Capitol 2 - Energie din Diferența de Temperatură a Apelor Marine PDF

20 Georgeta Bandoc Geografia resurselor energetice marine 2. ENERGIA DIN DIFERENŢA DE TEMPERATURĂ A STRUCTURILOR DE APĂ MARINĂ În acest capitol, sunt abordate probleme lega...

20 Georgeta Bandoc Geografia resurselor energetice marine 2. ENERGIA DIN DIFERENŢA DE TEMPERATURĂ A STRUCTURILOR DE APĂ MARINĂ În acest capitol, sunt abordate probleme legate de elementele generale privind folosirea energiei din diferenţa de temperatură din apa marină şi uzinele construite care au la bază acest principiu de funcţionare. De asemenea, în acest capitol mai sunt prezentate şi cercetări realizate de diverşi oameni de ştiinţă în acest domeniu. 2.1. ELEMENTE GENERALE PRIVIND FOLOSIREA ENERGIEI DIN DIFERENŢA DE TEMPERATURĂ DIN APA MARINĂ Având în vedere suprafaţa ocupată de ocean se poate să spune că el absorbe şi reţine cantităţi mari de energie solară. Inginerul Richard Seymour, Universitatea din California, a estimat că oceanele şi atmosfera, între ele, "intercep peste 80 trilioane kW, sau de o mie de ori mai multă energie decât utilizează omul la nivel global”. Richard Seymour Într-o zi obişnuită, în oceanele tropicale se produce energie termică echivalentă cu cea produsă de 250 de miliarde de barili de petrol: - conversia simplă a 0,005 % din această energie în energie electrică ar fi suficientă pentru a alimenta în întreagime SUA. - în mod frecvent, în apele mărilor calde sunt diferenţe mari de temperatură între straturile de suprafaţă şi cele de adâncime, diferenţe care produc cantităţi importante de energie.  2. Energia din diferenţa de temperatură a structurilor de apă marină 21 Din analiza unei hărţi realizată de NASA, se observă foarte bine diferenţele de temperatură ale apei existente între zonele calde, tropicale şi regiunile mai reci, polare şi temperate (fig. 2.1) : Fig. 2.1. Harta realizată de NASA cu punerea în evidenţă a repartiţiei de temperatură la nivelul întregului Ocean Planetar - ceea ce nu se poate vedea la această hartă sunt variaţiile de temperatură, care există la diferite adâncimi în ocean, pentru o aceeaşi regiune; - zonale aflate la Tropice au cel mai bun potenţial pentru producerea de energie pe baza diferenţei de temperatură dintre două straturi de apă (fig. 2.2).; - diferenţele acestea de temperatură ar permite funcţionarea unor instalaţii energetice pe baza folosirii a două surse de căldură cu temperatură diferită. Fig. 2.2. Diferenţa de temperatură a apei de la suprafaţă pînă la adâncimea de 1000 m (prelucrare după http://www.nrel.gov/otec/) 22 Georgeta Bandoc Geografia resurselor energetice marine 2.2. UZINE BAZATE PE PRINCIPIUL DIFERENŢELOR DE TEMPERATURĂ A STRUCTURILOR DE APĂ MARINĂ În anul 1881 fizicianul francez Jacques d'Arsonval sugerează extragerea de energie termică din oceane. Jacques d'Arsonval 8 06 1851 – 31 12 1940 În anul 1926 Georges Claude, un student de d'Arsonvals, construieşte un prototip de extragere de energie pe coasta Cubei. Instalaţia realizată dezvolta o putere de 5…10MW. Georges Claude 24 09 1870 – 23 05 1960 În anul 1960, un inginer american J. Anderson Hilbert (specialist în cicluri de refrigerare şi de căldură) şi fiul său James Anderson Jr., studiază oceanul ca sursă de energie termică.  2. Energia din diferenţa de temperatură a structurilor de apă marină 23 În anul 1974, Statele Unite deschide Laboratorul de Energie Naturală din Hawaii (NELHA), pe 130 de hectare. În anul 1980 India începe o lungă serie de studii de cercetare, în cadrul Institutului Naţional de Tehnologie Oceanografică (NIOT). În anul 1980 a început testarea unei centrale OTEC cu sistem deschis în Hawaii, la Big Inslad. Această centrală experimentală a funcţionat între 1993 şi 1998 şi încă deţine recordul de producere de energie de peste 250kWh şi de peste 100 kW putere netă exportată către reţea (fig. 2.3). Fig. 2.3. Centrala OTEC cu sistem deschis, Big Insland, Hawaii În anul 1982, Tokyo Electric Power Company şi Toshiba construiesc cu succes o instalaţie de 100 kW pe insula Nauru (fig. 2. 4). Fig. 2.4. Insula Nauru (imagine aeriană) din Oceanul Pacific, (imagine realizată de ARM, Programul Departamentului American al Energiei) 24 Georgeta Bandoc Geografia resurselor energetice marine În anul 2008, India realizează la Tamil Nadu o instalaţie experimentală care are o capacitate de 1MW la Kulasekarapattinam, aproape de Tiruchendur în districtul Tuticorin (fig. 2.5). Fig. 2.5. Districtul Tuticorin, India În anul 2009, US Navy realizează contracte cu Lockheed Martin care este cea mai mare firmă de produse şi servicii militare la nivel mondial (după venit). Lockheed Martin este cel mai mare furnizor de echipament aerospaţial şi tehnologic al Pentagonului, urmat de Boeing. Aceste contracte vizează cercetări în domeniul realizării unor astfel de centrale pentru producerea de energie. În următorul deceniu Lockheed Martin intenţionează să dezvolte astfel de sisteme OTEC pe scară comercială, cu puteri variind între 10 MW şi 100 MW. Se estimează că, în decurs de un an, o centrală OTEC ar putea genera 100 MW electricitate ceea ce echivalează cu 1,3 milioane de barili de petrol, reducându-se emisiile de carbon cu o jumătate de milion de tone. Lockheed Martin a anunţat că va colabora cu Grupul Reignwood pentru construcţia celei mai mari centrale OTEC de conversie a energiei termice din ocean din lume şi care va fi amplasată pe coasta de sud a Chinei. Instalaţia pilot plutitoare va genera 10 MW (fig. 2.6). Pe baza acestui principiu al diferenţelor de temperatură din apa marină, care poate fi de 15...200 C şi în mod ideal, mai mult ca 30-40°C, au fost construite două uzine:  2. Energia din diferenţa de temperatură a structurilor de apă marină 25 Fig. 2.6. Instalaţia pilot plutitoare, coasta de sud a Chinei a. Uzina de la Matanzas, Cuba, construită în anul 1940, cu o putere de 22 kW (fig. 2.7). Fig. 2.7. Uzina de la Matanzas, Cuba b. Uzina de la Abjdjan, din Coasta de Fildeş, construită în anul 1947 (fig. 2.8). 26 Georgeta Bandoc Geografia resurselor energetice marine Fig. 2.8. Uzina de la Abjdjan, Coasta de Fildeş Când un transfer de energie are loc exclusiv în virtutea diferenţei de temperatură, se spune că are loc un schimb de căldură. În esenţă, există două tipuri diferite de sisteme, cunoscute sub numele de: - sistem cu ciclu închis; - sistem cu ciclu deschis; Atât sistemul cu ciclu închis cât şi cel cu ciclu deschis pot funcţiona fie pe mal (pe uscat), fie pe mare. Conductele sunt umplute cu un lichid, cum ar fi amoniacul, care are un punct de fierbere scăzut (-33 ° C). Proiectul realizat la Abidjan a fost abandonat în anul 1955. Fig. 2.9. Sistem deschis de tip OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) aplicat în proiectul de la Abjdjan, Coasta de Fildeş  2. Energia din diferenţa de temperatură a structurilor de apă marină 27 În schema de funcţionare cu circuit deschis, agentul de lucru îl reprezintă apa de mare. Aceasta este vaporizată prin tehnologia flash într-o incintă vidată producând abur la presiunea de 2,4 kPa. Aburul se destinde într-o turbină de joasă presiune cuplată cu un generator electric. Aburul folosit în turbină este condensat cu ajutorul apei reci pompată de la mare adâncime. Dacă se foloseşte un condensator cu plăci, atunci se poate separa condensatul de apa de răcire obţinând şi apă desalinizată. Au fost propuse şi soluţii complexe de centrale OTEC, denumite hibride sau mixte (fig. 2.10). În sistemul mixt, apa caldă de mare este introdusă într-o incintă vidată în care este vaporizată prin tehnologia flash şi transformată în abur, ca în cazul centralelor cu circuit deschis. Aburul vaporizează un agent de lucru (amoniac) care la rândul său, antrenează turbina de abur cuplată cu generatorul electric. Aburul condensat în schimbătorul de căldură poate fi folosit la obţinerea apei desalinizate. Fig. 2.10. Sistem de tip OTEC mixt Acest sistem de conversie a energiei este în cascadă, produsele adiacente rezultate crescând considerabil valoarea economică. Astfel, asociind producerea de energie cu prezenţa unor ferme marine, deoarece apa evacuată din aceste centrale este bogată în substanţe hrănitoare, rezultatele economice sunt importante. Centralele OTEC de tip hibrid pot fi concepute ca uzine de energie şi de hrană. 28 Georgeta Bandoc Geografia resurselor energetice marine Un experiment de acest fel a fost realizat în Hawaii şi a demonstrat că, pe lângă energie, pot fi susţinute şi ferme de creştere pentru somon, stridii, creveţi etc., în bazine speciale, deoarece există o alimentare cu un debit constant de mare cu apă proaspătă pompată, apă lipsită de agenţi patogeni. Fig. 2.11. Sistem de tip OTEC hibrid cu aplicaţii multiple. Această apă reprezintă un mediu de creştere excelent pentru fitoplancton şi microalge care constituie la rândul lor hrană de bază pentru peşti, moluşte etc. O centrală OTEC care utilizează condensatoare superficiale, poate produce apă desalinizată. Pentru o centrală cu o putere de 2 MW, cantitatea de apă desalinizată pe zi este de 4 300m3/zi. De asemenea, în afară de electricitate şi apă desalinizată o centrală OTEC mai poate produce frig necesar activităţilor adiacente de păstrare/conservare a produselor alimentare şi pentru climatizarea spaţiilor de locuit sau producţie. Se estimează că o conductă care are un diametru de 300 mm ar permite să circule circa 0,08 m3/s de apă la o temperatură de 60C, ceea ce ar duce la economii substanţiale, la climatizarea spaţiilor, de aproximativ 200 000…400 000 dolari/an, la un cost al energie de 5…10 cenţi/kWh. Conductibilitatea calorică a apei de mare: - exprimă măsura în care are loc schimbul de căldură între 2 corpuri prin contact, de la moleculă la moleculă; - pentru apa marină conductibilitatea calorică este redusă; - transmiterea căldurii în straturile adânci ale apei de mare este neânsemnată.  2. Energia din diferenţa de temperatură a structurilor de apă marină 29 Convecţia în apa de mare - exprimă transferul de căldură (energie) pe verticală, prin deplasările efectuate de curenţi ascendenţi şi descendenţi; - căldura pătrunde în adâncime prin acest proces de convecţie. Căldura specifică a apei de mare - este definită prin raportul dintre dQ şi produsul între masa m şi variaţia de temperatură dT dQ cp = , [J/(kg grd)] (2.1) m  dT - exprimă cantitatea de căldură necesară pentru a ridica sau a coborî la o anumită valoare temperatura unei unităţi de masă dintr-o anumită substanţă – pentru apa de mare, căldura specigică cp este de 2...3 ori mai mare decât căldura specifică a scoarţei terestre. Influenţa gradientului de salinitate asupra căldurii specifice a apei de mare - pentru mase de apă cu salinitate diferită, căldura specifică: - scade cu temperatura T [0C]; - creşte cu salinitatea S [‰]. - cercetări în acest domeniu au fost făcute de: – Julien THOULET (1843-1936), CHEVALLIER şi Otto KRÜMMEL (1854-1912) şi se bazează pe principiul folosirii a două surse de căldură cu salinitate diferită; - Vagn Walfrid EKMAN (1874 – 1954), oferă valori pentru căldura specifică în funcţie de temperatură, la o anumită salinitate şi presiune atmosferică. Julien THOULET Otto KRÜMMEL Vagn Walfrid EKMAN (1843-1936) (1854-1912) (1874 – 1954)