Teplotní rozdíly mořské vody – netradiční obnovitelný zdroj energie

Jednou z metod využití energie moří a oceánů je využívání teplotních rozdílů teplé vody na povrchu a studené vody v hloubce 500 až 1 000 m. Tento způsob se označuje Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC). Oblasti vhodné pro tento způsob výroby elektřiny se nacházejí 40 stupňů na sever a na jih od rovníku. Teploty vody na povrchu jsou zde 25 °C až 30 °C zatímco v hloubce jen 5 až 7 °C.

Jednou z metod využití energie moří a oceánů je využívání teplotních rozdílů teplé vody na povrchu a studené vody v hloubce 500 až 1 000 m. Tento způsob se označuje Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC). Oblasti vhodné pro tento způsob výroby elektřiny se nacházejí 40 stupňů na sever a na jih od rovníku. Teploty vody na povrchu jsou zde 25 °C až 30 °C zatímco v hloubce jen 5 až 7 °C.

Na myšlenku energeticky využít teplotní rozdíly mořské vody přišel již roku 1881 francouzský Jacques-Arsène d'Arsonval. Až do první ropné krize začátkem 70. let 20. století jí však nebyla věnována žádná pozornost. Podle Roberta Cohena, který byl počátkem 70. let vedoucím programu USA pro využití teplotních rozdílů mořské vody, se technologie OTEC může stát významným zdrojem obnovitelné energie a může osvobodit mnohé ekonomiky od závislosti na ropě.

Jak na to

Princip technologie je jednoduchý. Nejprve teplá voda ohřívá pracovní kapalinu o nízkém bodu varu, jako je čpavek. Když se tato kapalina začne vařit, vytvoří její páry dostatečný tlak k pohonu turbíny, a ta vyrábí elektřinu. Plyn se pak ochlazuje studenou vodou čerpanou z hloubky například sklolaminátovým potrubím.

V roce 1979 podpořila vláda USA projekt zařízení OTEC na Havaji, které mělo výkon 50 kW. O dva roky později japonské sdružení vybudovalo pilotní zařízení na ostrově Nauru v jižním Pacifiku, které bylo schopné zajistit výkon 120 kW.

Výzkum v závislosti na ceně ropy

Po prvních úspěšných výsledcích začalo ministerstvo energetiky USA plánovat zařízení OTEC o výkonu 40 MW poblíž Havaje. Po roce 1981 se ale prostředky neustále snižovaly a v roce 1995 se jejich přísun zcela zastavil poté, co cena ropy klesla pod 20 dolarů za barel. Zájem o tento energetický zdroj oživil až následný růst ceny. Společnost Lockheed Martin (LM) získala od ministerstva energetiky USA na vývoj technologie výroby sklolaminátového potrubí 600 000 dolarů, což bylo jedním z předpokladů uplatnění nové technologie.

Prvním cílem společnosti LM ve spolupráci se společností Makai Ocean Engineering of Waimanalo z Havaje bylo vybudovat během 4-6 let elektrárnu OTEC o výkonu 10 až 20 MW. Elektrárna, s potrubím o délce 1 000 m a průměru 4 m, by dodávala elektřinu podmořským kabelem na Havaj. Další elektrárna OTEC o výkonu 8 MW má být vybudována na ostrově Diego García v Indickém oceánu, v lokalitě, kde se nachází velká vojenská základna USA. Vojenská základna je zatím zcela závislá na naftě. V lokalitě se rovněž zkoumají možnosti využití energie mořských vln a slapové energie, avšak zařízení OTEC by poskytlo potřebnou energii ve srovnání s těmito alternativními zdroji rychleji. Předpokladem úspěchu bude vyřešení řady problémů, například jak propojit plovoucí a houpající se plošinu s podmořským kabelem. Bude rovněž třeba vyprojektovat tepelné výměníky tak, aby se nadměrně nezanášely a neucpávaly. Pokud výsledky zkoušek budou úspěšné, pak by komerční jednotky o výkonu kolem 100 MW a vyšším mohly zcela změnit energetickou situaci na Havaji, kde se 77 % elektřiny získává spalováním topných olejů.

Zvyšování výkonu ale nebude snadné. Elektrárna o výkonu 100 MW bude vyžadovat potrubí o průměru 9 m ponořené do hloubky 900 m. Bude nutné překonat mechanické napětí a namáhání způsobené mořskými proudy a pohybem plošiny.

S problémy se setkávaly i menší projekty. Například v roce 2003 indičtí inženýři budovali zařízení OTEC o výkonu 1 MW a snažili se ponořit do vody v Bengálském zálivu potrubí dlouhé 800 m z lodní plošiny. Potrubí ale skončilo na mořském dně a nové potrubí o rok později potkal stejný osud. V obou případech selhaly vrátky.

Japonská technologie Uehara Cycle

V Japonsku se technologie OTEC ověřuje jako Uehara Cycle a je předmětem výzkumu v Ústavu oceánské energetiky na univerzitě v Saga. Účinnost a ekonomiku lze údajně zvýšit při výměně tepla použitím titanových desek. Ueharův cyklus byl poprvé prezentován v roce 1994 na konferenci OTEC. Od té doby byly ve světě uděleny patenty ve dvanácti zemích. V roce 1997 uskutečnila skupina vědců z univerzity v Saga demonstrační zkoušku svého zařízení v indickém výzkumném středisku, kde se podařilo získat výkon 1 000 kW.

Důležité bude zvýšit výkon

Podle názoru odborníků nebude možné se současnými znalostmi instalovat zařízení OTEC o výkonu větším než 5 až 10 MW. Aby se však tato technologie, stejně jako i jiné obdobné, mohla významně podílet na trhu „zelené energie“, bude třeba budovat zařízení o mnohem větším výkonu. Při pobřeží Indonésie proto společnost Energy Harvesting Systems plánuje vybudovat elektrárnu OTEC o výkonu 100 MW. Její ředitel má k dispozici 800 milionů dolarů a plánuje ji uvést do provozu během dvou let. Vyrobená elektřina má sloužit k výrobě vodíku k pohonu automobilů.

Podmořské roboty na bázi rozdílů teplot mořské vody

Teplotní rozdíly mořské vody lze využít i pro jiné účely, například k vývoji podmořských robotů. Americká organizace NASA vyvinula podmořské robotické zařízení SOLO-TREC, které shromažďuje údaje o teplotě a salinitě vody za účelem studia oceánských proudů. Robot se od listopadu 2009 třikrát denně poblíž havajského pobřeží potápí a opět vynořuje z hloubky 500 m. Zařízení využívá schopnosti vosku tavit se a zvyšovat objem a opět tuhnout. V teplé vodě se vosk rozpouští, zvětšuje objem a vytlačuje olej potrubím do vysokotlaké nádrže. Jakmile se nádrž zaplní, otevře se ventil, olej prochází hydraulickou turbínou a prostřednictvím převodovky a generátoru vyrábí elektřinu. Olej se pak skladuje v nízkotlaké nádrži. Když zařízení klesá ke dnu, vosk tuhne, smršťuje se a odčerpává olej zpět do centrálního potrubí. Elektřina skladovaná v bateriích pomáhá dostat zařízení ze studené vody do vody teplejší a proces se opakuje – baterie pohání čerpadla, která nabírají nebo vytlačují vodu, takže se robot může potápět nebo plout na hladině. Elektřina rovněž nabíjí přijímač GPS, senzory a vysílačku, která předává údaje do satelitu. Zařízení dokáže generovat 200 wattů po dobu 30 sekund. Ke zdokonalení současného způsobu monitorování oceánských podmínek za účelem zlepšení kvality předpovědí počasí se plánuje výroba velkého počtu těchto robotických zařízení. Společnost Teledyne Webb Research se sídlem ve Falmouth, Mass. vyrábí okřídlené roboty „kluzáky“, které se pohybují klouzavým způsobem pod vodou. Ke kontrole vznášení rovněž využívají vlastnosti vosku. Tyto roboty ale potřebují baterie k nabíjení elektronických zařízení, proto americký úřad pro námořní výzkum požádal dva výzkumné týmy, aby vyvinuly podvodní kluzáky, které by se bez výměny baterií obešly.

Prameny:
/1/ Phil McKenna: The coolest source of energy ever. New Scientist, 2008, č. 2638, s. 28-29.
/2/ Science and Technology in Japan, 2008, č. 101, s. 45
/3/ New Scientist, 2010, č. 2757, s. 19
Václav Vaněk

Weby

http://www.makai.com
http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2010-111
http://solo-trec.jpl.nasa.gov/SOLO-TREC
http://www.webbresearch.com/thermal.aspx
http://www.nrel.gov/otec