La conversión de energía térmica oceánica ( OTEC ) es una tecnología de energía renovable que aprovecha la diferencia de temperatura entre las cálidas aguas superficiales del océano y las frías profundidades para hacer funcionar un motor térmico para producir electricidad . Es una forma única de generación de energía limpia que tiene el potencial de proporcionar una fuente de energía constante y sostenible. Aunque tiene desafíos que superar, OTEC tiene el potencial de proporcionar una fuente constante y sostenible de energía limpia, particularmente en regiones tropicales con acceso a aguas profundas del océano .
OTEC utiliza el gradiente térmico del océano entre las aguas profundas más frías y las aguas superficiales o superficiales más cálidas para hacer funcionar un motor térmico y producir trabajo útil , generalmente en forma de electricidad . OTEC puede funcionar con un factor de capacidad muy alto y, por lo 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 muy específicas del Atlántico Norte y del Océano Austral , se hunden en las cuencas marinas profundas y se extienden por todo el océano profundo mediante la circulación termohalina . El afloramiento de agua fría de las profundidades del océano se repone con el afloramiento de agua fría del mar superficial.
Entre las fuentes de energía oceánica, OTEC es uno de los recursos de energía renovable continuamente disponibles que podría 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] OTEC podría generar hasta 10.000 TWh /año de energía 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 amoníaco o R-134a . Estos fluidos tienen puntos de ebullición bajos y, por tanto, son adecuados para alimentar el generador del sistema para generar electricidad. El ciclo de calor más utilizado por OTEC hasta la fecha es el ciclo Rankine , que utiliza una turbina de baja presión. Los motores de ciclo abierto utilizan vapor del propio agua de mar como fluido de trabajo.
OTEC también puede suministrar grandes 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. Las plantas OTEC a escala piloto actualmente operativas están ubicadas en Japón, supervisadas por la Universidad de Saga , y en Makai en Hawái. [5]
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. [6] [7] El sistema generó 22 kW de electricidad con una turbina de baja presión . [8] La planta fue posteriormente destruida por una tormenta. [9]
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. [8] (La potencia neta es la cantidad de energía generada después de restar la potencia necesaria para hacer funcionar el sistema).
En 1956, los científicos franceses diseñaron una planta de 3 MW para Abiyán , Costa de Marfil. La planta nunca se completó porque los nuevos hallazgos de grandes cantidades de petróleo barato la hacían antieconómica. [8]
En 1962, J. Hilbert Anderson y James H. Anderson, Jr. se centraron en aumentar la eficiencia de los componentes. Patentaron su nuevo diseño de "ciclo cerrado" en 1967. [10] 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 aquel momento, sin embargo, su investigación atrajo poca atención, ya que el carbón y la energía nuclear se consideraban el futuro de la energía. [9]
Japón es un importante contribuyente al desarrollo de la tecnología OTEC. [11] A partir de 1970, la Tokyo Electric Power Company construyó e implementó con éxito una planta OTEC de ciclo cerrado de 100 kW en la isla de Nauru . [11] La planta entró en funcionamiento el 14 de octubre de 1981, produciendo alrededor de 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. [8] Esto estableció un récord mundial de producción de energía de un sistema OTEC donde la energía se enviaba a una red eléctrica real (a diferencia de una experimental). [12]
En 1981 también se produjo un importante avance en la tecnología OTEC cuando el ingeniero ruso Dr. Alexander Kalina utilizó una mezcla de amoníaco y agua para producir electricidad. Esta nueva mezcla de amoníaco y agua mejoró enormemente la eficiencia del ciclo de energía. En 1994, el Instituto de Energía Oceánica de la Universidad de Saga diseñó y construyó una planta de 4,5 kW con el fin de probar un ciclo Uehara recientemente inventado, que también lleva el nombre de su inventor Haruo Uehara. Este ciclo incluyó procesos de absorción y extracción que permiten que este sistema supere al ciclo Kalina entre un 1% y un 2%. [13]
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 Estados Unidos invirtió 260 millones de dólares en la investigación de OTEC después de que el presidente Carter firmara una ley que comprometía a Estados Unidos a un objetivo de producción de 10.000 MW de electricidad a partir de sistemas OTEC para 1999. [14]
En 1974, Estados Unidos 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 para OTEC en EE. UU., debido a sus cálidas aguas superficiales, su acceso a aguas muy profundas y muy frías y sus altos costos de electricidad. El laboratorio se ha convertido en un centro de pruebas líder para la tecnología OTEC. [15] Ese mismo año, Lockheed recibió una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. para estudiar OTEC. Esto finalmente llevó 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 del mundo con producción neta de energía, denominada "Mini-OTEC" [16]. Durante tres meses en En 1979 se generó una pequeña cantidad de electricidad. NELHA operó una planta de demostración de 250 kW durante seis años en la década de 1990. [17] Con financiación de la Marina de los Estados Unidos , una planta de 105 kW en el sitio comenzó a suministrar energía a la red eléctrica local en 2015. [17]
Una iniciativa europea, EUROCEAN, una empresa conjunta con financiación privada formada por nueve empresas europeas que ya se dedican a la ingeniería offshore, participó activamente en la promoción de OTEC de 1979 a 1983. Inicialmente se estudió una instalación offshore a gran escala. Posteriormente se estudió una instalación terrestre de 100 kW que combinaba OTEC terrestre con Desalinización y Acuicultura, denominada ODA. Esto se basó en los resultados de una instalación de acuicultura a pequeña escala en la isla de St Croix que utilizaba una línea de suministro de aguas profundas para alimentar las cuencas de acuicultura. También se investigó una planta de ciclo abierto con base en tierra. La ubicación del caso de estudio fue la isla Curazao, relacionada con el Reino Holandés . [18]
La investigación relacionada con hacer realidad la OTEC de ciclo abierto comenzó seriamente en 1979 en el Instituto de Investigación de Energía Solar (SERI) con financiación del Departamento de Energía de Estados Unidos. SERI desarrolló y patentó evaporadores y condensadores de contacto directo configurados adecuadamente (ver [19] [20] [21] ). Kreith y Bharathan [22] y [23] describieron un diseño original para un experimento de producción de energía, entonces llamado experimento de 165 kW, como la Conferencia del Premio en Memoria de Max Jakob . El diseño inicial utilizaba dos turbinas axiales paralelas, utilizando rotores de última etapa tomados de grandes turbinas de vapor. Posteriormente, 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 ( [24] ). Este diseño integraba todos los componentes del ciclo, es decir, 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 pudiera llegar a ella. El recipiente estaba hecho de hormigón y fue el primer recipiente de vacío de proceso de este tipo. Los intentos de fabricar todos los componentes utilizando material plástico de bajo costo no pudieron lograrse por completo, ya que se requirió cierto conservadurismo para la turbina y las bombas de vacío desarrolladas como las primeras de su tipo. Posteriormente, el Dr. Bharathan trabajó con un equipo de ingenieros del Instituto Pacífico de Investigación de Alta Tecnología (PICHTR) para continuar con este diseño a través de las etapas preliminar y final. Pasó a llamarse Experimento de producción de energía neta (NPPE) y fue construido en el Laboratorio de Energía Natural de Hawaii (NELH) por PICHTR por un equipo dirigido por el ingeniero jefe Don Evans y el proyecto fue dirigido por el Dr. Luis Vega.
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 las profundidades marinas. [25] Su gobierno continúa patrocinando la investigación. [26]
En 2006, Makai Ocean Engineering recibió un contrato de la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. (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 cálidas y tropicales. Al darse cuenta de la necesidad de que socios más grandes realmente comercializaran 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, a lo que siguieron otras colaboraciones posteriores [16].
En marzo de 2011, Ocean Thermal Energy Corporation firmó un Acuerdo de Servicios Energéticos (ESA) con el complejo Baha Mar, Nassau, Bahamas, para el primer y más grande sistema de aire acondicionado de agua de mar (SWAC) del mundo. [27] En junio de 2015, el proyecto se puso en pausa mientras el complejo resolvía problemas financieros y de propiedad. [28] En agosto de 2016, se anunció que los problemas se habían resuelto y que el complejo abriría en marzo de 2017. [29] 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 Hawaii . El propósito de la instalación es llegar a un diseño óptimo para los intercambiadores de calor OTEC, aumentando el rendimiento y la vida útil y al mismo tiempo reduciendo los costos (los intercambiadores de calor son el factor de costo número uno para una planta OTEC). [30] 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. [31] [32]
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. De este modo, se permite a la empresa iniciar negociaciones con la Autoridad de Agua y Energía de las Islas Vírgenes (WAPA) para un Acuerdo de Compra de Energía (PPA) correspondiente 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. [33] [34]
En el país africano de Santo Tomé y Príncipe se instalará un proyecto que será la primera plataforma OTEC flotante a escala comercial del mundo. [35] Desarrollada por Global OTEC, la estructura denominada Dominique generará 1,5 MW, y posteriormente se instalarán barcazas para ayudar a abastecer toda la demanda del país. [36] En 2022, se firmó un MoU entre el gobierno y la startup británica Global OTEC. [37]
En marzo de 2013, la Universidad de Saga y varias industrias japonesas completaron la instalación de una nueva planta OTEC. La prefectura de Okinawa anunció el inicio de las pruebas operativas 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 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 profundas y superficiales existentes instaladas para el centro de investigación en 2000. La tubería se utiliza para la toma de agua de aguas profundas para investigación, pesca y uso agrícola. La planta consta de dos unidades de 50 kW en configuración doble Rankine. [38] 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. [39] Actualmente, esta es una de las dos únicas plantas OTEC en pleno funcionamiento en el mundo. Esta planta opera de manera continua cuando no se están realizando pruebas específicas.
En 2011, Makai Ocean Engineering completó una instalación de prueba de intercambiador de calor en NELHA. Makai, utilizado para probar una variedad de tecnologías de intercambio de calor para su uso en OTEC, recibió financiación para instalar una turbina de 105 kW. [40] La instalación convertirá a esta instalación en la instalación OTEC operativa más grande, aunque el récord de mayor potencia se mantendrá en la planta de ciclo abierto también desarrollada en Hawaii.
En julio de 2014, el grupo DCNS, asociado con Akuo Energy, anunció la financiación NER 300 para su proyecto NEMO. Si el proyecto hubiera tenido éxito, la planta marina de 16 MW brutos y 10 MW netos habría sido la instalación OTEC más grande hasta la fecha. DCNS planeó tener NEMO operativo para 2020. [41] [ verificación fallida ] A principios de abril de 2018, Naval Energies cerró el proyecto indefinidamente debido a dificultades técnicas relacionadas con la tubería principal de entrada de agua fría. [42]
Una planta 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 , "presionó el interruptor" para activar la planta. Esta es la primera verdadera 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, suficiente para abastecer a unos 120 hogares. [43]
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 todavía es modesta entre 20 y 25 °C. Por lo tanto, es en los trópicos donde OTEC ofrece 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 . [44] [45]
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 7 por ciento para esta diferencia de temperatura. [46] Los diseños modernos permiten un rendimiento que se acerca a la máxima eficiencia teórica de Carnot .
El agua de mar fría es una parte integral de cada uno de los tres tipos de sistemas OTEC: de ciclo cerrado, de ciclo abierto e híbrido. Para funcionar, el agua de mar fría debe subir a la superficie. Los enfoques principales son el bombeo activo y la desalinización. La desalinización del agua de mar cerca del fondo marino reduce su densidad, lo que hace que suba a la superficie. [47]
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 a condensar, reduciendo así los volúmenes de bombeo y reduciendo los problemas técnicos y ambientales y disminuyendo los costos. [48]
Los sistemas de ciclo cerrado utilizan un fluido 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 para generar electricidad. El agua de mar cálida de la superficie 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. [49] El mini barco OTEC estaba amarrado a 1,5 millas (2,4 km) de la costa hawaiana y produjo suficiente electricidad neta para iluminar las bombillas del barco y hacer funcionar sus computadoras y televisión.
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 líquido mediante la exposición a las frías temperaturas del agua de las profundidades del océano. Este método produce agua dulce desalinizada , apta para agua potable , riego o acuicultura . [50]
En otros esquemas, el vapor ascendente se utiliza en una técnica de elevación por gas para elevar agua a alturas significativas. Dependiendo de la realización, dichas técnicas de bomba de elevación de vapor generan energía a partir de una turbina hidroeléctrica antes o después de que se utilice la bomba. [51]
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 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, Hawaii, produjo cerca de 80 kW de electricidad durante un experimento de producción neta de energía. [52] Esto rompió el récord de 40 kW establecido por un sistema japonés en 1982. [52]
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 al otro lado de un vaporizador de amoníaco. Luego, el fluido vaporizado impulsa una turbina para producir electricidad. El vapor se condensa dentro del intercambiador de calor y proporciona agua desalinizada (ver tubo de calor ). [53]
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 carbonos 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 muy inflamables; Además, esto crearía competencia por su uso directo como combustible. El tamaño de la central eléctrica depende de la presión de vapor del fluido de trabajo. Al aumentar la presión de vapor, el tamaño de la turbina y de los intercambiadores de calor disminuye mientras que el espesor de la pared de la tubería y de los intercambiadores de calor aumenta para soportar la alta presión, especialmente en el lado del evaporador.
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 necesaria ] 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 a un kilómetro o más en las profundidades del océano, para llevar agua fría a la superficie.
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, largos cables de alimentación ni 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 marejadas. La electricidad, el agua desalinizada y el agua de mar fría y rica en nutrientes podrían transmitirse desde instalaciones cercanas a la costa a través de puentes de caballete o calzadas elevadas. Además, los sitios terrestres o cercanos a la costa permiten que las plantas operen con industrias relacionadas, como la maricultura o aquellas que requieren agua desalinizada.
Los lugares favorecidos incluyen aquellos con plataformas estrechas (islas volcánicas), pendientes costa afuera empinadas (15 a 20 grados) y fondos marinos relativamente lisos. Estos sitios minimizan la longitud de la tubería de entrada. Se podría construir una planta terrestre 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 sustentar la maricultura o la agricultura en aguas heladas. Los tanques o lagunas construidos en la costa permiten a los trabajadores monitorear y controlar ambientes marinos en miniatura. Los productos de maricultura pueden entregarse al mercado mediante transporte estándar.
Una desventaja de las instalaciones terrestres surge de la acción turbulenta de las olas en la zona de surf . Las tuberías de descarga de OTEC deben colocarse en zanjas protectoras para evitar someterlas a tensiones extremas durante tormentas y períodos prolongados de mar agitado. Además, es posible que sea necesario transportar la descarga mixta de agua de mar fría y cálida a varios cientos de metros mar adentro para alcanzar la profundidad adecuada antes de ser liberada, 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 justo frente a la costa, en aguas que oscilan entre 10 y 30 metros de profundidad (Ocean Thermal Corporation 1984). Este tipo de plantas utilizaría tuberías de admisión y descarga más cortas (y por tanto menos costosas), lo que evitaría los peligros de las turbulencias del oleaje. Sin embargo, la propia planta requeriría protección del entorno marino, como rompeolas y cimientos resistentes a la erosión, y la producción de la planta tendría que transmitirse a la costa. [54]
Para evitar la zona de oleaje turbulento y acercarse a los recursos 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 lugar y fijarla al fondo del mar. Este tipo de construcción ya se utiliza en plataformas petrolíferas marinas. Las complejidades de operar una planta OTEC en aguas más profundas pueden hacerla más costosa que los enfoques terrestres. Los problemas incluyen el estrés de las condiciones de mar abierto y una entrega de productos más difícil. Abordar las fuertes corrientes oceánicas y las grandes olas añade 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. [54] [ cita necesaria ]
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 sufrir daños, especialmente durante las tormentas. Los cables a profundidades superiores a los 1000 metros son difíciles de mantener y reparar. Los cables ascendentes, que conectan el lecho marino y la planta, deben construirse para resistir enredos. [54]
Al igual que las plantas montadas en estantes, las plantas flotantes necesitan una base estable para un funcionamiento continuo. Las tormentas fuertes y el mar agitado pueden romper la tubería de agua fría suspendida verticalmente e interrumpir también la entrada de agua caliente. Para ayudar a prevenir estos problemas, se pueden fabricar tuberías de polietileno flexible unidas al fondo de la plataforma y dotadas de 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 aspirar 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. [54]
Conectar una planta flotante a 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 aproximadamente 2000 metros (6600 pies). Incluso a menor profundidad, el coste del amarre puede resultar prohibitivo. [55]
Debido a que las instalaciones de OTEC son plataformas de superficie más o menos estacionarias, su ubicación exacta y su 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 (22 y 370 km) de autoridad legal variable desde tierra, creando posibles conflictos y barreras regulatorias. Las plantas de OTEC y estructuras similares se considerarían islas artificiales según el tratado, lo que no les otorgaría un estatus legal independiente. Las plantas de OTEC podrían percibirse como una amenaza o un socio potencial para las pesquerías o las operaciones mineras en los fondos marinos controladas por la Autoridad Internacional de los Fondos Marinos .
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 Hawaii 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. [56] Un informe de 2015 de la organización Ocean Energy Systems dependiente de la Agencia Internacional de Energía dio una estimación de alrededor de 20,0 centavos por kWh para plantas de 100 MW. [57] Otro estudio estimó los costos de generación de energía en tan solo 7,0 centavos por kWh. [58] En comparación con otras fuentes de energía, un estudio de 2019 realizado por Lazard estimó el costo no subsidiado de la electricidad entre 3,2 y 4,2 centavos por kWh para la energía solar fotovoltaica a escala de servicios públicos y entre 2,8 y 5,4 centavos por kWh para la energía eólica . [59]
Un informe publicado por IRENA en 2014 afirmó que el uso comercial de la tecnología OTEC se puede ampliar de diversas formas. “...se pueden construir plantas OTEC de pequeña escala para dar cabida a la producción de electricidad de comunidades pequeñas (5.000 a 50.000 residentes), pero requerirían la producción de subproductos valiosos, como agua dulce o refrigeración, para que sean económicamente viables”. Las plantas OTEC de mayor escala tendrían costos generales y de instalación mucho más altos. [60]
Los factores beneficiosos que deben tenerse en cuenta incluyen la falta de productos de desecho y el consumo de combustible de OTEC, el área en la que está disponible [ cita necesaria ] (a menudo dentro de los 20 ° del ecuador), [61] los efectos geopolíticos de la dependencia del petróleo , la 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 suplementarios para el agua de mar. [62]
Los proyectos de OTEC que se están considerando incluyen una pequeña planta para la base de la Armada de los EE. UU. 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 un diseño para una planta OTEC propuesta de 13 MW, para reemplazar los generadores diésel actuales. La planta de OTEC también proporcionaría 1,25 millones de galones [ se necesita clarificación ] por día de agua potable. Este proyecto se encuentra 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 .
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 a 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 fría de mar profundo como método de aire acondicionado. [63] A mediados de 2015, el proyecto, que estaba completo al 95%, se suspendió temporalmente mientras el complejo resolvía problemas financieros y de propiedad. [64] 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. [29] El 27 de septiembre de 2016, el primer ministro de las Bahamas, Perry Christie, anunció que se había reanudado la construcción en Baha Mar y que el complejo estaba programado para abrir en marzo de 2017. [65]
Esto está en suspenso y es posible que nunca se reanude. [66]
El equipo de Desarrollo de Energía Alternativa de Lockheed Martin se ha asociado con Makai Ocean Engineering [67] para completar la fase de diseño final de un sistema piloto OTEC de ciclo cerrado de 10 MW que planeaba entrar en funcionamiento en Hawaii 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 por valor de 4,4 millones de dólares para desarrollar componentes y diseños de sistemas críticos para la planta, sumándose 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. [68] 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 estaba conectado a la red estadounidense. [69]
El 13 de abril de 2013, Lockheed contrató al Grupo Reignwood para construir una planta de 10 megavatios frente a la costa del sur de China para proporcionar energía a un centro turístico planificado en la isla de Hainan . [70] Una planta de ese tamaño alimentaría varios miles de hogares. [71] [72] El Grupo Reignwood adquirió Opus Offshore en 2011, que forma su división Reignwood Ocean Engineering, que también se dedica al desarrollo de perforación en aguas profundas . [73]
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 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 en este proyecto. Se están realizando trabajos para desarrollar una instalación de 1 MW 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 hacia la instalación de tuberías de agua marina profunda más grandes y una instalación OTEC de 1 MW. [74] Las empresas involucradas en los proyectos OTEC actuales, junto con otras partes interesadas, también han desarrollado planes para sistemas OTEC marinos. [75] - Para obtener más detalles, consulte "Plantas OTEC actualmente en funcionamiento" más arriba.
El 5 de marzo de 2014, Ocean Thermal Energy Corporation (OTEC) [76] 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). [77] Los beneficios que se evaluarán en el estudio de las Islas Vírgenes Estadounidenses incluyen tanto la carga base (24 horas al día, 7 días a la semana) de electricidad limpia generada por OTEC, así como los diversos productos relacionados asociados con OTEC y SWAC, incluida abundante agua potable, aire que ahorra energía y acondicionamiento, acuicultura y maricultura sostenibles y proyectos de mejora agrícola para las islas de St Thomas y St Croix. [78]
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. [33] OTE también recibió permiso para comenzar a negociar contratos asociados con este proyecto. [34]
El Instituto de Investigación de Ingeniería Naval y Oceánica de Corea del Sur (KRISO) recibió la aprobación en principio de Bureau Veritas para su diseño OTEC marino de 1MW. No se dio un cronograma para el proyecto que se ubicará a 6 kilómetros de la costa de la República de Kiribati. [79]
Akuo Energy y DCNS recibieron financiación NER300 el 8 de julio de 2014 [80] para su proyecto NEMO (Nueva Energía para Martinica y el Extranjero), que se espera que sea una instalación marina neta de 10,7 MW completada en 2020. [81] La adjudicación a La ayuda al desarrollo ascendió a 72 millones de euros. [82]
El 16 de febrero de 2018, Global OTEC Resources anunció planes [83] para construir una planta de 150 kW en las Maldivas, diseñada a medida para hoteles y complejos turísticos. [84] "Todos estos complejos turísticos obtienen su energía de generadores diésel. Además, algunos complejos turísticos individuales consumen 7.000 litros de diésel al día para satisfacer la demanda, lo que equivale a más de 6.000 toneladas de CO 2 al año", dijo el director Dan Grech. [85] La UE concedió una subvención y los recursos de Global OTEC lanzaron una campaña de financiación colectiva para el resto. [83]
OTEC tiene usos distintos a la producción de energía.
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 4.300 metros cúbicos (150.000 pies cúbicos) de agua desalinizada cada día. [86] 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. [87] Este sistema de condensación no utiliza 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. [88] 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 cruda a la cámara de evaporación, ésta hierve, lo que permite que suba vapor puro y se eliminen la sal y el agua de mar restante. El vapor vuelve a estado líquido en un intercambiador de calor con agua de mar profunda fría post-OTEC. [89] El agua desalinizada se puede utilizar en la producción de hidrógeno o en 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 aprovechar esta nueva oportunidad económica. KOYO embotella el agua producida por la planta NELHA en Hawaii. Con capacidad para producir un millón de botellas de agua cada día, KOYO es ahora el mayor exportador de Hawái con 140 millones de dólares en ventas.[81]
El agua de mar fría a 41 °F (5 °C) puesta a disposición por un sistema OTEC crea una oportunidad para proporcionar grandes cantidades de refrigeración 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 0,30 m (1 pie) de diámetro puede suministrar 4700 galones de agua por minuto. El agua a 6 °C (43 °F) podría proporcionar aire acondicionado más que suficiente para un edificio grande. Operar 8.000 horas al año en lugar de acondicionamiento eléctrico, que se vende a entre 5 y 10 centavos por kilovatio-hora, ahorraría entre 200.000 y 400.000 dólares en facturas de energía al año. [90]
El InterContinental Resort and Thalasso-Spa en la isla de Bora Bora utiliza un sistema SWAC para climatizar sus edificios. [91] El sistema hace pasar agua de mar a través de un intercambiador de calor donde enfría agua dulce en un sistema de circuito cerrado. Luego, esta agua dulce se bombea a los edificios y enfría directamente el aire.
En 2010, Copenhagen Energy abrió una planta de refrigeración urbana 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. [92] Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) ha diseñado un sistema COSUDE de 9800 toneladas para un centro vacacional en las Bahamas.
La tecnología OTEC apoya la agricultura en suelos fríos. 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 fresco 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 un centro de investigación del Laboratorio de Energía Natural de la Autoridad de Hawaii (NELHA). [93] El centro de investigación demostró que se pueden cultivar más de 100 cultivos diferentes utilizando este sistema. Muchos normalmente no podrían sobrevivir en Hawaii o en Keahole Point. [ cita necesaria ]
Japón también ha estado investigando los usos agrícolas del agua de mar profundo desde 2000 en el Instituto de Investigación de Agua de Mar Profundo de Okinawa en la isla de Kume. Las instalaciones de la isla Kume utilizan agua normal 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 comercialmente espinacas, una verdura de invierno, durante todo el año. En 2014, la ciudad de Kumejima completó una ampliación de las instalaciones de agricultura en aguas profundas junto a las instalaciones de demostración de OTEC. La nueva instalación tiene como objetivo investigar la viabilidad económica de la agricultura en suelos refrigerados a mayor escala. [94]
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 de los océanos profundos 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.
Los animales marinos de aguas frías, como el salmón y la langosta , prosperan en esta agua de mar profunda, 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 agua superficial para entregar agua a una temperatura óptima.
Se pueden criar especies no autóctonas como salmón, langosta, abulón , trucha , ostras y almejas en piscinas abastecidas con agua bombeada por OTEC. Esto amplía la variedad de productos del mar frescos disponibles para los mercados cercanos. Esta refrigeración de bajo costo puede utilizarse para mantener la calidad del pescado capturado, que se deteriora rápidamente en las regiones tropicales cálidas. En Kona, Hawái, las empresas acuícolas que trabajan con NELHA generan alrededor de 40 millones de dólares al año, una parte importante del PIB de Hawái. [95]
El hidrógeno se puede producir mediante electrólisis utilizando electricidad OTEC. El vapor generado con compuestos electrolíticos 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. [96]
El océano contiene 57 oligoelementos en sales y otras formas y disueltos en solución. En el pasado, la mayoría de los análisis económicos concluían que extraer oligoelementos del océano no sería rentable, en parte debido a la energía necesaria para bombear el agua. La minería generalmente se centra en minerales que se encuentran en altas concentraciones y que pueden extraerse fácilmente, como el magnesio . Con las plantas de OTEC suministrando agua, el único coste es el de extracción. [97] 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. [98]
El gradiente térmico oceánico puede utilizarse para aumentar las precipitaciones y moderar las altas temperaturas ambientales del verano en los trópicos, lo que beneficiará enormemente a la humanidad, la flora y la fauna . [ cita necesaria ] 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, lo que induce vientos desde la masa terrestre hacia el océano. Los vientos que llegan al océano son secos y cálidos, lo que no contribuiría a una buena pluviosidad en la masa continental en comparación con los vientos húmedos que llegan hacia tierra. Para obtener precipitaciones adecuadas y temperaturas ambiente confortables en verano (por debajo de 35 °C) en la masa continental, es preferible que haya vientos húmedos del océano hacia tierra. La creación selectiva de zonas de alta presión mediante surgencias artificiales en la zona del mar 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 hacia la superficie también mejora el crecimiento de la pesca en áreas con clima tropical y templado. [99] También conduciría a un mayor secuestro de carbono por parte de los océanos a partir de un mejor crecimiento de algas y un aumento de masa por parte de los glaciares debido a la caída adicional de nieve que mitiga el aumento del nivel del mar o el proceso de calentamiento global . [ cita necesaria ] 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 a 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 las profundidades del mar. La temperatura más baja de la superficie del agua del mar aumentaría la presión ambiental local, de modo que se crearían vientos atmosféricos hacia la tierra. Para hacer surgir el agua fría del mar, se coloca una hélice estacionaria accionada hidráulicamente (≈50 m de diámetro) en el fondo marino profundo, entre 500 y 1000 m de profundidad, con un tubo de aspiración flexible que se extiende hasta la superficie del mar. El tubo de tiro está anclado al fondo del mar por su parte inferior y por su 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 se bombea agua más fría a la superficie del mar. Oriente Medio, el noreste de África, el subcontinente indio y Australia pueden aliviarse del clima cálido y seco de la temporada de verano, también propenso a lluvias irregulares, bombeando agua de aguas profundas a la superficie del mar desde el Golfo Pérsico, el Mar Rojo, el Océano Índico y el Pacífico. Océano respectivamente. [ cita necesaria ]
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 agua. [ cita necesaria ] 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 central eléctrica de 100 MW bombeara del orden de 12 millones de galones (44.400 toneladas) por minuto. [100] A modo de 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 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, [101] lo que los convierte en uno de los componentes más críticos debido a su impacto en la eficiencia general. Una central eléctrica OTEC de 100 MW requeriría 200 intercambiadores, cada uno de ellos más grande que un contenedor de envío de 20 pies, lo que los convierte en el componente más caro. [102]
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 promedio 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 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. Por tanto, el océano es a la vez una fuente de calor prácticamente infinita y un sumidero de calor prácticamente infinito. [ se necesita aclaración ]
Esta diferencia de temperatura varía según la latitud y la estación, siendo máxima en aguas tropicales , subtropicales y ecuatoriales . Por lo tanto, los trópicos son generalmente los mejores lugares para OTEC.
En este esquema, el agua superficial cálida a alrededor de 27 °C (81 °F) ingresa a un evaporador a una presión ligeramente inferior a las presiones de saturación , lo que provoca que se vaporice.
Donde Hf es la entalpía del agua líquida a la temperatura de entrada , T 1 .
Esta agua temporalmente sobrecalentada sufre una ebullición volumétrica a diferencia de la ebullición en piscina en las calderas convencionales donde la superficie de calentamiento está en contacto. De este modo, el agua se transforma parcialmente en vapor, prevaleciendo el equilibrio de dos fases. Suponga que la presión dentro del evaporador se mantiene en 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 turbina es 1/ x 2 .
La baja presión en el evaporador se mantiene mediante una bomba de vacío que también elimina los gases disueltos no condensables del evaporador. El evaporador contiene ahora una mezcla de agua y vapor de muy baja calidad (contenido de vapor). El vapor se separa del agua como vapor saturado. El agua restante se satura y se vierte al océano en ciclo abierto. El vapor es un fluido de trabajo de baja presión y 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 másica de vapor en el estado 5.
La entalpía en T 5 es,
Esta entalpía es menor. El trabajo de la turbina reversible adiabática = H 3 - H 5, s .
Trabajo real de la turbina W T = ( H 3 - H 5, s ) x eficiencia politrópica
La temperatura y presión del condensador son más bajas. Dado que los gases de escape de la turbina deben descargarse 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 devuelve 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 etapas incluyen la del agua superficial cálida y el vapor de trabajo, la del vapor de escape y el agua de enfriamiento, y la del agua de enfriamiento que llega al condensador y el agua profunda. Estos representan irreversibilidades externas que reducen la diferencia general de temperatura.
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
Tal como lo desarrolló a partir de la década de 1960 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 .
Luego, el gas a alta presión y alta temperatura se expande en la turbina para producir trabajo de turbina, W T . El fluido de trabajo se sobrecalienta ligeramente en la salida de la turbina y la turbina normalmente 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 calor, -Q C , al agua de mar fría. Luego , el condensado se comprime a la presión más alta del ciclo, lo que requiere 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 central eléctrica 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 considerarse en los cálculos de diseño finales, pero aquí se ignora para simplificar el análisis. Por lo tanto, el trabajo parásito de la bomba de condensado, 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, W CT , y el trabajo de la bomba de agua caliente, W HT . Denotando todos los demás requisitos de energía parásita por W A , el trabajo neto de la planta OTEC, W NP es
El ciclo termodinámico que sufre 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 del fluido de trabajo como sistema es
donde W N = W T + 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
de modo que el trabajo neto del ciclo termodinámico se convierte en
El líquido subenfriado ingresa al evaporador. Debido al intercambio de calor con agua de mar caliente, se produce la evaporación y normalmente el vapor sobrecalentado sale del evaporador. Este vapor impulsa la turbina y la mezcla de dos fases ingresa al condensador. Generalmente, el líquido subenfriado sale del condensador y finalmente, este líquido es bombeado al evaporador completando un ciclo.
El dióxido de carbono disuelto en capas profundas, frías y de alta presión sube a la superficie y se libera a medida que el agua se calienta. [ cita necesaria ]
La mezcla del agua del océano profundo 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 central eléctrica. [ cita necesaria ]
Las plantas de OTEC utilizan flujos muy grandes de agua de mar cálida de la superficie y agua de mar fría de las profundidades para generar energía renovable constante. El agua de mar profunda tiene deficiencia de oxígeno y generalmente es entre 20 y 40 veces más rica en nutrientes (en nitrato y nitrito) que el agua de mar poco profunda. Cuando estas columnas se mezclan, son ligeramente más densas que el agua de mar ambiental. [103] 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 de OTEC.
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 puedan realizar operaciones continuas, con las consiguientes variaciones 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 de OTEC de 100 megavatios puedan funcionar de manera sostenible y continua. [104]
Los nutrientes de una descarga de OTEC podrían causar potencialmente un aumento de la actividad biológica si se acumulan en grandes cantidades en la zona fótica . [104] En 2011 se añadió un componente biológico al modelo informático hidrodinámico para simular la respuesta biológica a las columnas de humo 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. [103] La respuesta del picoplancton en la capa de 110 a 70 metros de profundidad es de aproximadamente un aumento del 10 al 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 referencia sugiere que los efectos bioquímicos de orden superior serán muy pequeños. [103]
Está disponible una Declaración Final de Impacto Ambiental (EIS) anterior para la NOAA de los Estados Unidos de 1981, [105] pero debe actualizarse a los estándares oceanográficos y de ingeniería actuales. Se han realizado estudios para proponer las mejores prácticas de monitoreo ambiental de referencia, centrándose en un conjunto de diez parámetros oceanográficos químicos relevantes para OTEC. [106] Más recientemente, la NOAA celebró un taller OTEC en 2010 y 2012 con el objetivo de evaluar los impactos y riesgos físicos, químicos y biológicos, e identificar lagunas o necesidades de información. [107] [108]
La base de datos Tethys proporciona acceso a literatura científica e información general sobre los posibles efectos ambientales de OTEC. [109]
El rendimiento de los intercambiadores de calor de contacto directo que funcionan en 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 presentan importantes desventajas. A medida que el agua fría sube por 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 simularon las condiciones en la tubería de entrada de agua caliente indicaron que aproximadamente el 30% del gas disuelto se desprende en los 8,5 metros (28 pies) superiores del tubo. La compensación entre la purga previa [110] 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 aproximadamente un 30% mejor que los de chorro descendente.
Debido a que el agua de mar sin tratar debe pasar a través del intercambiador de calor, se debe tener cuidado de 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%. [46] 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 afectada. [111] La aparente discrepancia entre el nivel de contaminación 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. [111]
Otro estudio concluyó que la suciedad degrada 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 dura que no se podía eliminar con un simple cepillado. [46] El estudio pasó bolas de goma esponjosa a través del sistema. Concluyó que, aunque el tratamiento con pelota disminuyó la tasa de incrustaciones, no fue suficiente para detener completamente el crecimiento y, en ocasiones, fue necesario el cepillado para restaurar la capacidad. Los microbios volvieron a crecer más rápidamente más adelante en el experimento (es decir, el cepillado se hizo necesario con mayor frecuencia), replicando los resultados de un estudio anterior. [112] El aumento de la tasa de crecimiento después de limpiezas posteriores parece ser el resultado de la presión de selección sobre la colonia microbiana. [112]
Se estudió el uso continuo de 1 hora por día y períodos intermitentes de libre ensuciamiento y luego períodos de cloración (nuevamente 1 hora por día). La cloración ralentizó pero no detuvo el crecimiento microbiano; sin embargo, 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. [46] El estudio concluyó que aunque la contaminación microbiana era un problema para el intercambiador de calor de agua superficial cálida, el intercambiador de calor de agua fría sufrió poca o ninguna contaminación biológica y solo una contaminación inorgánica mínima. [46]
Además de la temperatura del agua, la contaminación microbiana también depende de los niveles de nutrientes, y el crecimiento se produce más rápidamente en aguas ricas en nutrientes. [113] La tasa de contaminación también depende del material utilizado para construir el intercambiador de calor. Los tubos de aluminio frenan el crecimiento de la vida microbiana, aunque la capa de óxido que se forma en el interior de los tubos complica la limpieza y provoca mayores pérdidas de eficiencia. [112] Por el contrario, los tubos de titanio permiten que la bioincrustación se produzca más rápido, pero la limpieza es más efectiva que con el aluminio. [112]
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 fugas de aire atmosférico que puedan degradar o interrumpir 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 áreas de flujo grandes para garantizar que las velocidades del vapor no alcancen valores excesivamente altos.
Un método para reducir la pérdida de potencia parásita del compresor de escape es el siguiente. Después de que la mayor parte del vapor ha sido condensado mediante condensadores de pico, la mezcla de gas-vapor no condensable pasa a través de una región en 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.
En invierno, en las zonas costeras del Ártico , la diferencia de temperatura entre el agua de mar y el aire ambiente puede llegar a 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 insolubilidad en agua. [114] 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) equivale 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. [115]
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, a sólo 2.100 km de Glasgow, detecta temperaturas medias mensuales inferiores a -15 °C durante seis meses de invierno al año. [116]
En 1979, SERI propuso utilizar el efecto Seebeck para producir energía con una eficiencia de conversión total del 2%. [117]
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 utilizados tradicionalmente. [118] [119]
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