Získávání energie z oceánů: technologie OTEC

Úvodem

Energie je v současné době získávána především z uranu, ropy a zemního plynu. Tyto zdroje nejsou nekonečné a jednoho dne budou vyčerpány. Dvě třetiny zemského povrchu jsou pokryty oceánem, který v sobě skrývá obrovské množství energie získané ze slunečního záření. Dokud budou na Zemi dopadat sluneční paprsky a budou existovat oceány, je zásoba energie prakticky nevyčerpatelná. Způsob získávání energie z oceánů je ekologický, protože jako zdroj energie je používána mořská voda. Produkováno je zanedbatelně nízké množství emisí. Vedle vyrobené elektrické energie jsou izolovány další energeticky hodnotné prvky jako např. vodík, lithium nebo uran a zároveň lze na desalinační jednotce vyrobit vysoce kvalitní pitnou nebo destilovanou vodu.

Výzkumné centrum za miliardu korun

Oceánografický institut

Výzkum spolu s praktickým uplatněním těchto poznatků je prováděn v Oceánografickém institutu v Imari, který se nachází na nejjižnějším z japonských hlavních ostrovů, a to na Kjúšú. Výstavba výzkumného centra, prostírajícího se na ploše 10.000 m², přišla japonskou vládu na 4,5 miliardy jenů (přibližně miliardu korun).

Hlavní náplní a prioritami v institutu jsou:

• OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion System) a desalinační jednotka: Technologie OTEC je zastoupena Ueharovým cyklem (viz dále) o výkonu 30 kW. Desalinační jednotka je schopna zpracovat 10 tun mořské vody denně. V plánu je výstavba hybridního OTEC systému se zabudovanou desalinační jednotkou.
• získávání vodíku z mořské vody: Výzkum je zaměřen na proveditelnost elektrolýzy vody s využitím simultánně získané energie z OTEC systému
• získávání lithia z mořské vody: Lithium je v mořské vodě zastoupeno v koncentracích okolo 0,1 - 0,2 ppm, zatímco koexistující sodík v koncentraci řádově 10.000 ppm. Výzkum je proto zaměřen na selektivní získávání lithia z mořské vody.
• místnost pro modelování pochodů v hlubinách oceánů: Pomocí modelu je monitorováno proudění mořské vody, změna salinity, vznik vln, větrné poryvy, atd. Výzkum je zaměřen na využití energie vln, na zkoumání obohacení povrchové vody hlubokomořskou vodou a na integrované modelování interakcí mezi mořskou vodou a okolním životním prostředím.
• STEC (Spring Thermal Conversion System): Systém umožňuje vyrobit elektrickou energii z geotermálních pramenů v rozmezí 40-80 °C a z říční vody (okolo 20 °C).

Turbína Ueharova cyklu

Poloprovoz pro získávání lithia z vody

Technologie OTEC je stará 124 let

OTEC je laicky a ve stručnosti systém využívající teplou povrchovou mořskou vodu, která zahřívá pracovní médium k bodu varu a přeměňuje jej na páru. Vzniklá pára pohání turbínu a vyrábí elektrickou energii. Systém je tedy stejný jako u tepelných nebo atomových elektráren. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že pracovním médiem je kapalina s nízkým bodem varu - roztok amoniaku ve vodě (platí pro CC-OTEC cykly - viz dále).

Kalinův cyklus

Fázový diagram směsi amoniak-voda (čísla znázorňují
jednotlivé pochody v Kalinově cyklu, viz obrázek výše)

První zmínku o využití rozdílných teplot mořské vody pro výrobu elektrické energie nenajdeme překvapivě v žádném vědeckém časopise, ale ve slavné knize Dvacet tisíc mil pod mořem, kterou napsal francouzský spisovatel Jules Verne v roce 1870. První na vědeckém základě založená myšlenka získávání energie z moře pochází také z Francie. Publikoval ji v roce 1881 D'Arsonval. V té době však náklady na čerpání mořské vody převyšovaly zisk z vyrobené energie, a proto byl výzkum na několik desetiletí odložen. D'Arsonval uvažoval jako pracovní médium čistý amoniak a protože amoniak proudí v uzavřeném systému, je tento systém nazýván CC-OTEC (Closed-Cycle Ocean Thermal Energy Conversion). Na základě D'Arsonvalových myšlenek byl v roce 1979 na Havaji postaven plovoucí OTEC systém s výkonem 18 kW. O tři roky později, v roce 1982, postavila japonská vláda na ostrově Nauru továrnu o výkonu 100 kW. Oba tyto provozy sloužily pouze pro demonstrativní účely a po několika měsících byly odstaveny.

Čtyřicet let po D'Arsonvalovi navrhl další francouzský vědec Claude jako pracovní médium mořskou vodu. V Claudově cyklu médium volně prochází systémem, proto je tento cyklus označován jako otevřený - OC-OTEC (Open-Cycle Ocean Thermal Conversion System). Tento systém může navíc vedle elektrické energie vyrábět i pitnou vodu. Claude OC-OTEC úspěšně otestoval v roce 1930 na Kubě. Jeho další pokusy pak ztroskotaly na neznalosti technologie, jenž by čerpala studenou hlubokomořskou vodu potřebnou pro chlazení.

Po dobu šesti let (1993-1998) byl úspěšně provozován OC-OTEC na Havaji. Systém byl navržen na výkon 210 kW, teplotu povrchové vody 26 °C a teplotu hlubokomořské vody 6 °C. Zhruba deset procent vyrobené páry bylo odkloněno do kondenzátoru a použito na tvorbu pitné vody. V současné době existuje velké množství různých modifikací OTEC systému. Z hlediska komerčního využití se jeví jako nejekonomičtější plovoucí továrny poblíž pevniny, které přenášejí energii pomocí podmořského kabelu.

Fázový diagram směsi amoniak-voda za atmosférického tlaku

Technologie může být aplikována až ve 100 zemích celého světa

V oblastech okolo rovníku činí teplotní rozdíl mezi povrchovou mořskou vodou a vodou v hloubce jednoho kilometru 15 až 25 °C. Tento teplotní rozdíl umožňuje teoreticky v japonských vodách využít energii okolo 10¹⁴ kWh/rok. Toto množství energie lze získat z 8.600 miliónů tun fosilních paliv, zatímco celková spotřeba energie v Japonsku v roce 2000 činila v přepočtu 600 miliónů tun fosilních paliv. Pro efektivní získávání energie je nutný rozdíl teplot na odpaření, resp. kondenzaci média, alespoň 15 °C. Této diference lze docílit nejen na základě rozdílné teploty vody v různých hloubkách, ale lze ji aplikovat i v oblastech blízkých pólům, kde je pro chlazení využit vzduch, anebo v oblastech s geotermálními prameny (STEC System), kde je pro změnu pro chlazení využita mořská voda. Klimatické podmínky vhodné pro provoz OTEC cyklu jsou zhruba ve sto zemích celého světa, zejména v tropických a subtropických oblastech soustředěných mezi čtyřicátou severní a jižní rovnoběžkou.

teplotní profil mořské vody

Popis nejčastěji využívaných uzavřených (CC-OTEC) cyklů

Nejznámějšími cykly využívajícími tuto technologii jsou Rankinův, Kalinův a Ueharův cyklus. Rankinův cyklus, jenž je nejstarším z nich, používal jako pracovní médium amoniak. Pracovní cyklus začíná načerpáním média do odparky, kde jej mořská voda zahřeje do bodu varu. Plyn poté expanduje v turbíně, roztáčí ji i generátor a produkuje elektrickou energii. Pára odcházející z turbíny je chlazena hlubokomořskou vodou v kondenzátoru a kondenzuje zpět na kapalinu. Kondenzovaná kapalina je poté opět čerpána do odparky a cyklus se opakuje.

Kalinův cyklus používá jako médium roztok amoniaku ve vodě. Přináší i několik podstatných vylepšení oproti Rankinovu cyklu. Pára odcházející z turbíny je zkapalněna v absorbéru před tím, než vstoupí do kondenzátoru. Pro zvýšení účinnosti procesu je kapalné médium před načerpáním do odparky smíseno v regenerátoru s kapalinou ze separátoru, jež nebyla schopna přejít do plynného skupenství, a se zbylým objemem v regenerátoru. Nevýhodou Kalinova cyklu je nižší výkon odparky a kondenzátoru způsobený nerovnoměrnou kondenzací/vypařováním média.

Ueharův cyklus používající jako pracovní médium roztok amoniaku ve vodě (zhruba v poměru okolo 9:1) přidává další turbínu a snižuje zatížení kondenzátoru odčerpáním páry z první turbíny. Extrahované médium je navíc spolu se zkapalněným médiem z kondenzátoru zahříváno před vstupem do regenerační jednotky kvůli zvýšení účinnosti. Cyklus obsahuje také přídavný kondenzátor, který zkapalňuje páru, jež nebyla zkapalněna v hlavním kondenzátoru. Ueharův cyklus také oproti Kalinovu cyklu snižuje zatížení odparky a kondenzátoru a umožňuje redukci přívodu čerpané mořské vody.

Ideální systém, v němž aplikujeme povrchovou vodu o T = 26 °C a hlubokomořskou o T = 4 °C, bude mít účinnost okolo osmi procent. Rankinův cyklus za stejných podmínek dosáhne účinnosti okolo 2 %, Kalinův a Ueharův 4 - 4,5 %. Ačkoliv je tato účinnost nízká ve srovnání s běžnými elektrárnami, výhodou OTEC systému je, že zdroj jeho energie je neustále doplňován vlivem slunečního záření.

Rankinův cyklus

Ueharův cyklus

model uzavřeného cyklu

Popis otevřeného (OC-OTEC) cyklu

Otevřený cyklus sestává z následujících kroků:

1. vypaření frakce mořské vody snížením tlaku
2. expanze páry v turbíně
3. kondenzace pomocí studené hlubokomořské vody
4. stlačení nezkondenzovaných plynů na tlak potřebný pro jejich odtažení ze systému

Odparka, kondenzátor a turbína pracují při tlacích blízkých vakuu (1-3 % atmosférického tlaku), což vede k řadě opatření nutných pro správný chod systému. Systém proto musí být řádně utěsněn, aby do něj nepronikal okolní vzduch z prostředí, jinak by došlo k výraznému snížení účinnosti, resp. k selhání systému. Navíc plyny jako dusík, kyslík nebo CO₂, jež jsou v mořské vodě rozpuštěny, se z ní při tlacích blízkých vakuu uvolňují. Protože nekondenzují, musí být ze systému odtaženy.

Navzdory těmto komplikacím mají otevřené cykly oproti uzavřeným některé výhody. Voda je jako pracovní médium, na rozdíl od amoniaku, netoxická a neškodí okolnímu životnímu prostředí. Protože v odparce vzniká odsolená pára, může být kondenzátor využit pro kondenzaci pitné vody, což je zejména v tropických oblastech velice žádaná surovina.

Otevřený cyklus OTEC

Technická omezení systémů a interakce s okolním prostředím

OTEC nabízí asi ekologicky nejpřijatelnější výrobu elektrické energie, protože manipulace s nebezpečnými látkami je omezena na minimum (např. amoniak a chlór) a do okolí nejsou uvolňovány téměř žádné škodlivé látky. Např. produkce CO₂ u OC-OTEC systémů je méně než 1 % ze 700 g/kWh, jak je tomu u tepelných elektráren. Tato hodnota je ještě nižší pro CC-OTEC cykly.

Na základě pokusů a výpočtů pro otevřený cyklus bylo stanoveno, že přibližně 4 m³/s povrchové mořské vody a 2 m³/s studené hlubokomořské vody s přibližnou diferencí teplot T = 20 °C vyrobí 1 MW čisté elektrické energie. Náklady na čerpání vody se předpokládají okolo 20-30 % celkové vyrobené elektrické energie. Stejnou úvahou bychom pro 100 MW provoz potřebovali 400 m³/s povrchové mořské vody o T = 26 °C s přívodním potrubím o poloměru 16 metrů, zaústěném ve dvaceti metrech pod hladinou oceánu. Pro přívod studené hlubokomořské vody (200 m³/s, 4 °C) by bylo potřeba potrubí o poloměru 11 metrů, zaústěné v hloubce jednoho kilometru. Abychom minimalizovali poškození ekologické rovnováhy v okolí vypouštěné vody (hlavně vlivem rozdílné teploty), je zapotřebí potrubí o poloměru 20 metrů, vyústěné v hloubce 60 metrů pod hladinou. (Kontinuální přívod studené, minerálně bohaté mořské vody prosté baktérií může způsobit nevratné ekologické změny v eufotické zóně. Tato zóna je svrchní hladinou oceánu, kam proniká sluneční světlo a může zde tedy probíhat fotosyntéza. Obecně je tato hladina okolo 120 metrů, ale protože se průnik světelného záření směrem s klesající hloubkou mořské vody snižuje exponenciálně, používá se vyústění v hloubce okolo šedesáti metrů, což bylo potvrzeno jako dostatečná hloubka i na základě analýz a praktických poznatků.)

Pro efektivní přenos tepla je nutné výměníky ochránit před biologickými nánosy. Na jejich likvidaci se používá chlór (Cl₂) a mechanické stírání. Limitní hodnota průměrné koncentrace vypouštěného chlóru do moře je 0,1 ppm dle EPA (Environmental Protection Agency). OTEC systémy vypouštějí v průměru okolo deseti procent hodnoty limitní koncentrace.

Organismy žijící v mořích jsou místy zachyceny na sítech chránících přívodní potrubí. Zachycený organismus je vystaven velkému tlaku a pokud je menší, je vtažen do systému a nezřídka projde celým cyklem. Experimenty se zooplanktonem a fytoplanktonem ukázaly, že mortalita zachycených druhů je stoprocentní.

Technologie OTEC ve světě

V Imarském institutu je vybudován Ueharův cyklus o výkonu 30 kW především pro výzkumné účely. V praxi je nyní budován na nejjižněji položeném japonském ostrůvku Okinotorishima, i když jeho stavba má spíše politický podtext zdůrazňující nároky Japonska na přilehlý námořní prostor. V Indii byl v nedávné době vybudován plovoucí OTEC o výkonu 1.000 kW, zvaný Saga Shakti. Indie do budoucna plánuje výstavbu zhruba tisíce podobných systémů, každý o výkonu 50.000 kW. Kromě Indie jsou v plném proudu přípravy na výstavbu 3.000 kW provozu v Republice Palau. Palau je první vlaštovkou mezi maličkými rovníkovými tichomořskými ostrůvky, které nemají žádné vlastní zdroje fosilních paliv. Tudíž je pro ně vybudování těchto systémů velmi důležité. Pro tyto státy (např. Cookovy nebo Marshallovy ostrovy, Kiribati, Guam, Tonga, Tuvalu atd.), jejichž velikost a počet obyvatel je roven velikosti našeho krajského města, může být OTEC jediným a spolehlivým zdrojem elektrické energie. Dalším významným prvkem pro vybudování systému může být výroba, na těchto ostrovech zpravidla nedostatkové, kvalitní minerální pitné vody na desalinační jednotce. Technologie umožňují navíc i získávání destilované vody pro průmyslové použití. Výzkum OTEC systému není omezen pouze na Japonsko, které vedle již zmiňovaných zemí a ostrůvků rozvíjí své pole působnosti např. na Tchajwanu, Srílance nebo v Jižní Koreji. Výzkum pokročil nejdále asi v USA, které vybudovaly několik systémů, zejména na Havaji. Z evropských zemí se aplikaci OTEC systému věnují obzvláště Francie, Rusko a Nizozemí.

Saga Shakti

Okinotorishima

Ekonomická analýza a potenciál OTEC cyklů

Náklady na stavbu OTEC cyklu vyrábějícího cca 300.000 kWh činí zhruba 6-8 jenů (okolo 1,30-1,70 Kč) na kWh, zatímco náklady v případě tepelné elektrárny dosahují cca 10 jenů (okolo 2,10-2,20 Kč) na kWh. A protože jako zdroj tepla slouží mořská voda, emise CO₂ jsou neporovnatelně nižší ve srovnání s tepelnými elektrárnami. Systém neprodukuje žádný radioaktivní odpad jako atomové elektrárny a mořská voda může být recyklována. Narozdíl od ostatních zdrojů obnovitelné energie (např. větrné nebo solární elektrárny) je systém nezávislý na počasí a produkuje stabilní množství energie po celý rok.

Cílovou skupinu využití OTEC cyklů můžeme rozdělit na dvě skupiny:

1. země a ostrovy s rozvinutým průmyslem
2. malé ostrovy nebo rozvojové země se zanedbatelným průmyslem a se skromnými nároky na elektřinu nebo pitnou vodu

Malé otevřené cykly (OC-OTEC) jsou schopny vyrobit 1-10 MW elektrické energie a zhruba 1700-3500 m³ pitné vody denně. Tyto cykly mohou sloužit malým ostrůvkům, rozvojovým zemím anebo komunitám v rozmezí od 4.500 do 100.000 obyvatel. Větší uzavřené (CC-OTEC) anebo různé hybridní cykly mohou být využity pro průmyslovou výrobu energie anebo pitné vody. Např. 50 MW hybridní provoz produkující 62.000 m³ pitné vody denně poslouží rozvojové zemi nebo komunitě pro 300.000 obyvatel, resp. zhruba 100.000 obyvatelům vyspělé průmyslové země.

Aplikace a další využití technologie

OTEC nemusí sloužit pouze jako zdroj energie a pitné vody. Umožňuje například za pomoci vyrobené energie získávat elektrolýzou destilované vody velké množství vodíku. O vodíku se mluví jako o ekologickém palivu budoucnosti, jenž jednou nahradí fosilní paliva v automobilovém průmyslu. Dalšími energeticky významnými prvky, jež jdou získávat z mořské vody, jsou lithium a uran. Uran slouží jako palivo v atomových elektrárnách a poptávka po lithiu také roste, neboť je základním článkem k bateriím u mobilních telefonů a přenosných počítačů.

Minerálně bohatá voda z hlubin oceánu může být využita pro zkvalitnění povrchové mořské vody a ke zvýšení populace ryb a korýšů, pokud bude dávkována vhodným způsobem. Další využití hlubokomořské vody je v kosmetice, medicíně anebo v klimatizačních systémech pro obytné domy nebo užitkové budovy. Potenciál OTEC systému může vyřešit problémy spojené s životním prostředím, energií, vodou, potravou i lidskými potřebami. Pro Japonsko, stejně jako další země s nedostatkem nerostných surovin, je využití alternativních obnovitelných zdrojů energie předmětem nejvyššího významu.

Seznam použité a citované literatury

• D'Arsonval, Revue Scientifiquo, Paris, 17, 370 (1881).
• G. Claude, Power from the Tropical Seas, Mechanical Engineering, 52 (12), 1039 (1930).
• H. Uehara et al., Proceedings of the International OTEC/DOWA Conference, 132, (1999).
• A.I. Kalina, Japanese Patent, Sho62-39660, (1987).
• M. Ravindran, Proceedings of the International OTEC/DOWA Conference, 2, (1999).
• Y.Ikegami et al., Integrated Hybrid Ocean Thermal Energy Conversion System, 6th International Conference on New Energy Systems and Conversions, 77, (2003).
• W.H. Avery and Ch. Wu, Renewable Energy From The Ocean - A Guide to OTEC, Oxford University Press, (1994).
• Y.M. El-Sayed and M. Tribus, Thermodynamic Properties of Water - Ammonia Mixture: Theoretical Implementation for Use in Power Cycle Analysis, ASME AES, 1, (1985).
• Y.M. El-Sayed and M. Tribus, A theoretical comparison of the Rankine and Kalina Cycles, ASME-AES, 1, 97, (1985).
• H. Uehara and Y. Ikegami, Optimization of a Closed-Cycle OTEC System, ASME Journal of Solar Energy Engineering, 112, 247, (1990).
• L.A. Vega: Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC), (1999).