , kromě v uzavřených mořích, jako je Středozemní moře, jehož podlaha nemůže být „pokrytá koberci“ „obláčky“ studených polárních vod, které se „vrhají“ na sever a do jižního Atlantského oceánu , s průměrným celkovým průtokem 25 milionů metrů krychlových druhý.
Studené vrstvy se navíc nemísí s horkými vrstvami. Ve skutečnosti se objemová hustota vody zvyšuje, když teplota klesá, což zabrání smíchání a zahřátí hluboké vody.
Tento teplotní rozdíl lze využít tepelným strojem . Ten druhý, který k výrobě energie potřebuje studený a horký zdroj, používá jako zdroje vodu z hlubin a povrchovou vodu.
Jules Verne je obecně připočítán s myšlenkou využívat rozdíly v teplotách moře k výrobě elektřiny . Ve své knize Dvacet tisíc mil pod mořem se zmínil o „povrchových vodách a hlubokých vodách oceánů k výrobě elektřiny“ a to již v roce 1869 .
Byl to francouzský fyzik Arsène d'Arsonval, kdo jako první tuto myšlenku vytvořil. Chtěl spojit teplé povrchové vody se studenými, hlubokými vodami. V 80. letech 19. století však stávající technologie ještě nebyla schopna vyrobit prototyp.
Teprve na konci 20. let 20. století, kdy francouzský inženýr Georges Claude , zakladatel společnosti Air Liquide , uspokojil rostoucí potřeby průmyslu v oblasti primární energie , navrhl vybudovat závod využívající hydrotermální energii k výrobě elektřiny.
To bylo v roce 1928, v Ougrée v Belgii , že George Claude ověřena zásadu, podle výrobu elektřiny s tepelným strojem 60 kW dodávané ve vodě teplé 33 ° C, čerpané z chladicího okruhu šachtové pece a „chladné“ vody při 12 ° C čerpal z Meuse . Je to také ten, který se na Havaji používal v roce 1981 ke spuštění trojitého potrubí studené vody experimentu OTEC-1.
V roce 1930 nechal George Claude postavit první prototyp v zátoce Matanzas na Kubě. Prototyp elektrárny o výkonu 50 kW používal horkou povrchovou vodu (asi 25 −27 ° C ) a vodu čerpanou z hloubky více než 700 m (asi 11 ° C ). Další zkouška proběhla v zátoce Abidjan . Projekt narazil na několik technických problémů: koroze, tvorba vodního kamene, instalace dlouhých podvodních potrubí. Ve skutečnosti byla instalace namontována na pobřeží a bylo nutné přivádět vodu z otevřeného moře několikakilometrovým potrubím.
Poválečné procesyV roce 1963 převzal práci francouzského inženýra James Hilbert Anderson , ale navrhl použít jinou pracovní kapalinu než vodu: propan. Na konci této práce tedy ETM existuje ve dvou formách různých cyklů; „otevřený cyklus“ ETM pro proces Georges Claude a „uzavřený cyklus“ ETM pro James Hilbert Anderson.
Ropná krize z roku 1973 vedla k novému rozmachu výzkumu vývoje sektoru ETM „uzavřeného cyklu“. Tento rozmach byl poznamenán výstavbou NELH, Havajské laboratoře pro přírodní energii. A v roce 1975 se na Havaji zrodil první test projektu ETM pod názvem „Mini-Otec“. V roce 1979 následovalo financování nového projektu „Otec-1“, který v roce 1981 používal výměník voda- amoniak (NH 3 ).
Severoameričtí vědci představili projekt pro částečně ponořený stroj: spočíval v ponoření stroje ve formě svislé trubice od pobřeží Floridy, přičemž voda Golfského proudu ohřívala horní část trubice je možné odpařit tekutinu jako čpavek, která je schopná provozu nízkotlakého stroje Potom by amoniak kondenzoval pomocí čerstvé vody čerpané z hloubky 450 m. Stroj by poskytoval elektřinu přenášenou na pevninu podmořskými kabely. Tento projekt 70. let neměl přímý výsledek.
V Japonském moři v Shimane tomu tak je i v případě instalace ETM postavené v roce 1979 s názvem „Mini Otec“, která také používá uzavřený cyklus, ale jako kapalinu používá freon.
Zeměmi, které v současnosti (2004) provádějí největší výzkum v této oblasti, jsou Spojené státy a Japonsko . Bylo to hlavně kvůli ropné šoky v roce 1970 , že výzkum skutečně začalo. Právě byly zveřejněny první „odhady“ množství energie, které by bylo možné vyprodukovat bez poškození životního prostředí.
A priori, s předpokládanými technikami (využití teplotního rozdílu mezi povrchem a dnem), může být tato energie využívána pouze v intertropických zónách ; jinde je teplotní rozdíl mezi povrchem a dnem nedostatečný k dosažení dostatečné účinnosti, a tedy dostatečného výkonu k čerpání studené vody do velké hloubky a dodávce tepelného stroje (nezapomeňte, že účinnost takového stroje závisí na teplotním rozdílu mezi horký zdroj a studený zdroj).
Kromě energie předpokládané systémy umožňovaly klimatizaci (přímé použití čerpané studené vody) a případně použití (mořských kultur) živin zachycených ve velkém množství ve studených vrstvách oceánu, kde je fotosyntéza nemožná.
ETM musí být implantován na zvláštním místě. Nejprve musí mít ETM přístup k moři, aby potrubí, které ji tvoří, mohla čerpat vodu z oceánů. Proto je nezbytné, aby byl instalován na úrovni moře. Poté musí být instalace ETM provedena co nejblíže pobřeží, aby se usnadnila výstavba a minimalizovaly náklady. Trubky dosahující hloubky přibližně 1 000 metrů je zbytečné a aberantní přesouvat ETM od pobřeží na kilometry, což by znamenalo větší délku trubek, a tedy vyšší náklady.
Také vzít v úvahu oblasti, kde povrchové vody zůstává v teple po celý rok, v průměru okolo 24 ° C . Nemůžeme tedy umístit ETM nikde na světě, pro jeho instalaci je vhodná pouze jedna oblast. Tato zóna, která musí odpovídat určité teplotě povrchové vody, musí také odpovídat určité hloubce vody.
Jelikož je ETM postaven poblíž pobřeží s potrubími hlubokými až 1000 metrů, potřebuje místo se strmým pobřežím. To vše je možné pouze v oblasti od obratníku Raka po obratník Kozoroha , tj. Mezi 30 a -30 ° zeměpisné šířky .
ETM vyrábí energii pomocí pracovní kapaliny ( mořská voda , čpavek nebo jiná kapalina s rosným bodem blízkým 4 ° C ). Tato kapalina prochází z kapalného stavu do stavu páry ve výparníku při kontaktu s horkou vodou odtaženou z povrchu. Tlak vytvářený párou prochází turbogenerátorem, který otáčí turbínu a vyrábí elektřinu, poté, co plyn ztratil tlak, prochází kondenzátorem a vrací se do kapalného stavu, ve styku se studenou vodou čerpanou z hlubin.
ETM potřebuje hodně vody: k vyrovnání nízké účinnosti kvůli nízkému teplotnímu gradientu a velmi velkým průměrům potrubí k omezení tlakových ztrát je potřeba velmi velký průtok mořské vody. V současné době je možné použít HDPE ( polyetylen s vysokou hustotou ) o průměru 1,5 metru, ale v budoucnu, pokud budou postaveny velké elektrárny, budou zapotřebí trubky o průměru 15 metrů.
ETM pracuje s teplotami v rozsahu rozdílu 20 ° C . Čím vyšší je teplotní rozdíl, tím vyšší je produkce. Tím, že sestoupíme hluboko, čerpáme chladnější vodu a produkce se zvyšuje v iso-objemu.
K dnešnímu dni existují tři typy rostlin ETM:
Spustí se cyklus s čerpání povrchové mořské vody, který je kolem 26 ° C . Zavádí se do výparníku, který bude umístěn ve vakuu, aby se podpořil odpařovací účinek, protože za negativního relativního tlaku dochází k odpařování při nižší teplotě a pára je zbavena soli, ale při průtoku vody procházející skrz výparník, se vyrábí pouze 0,5% vodní páry, zbylá voda se vrací do moře při 21 ° C . Nízký tlak vytvářený párou stačí k pohonu turbogenerátoru, který bude vyrábět elektřinu. Poté se pára přenese do dvoustěnného kondenzátoru, který pomocí studené vody čerpané do hloubky kolem 5 ° C kondenzuje páru do čerstvé vody, kterou lze použít ke spotřebě.
Uzavřený cyklus používá stejný materiál jako tepelné čerpadlo (výparník, kondenzátor), ale zatímco tepelné čerpadlo vyrábí tepelnou energii z elektrické energie, uzavřený cyklus zařízení ETM využívá proces obráceně. To znamená, že z tepelné energie budeme vyrábět elektrickou energii. Proto vždy používáme horkou povrchovou vodu o teplotě 26 ° C , která je umístěna ve výparníku s dvěma stěnami. Na jedné straně, bude voda a na druhé, amoniak NH 3 , a proto voda poskytne své kalorie do amoniaku, aby mohla odpařit, protože amoniak má teplotu odpařování nižší než voda. Voda prochází výparníku se vrací do moře, při teplotě 23 ° C . Odpařený amoniak prochází turbogenerátorem a vyrábí elektřinu. Potom se amoniak přechází do dvoustěnné kondenzátoru kondenzovat, protože amoniak předává své teplo do studené vody čerpané na 5 ° C , pro návrat do 9 ° C . Po kondenzaci se amoniak díky cirkulačnímu zařízení vrací do výparníku a cyklus opakuje.
Termodynamický cyklus pracuje s několika transformacemi za sebou, což z něj proto dělá cyklus. Celkově existují čtyři transformace:
Tento cyklus využívá dvě předchozí techniky, protože nejprve najdeme uzavřený cyklus, vždy s cyklem amoniaku, který prochází výparníkem, turbogenerátorem a kondenzátorem, to znamená termodynamický cyklus, který vyrábí elektřinu. Nová technika zahrnuje druhý stupeň, který bude vyrábět pitnou vodu prostřednictvím otevřeného cyklu s využitím vodního diferenciálu po uzavřeném cyklu.
Poznámky k otevřenému cyklu:
Poznámky k uzavřenému cyklu:
Poznámky k hybridnímu cyklu:
Stejně jako u všech tepelných strojů je účinnost poměrem množství energie získané zpět k užitečné energii (zde je to energie odpařování pracovní tekutiny). V případě ETM je proto výnos vyjádřen:
Maximální výtěžek, který lze získat, je Carnotův výtěžek (v tomto vzorci je teplota studené vody a teploty horké vody):
Zvažujeme a , získáváme pro uzavřený cyklus.
Tato maximální teoretická účinnost je ve srovnání s konvenční účinností tepelných strojů nízká (40% pro turbínu na zemní plyn ). Ten navíc nebere v úvahu práci nutnou k čerpání vody z hlubin.
Výkon se liší podle výkonu zařízení: čím je výkonnější, tím lepší je výkon a záleží také na použitém cyklu. Výstup bude maximální pro maximální teplotní rozdíl mezi povrchem a hloubkou.
Výroba tepelné energie nezahrnuje spalování (není nutné dodávat energii horkému zdroji), a proto neuvolňuje oxid uhličitý (CO 2 ), který je skleníkovým plynem .
Avšak s přihlédnutím k malému teplotnímu rozdílu mezi zdrojem tepla a zdrojem chladu je účinnost pouze několik procent a tento systém zahrnuje použití velkého množství vody (několik m 3 / s a na MW). Během čerpání této vody může být mnoho živých druhů odneseno a zabito (ryby, larvy atd.)
Kromě toho je používání chloru časté, aby se zabránilo vývoji biofilmů a inkrustace mořských organismů ( slávky , měkkýši ). To poškozuje ekosystém .
Některé drobné interakce si zaslouží vyhodnocení. Tyto studie byly provedeny laboratořemi v HAWAII, DITMARS, PADDOCK, VEGA, NELHA.
Teplotní rozdíl mezi vstupem a výstupem z potrubí je asi 4 ° C , což způsobuje malé změny, ale pro další zmírnění dopadů na flóru a faunu je voda do hloubky odmítána. U zařízení 400 MW, je změna na vstupní potrubí je 0,2 ° C . Prozatím jsou tato zařízení vyvinuta pro ostrovy (20 MW) a zůstávají velmi rozptýlené, riziko je pak zanedbatelné. Musíte se však obávat kumulativního rizika pro velká zařízení. Studie zaměřená na Mexický záliv a modelování 100 rostlin o výkonu 200 MW. Po 30 letech provozu lze konstatovat, že povrchová teplota klesla o 0,05 ° C , a hluboký teplota zvýšila o 1 ° C .
U malých instalací o výkonu 20 MW si můžeme dovolit vypouštět vodu z povrchu. U větších instalací však existuje fenomén podobný upwellingu hlubin („ upwelling “), který podporuje výživu a stimuluje obohacování vodního života. Upwelling je oceánografický jev, ke kterému dochází, když silný mořský vítr tlačí povrchovou vodu oceánů a zanechává prázdnotu, kde může stoupat spodní voda a s ní i značné množství živin.
Je brána v úvahu aspirace živých druhů: za tímto účelem jsou na vstupu do potrubí umístěny mřížky, které jsou daleko od pobřeží, pokud jde o povrchovou vodu. Pokud jde o studenou vodu, v hloubce 800 metrů téměř neexistuje život.
V boji proti opakujícímu se mořskému problému, kterým je biologické znečištění, a zlepšení výkonu stroje, se používá dávka biocidu (0,02 ppm denní molární koncentrace), což je pětkrát pod americkou regulační prahovou hodnotou. Dnes by měla být dávka biocidu snížena na 0,01 ppm nebo 10krát pod regulační prahovou hodnotu USA.
Jediným možným rizikem nehody v zařízení ETM je riziko ztráty čpavku. I když se jedná o živinu, příliš mnoho by mohlo mít negativní dopady na životní prostředí. Amoniak je dobře známá tekutina, která je široce používána a bezpečnostní systémy jsou spolehlivé.
Hluboká voda je bohatší na CO 2než povrchová voda. Studie Sullivana ukazuje, že pokud všechny CO 2byl propuštěn, závod ETM by emitoval 4krát méně CO 2než elektrárna na fosilní paliva. Naštěstí jen malá část CO 2je vydáno. Pro otevřený cyklus, asi stotinu 700 g na kWh fosilní elektrárny, a pro uzavřený cyklus by byla rychlost ještě nižší. Nakonec rostlina ETM znečišťuje CO 2 99krát méně než fosilní elektrárna.
Závěrem lze říci, že studie ukazují, že pokud by bylo možné získat zpět 0,07% sluneční energie absorbované oceány, což by představovalo 10 milionů MW, dopady na životní prostředí by byly zanedbatelné.
Kromě elektřiny může závod ETM vyrábět:
V současné době zůstává cena za kWh pro elektrárny v blízkosti pobřeží (nízký výkon) vysoká. Aby byl proces ETM ziskový, bylo by zajímavější vyrábět syntetická paliva ( vodík , amoniak , methanol ).
Vodík byl vybrán jako nosič energie, protože splňuje dvě kritéria:
Hawaii Marine Thermal Energy Laboratory (NELHA) Historie studie NELHA:
Opravdu se nacházíme na špičce Velkého ostrova , jednoho z ostrovů Havaje , a pak je snadné mít přístup k vodě. Havaj je navíc druh útesu, kde sjezd dosahuje strmých hloubek, několik metrů od korálové plošiny ostrova Havaj. A z geografického hlediska, Hawaii se nachází v oblasti, kde se povrchové vody relativně konstantní v průběhu celého roku, s průměrnou teplotou 26 ° C .
Organizace NELHA se sídlem na Havaji si klade za cíl, aby se projekt ETM stal realitou. Tato společnost financovaná Američany se snaží dokázat, že z ETM můžeme dosáhnout dobrých výnosů z výroby elektřiny, vodíku a pitné vody. Základna je umístěna na velmi konkrétním místě, aby bylo možné takový projekt realizovat, a tak demonstrovat operační systém tohoto tepelného stroje. Založeno na mnoha hektarech, je také zajímavé zahájit koprodukce kolem jediného ETM. To tedy umožňuje aktivní průmyslový život, vytváření pracovních míst a nižší uhlíkovou stopu, protože doprava mezi budovami je několik kilometrů.
Dnes má NELHA obrovský web, který má tři typy trubek: jednu povrchovou trubku a dvě hluboké. Pokud jde o povrchové potrubí, jsou umístěna v okruhu 180 metrů od pobřeží, v hloubce 13,5 metrů. Jsou umístěny v přesné vzdálenosti od mořského dna, aby nedošlo k nasávání písku, korálů a vodního života. Zde byly jejich trubky umístěny 13,5 metrů od dna.
Pokud jde o hluboké trubky, existují dvě, jedna nedávná a jedna stará. Starý plynovod čerpal vodu při 6 ° C do hloubky 600 metrů. V dnešní době však havarijní ETM čerpá z hloubky 900 metrů a pomocí 55 sestavených trubek získává vodu o teplotě 4 ° C.
Tento zdroj energie by neměl být zaměňován s geotermální energií , jejímž cílem je - schematicky - využívat teplo zemského podloží .
Konzultované webové stránky:
Konzultovaná kniha:
Konzultované soubory PDF:
Sledovaný dokumentární film: