Энергия океана: использование тепловых ресурсов для производства электроэнергии

Введение

Извлечение энергии из океана

Преобразование тепловой энергии океана (OTEC) – это технология возобновляемой энергии, использующая разницу температур между тёплыми поверхностными водами океана и холодными глубоководными слоями для работы теплового двигателя и производства электроэнергии. Это уникальный вид экологически чистого энергоснабжения, обладающий потенциалом для обеспечения стабильного и устойчивого источника энергии. Несмотря на существующие трудности, OTEC может стать надёжным и устойчивым источником чистой энергии, особенно в тропических регионах, имеющих доступ к глубоководным участкам океана.

Описание

OTEC использует океанический тепловой градиент между более холодной глубинной и более теплой поверхностной морской водой для работы теплового двигателя и выработки полезной энергии, обычно в виде электроэнергии. OTEC может работать с очень высоким коэффициентом использования установленной мощности и, следовательно, может функционировать в режиме базовой нагрузки. Плотные массы холодной воды, формирующиеся в результате взаимодействия поверхностных вод океана с холодной атмосферой в определенных районах Северной Атлантики и Южного океана, опускаются в глубоководные бассейны и распространяются по всему глубокому океану посредством термохалинной циркуляции. Подъем холодных вод из глубин океана восполняется опусканием холодных поверхностных морских вод. Среди источников энергии океана OTEC является одним из постоянно доступных возобновляемых ресурсов, способных внести вклад в базовое электроснабжение. Ресурсный потенциал OTEC считается значительно выше, чем для других форм океанической энергии. До 10 000 ТВтч/год электроэнергии может быть выработано с помощью OTEC без влияния на тепловую структуру океана. Системы могут быть замкнутого или открытого цикла. OTEC замкнутого цикла использует рабочие жидкости, обычно рассматриваемые как хладагенты, такие как аммиак или R 134a. Эти жидкости имеют низкую температуру кипения и поэтому подходят для привода генератора системы для выработки электроэнергии. Наиболее часто используемым тепловым циклом для OTEC на сегодняшний день является цикл Ренкина с использованием турбины низкого давления. Двигатели открытого цикла используют пар непосредственно из морской воды в качестве рабочей жидкости. OTEC также может поставлять значительные объемы холодной воды в качестве побочного продукта. Это может быть использовано для кондиционирования воздуха и охлаждения, а богатая питательными веществами глубоководная вода может использоваться в биологических технологиях. Другим побочным продуктом является пресная вода, полученная путем дистилляции морской воды.

История

Попытки разработки и усовершенствования технологии OTEC начались в 1880-х годах. В 1881 году французский физик Жак Арсен д'Арсонваль предложил использовать тепловую энергию океана. Ученик Д'Арсонваля, Жорж Клод, построил первый завод OTEC в Матансасе, Куба, в 1930 году. Система генерировала 22 кВт электроэнергии с использованием турбины низкого давления. Позже завод был разрушен штормом. В 1935 году Клод построил завод на борту грузового судна водоизмещением 10 000 тонн, пришвартованного у побережья Бразилии. Погода и волны уничтожили его до того, как он смог генерировать чистую энергию. Эта конструкция улучшила первоначальную систему Рэнкина с замкнутым циклом и включила ее в проект завода, который должен был производить электроэнергию по более низкой цене, чем нефть или уголь. Однако в то время их исследования не привлекли особого внимания, поскольку уголь и атомная энергетика считались будущим энергетики. Начиная с 1970 года, Tokyo Electric Power Company успешно построила и развернула 100-киловаттную установку OTEC закрытого цикла на острове Науру. В 1981 году произошло важное развитие в технологии OTEC, когда российский инженер Александр Калина использовал смесь аммиака и воды для производства электроэнергии. Эта новая смесь значительно повысила эффективность энергетического цикла. В 1994 году Институт океанической энергетики при Университете Сага спроектировал и построил установку мощностью 4,5 кВт для испытания недавно изобретенного цикла Уэхара, также названного в честь его изобретателя Харуо Уэхара. Этот цикл включал процессы абсорбции и экстракции, которые позволяют этой системе превосходить цикл Калины на 1–2%. В 1970-х годах наблюдался рост исследований и разработок OTEC во время арабско-израильской войны 1973 года, которая привела к утроению цен на нефть. Федеральное правительство США инвестировало 260 миллионов долларов в исследования OTEC после того, как президент Картер подписал закон, обязывающий США к производству 10 000 МВт электроэнергии из систем OTEC к 1999 году. В 1974 году США создали Лабораторию естественной энергии Гавайского управления (NELHA) в Кеахоле-Пойнт на побережье Кона на Гавайях. Гавайи – лучшее место для OTEC в США благодаря своей теплой поверхностной воде, доступу к очень глубокой и холодной воде и высоким затратам на электроэнергию. Лаборатория стала ведущей испытательной площадкой для технологии OTEC. В том же году Lockheed получила грант от Национального научного фонда США на изучение OTEC. Это привело к усилиям Lockheed, ВМС США, Makai Ocean Engineering, Dillingham Construction и других компаний по строительству первой и единственной в мире установки OTEC, производящей чистую энергию, получившей название "Mini OTEC". В течение трех месяцев в 1979 году вырабатывалось небольшое количество электроэнергии. NELHA эксплуатировала демонстрационную установку мощностью 250 кВт в течение шести лет в 1990-х годах. При финансировании Военно-морского флота США установка мощностью 105 кВт на этом объекте начала поставлять энергию в местную энергосеть в 2015 году. Исследования, связанные с реализацией открытого цикла OTEC, начались в 1979 году в Институте исследований солнечной энергии (SERI) при финансировании Министерства энергетики США. Испарители и прямоточные конденсаторы подходящей конфигурации были разработаны и запатентованы SERI. Первоначальный проект эксперимента по производству энергии, тогда называвшийся экспериментом мощностью 165 кВт, был описан Крейтом и Бхаратан и представлен в качестве лекции в честь мемориальной премии Макса Якоба. В первоначальной конструкции использовались две параллельные осевые турбины с роторами последней ступени, взятыми из больших паровых турбин. Позже команда под руководством доктора Бхаратана в Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) разработала первоначальный концептуальный проект эксперимента с открытым циклом OTEC мощностью 210 кВт. Эта конструкция объединила все компоненты цикла, а именно испаритель, конденсатор и турбину, в один вакуумный сосуд, с турбиной, установленной сверху, чтобы предотвратить попадание воды. Сосуд был изготовлен из бетона как первый в своем роде вакуумный сосуд для технологического процесса. Попытки изготовить все компоненты из недорогого пластика не увенчались полным успехом, поскольку для турбины и вакуумных насосов, разработанных как первые в своем роде, требовалась определенная осторожность. Позже доктор Бхаратан работал с командой инженеров в Тихоокеанском институте высоких технологий (PICHTR) для дальнейшего развития этого проекта на предварительных и заключительных этапах. Он был переименован в Эксперимент по производству чистой энергии (NPPE) и был построен в Лаборатории естественной энергии Гавайев (NELH) компанией PICHTR под руководством главного инженера Дона Эванса, а проект курировал доктор Луис Вега. В 2002 году Индия испытала плавучую пилотную установку OTEC мощностью 1 МВт недалеко от Тамил Наду. Установка оказалась неудачной из-за поломки трубопровода для подачи холодной воды из глубины океана. Правительство продолжает финансировать исследования. В 2006 году Makai Ocean Engineering получила контракт от Управления военно-морских исследований США (ONR) на изучение потенциала OTEC по производству значительных количеств водорода на плавучих установках в теплых тропических водах. Осознавая необходимость более крупных партнеров для коммерциализации OTEC, Makai обратилась к Lockheed Martin для возобновления их предыдущих отношений и определения, настало ли время для OTEC. Так, в 2007 году Lockheed Martin возобновила работу в области OTEC и стала субподрядчиком Makai для поддержки ее SBIR, за которой последовали другие последующие совместные проекты. В июне 2015 года проект был приостановлен, пока курорт решал финансовые и имущественные вопросы. В августе 2016 года было объявлено, что проблемы были решены и курорт откроется в марте 2017 года. Ожидается, что строительство системы SWAC возобновится в это время. В июле 2011 года Makai Ocean Engineering завершила проектирование и строительство Испытательного объекта теплообменника OTEC в Лаборатории естественной энергии Гавайев. Цель этого объекта – разработать оптимальную конструкцию теплообменников OTEC, повысить производительность и срок службы, а также снизить стоимость (теплообменники являются основным фактором стоимости установки OTEC). В марте 2013 года Makai объявила о контракте на установку и эксплуатацию турбины мощностью 100 киловатт на Испытательном объекте теплообменника OTEC и повторное подключение электроэнергии OTEC к сети. В июле 2016 года Комиссия по коммунальным услугам Виргинских островов одобрила заявку Ocean Thermal Energy Corporation на получение статуса квалифицированного объекта. Таким образом, компания получила разрешение на начало переговоров с Управлением водоснабжения и электроэнергии Виргинских островов (WAPA) о соглашении о покупке электроэнергии (PPA) в отношении установки преобразования тепловой энергии океана (OTEC) на острове Сент-Круа. Это будет первая в мире коммерческая установка OTEC. Проект планируется установить в африканской стране Сан-Томе и Принсипи, которая станет первой в мире плавучей платформой OTEC коммерческого масштаба. Разработанная компанией Global OTEC, конструкция под названием Dominique будет генерировать 1,5 МВт, а последующие баржи будут установлены для удовлетворения полного спроса страны. В 2022 году было подписано Меморандум о взаимопонимании между правительством и британским стартапом Global OTEC.

Attempts to develop and refine OTEC technology started in the 1880s. In 1881, Jacques Arsene d'Arsonval, a French physicist, proposed tapping the thermal energy of the ocean. D'Arsonval's student, Georges Claude, built the first OTEC plant, in Matanzas, Cuba in 1930. The system generated 22 kW of electricity with a low pressure turbine. The plant was later destroyed in a storm. In 1935, Claude constructed a plant aboard a 10,000 ton cargo vessel moored off the coast of Brazil. Weather and waves destroyed it before it could generate net power. This design improved upon the original closed cycle Rankine system, and included this in an outline for a plant that would produce power at lower cost than oil or coal. At the time, however, their research garnered little attention since coal and nuclear were considered the future of energy. Beginning in 1970 the Tokyo Electric Power Company successfully built and deployed a 100 kW closed cycle OTEC plant on the island of Nauru. 1981 also saw a major development in OTEC technology when Russian engineer, Dr. Alexander Kalina, used a mixture of ammonia and water to produce electricity. This new ammonia water mixture greatly improved the efficiency of the power cycle. In 1994, the Institute of Ocean Energy at Saga University designed and constructed a 4.5 kW plant for the purpose of testing a newly invented Uehara cycle, also named after its inventor Haruo Uehara. This cycle included absorption and extraction processes that allow this system to outperform the Kalina cycle by 1–2%. The 1970s saw an uptick in OTEC research and development during the post 1973 Arab Israeli War, which caused oil prices to triple. The U. S. federal government poured $260 million into OTEC research after President Carter signed a law that committed the US to a production goal of 10,000 MW of electricity from OTEC systems by 1999. In 1974, The U. S. established the Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority (NELHA) at Keahole Point on the Kona coast of Hawaii. Hawaii is the best US OTEC location, due to its warm surface water, access to very deep, very cold water, and high electricity costs. The laboratory has become a leading test facility for OTEC technology. In the same year, Lockheed received a grant from the U. S. National Science Foundation to study OTEC. This eventually led to an effort by Lockheed, the US Navy, Makai Ocean Engineering, Dillingham Construction, and other firms to build the world's first and only net power producing OTEC plant, dubbed "Mini OTEC" For three months in 1979, a small amount of electricity was generated. NELHA operated a 250 kW demonstration plant for six years in the 1990s. With funding from the United States Navy, a 105 kW plant at the site began supplying energy to the local power grid in 2015. Research related to making open cycle OTEC a reality began earnestly in 1979 at the Solar Energy Research Institute (SERI) with funding from the US Department of Energy. Evaporators and suitably configured direct contact condensers were developed and patented by SERI (see). An original design for a power producing experiment, then called the 165 kW experiment was described by Kreith and Bharathan and as the Max Jakob Memorial Award Lecture. The initial design used two parallel axial turbines, using last stage rotors taken from large steam turbines. Later, a team led by Dr. Bharathan at the National Renewable Energy Laboratory (NREL) developed the initial conceptual design for up dated 210 kW open cycle OTEC experiment This design integrated all components of the cycle, namely, the evaporator, condenser and the turbine into one single vacuum vessel, with the turbine mounted on top to prevent any potential for water to reach it. The vessel was made of concrete as the first process vacuum vessel of its kind. Attempts to make all components using low cost plastic material could not be fully achieved, as some conservatism was required for the turbine and the vacuum pumps developed as the first of their kind. Later Dr. Bharathan worked with a team of engineers at the Pacific Institute for High Technology Research (PICHTR) to further pursue this design through preliminary and final stages. It was renamed the Net Power Producing Experiment (NPPE) and was constructed at the Natural Energy Laboratory of Hawaii (NELH) by PICHTR by a team led by Chief Engineer Don Evans and the project was managed by Dr. Luis Vega. In 2002, India tested a 1 MW floating OTEC pilot plant near Tamil Nadu. The plant was ultimately unsuccessful due to a failure of the deep sea cold water pipe. Its government continues to sponsor research. In 2006, Makai Ocean Engineering was awarded a contract from the U. S. Office of Naval Research (ONR) to investigate the potential for OTEC to produce nationally significant quantities of hydrogen in at sea floating plants located in warm, tropical waters. Realizing the need for larger partners to actually commercialize OTEC, Makai approached Lockheed Martin to renew their previous relationship and determine if the time was ready for OTEC. And so in 2007, Lockheed Martin resumed work in OTEC and became a subcontractor to Makai to support their SBIR, which was followed by other subsequent collaborations In June 2015, the project was put on pause while the resort resolved financial and ownership issues. In August 2016, it was announced that the issues had been resolved and that the resort would open in March 2017. It is expected that the SWAC system's construction will resume at that time. In July 2011, Makai Ocean Engineering completed the design and construction of an OTEC Heat Exchanger Test Facility at the Natural Energy Laboratory of Hawaii. The purpose of the facility is to arrive at an optimal design for OTEC heat exchangers, increasing performance and useful life while reducing cost (heat exchangers being the #1 cost driver for an OTEC plant). And in March 2013, Makai announced an award to install and operate a 100 kilowatt turbine on the OTEC Heat Exchanger Test Facility, and once again connect OTEC power to the grid. In July 2016, the Virgin Islands Public Services Commission approved Ocean Thermal Energy Corporation's application to become a Qualified Facility. The company is thus permitted to begin negotiations with the Virgin Islands Water and Power Authority (WAPA) for a Power Purchase Agreement (PPA) pertaining to an Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) plant on the island of St. Croix. This would be the world's first commercial OTEC plant. A project is set to be installed in the African country of São Tomé and Príncipe, which will be the first commercial scale floating OTEC platform in the world. Developed by Global OTEC, the structure named Dominique will generate 1.5MW, with subsequent barges being installed to help supply the full demand of the country. In 2022, an MoU was signed between the government and British startup Global OTEC.

В настоящее время действующие заводы OTEC

В марте 2013 года Университет Сага совместно с различными японскими предприятиями завершил установку нового завода OTEC. Префектура Окинава объявила о начале оперативных испытаний OTEC на острове Куме 15 апреля 2013 года. Основная цель – подтвердить достоверность компьютерных моделей и продемонстрировать технологию OTEC широкой публике. Испытания и исследования будут проводиться при поддержке Университета Сага до конца 2016 финансового года. Компаниям IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation и Xenesys Inc было поручено строительство завода мощностью 100 кВт на территории Исследовательского центра глубоководных вод префектуры Окинава. Место было выбрано специально для использования существующих водозаборных труб для глубоководной и поверхностной воды, установленных для исследовательского центра в 2000 году. Эти трубы используются для забора глубоководной воды для научных исследований, рыбоводства и сельского хозяйства. Завод состоит из двух блоков мощностью 50 кВт, работающих по двойной схеме Ранкина. Посещение объекта OTEC и исследовательского центра глубоководных вод открыто для публики по предварительной записи на английском и японском языках. В настоящее время это один из двух полностью функционирующих заводов OTEC в мире. Эта установка работает непрерывно, когда не проводятся специальные тесты. В 2011 году компания Makai Ocean Engineering завершила строительство испытательного стенда для теплообменников в NELHA. Предназначенный для тестирования различных технологий теплообмена для использования в OTEC, Makai получил финансирование для установки турбины мощностью 105 кВт. После установки этот объект станет крупнейшим действующим объектом OTEC, хотя рекорд по максимальной выработке энергии останется за заводом с открытым циклом, также разработанным на Гавайях. В июле 2014 года группа DCNS в партнерстве с Akuo Energy объявила о получении финансирования NER 300 для своего проекта NEMO. В случае успеха, оффшорный завод мощностью 16 МВт (валовая мощность) и 10 МВт (нетто-мощность) стал бы крупнейшим объектом OTEC на сегодняшний день. DCNS планировала ввести NEMO в эксплуатацию к 2020 году. В начале апреля 2018 года Naval Energies приостановила проект на неопределенный срок из-за технических проблем, связанных с основной трубой забора холодной воды. В августе 2015 года на Гавайях начала работу электростанция, использующая энергию океана, построенная компанией Makai Ocean Engineering. Губернатор Гавайев Дэвид Иге "включил" электростанцию. Это первая полноценная электростанция замкнутого цикла преобразования тепловой энергии океана (OTEC), подключенная к электросети США. Это демонстрационная установка, способная генерировать 105 киловатт, чего достаточно для питания около 120 домов.

In March 2013, Saga University with various Japanese industries completed the installation of a new OTEC plant. Okinawa Prefecture announced the start of the OTEC operation testing at Kume Island on April 15, 2013. The main aim is to prove the validity of computer models and demonstrate OTEC to the public. The testing and research will be conducted with the support of Saga University until the end of FY 2016. IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation, and Xenesys Inc were entrusted with constructing the 100 kilowatt class plant within the grounds of the Okinawa Prefecture Deep Sea Water Research Center. The location was specifically chosen in order to utilize existing deep seawater and surface seawater intake pipes installed for the research center in 2000. The pipe is used for the intake of deep sea water for research, fishery, and agricultural use. The plant consists of two 50 kW units in double Rankine configuration. The OTEC facility and deep seawater research center are open to free public tours by appointment in English and Japanese. Currently, this is one of only two fully operational OTEC plants in the world. This plant operates continuously when specific tests are not underway. In 2011, Makai Ocean Engineering completed a heat exchanger test facility at NELHA. Used to test a variety of heat exchange technologies for use in OTEC, Makai has received funding to install a 105 kW turbine. Installation will make this facility the largest operational OTEC facility, though the record for largest power will remain with the Open Cycle plant also developed in Hawaii. In July 2014, DCNS group partnered with Akuo Energy announced NER 300 funding for their NEMO project. If the project was successful, the 16 MW gross 10 MW net offshore plant would have been the largest OTEC facility to date. DCNS planned to have NEMO operational by 2020. Early in April 2018, Naval Energies shut down the project indefinitely due to technical difficulties relating to the main cold water intake pipe. An ocean thermal energy conversion power plant built by Makai Ocean Engineering went operational in Hawaii in August 2015. The governor of Hawaii, David Ige, "flipped the switch" to activate the plant. This is the first true closed cycle ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) plant to be connected to a U. S. electrical grid. It is a demo plant capable of generating 105 kilowatts, enough to power about 120 homes.

Термодинамическая эффективность

Тепловой двигатель демонстрирует более высокую эффективность при работе с большой разницей температур. В океанах наибольшая разница температур между поверхностными и глубинными водами наблюдается в тропиках, хотя она все еще относительно невелика – от 20 до 25 °C. Следовательно, именно в тропиках технология Океанической Термальной Энергии (ОТЭ) обладает наибольшим потенциалом. Установки ОТЭ могут работать непрерывно, обеспечивая базовую нагрузку для системы выработки электроэнергии. Основная техническая сложность ОТЭ заключается в эффективной генерации значительного количества энергии при небольших температурных перепадах. Эта технология по-прежнему считается развивающейся. Первые системы ОТЭ имели тепловую эффективность от 1 до 3 процентов, что значительно ниже теоретического максимума в 6-7 процентов для данной разницы температур. Альтернативой дорогостоящим трубопроводам для подъема конденсированной холодной воды на поверхность является закачка испаренной жидкости с низкой температурой кипения в глубины для последующей конденсации, что позволяет уменьшить объемы перекачиваемой жидкости, снизить технические и экологические проблемы и сократить затраты.

Закрыто

Системы с замкнутым циклом используют жидкость с низкой температурой кипения, такую как аммиак (с температурой кипения около 33 °C при атмосферном давлении), для привода турбины и выработки электроэнергии. Теплая поверхностная морская вода прокачивается через теплообменник для испарения рабочей жидкости. Расширяющийся пар вращает турбогенератор. Холодная вода, прокачиваемая через второй теплообменник, конденсирует пар обратно в жидкость, которая затем возвращается в систему для повторного использования. В 1979 году Лаборатория естественной энергии и несколько партнеров из частного сектора разработали эксперимент "мини OTEC", в результате которого впервые удалось получить положительный выход электроэнергии из системы OTEC с замкнутым циклом непосредственно в морских условиях. Экспериментальное судно "мини OTEC" было пришвартовано в 1,5 милях (2 км) от побережья Гавайских островов и производило достаточно электроэнергии для освещения судовых ламп, питания компьютеров и телевизора.

Открыто

Открытый цикл OTEC использует теплую поверхностную воду непосредственно для выработки электроэнергии. Теплая морская вода сначала перекачивается в емкость с низким давлением, что вызывает ее кипение. В некоторых схемах расширяющийся пар приводит в движение турбину низкого давления, соединенную с электрическим генератором. Пар, оставивший соль и другие примеси в емкости с низким давлением, представляет собой чистую пресную воду. Она конденсируется в жидкость под воздействием холодных температур глубоководной океанской воды. Этот метод позволяет получать опресненную пресную воду, пригодную для питья, орошения или аквакультуры. В других схемах поднимающийся пар используется в технологии газового лифта для подъема воды на значительную высоту. В зависимости от конструкции, такие методы парового лифта генерируют энергию от гидротурбины либо до, либо после использования насоса. В 1984 году Институт исследования солнечной энергии (ныне известная как Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии) разработал вертикальный испаритель для преобразования теплой морской воды в пар низкого давления для установок открытого цикла. Эффективность преобразования достигала 97% при преобразовании морской воды в пар (общий объем выработанного пара составлял лишь несколько процентов от поступающей воды). В мае 1993 года открытая установка OTEC в Кеахоле-Пойнт, Гавайи, произвела около 80 кВт электроэнергии в ходе эксперимента по выработке чистой энергии. Это превысило рекорд в 40 кВт, установленный японской системой в 1982 году.

Рабочие жидкости

Популярным выбором рабочей жидкости является аммиак, обладающий превосходными транспортными свойствами, доступностью и низкой стоимостью. Однако аммиак токсичен и пожароопасен. Фторированные углероды, такие как ХФУ и ГХФУ, не токсичны и не пожароопасны, но они способствуют истощению озонового слоя. Углеводороды также являются хорошими кандидатами, но они чрезвычайно легковоспламеняющиеся; кроме того, это создаст конкуренцию с их использованием в качестве топлива. Размер электростанции зависит от давления пара рабочей жидкости. С увеличением давления пара уменьшаются размеры турбины и теплообменников, а толщина стенок труб и теплообменников увеличивается для выдерживания высокого давления, особенно со стороны испарителя.

Земля, шельфовые и плавучие участки

OTEC обладает потенциалом для производства гигаватт электроэнергии, а в сочетании с электролизом способен производить достаточно водорода, чтобы полностью заменить все прогнозируемое мировое потребление ископаемого топлива. Однако снижение затрат остается нерешенной задачей. Для работы ОTEC-установкам требуется длинная впускная труба большого диаметра, погружаемая на километр и более в глубины океана, для подъема холодной воды на поверхность.

Наземные

Наземные и прибрежные установки имеют три основных преимущества по сравнению с установками, расположенными в открытом море. Заводы, построенные на суше или вблизи берега, не требуют сложных систем швартовки, протяженных кабелей электропередачи или более масштабного обслуживания, необходимого в условиях открытого океана. Их можно размещать в защищенных районах, что обеспечивает относительную безопасность от штормов и сильного волнения. Электроэнергия, опресненная вода и холодная, богатая питательными веществами морская вода могут передаваться с прибрежных установок по мостовым переходам или дамбам. Кроме того, наземные или прибрежные площадки позволяют предприятиям работать совместно со смежными отраслями, такими как марикультура или производства, требующие опресненной воды. Наиболее подходящими являются места с узким шельфом (например, вулканические острова), крутыми (15–20 градусов) подводными склонами и относительно ровным морским дном. Такие участки позволяют минимизировать длину всасывающей трубы. Наземный завод можно построить в глубине суши от берега, обеспечивая большую защиту от штормов, или непосредственно на пляже, где трубы будут короче. В любом случае, легкий доступ для строительства и эксплуатации способствует снижению затрат. Наземные или прибрежные участки также могут поддерживать марикультуру или охлажденное водное сельское хозяйство. Резервуары или лагуны, построенные на берегу, позволяют персоналу контролировать и управлять миниатюрными морскими экосистемами. Продукция марикультуры может доставляться на рынок стандартным транспортом. Одним из недостатков наземных установок является турбулентность волн в прибрежной зоне. Выпускные трубы OTEC следует размещать в защитных траншеях, чтобы предотвратить их перенапряжение во время штормов и продолжительного сильного волнения. Кроме того, смешанный сброс холодной и теплой морской воды может потребовать отвода на несколько сотен метров в море для достижения необходимой глубины перед сбросом, что повлечет за собой дополнительные расходы на строительство и обслуживание. Чтобы избежать некоторых проблем и затрат, связанных с работой в прибрежной зоне, системы OTEC можно строить непосредственно у берега на глубине от 10 до 30 метров (Ocean Thermal Corporation 1984). В этом случае будут использоваться более короткие (и, следовательно, менее дорогие) всасывающие и выпускные трубы, что позволит избежать опасностей, связанных с турбулентными волнами. Однако сам завод потребует защиты от морской среды, например, волноломов и фундаментов, устойчивых к эрозии, а продукция завода должна быть доставлена на берег.

Land based and near shore facilities offer three main advantages over those located in deep water. Plants constructed on or near land do not require sophisticated mooring, lengthy power cables, or the more extensive maintenance associated with open ocean environments. They can be installed in sheltered areas so that they are relatively safe from storms and heavy seas. Electricity, desalinated water, and cold, nutrient rich seawater could be transmitted from near shore facilities via trestle bridges or causeways. In addition, land based or near shore sites allow plants to operate with related industries such as mariculture or those that require desalinated water. Favored locations include those with narrow shelves (volcanic islands), steep (15–20 degrees) offshore slopes, and relatively smooth sea floors. These sites minimize the length of the intake pipe. A land based plant could be built well inland from the shore, offering more protection from storms, or on the beach, where the pipes would be shorter. In either case, easy access for construction and operation helps lower costs. Land based or near shore sites can also support mariculture or chilled water agriculture. Tanks or lagoons built on shore allow workers to monitor and control miniature marine environments. Mariculture products can be delivered to market via standard transport. One disadvantage of land based facilities arises from the turbulent wave action in the surf zone. OTEC discharge pipes should be placed in protective trenches to prevent subjecting them to extreme stress during storms and prolonged periods of heavy seas. Also, the mixed discharge of cold and warm seawater may need to be carried several hundred meters offshore to reach the proper depth before it is released, requiring additional expense in construction and maintenance. One way that OTEC systems can avoid some of the problems and expenses of operating in a surf zone is by building them just offshore in waters ranging from 10 to 30 meters deep (Ocean Thermal Corporation 1984). This type of plant would use shorter (and therefore less costly) intake and discharge pipes, which would avoid the dangers of turbulent surf. The plant itself, however, would require protection from the marine environment, such as breakwaters and erosion resistant foundations, and the plant output would need to be transmitted to shore.

На полках

Для того чтобы избежать зоны прибоя с сильным волнением и приблизиться к источнику холодной воды, установки OTEC могут быть размещены на континентальном шельфе на глубинах до 400 метров. Такая установка может быть отбуксирована к месту расположения и закреплена на дне моря. Этот тип конструкции уже используется для морских нефтедобывающих платформ. Сложности эксплуатации установки OTEC в более глубоких водах могут сделать ее дороже, чем наземные варианты. Проблемы включают воздействие неблагоприятных условий открытого океана и более сложную доставку продукции. Учет сильных океанских течений и больших волн увеличивает инженерные и строительные затраты. Платформам требуются массивные свайные фундаменты для обеспечения устойчивости. Передача электроэнергии может потребовать прокладки длинных подводных кабелей до берега. По этим причинам установки, размещенные на шельфе, менее предпочтительны.

Политические проблемы

Поскольку установки OTEC представляют собой в большей или меньшей степени стационарные надводные платформы, их точное местоположение и правовой статус могут быть затронуты Конвенцией Организации Объединенных Наций по морскому праву (ЮНКЛОС). Эта конвенция предоставляет прибрежным государствам зоны с различной степенью юридической юрисдикции, простирающиеся от суши, что может создавать потенциальные конфликты и регуляторные препятствия. Установки OTEC и подобные сооружения будут рассматриваться как искусственные острова в соответствии с конвенцией, что лишает их самостоятельного правового статуса. Установки OTEC могут восприниматься как угроза или потенциальный партнер для рыболовства или для операций по добыче полезных ископаемых на морском дне, контролируемых Международным органом по морскому дну.

Стоимость и экономическая ситуация

Поскольку системы OTEC еще не получили широкого распространения, оценки затрат остаются неопределенными. Исследование, проведенное Университетом Гавайев в 2010 году, оценило стоимость электроэнергии, вырабатываемой OTEC, в 94,0 цента за киловатт-час (кВтч) для установки мощностью 1,4 МВт, 44,0 цента за кВтч для установки мощностью 10 МВт и 18,0 центов за кВтч для установки мощностью 100 МВт. Отчет организации Ocean Energy Systems при Международном энергетическом агентстве, опубликованный в 2015 году, содержал оценку примерно в 20,0 центов за кВтч для установок мощностью 100 МВт. Другое исследование оценивало затраты на производство электроэнергии на уровне всего 7,0 центов за кВтч. Для сравнения, исследование Lazard за 2019 год оценило несубсидируемую стоимость электроэнергии для солнечной фотоэлектрической энергии в масштабе коммунальных предприятий в пределах 3,2–4,2 центов за кВтч, а для ветроэнергетики – 2,8–5,4 центов за кВтч. В докладе IRENA, опубликованном в 2014 году, утверждалось, что коммерческое использование технологии OTEC может быть масштабировано различными способами. "Маломасштабные установки OTEC могут быть адаптированы для обеспечения электроэнергией небольших населенных пунктов (от 5000 до 50 000 жителей), но для экономической целесообразности потребуется производство ценных побочных продуктов, таких как пресная вода или охлаждение". Установки OTEC большей мощности потребуют значительно более высоких накладных расходов и затрат на установку. К важным факторам, которые следует учитывать, относятся отсутствие отходов и потребления топлива в системах OTEC, географическая область их доступности (часто в пределах 20° от экватора), геополитические последствия зависимости от нефти, совместимость с другими формами энергии океана, такими как энергия волн, энергия приливов и гидраты метана, а также дополнительные возможности использования морской воды.

Некоторые предложенные проекты

Среди рассматриваемых проектов OTEC – небольшая установка для военно-морской базы США на острове Диего-Гарсия, являющемся британской заморской территорией в Индийском океане. Ocean Thermal Energy Corporation (ранее OCEES International, Inc.) сотрудничает с ВМС США в разработке проекта 13-мегаваттной OTEC-станции, которая должна заменить существующие дизельные генераторы. Эта OTEC-станция также будет производить 1,25 миллиона галлонов питьевой воды в сутки. Реализация этого проекта в настоящее время зависит от изменений в политике государственных военных контрактов США. OTE предложила построить 10-мегаваттную OTEC-станцию на Гуаме.

Багамские острова

Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) в настоящее время планирует установить два завода OTEC мощностью 10 МВт на Виргинских островах США и объект OTEC мощностью 5–10 МВт на Багамах. OTE также разработала крупнейший в мире завод по кондиционированию воздуха с использованием морской воды (SWAC) для курорта на Багамах, который будет использовать холодную глубоководную морскую воду для кондиционирования воздуха. В середине 2015 года проект, выполненный на 95%, был временно приостановлен в связи с финансовыми и собственническими проблемами курорта. 22 августа 2016 года правительство Багамских островов объявило о подписании нового соглашения, согласно которому строительство курорта Baha Mar будет завершено. Однако проект остается в замороженном состоянии и может никогда не быть возобновлен.

Хайнань

13 апреля 2013 года компания Lockheed Martin заключила контракт с Reignwood Group на строительство 10-мегаваттной электростанции у побережья южного Китая для энергоснабжения планируемого курортного комплекса на острове Хайнань. Электростанция такой мощности способна обеспечить электроэнергией несколько тысяч домов. В 2011 году Reignwood Group приобрела компанию Opus Offshore, которая стала основой для подразделения Reignwood Ocean Engineering, занимающегося также разработкой технологий глубоководного бурения.

Япония

В настоящее время единственная непрерывно работающая система OTEC находится в префектуре Окинава, Япония. Поддержка правительства, местного сообщества и передовые исследования, проводимые Университетом Сага, стали ключевыми факторами успеха для подрядчиков – IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation и Xenesys Inc. На острове Куме ведутся работы по созданию установки мощностью 1 МВт, для которой требуются новые трубопроводы. В июле 2014 года более 50 участников основали Глобальную ассоциацию океанских ресурсов и энергетики (GOSEA) – международную организацию, созданную для продвижения модели Кумедзима и работы над установкой более крупных глубоководных трубопроводов и OTEC-установки мощностью 1 МВт. Компании, участвующие в текущих проектах OTEC, совместно с другими заинтересованными сторонами разработали планы для создания морских систем OTEC. Более подробную информацию можно найти в разделе "Действующие OTEC-установки".

Виргинские острова США

5 марта 2014 года корпорация Ocean Thermal Energy Corporation (OTEC) и 30-й Законодательный орган Виргинских островов США (USVI) подписали Меморандум о взаимопонимании для продвижения исследования, оценивающего целесообразность и потенциальные преимущества для USVI от установки береговых установок по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC) в возобновляемую электроэнергию и систем кондиционирования воздуха с использованием морской воды (SWAC). В рамках исследования USVI будут оценены преимущества, включая как базовую (круглосуточную) чистую электроэнергию, вырабатываемую OTEC, так и различные сопутствующие продукты, связанные с OTEC и SWAC, такие как обильное количество пресной питьевой воды, энергоэффективные системы кондиционирования воздуха, устойчивое развитие аквакультуры и марикультуры, а также проекты по улучшению сельского хозяйства на островах Сент-Томас и Сент-Круа. 18 июля 2016 года Комиссия по государственным услугам Виргинских островов одобрила заявление OTE о присвоении статуса квалифицированного объекта.

Мартиника

Akuo Energy и DCNS получили финансирование NER300 8 июля 2014 года для своего проекта NEMO (Новая энергия для Мартиники и зарубежных территорий), который, как ожидается, станет оффшорной электростанцией чистой мощности 10,7 МВт, завершенной в 2020 году. Сумма финансирования, выделенная на разработку проекта, составила 72 миллиона евро.

Мальдивы

16 февраля 2018 года Global OTEC Resources объявила о планах по строительству установки мощностью 150 кВт на Мальдивах, разработанной специально для отелей и курортов. "Все эти курорты получают электроэнергию от дизельных генераторов. Более того, некоторые отдельные курорты потребляют 7000 литров дизельного топлива в день для удовлетворения потребностей, что эквивалентно более 6000 тонн CO2 в год", – заявил директор Дэн Греч. ЕС выделил грант, а Global OTEC Resources запустила краудфандинговую кампанию для покрытия оставшихся расходов. Другая система, запатентованная Ричардом Бейли, производит конденсат, регулируя поток глубоководной океанской воды через поверхностные конденсаторы в соответствии с колебаниями температуры точки росы. Эта система конденсации не требует дополнительной энергии и не имеет движущихся частей. 22 марта 2015 года Университет Саги открыл демонстрационную установку опреснения типа Flash на острове Кумеджима. Этот филиал их Института океанической энергетики использует глубоководную воду после ОТЭК с демонстрационной установки ОТЭК на Окинаве и необработанную поверхностную морскую воду для производства опресненной воды. Из замкнутой системы воздух откачивается вакуумным насосом. При подаче сырой морской воды в камеру мгновенного испарения она закипает, позволяя чистому пару подниматься, а соль и оставшаяся морская вода удаляются. Пар конденсируется в теплообменнике с использованием холодной глубоководной воды после ОТЭК. Опресненная вода может использоваться для производства водорода или в качестве питьевой воды (при добавлении минералов). Установка NELHA, построенная в 1993 году, производила в среднем 7000 галлонов пресной воды в день. KOYO USA была основана в 2002 году для использования этой новой экономической возможности. KOYO разливает воду, произведенную на установке NELHA на Гавайях. Имея возможность производить один миллион бутылок воды ежедневно, KOYO является крупнейшим экспортером Гавайев с объемом продаж в 140 миллионов долларов. [81]

Кондиционер

Холодная морская вода, получаемая в системе OTEC, открывает возможность обеспечения больших объемов охлаждения для промышленных предприятий и жилых домов, расположенных вблизи установки. Эту воду можно использовать в охлаждающих змеевиках для кондиционирования воздуха в зданиях. По оценкам, труба диаметром 1 фут (0 м) может подавать 4700 галлонов воды в минуту. Вода такой температуры может обеспечить более чем достаточное кондиционирование воздуха для крупного здания. При работе 8000 часов в год вместо электрического кондиционирования, продающегося по цене 5–10 центов за киловатт-час, это позволит сэкономить от 200 000 до 400 000 долларов в год на счетах за электроэнергию. Курорт InterContinental Resort и Thalasso Spa на острове Бора-Бора использует систему SWAC для кондиционирования воздуха в своих зданиях. Система пропускает морскую воду через теплообменник, где она охлаждает пресную воду в замкнутом контуре. Затем эта пресная вода подается в здания и непосредственно охлаждает воздух. В 2010 году компания Copenhagen Energy открыла установку централизованного охлаждения в Копенгагене, Дания. Эта установка поставляет холодную морскую воду коммерческим и промышленным зданиям, что позволило снизить потребление электроэнергии на 80 процентов. Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) разработала систему SDC мощностью 9800 тонн для курорта на Багамах.

Сельское хозяйство с охлажденной почвой

Технология OTEC поддерживает ведение сельского хозяйства в охлажденной почве. Когда холодная морская вода циркулирует по подземным трубам, она охлаждает окружающую почву. Разница температур между корнями в прохладной почве и листьями в теплом воздухе позволяет выращивать в субтропиках растения, эволюционировавшие в умеренном климате. Доктор Джон П. Крейвен, доктор Джек Дэвидсон и Ричард Бейли запатентовали этот процесс и продемонстрировали его на исследовательском объекте в Лаборатории естественной энергии Управления природных ресурсов Гавайев (NELHA). На этом исследовательском объекте было продемонстрировано, что с помощью данной системы можно выращивать более 100 различных сельскохозяйственных культур, многие из которых в противном случае не смогли бы выжить на Гавайях или в районе Кеахоле Пойнт. Япония также с 2000 года изучает возможности использования глубоководных вод в сельском хозяйстве в Институте исследований глубоководных вод Окинавы на острове Куме. На острове Куме используется обычная вода, охлаждаемая глубоководной водой в теплообменнике, который пропускается по трубам, проложенным в земле, для охлаждения почвы. Эти методы стали важным ресурсом для местного сообщества, поскольку теперь они круглый год коммерчески выращивают шпинат – овощ, обычно выращиваемый зимой. В 2014 году город Кумейзима завершил расширение сельскохозяйственного объекта, использующего глубоководную воду, рядом с демонстрационной установкой OTEC. Новый объект предназначен для изучения экономической целесообразности ведения сельского хозяйства с охлаждением почвы в большем масштабе.

Аквакультура

Аквакультура – наиболее известный побочный продукт, поскольку она снижает финансовые и энергетические затраты на перекачку больших объемов воды из глубин океана. Глубинная океанская вода содержит высокие концентрации необходимых питательных веществ, которые истощаются в поверхностных водах из-за их потребления живыми организмами. Этот искусственный апвеллинг имитирует естественные апвеллинги, ответственные за обогащение и поддержание крупнейших морских экосистем мира и самых высоких концентраций жизни на планете. Холодноводные морские животные, такие как лосось и омар, прекрасно растут в этой богатой питательными веществами глубинной морской воде. Также можно выращивать микроводоросли, например спирулину, используемую в качестве биологически активной добавки. Глубинную океанскую воду можно смешивать с поверхностной для получения воды оптимальной температуры. В бассейнах, снабжаемых водой, полученной с помощью OTEC, можно выращивать неместные виды, такие как лосось, омар, абалон, форель, устрицы и моллюски. Это расширяет ассортимент свежих морепродуктов, доступных на местных рынках. Такое недорогое охлаждение позволяет сохранять качество выловленной рыбы, которая быстро портится в теплых тропических регионах. В Коне, на Гавайях, компании, занимающиеся аквакультурой и сотрудничающие с NELHA, ежегодно получают около 40 миллионов долларов, что составляет значительную долю ВВП Гавайев.

Производство водорода

Водород может быть произведен посредством электролиза с использованием электроэнергии, полученной от OTEC. Образующийся пар с добавлением электролитных соединений для повышения эффективности представляет собой относительно чистую среду для производства водорода. OTEC может быть масштабирован для производства больших объемов водорода. Основная проблема заключается в его стоимости по сравнению с другими источниками энергии и видами топлива.

Добыча полезных ископаемых

Океан содержит 57 микроэлементов в солях и других формах, растворенных в воде. Ранее большинство экономических анализов приходили к выводу, что добыча микроэлементов в океане была бы невыгодной, в частности из-за энергозатрат на перекачку воды. Как правило, добыча ориентирована на минералы, встречающиеся в высоких концентрациях и легко извлекаемые, например, магний. При использовании установок OTEC для подачи воды, единственными затратами являются расходы на извлечение. Японские исследователи изучали возможность добычи урана и пришли к выводу, что развитие других технологий (особенно материаловедения) повышает перспективы этого направления.

Контроль климата

Термоградиент океана может быть использован для увеличения количества осадков и смягчения высоких летних температур в тропиках, что принесет огромную пользу человечеству, флоре и фауне. Когда температура поверхности моря в определенной области относительно высока, формируется зона пониженного атмосферного давления по сравнению с давлением, преобладающим на близлежащей суше, что вызывает ветры с суши к океану. Эти ветры, дующие в сторону океана, сухие и теплые, и не способствуют обильным осадкам на суше, в отличие от влажных ветров, дующих с океана на сушу. Для обеспечения достаточного количества осадков и комфортной летней температуры окружающей среды (ниже 35 °C) на суше предпочтительнее наличие влажных ветров с океана. Создание зон высокого давления путем искусственного подъема глубинных вод в морской области также может быть использовано для отклонения или направления нормальных глобальных муссонных ветров к суше. Искусственный подъем богатых питательными веществами глубинных океанических вод к поверхности также способствует росту рыбного хозяйства в районах с тропическим и умеренным климатом. Это также приведет к увеличению секвестрации углерода океанами за счет улучшения роста водорослей и увеличению массы ледников из-за дополнительного снегопада, что будет способствовать смягчению повышения уровня моря или процесса глобального потепления. Тропические циклоны также не проходят через зоны высокого давления, поскольку они усиливаются, получая энергию из теплых поверхностных вод моря. Холодная глубоководная вода (температура менее 10 °C) перекачивается на поверхность моря для снижения температуры поверхности (>26 °C) искусственным путем, используя электроэнергию, вырабатываемую крупномасштабными плавучими ветряными электростанциями в глубоком море. Снижение температуры поверхности морской воды повысит местное атмосферное давление, что приведет к формированию ветров, дующих с океана на сушу. Для подъема холодной морской воды на глубоком морском дне на глубине от 500 до 1000 м расположен стационарный гидравлически управляемый пропеллер (диаметр около 50 м) с гибким всасывающим трубопроводом, простирающимся до поверхности моря. Всасывающий трубопровод закреплен на морском дне снизу и к плавучим понтонам на поверхности моря сверху. Гибкий трубопровод не будет разрушаться, поскольку внутреннее давление в нем выше, чем внешнее, при перекачке холодной воды на морскую поверхность. Ближний Восток, северо-восточная Африка, Индийский субконтинент и Австралия могут получить облегчение от жаркой и сухой погоды в летний сезон, а также от нерегулярных осадков, путем перекачки глубокой морской воды на поверхность моря из Персидского залива, Красного моря, Индийского и Тихого океанов соответственно.

Ocean thermal gradient can be used to enhance rainfall and moderate the high ambient summer temperatures in tropics to benefit enormously the mankind and the flora and fauna. When sea surface temperatures are relatively high on an area, lower atmospheric pressure area is formed compared to atmospheric pressure prevailing on the nearby land mass inducing winds from the landmass towards the ocean. Oceanward winds are dry and warm which would not contribute to good rainfall on the landmass compared to landward moist winds. For adequate rainfall and comfortable summer ambient temperatures (below 35 °C) on the landmass, it is preferred to have landward moist winds from the ocean. Creating high pressure zones by artificial upwelling on sea area selectively can also be used to deflect / guide the normal monsoon global winds towards the landmass. Artificial upwelling of nutrient rich deep ocean water to the surface also enhances fisheries growth in areas with tropical and temperate weather. It would also lead to enhanced carbon sequestration by the oceans from improved algae growth and mass gain by glaciers from the extra snow fall mitigating sea level rise or global warming process. Tropical cyclones also do not pass through the high pressure zones as they intensify by gaining energy from the warm surface waters of the sea. The cold deep sea water (<10 °C) is pumped to the sea surface area to suppress the sea surface temperature (>26 °C) by artificial means using electricity produced by mega scale floating wind turbine plants on the deep sea. The lower sea water surface temperature would enhance the local ambient pressure so that atmospheric landward winds are created. For upwelling the cold sea water, a stationary hydraulically driven propeller (≈50 m diameter) is located on the deep sea floor at 500 to 1000 m depth with a flexible draft tube extending up to the sea surface. The draft tube is anchored to the sea bed at its bottom side and top side to floating pontoons at the sea surface. The flexible draft tube would not collapse as its inside pressure is more compared to outside pressure when the colder water is pumped to the sea surface. Middle east, north east Africa, Indian subcontinent and Australia can get relief from hot and dry weather in summer season, also prone to erratic rainfall, by pumping deep sea water to the sea surface from the Persian gulf, Red sea, Indian Ocean and Pacific Ocean respectively.

Термодинамика

Строгое изучение Океанической тепловой электростанции (ОТЭС) показывает, что разница температур в 20 °C обеспечивает столько же энергии, сколько гидроэлектростанция с напором 34 м при том же объеме потока воды. Небольшая разница температур означает, что для извлечения полезного количества тепла требуются очень большие объемы воды. От электростанции мощностью 100 МВт ожидается перекачка около 12 миллионов галлонов (44 400 тонн) в минуту. Для сравнения, насосы должны перемещать массу воды, превышающую вес линкора «Бисмарк», который весил 41 700 тонн, каждую минуту. Это делает перекачку значительной паразитной нагрузкой на энерговыработку в системах ОТЭС: в одном из проектов Lockheed потреблялось 19,55 МВт на перекачку энергии на каждые 49,8 МВт чистой электроэнергии. В схемах ОТЭС, использующих теплообменники, для обработки такого объема воды теплообменники должны быть огромными по сравнению с теми, которые используются на обычных тепловых электростанциях, что делает их одним из важнейших компонентов из-за их влияния на общую эффективность. Для электростанции ОТЭС мощностью 100 МВт потребуется 200 теплообменников, каждый из которых больше, чем 20-футовый контейнер, что делает их самым дорогим компонентом.

Влияние на окружающую среду

Углекислый газ, растворенный в глубоких, холодных и находящихся под высоким давлением слоях, поднимается к поверхности и высвобождается при нагревании воды. Смешивание глубоководных и поверхностных вод приносит питательные вещества наверх, делая их доступными для обитателей прибрежных вод. Это может быть выгодно для аквакультуры коммерчески ценных видов, но также может нарушить экологический баланс в районе электростанции. Установки OTEC используют очень большие объемы теплой поверхностной и холодной глубоководной морской воды для генерации постоянной возобновляемой энергии. Глубоководная вода обеднена кислородом и, как правило, содержит в 20–40 раз больше питательных веществ (нитратов и нитритов), чем поверхностная. При смешивании эти потоки оказываются незначительно плотнее окружающей морской воды. Несмотря на то, что полномасштабные физические экологические испытания OTEC не проводились, были разработаны компьютерные модели для имитации воздействия установок OTEC.

Гидродинамическое моделирование

В 2010 году была разработана компьютерная модель для моделирования физических океанографических эффектов одной или нескольких 100-мегаваттных установок OTEC. Модель показывает, что установки OTEC могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы обеспечивать непрерывную работу, при этом изменения температуры и концентрации питательных веществ оставались бы в пределах естественных колебаний. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что при сбросе потоков OTEC вниз на глубину более 70 метров достигается достаточная степень разбавления, а обогащение питательными веществами оказывается незначительным, что позволяет 100-мегаваттным установкам OTEC работать непрерывно и устойчиво.

Биологическое моделирование

Питательные вещества из выбросов OTEC могут потенциально вызвать повышенную биологическую активность при накоплении в больших количествах в фотической зоне. Однако, технология требует доработки в соответствии с современными океанографическими и инженерными стандартами. Были проведены исследования для разработки оптимальных практик мониторинга базового состояния окружающей среды, ориентированных на набор из десяти химико-океанографических параметров, важных для OTEC. Недавно NOAA провела семинары по OTEC в 2010 и 2012 годах с целью оценки физического, химического и биологического воздействия и рисков, а также выявления пробелов и потребностей в информации. База данных Tethys предоставляет доступ к научной литературе и общей информации о потенциальном воздействии OTEC на окружающую среду.

Растворенные газы

Производительность теплообменников прямого контакта, работающих в типичных граничных условиях OTEC, имеет важное значение для цикла Клода. Многие ранние конструкции цикла Клода использовали поверхностный конденсатор, поскольку их характеристики были хорошо изучены. Однако конденсаторы прямого контакта обладают существенными недостатками. По мере подъема холодной воды во впускном трубопроводе давление снижается до точки, когда начинается выделение газа. Если из раствора выделяется значительное количество газа, может быть оправданным установка газоуловителя перед теплообменниками прямого контакта. Эксперименты, имитирующие условия в трубопроводе подачи теплой воды, показали, что около 30% растворенного газа выделяется в верхней части трубы. Выбор между предварительной деаэрацией морской воды и удалением неконденсируемых газов из конденсатора зависит от динамики выделения газа, эффективности деаэратора, гидравлических потерь, эффективности вентиляционного компрессора и потребляемой мощности. Экспериментальные результаты показывают, что вертикальные эжекторные конденсаторы работают примерно на 30% эффективнее, чем конденсаторы с падающей струей.

Микробная загрязненность

Поскольку сырая морская вода должна проходить через теплообменник, необходимо уделять внимание поддержанию хорошей теплопроводности. Даже тонкие слои обрастания способны снизить производительность теплообменника до 50%. Очевидное несоответствие между степенью обрастания и ухудшением теплопередачи обусловлено тонким слоем воды, удерживаемым микробным ростом на поверхности теплообменника. В ходе исследования через систему пропускали губчатые резиновые шары. Было установлено, что, хотя обработка шарами снижает скорость обрастания, этого недостаточно для полной остановки роста, и периодически требуется очистка для восстановления производительности. Микроорганизмы восстанавливались быстрее на более поздних этапах эксперимента (то есть очистка требовалась чаще), что подтверждает результаты предыдущего исследования. Увеличение скорости роста после последующих очисток, по-видимому, связано с селективным давлением на микробную колонию. Скорость обрастания также зависит от материала, из которого изготовлен теплообменник. Алюминиевые трубы замедляют рост микроорганизмов, хотя оксидный слой, образующийся внутри труб, затрудняет очистку и приводит к большим потерям эффективности. При реалистичном уровне эффективности 4%, расчеты показывают, что количество энергии, генерируемой одним кубическим метром воды при температуре 2 °C (36 °F) в месте с температурой воздуха 22 °C (8 °F), эквивалентно энергии, генерируемой при пропуске этого кубического метра воды через гидроэлектростанцию высотой 4000 футов (1200 м). Полярные электростанции Barjot могут быть расположены на островах в полярных регионах или спроектированы как плавучие баржи или платформы, прикрепленные к ледяному щиту. Например, метеостанция Myggbuka на восточном побережье Гренландии, расположенная всего в 2100 км от Глазго, фиксирует среднемесячные температуры ниже 15 °C в течение 6 зимних месяцев в году.

Применение термоэлектрического эффекта

В 1979 году SERI предложила использовать эффект Зеебека для выработки электроэнергии с общей эффективностью преобразования 2%. В 2014 году Липинг Лю, доцент Университета Ратгерса, представил концепцию системы OTEC, использующую твердотельный термоэлектрический эффект вместо традиционных жидкостных циклов.