پتانسیل تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس برای تولید برق

تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس (OTEC) نشان دهنده یکی از امیدوار کننده ترین اشکال انرژی تجدید پذیر است، با بهره برداری از تفاوت دمای طبیعی بین آب های سطح گرم و لایه های اقیانوس عمیق سرد، OTEC می تواند برق را به طور مداوم، روز و شب، مستقل از آب و هوا یا نور خورشید تولید کند، این تکنولوژی یک منبع برق پایدار، ذخیره، به ویژه مناسب برای کشورهای گرمسیری و مناطق ساحلی با دسترسی عمیق به دنبال تنوع بخشیدن به سوخت های فسیلی آن است.

اصل اساسی پشت OTEC

OTEC به گرادیای حرارتی اقیانوس متکی است برای عملیات کارآمد، تفاوت دما حداقل 20 درجه سانتیگراد (36 °F) بین آب سطح (معمولا 25 تا 30 درجه سانتیگراد) و آب عمیق در عمق 800 تا 1000 متر (معمولا 4-6 درجه سانتیگراد) مورد نیاز است. این گراد به طور مداوم در عرض جغرافیایی گرمسیری و گرمسیری بین 20 درجه جنوبی 20 تا 20 درجه سانتی گراد یافت می شود.

چرخه پایه شامل سه مرحله اصلی است: تبخیر، گسترش و تراکم.آب گرم آب دریا برای گرم کردن یک مایع کار استفاده می شود، که سپس یک توربین را گسترش می دهد و می سازد.دریای سرد آب دریا سرد پمپ می شود تا مایع را به مایع تبدیل کند، تکمیل چرخه کار خالص - تفاوت بین انرژی اضافه شده و استخراج شده - آنچه که برق تولید می کند.

بسته شده: Cycle OTEC

در سیستم های چرخه بسته، یک مایع کار با نقطه جوش پایین (مانند آمونیاک، پروپان یا یک مبرد) توسط آب گرم در مبدل حرارتی تبخیر می شود. بخار تحت فشار از طریق توربین همراه با یک توربین به یک ژنراتور اگزوز گسترش می یابد و سپس با استفاده از آب دریا سرد متراکم می شود و مایع به طرح های چرخه بسته شده پمپ می شود و کارآمد هستند و برای ساخت نمونه اولیه تجاری رایج است.

باز-کتار OTEC

سیستم های باز چرخه از آب دریا گرم به عنوان مایع کار استفاده می کنند.آب در یک اتاق خلاء در فشار کم تبخیر می شود، تولید بخار که یک توربین را هدایت می کند، بخار سپس آب دریا سرد را عمیق و متراکم می کند به آب تازه - یک محصول با ارزش است.در حالی که گیاهان باز می توانند آب نمک زدایی تولید کنند، آنها نیاز به توربین های بزرگتر و مدیریت دقیق دارند که می توانند بهره وری خالص را کاهش دهند.

هیبریدی OTEC

سیستم های ترکیبی ترکیبی ویژگی های هر دو چرخه بسته و باز را ترکیب می کنند، به طور معمول، آب گرم برای تولید بخار (مانند یک چرخه باز) اولین بار تبخیر می شود و بخار برای بخار کردن یک مایع کار در یک حلقه ثانویه بسته استفاده می شود، این رویکرد می تواند کارایی کلی را بهبود بخشد در حالی که هنوز هم تولید طرح های آب تازه است.

زمینه تاریخی و پیشرفت جهانی

مفهوم OTEC جدید نیست، مهندس فرانسوی ژاک- آرسنوال برای اولین بار این ایده را در سال 1881 پیشنهاد کرد و دانشجوی جورج کلود اولین کارخانه آزمایشی در کوبا را در سال 1930 ساخت.

توجه دوباره در بحران نفت 1970 منجر به تحقیقات جدید شد. وزارت انرژی ایالات متحده چندین آزمایش کوچک در هاوایی را تامین کرد، از جمله آزمایشگاه انرژی طبیعی تشکیلات هاوایی (NELHA) که همچنان یک سایت تحقیقاتی کلیدی در ژاپن، هند و کره نیز در پروژه های OTEC سرمایه گذاری کرده اند.

مزایای کلیدی تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس

OTEC چندین مزیت متمایز را ارائه می دهد که آن را برای نمونه کارها انرژی پایدار جذاب می کند.

قدرت های تجدید پذیر

بر خلاف خورشید یا باد، که متناوب است، OTEC می تواند برق مداوم و قابل ارسال را فراهم کند. گرادیان دمای اقیانوس های گرمسیری 24/7 با حداقل تغییرات فصلی وجود دارد.این باعث می شود OTEC یک منبع قابل اعتماد ذخیره سازی باشد که بتواند انرژی های تجدید پذیر متغیر را تکمیل کند.

کاهش کربن پایین

گیاهان OTEC تولید گازهای گلخانه ای مستقیم بی اعتبار را تولید می کنند. ورودی اصلی انرژی، اثر پمپ گرما از آب دریا گرم و سرد است؛ هیچ احتراقی رخ نمی دهد. تجزیه و تحلیل چرخه عمر نشان می دهد که کربن OTEC در هر کیلووات ساعت با سایر انرژی های تجدید پذیر دریایی قابل مقایسه است و به طور قابل توجهی کمتر از سوخت های فسیلی است.

محصولات Co-production به آب تازه، Aquaculture و خنک کننده

سیستم های OTEC باز و هیبریدی آب تازه را به عنوان یک محصول جانبی تولید می کنند - یک منبع حیاتی برای جوامع جزیره خشک علاوه بر این، آب عمیق و غنی از مواد مغذی به سطح می تواند برای آبزی پروری (به عنوان مثال، جلبک های کشاورزی، صدف) و تهویه مطبوع آب دریا (SWAC) استفاده شود.

اثر فیزیکی کوچک

سیستم عامل های OTEC دریایی در مقایسه با مزارع خورشیدی یا توربین های بادی برای همان ظرفیت، منطقه سطح نسبتا کمی را اشغال می کنند. زیرساخت اصلی گیاه شناور یا زمینی است و لوله آب سرد صدها متر سقوط می کند.این طبیعت مدولار اجازه می دهد تا مقیاس از گیاهان سطح کوچک به چند صد مگاوات برسد.

چالش ها و هردلس فنی

علی رغم وعده های خود، OTEC با موانع قابل توجهی مواجه است که استقرار تجاری را کند کرده اند.

هزینه های سرمایه بالا

بزرگترین هزینه لوله آب سرد است - به طور معمول یک ساختار کیلومتر طول، بزرگ دی متر است که باید در برابر جریان اقیانوس، طوفان و مواد ساختمانی بی سیم (پلاستیک، فولاد، فایبرگلاس) مقاومت کند و نصب نیاز به عملیات دریایی تخصصی دارد.

کارایی حرارتی پایین

از آنجا که تفاوت دما تنها حدود 20 درجه سانتی گراد است، حداکثر بهره وری نظری کمتر از 7٪ است و کارایی عملی از 1٪ به 4٪ است، این بدان معنی است که جریان بزرگ آب در هر واحد از برق تولید شده، نیاز به پمپ های قدرتمند است که مصرف بخشی از قدرت تولید شده (بار انگل).

نگرانی های زیست محیطی و عملیاتی

پمپاژ حجم عظیمی از آب اقیانوس عمیق می تواند اکوسیستم های دریایی، طرح های اولیه را مختل کند و CO2 را از لایه های عمیق آزاد کند. تخلیه لوله های گرم یا مخلوط ممکن است دما و اقدامات مناسب نشستن و کاهش (فیلترها، پخش کنندگان، مدل سازی) ضروری باشد.

اثرات زیست محیطی و مییگانس

OTEC به طور کلی تاثیر پایین در نظر گرفته می شود، اما ارزیابی های کامل محیط زیست برای گیاهان باز چرخه، تخلیه از Brine کنسرو شده ممکن است بر استحکام محلی تاثیر بگذارد. گیاهان چرخه بسته با استفاده از آمونیاک باید از نشت جلوگیری کنند، با این حال، در مقایسه با استخراج سوخت فسیلی یا سدهای هیدروالکتریک، اثرات OTEC محلی و برگشت پذیر در خلبانان موجود (به عنوان مثال، طولانی مدت هاوایی) است.

آب عمیق سرد و غنی از مواد مغذی همچنین می تواند مناطق مصنوعی را ایجاد کند که بهره وری اولیه را افزایش می دهد و برخی از محققان استدلال می کنند که این می تواند ماهیگیری محلی را افزایش دهد، اگرچه ممکن است همچنین گونه های تهاجمی بین المللی را از سیستم های انرژی (FLT:0Ocean) معرفی کند.

قابلیت های اقتصادی و چشم انداز آینده

هزینه برق سطح شده (LCOE) برای OTEC در حال حاضر در $ 0.9-0.50 در هر کیلووات ساعت برای گیاهان خلبان، در مقایسه با $ 0.05-0.10 برای باد ساحل برآورد شده است، با این حال، هزینه ها به طور قابل توجهی با مقیاس های بزرگتر (100 مگاوات و بالاتر) و پیشرفت های تکنولوژیکی در مواد لوله، مبدل های حرارتی و بهره وری پمپ (خشریک آب خنک کننده، خنک کننده آب خنک کننده) می تواند بیشتر بهبود یابد.

علاقه بازیکنان بخش خصوصی افزایش یافته است.شرکت هایی مانند ]Global OTEC و مهندسی اقیانوس مای در حال توسعه طرح های نسل بعدی هستند. آژانس بین المللی انرژی (IEA) گزارش می دهد که OTEC می تواند تا سال 2050 تا 10 درصد از برق جهانی را تامین کند.

کشورهای جزیره به عنوان بازارهای پیشرو

برای کشورهای جزیره گرمسیری که در حال حاضر به دیزل وارداتی متکی هستند، OTEC استقلال انرژی و ثبات قیمت را ارائه می دهد. مالدیو، Seychs و جزایر اقیانوس آرام علاقه شدیدی را نشان داده اند.در سال 2024، یک کارخانه دریایی 1 مگاوات OTEC برای مالدیو اعلام شد و هدف آن کاهش مصرف دیزل توسط 80٪ پروژه های مشابه در کارائیب و جنوب شرقی آسیا بررسی شده است.

نتیجه گیری: نقش OTEC در آینده انرژی پاک

تبدیل انرژی حرارتی یک گلوله نقره نیست، اما یک طاقچه حیاتی در طیف انرژی تجدید پذیر را پر می کند: مداوم، پایه، انرژی کم کربن که همچنین آب تازه را تولید می کند و از صنعت دریایی پشتیبانی می کند، در حالی که چالش های فنی و اقتصادی همچنان باقی می ماند، R&D، همراه با سیاست های مطلوب و قیمت گذاری کربن، می تواند پتانسیل OTEC را برای میلیون ها نفر که در جوامع گرمسیری زندگی می کنند، انرژی قابل اعتماد و انعطاف پذیر را به آب و دسترسی به طور پایدار تبدیل کند.