conversión de energía térmica oceánica

La conversión de energía térmica oceánica ( OTEC ) es una tecnología de energía renovable que aprovecha la diferencia de temperatura entre las aguas superficiales cálidas del océano y las profundidades frías para alimentar un motor térmico y producir electricidad . Se trata de una forma única de generación de energía limpia con el potencial de proporcionar una fuente de energía constante y sostenible. Si bien presenta desafíos que superar, la OTEC tiene el potencial de ofrecer una fuente de energía limpia constante y sostenible, especialmente en regiones tropicales con acceso a aguas oceánicas profundas .

Descripción

La tecnología OTEC aprovecha el gradiente térmico oceánico entre las aguas profundas más frías y las aguas superficiales o poco profundas más cálidas para accionar un motor térmico y producir trabajo útil , generalmente en forma de electricidad . La tecnología OTEC puede operar con un factor de capacidad muy alto , por lo que puede funcionar en modo de carga base .

Las masas de agua fría más densas, formadas por la interacción del agua superficial del océano con la atmósfera fría en zonas muy específicas del Atlántico Norte y el Océano Austral , se hunden en las cuencas oceánicas profundas y se extienden por todo el océano profundo mediante la circulación termohalina . El afloramiento de agua fría desde las profundidades oceánicas se repone con el hundimiento del agua superficial fría.

Entre las fuentes de energía oceánica, la OTEC es uno de los recursos de energía renovable disponibles de forma continua que podría contribuir al suministro de energía de carga base. ^{[ 1 ]} Se considera que el potencial de recursos para la OTEC es mucho mayor que para otras formas de energía oceánica. ^{[ 2 ]} Se podrían generar hasta 10 000 TWh /año de energía a partir de la OTEC sin afectar la estructura térmica del océano. ^[³^]

Los sistemas pueden ser de ciclo cerrado o de ciclo abierto. Los sistemas OTEC de ciclo cerrado utilizan fluidos de trabajo que suelen considerarse refrigerantes como el amoníaco o el R-134a . Estos fluidos tienen puntos de ebullición bajos, por lo que son adecuados para alimentar el generador del sistema y producir electricidad. El ciclo térmico más utilizado en OTEC hasta la fecha es el ciclo Rankine , que emplea una turbina de baja presión. Los motores de ciclo abierto utilizan el vapor del agua de mar como fluido de trabajo.

La OTEC también puede suministrar cantidades de agua fría como subproducto. Esta puede utilizarse para aire acondicionado y refrigeración, y el agua de mar profunda, 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 a escala de laboratorio se construyó en 1926. Actualmente, las plantas OTEC a escala piloto en funcionamiento se encuentran en Japón, supervisadas por la Universidad de Saga , y en Hawái, operadas por Makai Ocean Engineering . ^{[ 5 ]}

Historia

Los intentos de desarrollar y perfeccionar la tecnología OTEC comenzaron en la década de 1880. En 1881, Jacques Arsène 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 generaba 22 kW de electricidad con una turbina de baja presión . ^[⁸^] Posteriormente, la planta fue destruida por una tormenta. ^[⁹^]

En 1935, Claude construyó una planta a bordo de un buque de carga de 10 000 toneladas anclado frente a la costa de Brasil. El mal tiempo y el oleaje la destruyeron antes de que pudiera generar energía neta. ^{[ 8 ]} (La energía neta es la cantidad de energía generada después de restar la energía necesaria para el funcionamiento del sistema).

En 1956, científicos franceses diseñaron una planta de 3 MW para Abiyán , Costa de Marfil. La planta nunca se completó, ya que nuevos descubrimientos de grandes cantidades de petróleo barato la hicieron 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 el esquema de una planta que produciría energía a un costo menor que el petróleo o el carbón. Sin embargo, en ese momento, su investigación recibió 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 Compañía Eléctrica de Tokio construyó y desplegó 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; 90 kW se utilizaron 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 envió 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 generar electricidad. Esta nueva mezcla mejoró notablemente la eficiencia del ciclo de potencia. 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 de reciente invención, que también recibió el nombre de su inventor, Haruo Uehara. Este ciclo incluía procesos de absorción y extracción que permitían que este sistema superara al ciclo Kalina en un 1-2%. ^{[ 13 ]}

En la década de 1970 se observó un repunte en la investigación y el desarrollo de OTEC durante la guerra árabe-israelí posterior a 1973, que provocó que los precios del petróleo se triplicaran. El gobierno federal de EE. UU. invirtió 260 millones de dólares en investigación de OTEC después de que el presidente Carter firmara una ley que comprometía a EE. UU. a alcanzar 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 , Hawái . Hawái es la mejor ubicación para OTEC en Estados Unidos, debido a sus aguas superficiales cálidas, el acceso a aguas muy profundas y muy frías, y los altos costos de la electricidad. El laboratorio se ha convertido en una instalación de prueba líder para la tecnología OTEC. ^{[ 15 ]} Ese mismo año, Lockheed recibió una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos para estudiar OTEC. Esto finalmente llevó a un esfuerzo por parte de Lockheed, la Marina de Estados Unidos, Makai Ocean Engineering, Dillingham Construction y otras empresas para construir la primera y única planta OTEC productora de energía neta del mundo, denominada "Mini-OTEC". ^{[ 16 ]} Durante tres meses 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 Armada de los Estados Unidos , una planta de 105 kW en el sitio comenzó a suministrar energía a la red eléctrica local en 2015. ^{[ 17 ]}

La iniciativa europea EUROCEAN —una empresa conjunta de capital privado formada por nueve compañías europeas ya activas en ingeniería marina— promovió la OTEC entre 1979 y 1983. Inicialmente, se estudió una instalación marina a gran escala. Posteriormente, se estudió una instalación terrestre de 100 kW que combinaba la OTEC terrestre con la desalinización y la acuicultura, denominada ODA. Esta se basó en los resultados de una instalación acuícola a pequeña escala en la isla de Santa Cruz, que utilizaba una línea de suministro de aguas profundas para alimentar las balsas de acuicultura. También se investigó una planta de ciclo abierto en tierra. El lugar del caso de estudio fue Curazao , entonces parte de las Antillas Neerlandesas . ^{[ 18 ]}

La investigación relacionada con la realización de la OTEC de ciclo abierto comenzó en serio en 1979 en el Instituto de Investigación de Energía Solar (SERI) con financiación del Departamento de Energía de los Estados Unidos. SERI desarrolló y patentó evaporadores y condensadores de contacto directo configurados adecuadamente. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}^{[ 21 ]} Kreith y Bharathan ^[²²^]^[²³^] describieron un diseño original para un experimento de producción de energía, entonces llamado experimento de 165 kW, como la Conferencia del Premio Conmemorativo 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 Energías Renovables (NREL) desarrolló el diseño conceptual inicial para el experimento OTEC de ciclo abierto actualizado de 210 kW. ^[²⁴^] Este diseño integró todos los componentes del ciclo, a saber, el evaporador, el condensador y la turbina, en un único recipiente de vacío, con la turbina montada en la parte superior para evitar cualquier posible entrada de agua. El recipiente se fabricó con hormigón, siendo el primer recipiente de vacío de proceso de su tipo. Los intentos de fabricar todos los componentes con material plástico de bajo costo no se lograron 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 en el Instituto Pacífico de Investigación de Alta Tecnología (PICHTR) para continuar desarrollando este diseño a través de las etapas preliminares y finales. Fue renombrado como Experimento de Producción de Energía Neta (NPPE) y fue construido en el Laboratorio de Energía Natural de Hawái (NELH) por PICHTR por un equipo dirigido por el Ingeniero Jefe Don Evans y el proyecto fue gestionado por el Dr. Luis Vega.

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

En 2002, India probó una planta piloto flotante OTEC de 1 MW cerca de Tamil Nadu. La planta finalmente fracasó debido a una falla en la tubería de agua fría de aguas profundas. ^{[ 9 ]} Su gobierno continúa patrocinando la investigación. ^{[ 25 ]}

En 2006, Makai Ocean Engineering obtuvo un contrato de la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos (ONR) para investigar el potencial de la tecnología OTEC para producir cantidades significativas de hidrógeno a nivel nacional en plantas flotantes ubicadas en aguas tropicales cálidas. Consciente de la necesidad de contar con socios más importantes para comercializar la tecnología OTEC, Makai contactó a Lockheed Martin para retomar su relación previa y determinar si era el momento adecuado para su implementación. Así, en 2007, Lockheed Martin reanudó su trabajo en el proyecto OTEC y se convirtió en subcontratista de Makai para apoyar su programa SBIR, al que siguieron otras colaboraciones posteriores. ^{[ 16 ]}

En marzo de 2011, Ocean Thermal Energy Corporation firmó un Acuerdo de Servicios Energéticos (ESA) con el complejo turístico Baha Mar en Nassau, Bahamas , para el primer y más grande sistema de aire acondicionado de agua de mar (SWAC) del mundo. ^{[ 26 ]} En junio de 2015, el proyecto se suspendió mientras el complejo resolvía problemas financieros y de propiedad. ^{[ 27 ]} En agosto de 2016, se anunció que los problemas se habían resuelto y que el complejo abriría en marzo de 2017. ^{[ 28 ]} Se espera que la construcción del sistema SWAC se reanude en ese momento.

En julio de 2011, Makai Ocean Engineering completó el diseño y la construcción de una instalación de prueba de intercambiadores de calor OTEC en el Laboratorio de Energía Natural de Hawái . El propósito de la instalación es lograr un diseño óptimo para los intercambiadores de calor OTEC, aumentando el rendimiento y la vida útil a la vez que se reducen los costos (los intercambiadores de calor son el principal factor de costo para una planta OTEC). ^{[ 29 ]} En marzo de 2013, Makai anunció la adjudicación de un contrato para instalar y operar una turbina de 105 kilovatios en la instalación de prueba de intercambiadores de calor OTEC. Esto marcó la primera vez que la energía OTEC se conectó a la red eléctrica de EE. UU. ^{[ 30 ]}^{[ 31 ]}

En julio de 2016, la Comisión de Servicios Públicos de las Islas Vírgenes aprobó la solicitud de Ocean Thermal Energy Corporation para convertirse en una Instalación Calificada. Por lo tanto, la empresa está autorizada a iniciar negociaciones con la Autoridad de Agua y Energía de las Islas Vírgenes (WAPA) para un Acuerdo de Compra de Energía (PPA) relacionado con una planta de Conversión de Energía Térmica Oceánica (OTEC) en la isla de Santa Cruz. Esta sería la primera planta OTEC comercial del mundo. ^{[ 32 ]}^{[ 33 ]}

Se prevé la instalación de un proyecto en Santo Tomé y Príncipe, país africano, que será la primera plataforma OTEC flotante a escala comercial del mundo. ^{[ 34 ]} Desarrollada por Global OTEC, la estructura, denominada Dominique, generará 1,5 MW, y posteriormente se instalarán barcazas adicionales para ayudar a cubrir la demanda total del país. ^{[ 35 ]} En 2022, se firmó un memorando de entendimiento entre el gobierno y la empresa emergente británica Global OTEC. ^{[ 36 ]}

Plantas OTEC actualmente en funcionamiento

En marzo de 2013, la Universidad de Saga, junto con varias industrias japonesas, completó la instalación de una nueva planta OTEC. La prefectura de Okinawa anunció el inicio de las pruebas de operación de la planta OTEC en la isla de Kume el 15 de abril de 2013. El objetivo principal es demostrar la validez de los modelos informáticos y mostrar la tecnología OTEC al público. Las pruebas e investigaciones se llevarán a cabo con el apoyo de la Universidad de Saga hasta finales del año fiscal 2016. IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation y Xenesys Inc. fueron las empresas encargadas de la construcción de la planta de 100 kilovatios dentro del recinto del Centro de Investigación de Aguas Profundas de la Prefectura de Okinawa. La ubicación se eligió específicamente para aprovechar las tuberías de captación de agua de mar profunda y superficial existentes, instaladas para el centro de investigación en el año 2000. Estas tuberías se utilizan para la captación de agua de mar profunda para investigación, pesca y agricultura. La planta consta de dos unidades de 50 kW en configuración Rankine doble. ^{[ 37 ]} Las instalaciones de OTEC y el centro de investigación de aguas profundas están abiertos al público para visitas guiadas gratuitas con cita previa en inglés y japonés. ^{[ 38 ]} Actualmente, esta es una de las dos únicas plantas OTEC en pleno funcionamiento en el mundo. Esta planta opera de forma continua cuando no se están realizando pruebas específicas.

En 2011, Makai Ocean Engineering completó una instalación de prueba de intercambiadores de calor en NELHA. Utilizada para probar diversas tecnologías de intercambio de calor para su uso en OTEC, Makai recibió financiación para instalar una turbina de 105 kW. ^{[ 39 ]} Esta instalación convertirá a esta planta en la instalación OTEC operativa más grande, aunque el récord de mayor potencia seguirá perteneciendo a la planta de ciclo abierto también desarrollada en Hawái.

En julio de 2014, el grupo DCNS, en asociación con Akuo Energy, anunció la financiación del programa 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 mayor instalación OTEC hasta la fecha. DCNS planeaba que NEMO estuviera operativa para 2020. ^{[ 40 ]} 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. ^[⁴¹^]

Una central eléctrica 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 , fue quien puso en marcha la planta. Esta es la primera central de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) de ciclo cerrado conectada a la red eléctrica estadounidense. Se trata de una planta piloto con capacidad para generar 105 kilovatios, suficiente para abastecer a unos 120 hogares. ^{[ 42 ]}

Eficiencia termodinámica

Un motor térmico ofrece mayor eficiencia cuando funciona con una gran diferencia de temperatura . En los océanos, la diferencia de temperatura entre la superficie y las profundidades es mayor en los trópicos , aunque sigue siendo modesta, de 20 a 25 °C. Por lo tanto, es en los trópicos donde la OTEC ofrece las mayores posibilidades. ^{[ 4 ]} La 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 undimotriz . ^{[ 43 ]}^{[ 44 ]}

Las plantas OTEC pueden operar de forma continua proporcionando un suministro de carga base para un sistema de generación de energía eléctrica. ^{[ 4 ]}

El principal desafío técnico de la 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. ^{[ 45 ]} Los diseños modernos permiten un rendimiento que se aproxima a la eficiencia máxima teórica de Carnot .

Tipos de ciclo de potencia

El agua de mar fría es un componente esencial de los tres tipos de sistemas OTEC: de ciclo cerrado, de ciclo abierto e híbridos. Para su funcionamiento, el agua de mar fría debe ser llevada a la superficie. Los métodos principales son el bombeo activo y la desalinización. La desalinización del agua de mar cerca del fondo marino reduce su densidad, lo que provoca que ascienda a la superficie. ^{[ 46 ]}

La alternativa a las costosas tuberías para llevar agua fría condensada a la superficie es bombear fluido vaporizado de bajo punto de ebullición a las profundidades donde se condensará, reduciendo así los volúmenes de bombeo, los problemas técnicos y ambientales y los costos. ^{[ 47 ]}

Cerrado

Los sistemas de ciclo cerrado utilizan un fluido con un punto de ebullición bajo, como el amoníaco (con un punto de ebullición de aproximadamente -33 °C a presión atmosférica), para accionar una turbina y generar electricidad. Se bombea agua de mar superficial caliente 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 líquido, que luego se recircula por el 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. ^{[ 48 ]} El buque mini OTEC estaba amarrado a 2,4 km (1,5 millas ) de la costa hawaiana y produjo suficiente electricidad neta para iluminar las bombillas del barco y hacer funcionar sus computadoras y televisor.

Abierto

El sistema OTEC de ciclo abierto utiliza agua superficial caliente directamente para generar electricidad. El agua de mar caliente se bombea primero a un recipiente de baja presión, donde hierve. En algunos sistemas, 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 al exponerla a las bajas temperaturas del agua de las profundidades oceánicas. Este método produce agua dulce desalinizada , apta para consumo humano , riego o acuicultura . ^{[ 49 ]}

En otros esquemas, el vapor ascendente se utiliza en una técnica de elevación por gas para elevar agua a alturas significativas. Dependiendo de la configuración, estas técnicas de bombeo por elevación por vapor generan energía a partir de una turbina hidroeléctrica , ya sea antes o después de que se utilice la bomba. ^{[ 50 ]}

En 1984, el Instituto de Investigación de Energía Solar (ahora conocido como el Laboratorio Nacional de Energías Renovables ) desarrolló un evaporador de chorro vertical para convertir agua de mar caliente en vapor a baja presión para plantas de ciclo abierto. Las eficiencias de conversión alcanzaron hasta el 97 % para la conversión de agua de mar a vapor (la producción total de vapor sería solo un pequeño porcentaje del agua de entrada). En mayo de 1993, una planta OTEC de ciclo abierto en Keahole Point, Hawái, produjo cerca de 80 kW de electricidad durante un experimento de producción neta de energía. ^[⁵¹^] Esto rompió el récord de 40 kW establecido por un sistema japonés en 1982. ^[⁵¹^]

Híbrido

Un ciclo híbrido combina las características de los sistemas de ciclo cerrado y abierto. En un sistema híbrido, el agua de mar caliente entra en una cámara de vacío y se evapora instantáneamente, de forma similar al proceso de evaporación de un ciclo abierto. El vapor vaporiza el fluido de trabajo de amoníaco de un circuito cerrado situado al otro lado de un vaporizador de amoníaco. El fluido vaporizado impulsa una turbina para generar electricidad. El vapor se condensa dentro del intercambiador de calor y proporciona agua desalinizada (véase tubo de calor ). ^{[ 52 ]}

fluidos de trabajo

Una opción popular como fluido de trabajo es el amoníaco, que posee excelentes propiedades de transporte, fácil disponibilidad y bajo costo. Sin embargo, el amoníaco es tóxico e inflamable. Los compuestos 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 buenas opciones, pero son altamente inflamables; además, esto generaría competencia por su uso directo como combustibles. 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 los intercambiadores de calor disminuye, mientras que el espesor de las paredes de las tuberías y los intercambiadores de calor aumenta para soportar la alta presión, especialmente en el lado del evaporador.

Sitios terrestres, de plataforma continental y flotantes

La tecnología OTEC tiene el potencial de generar gigavatios de energía eléctrica y, en combinación con la electrólisis , podría producir suficiente hidrógeno para reemplazar por completo el consumo mundial proyectado de combustibles fósiles. Sin embargo, la reducción de costos sigue siendo un desafío pendiente. Las plantas OTEC requieren una tubería de entrada larga y de gran diámetro, que se sumerge a un kilómetro o más de profundidad en el océano, para llevar agua fría a la superficie.

De base terrestre

Las instalaciones terrestres y costeras ofrecen tres ventajas principales sobre las ubicadas en aguas profundas. Las plantas construidas en tierra o cerca de ella no requieren sistemas de amarre sofisticados, largos cables de alimentación ni el mantenimiento más extenso propio de los entornos oceánicos. Pueden instalarse en zonas protegidas, lo que las hace relativamente seguras frente a tormentas y marejadas. La electricidad, el agua desalinizada y el agua de mar fría y rica en nutrientes pueden transmitirse desde las instalaciones costeras mediante puentes o terraplenes. Además, las instalaciones terrestres o costeras permiten que las plantas operen junto con industrias relacionadas, como la maricultura o aquellas que requieren agua desalinizada.

Entre las ubicaciones preferidas se incluyen aquellas con plataformas continentales estrechas (islas volcánicas), pendientes marinas pronunciadas (de 15 a 20 grados) y fondos marinos relativamente lisos. Estos emplazamientos minimizan la longitud de la tubería de captación. Una planta terrestre podría construirse tierra adentro, lejos de la costa, ofreciendo mayor protección contra las tormentas, o en la playa, donde las tuberías serían más cortas. En ambos casos, la facilidad de acceso para la construcción y la operación contribuye a reducir los costes.

Los emplazamientos terrestres o costeros también pueden albergar la maricultura o la agricultura en aguas frías. Los tanques o lagunas construidos en tierra permiten a los trabajadores supervisar y controlar entornos marinos en miniatura. Los productos de la maricultura pueden distribuirse al mercado mediante transporte convencional.

Una desventaja de las instalaciones terrestres radica en la turbulencia del oleaje en la zona de rompientes . Las tuberías de descarga de las plantas OTEC deben ubicarse en zanjas protectoras para evitar que se vean sometidas a esfuerzos extremos durante tormentas y periodos prolongados de fuerte oleaje. Además, la descarga de agua de mar fría y caliente puede requerir ser transportada varios cientos de metros mar adentro para alcanzar la profundidad adecuada antes de su liberación, lo que implica 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 rompientes es construyéndolos cerca de la costa en aguas con profundidades de entre 10 y 30 metros (Ocean Thermal Corporation 1984). Este tipo de planta utilizaría tuberías de entrada y salida más cortas (y, por lo tanto, menos costosas), lo que evitaría los peligros de las turbulencias del oleaje. Sin embargo, la planta en sí requeriría protección contra el entorno marino, como rompeolas y cimientos resistentes a la erosión, y la producción de la planta tendría que transmitirse a tierra. ^{[ 53 ]}

Basado en estantes

Para evitar la zona de rompientes turbulentas y acercarse a los recursos de agua fría, las plantas OTEC pueden instalarse en la plataforma continental a profundidades de hasta 100 metros (330 pies) . Una planta instalada en la plataforma podría remolcarse hasta el sitio y fijarse al fondo marino. Este tipo de construcción ya se utiliza en plataformas petrolíferas marinas. La complejidad de operar una planta OTEC en aguas más profundas puede encarecerlas en comparación con las soluciones terrestres. Entre los problemas se incluyen las condiciones adversas del océano abierto y la dificultad para suministrar el producto. Hacer frente a las fuertes corrientes oceánicas y las grandes olas incrementa los costos 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 instaladas en la plataforma son menos atractivas. ^[⁵³^]

Flotante

Las instalaciones flotantes de OTEC operan en alta mar. Si bien pueden ser óptimas para sistemas de gran tamaño, presentan varias dificultades. La dificultad de amarrar las plantas en aguas muy profundas complica el suministro de energía. Los cables conectados a las plataformas flotantes son más susceptibles a sufrir daños, especialmente durante las tormentas. Los cables a profundidades superiores a 1000 metros son difíciles de mantener y reparar. Los cables ascendentes, que conectan el lecho marino con la planta, deben construirse para resistir enredos. ^{[ 53 ]}

Al igual que las plantas instaladas sobre plataformas, las plantas flotantes necesitan una base estable para su funcionamiento continuo. Las tormentas fuertes y el oleaje intenso pueden romper la tubería de agua fría suspendida verticalmente e interrumpir también la entrada de agua caliente. Para ayudar a prevenir estos problemas, las tuberías pueden ser de polietileno flexible, fijadas al fondo de la plataforma y montadas sobre cardanes con juntas o collares. Puede ser necesario desacoplar las tuberías de la planta para evitar daños por tormentas. Como alternativa a una tubería de agua caliente, se puede extraer agua superficial 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 oleaje intenso. ^{[ 53 ]}

La conexión de una planta flotante a los cables de suministro eléctrico requiere que la planta permanezca relativamente estacionaria. El amarre es un método aceptable, pero la tecnología actual de amarre está limitada a profundidades de unos 2000 metros (6600 pies) . Incluso a profundidades menores, el coste del amarre puede ser prohibitivo. ^[⁵⁴^]

Preocupaciones políticas

Debido a que las instalaciones OTEC son plataformas de superficie más o menos estacionarias, su ubicación exacta y estatus legal pueden verse afectados por 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) con distinta autoridad legal respecto a tierra, lo que genera posibles conflictos y barreras regulatorias. Las plantas OTEC y estructuras similares se considerarían islas artificiales según el tratado, sin otorgarles un estatus legal independiente. Las plantas OTEC podrían percibirse como una amenaza o un posible socio para la pesca o las operaciones de minería submarina controladas por la Autoridad Internacional de los Fondos Marinos .

Costo y economía

Debido a que los sistemas OTEC aún no se han implementado ampliamente, las estimaciones de costos son inciertas. Un estudio de 2010 de la Universidad de Hawái estimó el costo de la electricidad para OTEC en 94,0 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. ^{[ 55 ]} Un informe de 2015 de la organización Ocean Energy Systems bajo la Agencia Internacional de Energía dio una estimación de alrededor de 20,0 centavos por kWh para plantas de 100 MW. ^{[ 56 ]} Otro estudio estimó costos de generación de energía tan bajos como 7,0 centavos por kWh. ^{[ 57 ]} En comparación con otras fuentes de energía, un estudio de Lazard de 2019 estimó el costo de la electricidad sin subsidios 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 . ^{[ 58 ]}

Un informe publicado por IRENA en 2014 afirmaba que el uso comercial de la tecnología OTEC puede ampliarse de diversas maneras. Según este informe, «las plantas OTEC de pequeña escala pueden adaptarse a la producción de electricidad de pequeñas comunidades (5.000-50.000 habitantes), pero requerirían la producción de valiosos subproductos, como agua potable o refrigeración, para ser económicamente viables». ^{[ 59 ]}^{: 3–4} Las plantas OTEC de mayor escala tendrían costes generales y de instalación mucho más elevados.

Entre los factores beneficiosos que deben tenerse en cuenta se incluyen la ausencia de residuos y consumo de combustible de la OTEC, la zona en la que está disponible (a menudo a menos de 20° del ecuador), ^[⁶⁰^] los efectos geopolíticos de la dependencia del petróleo , la compatibilidad con formas alternativas de energía oceánica como la energía undimotriz, la energía mareomotriz y los hidratos de metano , y los usos suplementarios del agua de mar. ^[⁶¹^]

Proyectos propuestos

Entre los proyectos OTEC que se están considerando se incluye 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 Armada de los EE. UU. en el diseño de una planta OTEC propuesta de 13 MW, para reemplazar los generadores diésel actuales. La planta OTEC también proporcionaría 1,25 millones de galones por día de agua potable. Este proyecto está actualmente a la espera de cambios en las políticas de contratos militares de los EE. UU. OTE ha propuesto construir una planta OTEC de 10 MW en Guam .

Bahamas

Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) tiene planes para instalar dos plantas OTEC de 10 MW en las Islas Vírgenes de los Estados Unidos 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 complejo turístico en las Bahamas, que utilizará agua fría de las profundidades marinas como método de aire acondicionado. ^[⁶²^] A mediados de 2015, el proyecto, que estaba completado en un 95%, se suspendió temporalmente mientras el complejo resolvía problemas financieros y de propiedad. ^[⁶³^] El 22 de agosto de 2016, el gobierno de las Bahamas anunció que se había firmado un nuevo acuerdo en virtud del cual se completaría el complejo Baha Mar. ^[²⁸^] El 27 de septiembre de 2016, el primer ministro de las Bahamas, Perry Christie, anunció que se había reanudado la construcción de Baha Mar y que el complejo estaba programado para abrir en marzo de 2017.

Esto está en pausa y puede que nunca se reanude. ^[⁶⁴^]

Hawai

El equipo de Desarrollo de Energía Alternativa de Lockheed Martin se asoció con Makai Ocean Engineering ^{[ 65 ]} para completar la fase de diseño final de un sistema piloto OTEC de ciclo cerrado de 10 MW que se planeaba poner en funcionamiento en Hawái entre 2012 y 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 de 4,4 millones de dólares para desarrollar componentes y diseños críticos del sistema para la planta, que se sumó al contrato de 8,1 millones de dólares de 2009 y a dos subvenciones del Departamento de Energía por un total de más de 1 millón de dólares en 2008 y marzo de 2010. ^{[ 66 ]} Una pequeña pero operativa planta de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) se inauguró en Hawái en agosto de 2015. La apertura de la instalación de investigación y desarrollo de 100 kilovatios marcó la primera vez que una planta OTEC de ciclo cerrado se conectó a la red eléctrica de EE. UU. ^{[ 67 ]}

Hainan

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 suministrar energía a un complejo turístico planificado en la isla de Hainan . ^{[ 68 ]} Una planta de ese tamaño abastecería de energía a varios miles de hogares. ^{[ 69 ]}^{[ 70 ]} El Grupo Reignwood adquirió Opus Offshore en 2011, que forma su división Reignwood Ocean Engineering, la cual también se dedica al desarrollo de perforaciones en aguas profundas . ^{[ 71 ]}

Japón

Actualmente, el único sistema OTEC en funcionamiento continuo se encuentra en la prefectura de Okinawa, Japón. El apoyo gubernamental, el respaldo 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, lograran el éxito en este proyecto. Se está trabajando en el desarrollo de una instalación de 1 MW en la isla de Kume, lo que requiere la construcción de nuevos oleoductos. En julio de 2014, más de 50 miembros formaron la Asociación Global de Recursos y Energía Oceánica ^{[ 72 ],} una organización internacional creada para promover el desarrollo del Modelo Kumejima y trabajar en la instalación de oleoductos de aguas profundas de mayor tamaño y una instalación OTEC de 1 MW. ^[⁷³^] Las empresas involucradas en los proyectos OTEC actuales, junto con otras partes interesadas, también han desarrollado planes para sistemas OTEC marinos. ^[⁷⁴^]

Islas Vírgenes de los Estados Unidos

El 5 de marzo de 2014, Ocean Thermal Energy Corporation (OTEC) ^{[ 75 ]} y la 30.ª Legislatura de las Islas Vírgenes de los Estados Unidos (USVI) firmaron un Memorando de Entendimiento para avanzar con un estudio que evaluara la viabilidad y los beneficios potenciales para las USVI de la instalación de centrales eléctricas de energía renovable de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) y de instalaciones de aire acondicionado de agua de mar (SWAC) en tierra. ^{[ 76 ]} Los beneficios que se evaluarán en el estudio de las USVI incluyen tanto la electricidad limpia de carga base (24/7) generada por OTEC, como los diversos productos relacionados asociados con OTEC y SWAC, incluyendo abundante agua potable dulce, aire acondicionado de bajo consumo energético, acuicultura y maricultura sostenibles, y proyectos de mejora agrícola para las islas de Santo Tomás y Santa Cruz. ^{[ 77 ]}

El 18 de julio de 2016, la solicitud de OTE para ser una Instalación Calificada fue aprobada por la Comisión de Servicios Públicos de las Islas Vírgenes. ^{[ 32 ]} OTE también recibió permiso para comenzar a negociar contratos relacionados con este proyecto. ^{[ 33 ]}

Kiribati

El Instituto de Investigación de Buques e Ingeniería Oceánica de Corea del Sur (KRISO) recibió la aprobación preliminar de Bureau Veritas para su diseño de planta OTEC marina de 1 MW. No se proporcionó un cronograma para el proyecto, que estará ubicado a 6 km de la costa de la República de Kiribati. ^{[ 78 ]}

Martinica

Akuo Energy y DCNS recibieron financiación NER300 el 8 de julio de 2014 ^{[ 40 ]} para su proyecto NEMO (Nueva Energía para Martinica y Ultramar), que se espera que sea una instalación marina de 10,7 MW netos terminada en 2020. ^{[ 79 ]} La subvención para ayudar al desarrollo ascendió a 72 millones de euros. ^{[ 80 ]}

Maldivas

El 16 de febrero de 2018, Global OTEC Resources anunció sus planes ^{[ 81 ]} para construir una planta de 150 kW en las Maldivas, diseñada a medida para hoteles y complejos turísticos. ^{[ 82 ]} El director Dan Grech declaró: «Todos estos complejos turísticos obtienen su energía de generadores diésel. Además, algunos complejos turísticos individuales consumen 7000 litros de diésel al día para satisfacer la demanda, lo que equivale a más de 6000 toneladas de CO₂ _al año». ^{[ 83 ]} La UE otorgó una subvención y Global OTEC Resources lanzó una campaña de financiación colectiva para el resto. ^{[ 81 ]}

Actividades relacionadas

La tecnología OTEC tiene otros usos además de la producción de energía.

Desalinización

El agua desalinizada se puede producir en plantas de ciclo abierto o híbrido que utilizan 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 4300 metros cúbicos (150 000 pies cúbicos ) de agua desalinizada cada día. ^[⁸⁴^] Otro sistema patentado por Richard Bailey crea agua de condensación regulando el flujo de agua de las profundidades oceánicas a través de condensadores de superficie que se correlacionan con las fluctuaciones de la temperatura del punto de rocío. ^[⁸⁵^] Este sistema de condensación no utiliza energía adicional 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. ^{[ 86 ]} Este satélite de su Instituto de Energía Oceánica utiliza agua de mar profunda post-OTEC de la Instalación de Demostración OTEC de Okinawa y agua de mar superficial cruda para producir agua desalinizada. El aire se extrae del sistema cerrado con una bomba de vacío. Cuando el agua de mar cruda se bombea a la cámara de flash, hierve, permitiendo que el vapor puro ascienda y se eliminen la sal y el agua de mar restante. El vapor se convierte de nuevo en líquido en un intercambiador de calor con agua de mar profunda post-OTEC fría. ^{[ 87 ]} El agua desalinizada se puede utilizar en la producción de hidrógeno o agua potable (si se le añaden minerales).

La planta de NELHA, establecida en 1993, producía un promedio de 7000 galones de agua dulce por día. KOYO USA se fundó en 2002 para aprovechar esta nueva oportunidad económica. KOYO embotella el agua producida por la planta de NELHA en Hawái. Con capacidad para producir un millón de botellas de agua al día, KOYO es ahora el mayor exportador de Hawái, con ventas por valor de 140 millones de dólares.[81]

Aire acondicionado

El agua de mar fría a 5 °C ( 41 °F ) que proporciona un sistema OTEC ofrece la oportunidad de suministrar grandes cantidades de refrigeración a industrias y viviendas cercanas a la planta. El agua puede utilizarse en serpentines de agua fría para climatizar 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. Si se utilizara durante 8000 horas al año en lugar de la electricidad, cuyo precio oscila entre 5 y 10 centavos por kilovatio-hora, se ahorrarían entre 200 000 y 400 000 dólares anuales en facturas de energía. ^[⁸⁸^]

El InterContinental Resort and Thalasso-Spa en la isla de Bora Bora utiliza un sistema SWAC para climatizar sus edificios. ^{[ 89 ]} El sistema hace pasar agua de mar a través de un intercambiador de calor donde enfría agua dulce en un circuito cerrado. Esta agua dulce se bombea a los edificios y enfría directamente el aire.

En 2010, Copenhagen Energy inauguró 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. ^{[ 90 ]} Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) ha diseñado un sistema SDC de 9800 toneladas para un complejo turístico en las Bahamas.

Agricultura en suelos fríos

La tecnología OTEC permite la agricultura en suelos refrigerados. Cuando el agua de mar fría fluye a través de tuberías subterráneas, enfría el suelo circundante. La diferencia de temperatura entre las raíces en el suelo frío y las hojas en el aire cálido permite cultivar en zonas subtropicales plantas que evolucionaron en climas templados . 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 Hawái (NELHA). ^[⁹¹^] El centro de investigación demostró que se pueden cultivar más de 100 cultivos diferentes utilizando este sistema. Muchos de ellos normalmente no podrían sobrevivir en Hawái ni en Keahole Point.

Japón también ha estado investigando los usos agrícolas del agua de mar profunda desde el año 2000 en el Instituto de Investigación de Agua de Mar Profunda de Okinawa, en la isla de Kume. Las instalaciones de la isla de Kume utilizan agua corriente enfriada con agua de mar profunda en un intercambiador de calor que circula por tuberías subterráneas para enfriar el suelo. Sus técnicas han desarrollado un recurso importante para la comunidad de la isla, ya que ahora producen espinacas, una verdura de invierno, comercialmente durante todo el año. En 2014, el municipio de Kumejima completó una ampliación de las instalaciones de agricultura con agua de mar profunda junto al Centro de Demostración OTEC. Las nuevas instalaciones se destinan a investigar la viabilidad económica de la agricultura en suelos refrigerados a mayor escala. ^{[ 92 ]}

Acuicultura

La acuicultura es el subproducto más conocido, ya que reduce los costos financieros y energéticos del bombeo de grandes volúmenes de agua de las profundidades oceánicas. El agua de las profundidades contiene altas concentraciones de nutrientes esenciales que se agotan en las aguas superficiales debido al consumo biológico. Este afloramiento artificial imita los afloramientos naturales responsables de la fertilización y el sustento de los mayores ecosistemas marinos del mundo y de las mayores densidades de vida del planeta.

Los animales marinos de aguas frías, como el salmón y la langosta , prosperan en estas aguas profundas ricas en nutrientes. También se pueden cultivar microalgas como la espirulina , un suplemento alimenticio saludable. El agua de las profundidades oceánicas se puede combinar con agua superficial para obtener agua a una temperatura óptima.

Especies no autóctonas como el salmón, la langosta, el abulón , la trucha , las ostras y las almejas pueden criarse en estanques abastecidos 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 cosechado, 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 anuales, una parte significativa del PIB de Hawái. ^{[ 93 ]}

Producción de hidrógeno

El hidrógeno se puede producir mediante electrólisis utilizando electricidad generada por OTEC. El vapor generado, al que se le añaden compuestos electrolíticos para mejorar la eficiencia, constituye un medio relativamente puro para la producción de hidrógeno. La tecnología OTEC puede ampliarse para generar grandes cantidades de hidrógeno. El principal desafío reside en el coste en comparación con otras fuentes de energía y combustibles. ^{[ 94 ]}

Extracción de minerales

El océano contiene 57 oligoelementos en sales y otras formas, disueltos en solución. Anteriormente, la mayoría de los análisis económicos concluían que la extracción de 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 se pueden extraer fácilmente, como el magnesio . Con las plantas OTEC que suministran agua, el único costo es el de la extracción. ^{[ 95 ]} Los japoneses investigaron la posibilidad de extraer uranio y descubrieron que los avances en otras tecnologías (especialmente en ciencia de materiales) estaban mejorando las perspectivas. ^{[ 96 ]}

Control climático

El gradiente térmico oceánico puede utilizarse para aumentar las precipitaciones y moderar las altas temperaturas ambientales del verano en los trópicos, lo que beneficia enormemente a la humanidad y a la flora y fauna . Cuando la temperatura de la superficie del mar es relativamente alta en una zona, se forma una zona de menor presión atmosférica en comparación con la presión atmosférica que prevalece en la masa terrestre cercana, lo que induce vientos desde la tierra hacia el océano. Los vientos hacia el océano son secos y cálidos, lo que no contribuye a buenas precipitaciones en la masa terrestre en comparación con los vientos húmedos que soplan desde tierra. Para obtener precipitaciones adecuadas y temperaturas ambientales agradables en verano (por debajo de 35 °C) en la masa terrestre, se prefieren los vientos húmedos que soplan desde el océano hacia tierra. La creación de zonas de alta presión mediante surgencia artificial en áreas marinas selectivas también puede utilizarse para desviar o guiar los vientos monzónicos globales normales hacia la masa terrestre. La surgencia artificial de agua profunda del océano rica en nutrientes hacia la superficie también mejora el crecimiento de la pesca en áreas con clima tropical y templado. ^[⁹⁷^] También conduciría a una mayor captura de carbono por parte de los océanos debido a un mejor crecimiento de las algas y a una mayor acumulación de masa en los glaciares por las nevadas adicionales, lo que mitigaría el aumento del nivel del mar o el proceso de calentamiento global . Los ciclones tropicales tampoco atraviesan las zonas de alta presión, ya que se intensifican al obtener energía de las cálidas aguas superficiales del mar.

El agua fría de las profundidades marinas (<10 °C) se bombea a la superficie para reducir artificialmente la temperatura de la superficie (>26 °C) mediante electricidad generada por megaturbinas eólicas flotantes en alta mar. La menor temperatura de la superficie del agua aumenta la presión atmosférica local, creando vientos atmosféricos hacia tierra. Para impulsar el agua fría, se ubica una hélice hidráulica fija (de aproximadamente 50 m de diámetro) en el lecho marino, a una profundidad de entre 500 y 1000 m, con un tubo flexible que se extiende hasta la superficie. Este tubo está anclado al lecho marino en su extremo inferior y a pontones flotantes en la superficie. El tubo flexible no colapsa, ya que su presión interna es mayor que la externa al bombear el agua fría a la superficie. Oriente Medio, el noreste de África, el subcontinente indio y Australia pueden obtener alivio del clima cálido y seco de la temporada de verano, también propenso a lluvias irregulares, mediante el bombeo de agua de mar profunda a la superficie desde el golfo Pérsico, el mar Rojo, el océano Índico y el océano Pacífico, respectivamente.

Termodinámica

Un análisis riguroso de OTEC revela que una diferencia de temperatura de 20 °C proporciona tanta energía como una central hidroeléctrica con una altura de caída de 34 m para el mismo volumen de flujo de agua. La baja diferencia de temperatura implica que los volúmenes de agua deben ser muy grandes para extraer cantidades útiles de calor. Se estima que una central eléctrica de 100 MW bombearía aproximadamente 12 millones de galones (44 400 toneladas) por minuto. ^[⁹⁸^] En comparación, las bombas deben mover una masa de agua mayor que el peso del acorazado Bismarck , que pesaba 41 700 toneladas, cada minuto. Esto convierte el bombeo en un importante gasto energético 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 sistemas OTEC que utilizan intercambiadores de calor, para manejar este volumen de agua, los intercambiadores deben ser enormes en comparación con los utilizados en las centrales térmicas convencionales, ^[⁹⁹^] 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 más grande que un contenedor de transporte de 20 pies, lo que los convierte en el componente más costoso. ^[¹⁰⁰^]

Variación de la temperatura del océano con la profundidad.

La insolación total recibida por 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: $5,45 \times 10¹⁸ MJ/año \times 0,7 \times 0,5 \times 0,15 = 2,87 \times 10¹⁷ MJ /año$

Podemos utilizar la ley de Beer-Lambert-Bouguer para cuantificar la absorción de energía solar por el agua,

-{\frac {dI(y)}{dy}}=\mu I

donde y es la profundidad del agua, I es la intensidad y μ es el coeficiente de absorción. Resolviendo la ecuación diferencial anterior ,

I(y)=I_{0}\exp(-\mu y)\,

El coeficiente de absorción μ puede variar desde 0,05 m ^{− 1} para agua dulce muy clara hasta 0,5 m ⁻¹ para agua muy salada.

Dado que la intensidad disminuye exponencialmente con la profundidad y , la absorción de calor se concentra en las capas superiores. Normalmente, en los trópicos, la temperatura superficial supera los 25 °C (77 °F) , mientras que a 1 kilómetro (0,62 millas) la temperatura ronda los 5-10 °C (41-50 °F) . Las aguas más cálidas (y por lo tanto menos densas) en la superficie impiden la existencia de 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 consiguiente, el océano es a la vez una fuente de calor prácticamente infinita y un sumidero de calor prácticamente infinito.

Esta diferencia de temperatura varía según la latitud y la estación del año, alcanzando su máximo en aguas tropicales , subtropicales y ecuatoriales . Por lo tanto, los trópicos suelen ser los mejores lugares para la instalación de OTEC.

Ciclo abierto/Claude

En este sistema, el agua superficial caliente, a unos 27 °C (81 °F), entra en un evaporador a una presión ligeramente inferior a la de saturación, lo que provoca su vaporización.

H_{1}=H_{f}\,

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

Esta agua temporalmente sobrecalentada experimenta ebullición volumétrica en contraposición a la ebullición en piscina en calderas convencionales donde la superficie de calentamiento está en contacto. Por lo tanto, el agua se convierte parcialmente en vapor con un equilibrio bifásico predominante. Supongamos que la presión dentro del evaporador se mantiene a la presión de saturación, T ₂ .

H_{2}=H_{1}=H_{f}+x_{2}H_{fg}\,

Aquí, x ₂ es la fracción de agua en masa que se vaporiza. El caudal másico de agua caliente por unidad de caudal másico de la turbina es 1/ x ₂ .

La baja presión en el evaporador se mantiene mediante una bomba de vacío que también elimina los gases disueltos no condensables. El evaporador contiene ahora una mezcla de agua y vapor de muy baja pureza (contenido de vapor). El vapor se separa del agua como vapor saturado. El agua restante se satura y se descarga al océano en el 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.

H_{3}=H_{g}\,

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

s_{5,s}=s_{3}=s_{f}+x_{5,s}s_{fg}\,

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 a T ₅ es,

H_{5,s}=H_{f}+x_{5,s}H_{fg}\,

Esta entalpía es menor. El trabajo reversible adiabático de la turbina = H ₃ - H _{5, s} .

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

H_{5}=H_{3}-\ \mathrm {real} \ \mathrm {trabajo}

La temperatura y la presión del condensador son menores. Dado que los gases de escape de la turbina se descargan de nuevo al océano, se utiliza un condensador de contacto directo para mezclarlos con agua fría, lo que da como resultado agua casi saturada. Esta agua se descarga posteriormente al océano.

H ₆ = H _f , a T ₅ . T ₇ es la temperatura del escape mezclado con agua de mar fría, ya que el contenido de vapor ahora es insignificante,

H_{7}\approx H_{f}\,\ at\ T_{7}\,

Las diferencias de temperatura entre las etapas incluyen la que existe entre el agua superficial caliente y el vapor de trabajo, la que hay entre el vapor de escape y el agua de refrigeración, y la que existe entre el agua de refrigeración que llega al condensador y el agua profunda. Estas representan irreversibilidades externas que reducen la diferencia de temperatura total.

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

{\dot {m_{c}={\frac {H_{5}-\ H_{6}}{H_{6}-\ H_{7}}}}}\,

Caudal másico de la turbina, ${\dot {M_{T}}}={\frac {\mathrm {turbina} \ \mathrm {trabajo} \ \mathrm {requerido} }{W_{T}}}$

Caudal másico de agua caliente, ${\dot {M_{w}}}={\dot {M_{T}{\dot {m_{w}}}}}\,$

Caudal másico de agua fría ${\dot {{\dot {M_{c}}}={\dot {M_{T}m_{C}}}}}\,$

Ciclo de Anderson cerrado

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

El gas a alta presión y alta temperatura se expande en la turbina para generar trabajo, W _T. El fluido de trabajo se encuentra ligeramente sobrecalentado a la salida de la turbina, y esta suele tener una eficiencia del 90% basada en una expansión adiabática reversible.

Desde la salida de la turbina, el fluido de trabajo entra al condensador donde cede calor, -Q _C , al agua de mar fría. El condensado se comprime a la presión más alta del ciclo, lo que requiere trabajo de la bomba de condensado, W _C . Por lo tanto, el ciclo cerrado de Anderson es un ciclo tipo Rankine similar al ciclo de vapor de la 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 final, pero se ignora aquí para simplificar el análisis. Por lo tanto, el trabajo parásito de la bomba de condensado, W _C , calculado aquí será menor que si se incluyera la caída de presión del intercambiador de calor. Los principales requisitos de energía parásita adicionales 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 requerimientos de energía parásita por W _A , el trabajo neto de la planta OTEC, W _NP es

W_{NP}=W_{T}-W_{C}-W_{CT}-W_{HT}-W_{A}\,

El ciclo termodinámico experimentado por el fluido de trabajo puede analizarse sin considerar en detalle los requerimientos de energía parásita. Según la primera ley de la termodinámica, el balance energético para el fluido de trabajo a medida que el sistema se encuentra en movimiento es...

W_{N}=Q_{H}-Q_{C}\,

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

Q_{H}=\int _{H}T_{H}ds\,

y

Q_{C}=\int _{C}T_{C}ds\,

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

W_{N}=\int _{H}T_{H}ds-\int _{C}T_{C}ds\,

El líquido subenfriado entra en el evaporador. Debido al intercambio de calor con el agua de mar caliente, se produce la evaporación y, por lo general, sale vapor sobrecalentado del evaporador. Este vapor impulsa la turbina y la mezcla bifásica entra en el condensador. Normalmente, el líquido subenfriado sale del condensador y, finalmente, se bombea al evaporador, completando así el ciclo.

Impacto ambiental

El dióxido de carbono disuelto en las capas profundas, frías y de alta presión asciende a la superficie y se libera a medida que el agua se calienta.

La mezcla de aguas profundas con aguas menos profundas eleva los nutrientes y los pone a disposición de la vida acuática. Esto puede ser ventajoso para la acuicultura de especies de importancia comercial, pero también puede desequilibrar el ecosistema que rodea la central eléctrica.

Las plantas OTEC utilizan grandes flujos de agua de mar superficial cálida y agua de mar profunda fría para generar energía renovable constante. El agua de mar profunda es deficiente en oxígeno y generalmente es entre 20 y 40 veces más rica en nutrientes (nitrato y nitrito) que el agua de mar superficial. Cuando estas plumas se mezclan, son ligeramente más densas que el agua de mar circundante. ^{[ 102 ]} Aunque no se han realizado pruebas ambientales físicas a gran escala de OTEC, se han desarrollado modelos informáticos para simular el efecto de las plantas OTEC.

Modelado hidrodinámico

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 pueden configurarse para operar de forma continua, con variaciones de temperatura y nutrientes que se mantienen dentro de los niveles naturales. Los estudios realizados hasta la fecha indican que, al descargar los flujos 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 OTEC de 100 megavatios puedan operar de forma sostenible y continua. ^{[ 103 ]}

Modelado biológico

Los nutrientes de una descarga de OTEC podrían potencialmente causar un aumento de la actividad biológica si se acumulan en grandes cantidades en la zona fótica . ^{[ 103 ]} En 2011 se agregó un componente biológico al modelo informático hidrodinámico para simular la respuesta biológica a las plumas de 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 primeros 40 metros de la superficie del océano. ^{[ 102 ]} La respuesta del picoplancton en la capa de 110 a 70 metros de profundidad es aproximadamente un aumento del 10-25%, lo que está dentro de la variabilidad natural. La respuesta del nanoplancton es insignificante. La productividad mejorada de diatomeas (microplancton) es pequeña. El sutil aumento del fitoplancton de la planta OTEC de referencia sugiere que los efectos bioquímicos de orden superior serán muy pequeños. ^{[ 102 ]}

Estudios

Existe una Declaración de Impacto Ambiental (DIA) final anterior de la NOAA de Estados Unidos de 1981, ^{[ 104 ]} pero necesita 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. ^{[ 105 ]} Más recientemente, la NOAA celebró un Taller OTEC en 2010 y 2012 con el fin de evaluar los impactos y riesgos físicos, químicos y biológicos, e identificar lagunas o necesidades de información. ^{[ 106 ]}^{[ 107 ]}

La base de datos Tethys proporciona acceso a literatura científica e información general sobre los posibles efectos ambientales de la OTEC. ^{[ 108 ]}

Dificultades técnicas

Gases disueltos

El rendimiento de los intercambiadores de calor de contacto directo que operan en condiciones límite típicas de OTEC es importante para el ciclo Claude. Muchos diseños iniciales del ciclo Claude utilizaban un condensador de superficie, ya que su rendimiento era bien conocido. Sin embargo, los condensadores de contacto directo presentan desventajas significativas. A medida que el agua fría asciende por la tubería de entrada, la presión disminuye hasta el punto en que comienza a desprenderse gas. Si se desprende una cantidad significativa de gas de la solución, puede justificarse la colocación de una trampa de gas antes de los intercambiadores de calor de contacto directo. Los experimentos que simulan las condiciones en la tubería de entrada de agua caliente indicaron que aproximadamente el 30 % del gas disuelto se desprende en los 8,5 metros (28 pies) superiores del tubo. La compensación entre la predesaireación ^[¹⁰⁹^] del agua de mar y la expulsión de gases no condensables del condensador depende de la dinámica de la 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 chorro vertical tienen un rendimiento aproximadamente un 30 % superior al de los de chorro descendente.

Incrustaciones microbianas

Debido a que el agua de mar cruda debe pasar a través del intercambiador de calor, se debe tener cuidado de mantener una buena conductividad térmica . Capas de bioincrustación de tan solo 25 a 50 micrómetros (0,00098 a 0,00197 pulgadas) pueden degradar el rendimiento del intercambiador de calor hasta en un 50 %. ^[⁴⁵^] Un estudio de 1977 en el que se expusieron intercambiadores de calor simulados a agua de mar durante diez semanas concluyó que, si bien el nivel de incrustación microbiana era bajo, la conductividad térmica del sistema se vio significativamente afectada. ^[¹¹⁰^] La aparente discrepancia entre el nivel de incrustación y la degradación 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. ^[¹¹⁰^]

Otro estudio concluyó que la incrustación degrada el rendimiento con el tiempo y determinó que, si bien el cepillado regular podía eliminar la mayor parte de la capa microbiana, con el tiempo se formaba una capa más resistente que no podía eliminarse con un simple cepillado. ^{[ 45 ]} El estudio hizo pasar bolas de goma esponjosa por el sistema. Concluyó que, si bien el tratamiento con bolas disminuyó la tasa de incrustación, no fue suficiente para detener completamente el crecimiento y el cepillado fue ocasionalmente necesario para restaurar la capacidad. Los microbios volvieron a crecer más rápidamente más adelante en el experimento (es decir, el cepillado se volvió necesario con mayor frecuencia), replicando los resultados de un estudio anterior. ^{[ 111 ]} El aumento de la tasa de crecimiento después de limpiezas posteriores parece ser el resultado de la presión de selección sobre la colonia microbiana. ^{[ 111 ]}

Se estudió el uso continuo de 1 hora al día y períodos intermitentes de incrustación libre seguidos de períodos de cloración (nuevamente 1 hora al 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 podrían resultar eficaces para el funcionamiento a largo plazo de una planta. ^{[ 45 ]} El estudio concluyó que, si bien la incrustación microbiana fue un problema para el intercambiador de calor de agua superficial caliente, el intercambiador de calor de agua fría sufrió poca o ninguna incrustación biológica y solo una incrustación inorgánica mínima. ^{[ 45 ]}

Además de la temperatura del agua, la bioincrustación también depende de los niveles de nutrientes, produciéndose un crecimiento más rápido en aguas ricas en nutrientes. ^{[ 112 ]} La tasa de bioincrustación también depende del material utilizado para construir el intercambiador de calor. Los tubos de aluminio ralentizan el crecimiento de la vida microbiana, aunque la capa de óxido que se forma en el interior de las tuberías dificulta la limpieza y provoca mayores pérdidas de eficiencia. ^{[ 111 ]} Por el contrario, los tubos de titanio permiten que la bioincrustación se produzca más rápidamente, pero la limpieza es más eficaz que con el aluminio. ^{[ 111 ]}

Caza de focas

El evaporador, la turbina y el condensador operan en vacío parcial, con una presión que oscila entre el 3 % y el 1 % de la presión atmosférica. El sistema debe estar sellado cuidadosamente para evitar la entrada de aire atmosférico, que podría degradar o interrumpir su funcionamiento. En el ciclo cerrado de OTEC, el volumen específico de vapor a baja presión es muy grande en comparación con el del fluido de trabajo presurizado. Los componentes deben tener grandes superficies de flujo para garantizar que las velocidades del vapor no alcancen valores excesivamente altos.

Consumo de energía parásita del compresor de escape

El método para reducir la pérdida de potencia parásita del compresor de escape es el siguiente: una vez condensada la mayor parte del vapor mediante condensadores de boquilla, la mezcla de gas y vapor no condensable pasa por una zona de contracorriente que multiplica por cinco la reacción gas-vapor. El resultado es una reducción del 80 % en los requisitos de potencia de bombeo del escape.

conversión de aire frío a agua caliente

En invierno, en las zonas costeras del Ártico , la diferencia de temperatura entre el agua de mar y el aire ambiente puede alcanzar los 40 °C (72 °F). Los sistemas de ciclo cerrado podrían aprovechar esta diferencia de temperatura entre el aire y el agua. Eliminar las tuberías de extracción de agua de mar podría hacer que un sistema basado en este concepto sea menos costoso que el 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. ^[¹¹³^] Suponiendo un nivel de eficiencia realista 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 hacer circular este metro cúbico de agua por una central hidroeléctrica de 1200 m (4000 pies) de altura. ^[¹¹⁴^]

Las centrales eléctricas polares de Barjot podrían ubicarse en islas de la región polar o diseñarse como barcazas flotantes o plataformas fijadas al casquete polar . La estación meteorológica de Myggbuka, en la costa este de Groenlandia, por ejemplo, que se encuentra a tan solo 2100 km de Glasgow, detecta temperaturas medias mensuales inferiores a -15 °C (5 °F) durante seis meses de invierno al año. ^[¹¹⁵^]

Aplicación del efecto termoeléctrico

En 1979, SERI propuso utilizar el efecto Seebeck para producir energía con una eficiencia de conversión total del 2%. ^{[ 116 ]}

En 2014, Liping Liu, profesora asociada de la Universidad de Rutgers, concibió un sistema OTEC que utiliza el efecto termoeléctrico de estado sólido en lugar de los ciclos de fluidos tradicionalmente utilizados. ^{[ 117 ]}^{[ 118 ]}

Véase también

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Enlaces externos

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Noticias de OTEC - Sitio web de noticias de OTEC
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Consejo de Energía Oceánica: ¿Cómo funciona la OTEC?
nrel.gov - ¿Qué es OTEC?
Departamento de Energía de los Estados Unidos, Recursos de Información
Entrevista de la revista Wired con John Piña Craven sobre el futuro de OTEC.
Edición de 2007 del Estudio de Recursos Energéticos elaborado por el Consejo Mundial de la Energía.
El Proyecto Océano Verde - Biblioteca OTEC
La exploración de los océanos podría proporcionar energía limpia ilimitada.
Capacidad máxima de flujo de agua de tuberías de acero: dimensiones comprendidas entre 2 y 24 pulgadas.
Central eléctrica de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) de Hainan , China
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Fundación OTEC – Asociación de Energía Térmica Oceánica
Noticias de OTEC
Instituto de Energía Oceánica, Universidad de Saga [ IOES ] (Instalación de Investigación OTEC de la Universidad de Saga)
Inicio - OCEAS International, Inc. %
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