A conversão de energia térmica do oceano ( OTEC ) ou energia maréthermique é produzida usando a diferença de temperatura entre as águas superficiais e profundas do oceano. Um acrônimo freqüentemente encontrado é OTEC , para “ conversão de energia térmica do oceano ” . A União Europeia usa o termo energia hidrotérmica para "energia armazenada como calor nas águas superficiais" .
Devido à área de superfície que ocupam, os mares e oceanos da Terra se comportam como um sensor gigante para:
Embora parte dessa energia seja dissipada (correntes, ondas, fricção etc.), grande parte dela aquece as camadas superiores do oceano. Assim, à superfície, graças à energia solar, a temperatura da água é elevada (pode ultrapassar os 25 ° C na zona intertropical) e, em profundidade, desprovida de radiação solar, a água é fria (cerca de 2 a 4 ° C , exceto em mares fechados, como o Mediterrâneo, cujo fundo não pode ser "atapetado" pelas "baforadas" das frias águas polares que "mergulham" para o norte e para o sul do oceano Atlântico , com um fluxo médio total de 25 milhões de metros cúbicos por segundo.
Além disso, as camadas frias não se misturam com as camadas quentes. Na verdade, a densidade do volume da água aumenta quando a temperatura diminui, o que impede que águas profundas se misturem e se aqueçam.
Esta diferença de temperatura pode ser explorada por uma máquina térmica . Este último, necessitando de uma fonte fria e de uma fonte quente para a produção de energia, usa água de fundo e água de superfície, respectivamente, como fontes.
Júlio Verne é geralmente creditado com a ideia de usar diferenças nas temperaturas do mar para gerar eletricidade . Em seu livro, Twenty Thousand Leagues Under the Seas , ele se referia às “águas superficiais e profundas dos oceanos para produzir eletricidade” e isso, já em 1869 .
Foi o físico francês Arsène d'Arsonval quem primeiro conceituou essa ideia. Ele queria relacionar as águas quentes e superficiais com as águas frias e profundas. Mas na década de 1880 , a tecnologia existente ainda não era capaz de produzir um protótipo.
Só no final da década de 1920, quando para atender às crescentes necessidades da indústria de energia primária, o engenheiro francês Georges Claude , fundador da empresa Air Liquide , propôs a construção de uma usina de energia hidrotérmica para a produção de eletricidade.
Foi em 1928, em Ougrée, na Bélgica , que George Claude validou o princípio ao produzir eletricidade com uma máquina térmica de 60 kW fornecida com água quente a 33 ° C retirada do circuito de resfriamento de um alto-forno e água “fria” a 12 ° C bombeado do Meuse . É também o utilizado no Havaí, em 1981, para o lançamento do tubo triplo de água fria do experimento OTEC-1.
Em 1930 , George Claude mandou construir o primeiro protótipo na baía de Matanzas , em Cuba. Seu protótipo, uma usina de 50 kW, usava água quente de superfície (cerca de 25 −27 ° C ) e água bombeada de mais de 700 m de profundidade (cerca de 11 ° C ). Outro teste foi realizado na baía de Abidjan . O projeto tropeçou em vários problemas técnicos: corrosão, incrustação, instalação de longos conduítes subaquáticos. Com efeito, estando a instalação montada na costa, foi necessário trazer água do mar aberto por canos de vários quilómetros.
Julgamentos do pós-guerraEm 1963, James Hilbert Anderson assumiu o trabalho do engenheiro francês, mas propôs usar um fluido de trabalho diferente da água: o propano. Assim, ao final deste trabalho, a ETM existe em duas formas de ciclos diferentes; o ETM de “ciclo aberto” para o processo de Georges Claude e o ETM de “ciclo fechado” para o de James Hilbert Anderson.
A crise do petróleo de 1973 levou a um novo boom na pesquisa sobre o desenvolvimento do setor de ETM de “ciclo fechado”. Esse boom foi marcado pela construção do NELH, o Laboratório de Energia Natural do Havaí. E em 1975, no Havaí, nasceu um primeiro teste do projeto ETM sob o nome de “Mini-Otec”. Em 1979, veio o financiamento para um novo projeto denominado “Otec-1”, que em 1981 usou um trocador de água- amônia (NH 3 ).
Um projeto de máquina semi-submersa havia sido apresentado por pesquisadores norte-americanos: consistia em submergir uma máquina em forma de tubo vertical na costa da Flórida, sendo que a água da Corrente do Golfo aquecia a parte superior do tubo fazendo-o possível vaporizar um fluido como a amônia, capaz de operar uma máquina de baixa pressão. Em seguida, a amônia seria condensada com água doce retirada de uma profundidade de 450 m. A máquina forneceria eletricidade transmitida à terra por cabos submarinos. Esse projeto dos anos 70 não teve um resultado direto.
No Mar do Japão, em Shimane , este também é o caso de uma instalação ETM construída em 1979, denominada “Mini Otec” também usando um ciclo fechado, mas freon como fluido.
Os países que atualmente (2004) realizam mais pesquisas nessa área são os Estados Unidos e o Japão . Foi principalmente por causa dos choques do petróleo da década de 1970 que as pesquisas realmente começaram. Acabam de ser publicadas as primeiras "estimativas" da quantidade de energia que poderia ser produzida sem agredir o meio ambiente.
A priori, com as técnicas previstas (aproveitamento da diferença de temperatura entre a superfície e o fundo), esta energia só pode ser explorada em zonas intertropicais ; em outros lugares, a diferença de temperatura entre a superfície e o fundo é insuficiente para obter eficiência suficiente e, portanto, energia suficiente para bombear água fria em grande profundidade e fornecer uma máquina térmica (lembre-se de que a eficiência de tal máquina depende da diferença de temperatura entre as fonte quente e fonte fria).
Além da energia, os sistemas previstos permitiriam o ar condicionado (uso direto de água fria bombeada) e, possivelmente, o uso (culturas marinhas) de nutrientes aprisionados em grandes quantidades nas camadas frias do oceano, onde a fotossíntese é impossível.
O ETM deve ser implantado em um local especial. Em primeiro lugar, a ETM deve ter acesso ao mar para que os canos que a constituem possam tirar água dos oceanos. Por isso é necessário que seja instalado ao nível do mar, logo a instalação da ETM deve ser feita o mais próximo possível da costa, para facilitar a construção e minimizar custos. Os tubos vão até aproximadamente 1000 metros de profundidade, é inútil e aberrante afastar o ETM da costa por quilômetros, isso iria impor mais comprimentos de tubos e, portanto, um custo mais elevado.
Além disso, ter em conta as áreas onde a água superficial permanece quente ao longo do ano, em média cerca de 24 ° C . Portanto, não podemos colocar um ETM em qualquer lugar do globo, apenas uma área é adequada para sua instalação. Esta zona, que deve corresponder a uma certa temperatura da água superficial, deve corresponder também a uma certa profundidade da água.
Na verdade, como o ETM é construído perto da costa com tubos que vão até 1000 metros de profundidade, ele precisa de um local com uma costa íngreme. Tudo isso só é possível em uma área que vai do Trópico de Câncer ao Trópico de Capricórnio , ou seja, entre 30 e -30 ° de latitude .
ETM produz energia usando um fluido de trabalho ( água do mar , amônia ou outro fluido com um ponto de orvalho próximo a 4 ° C ). Este fluido passa do estado líquido para o estado de vapor no evaporador, em contato com a água quente retirada da superfície. A pressão produzida pelo vapor passa por um turbogerador para girar uma turbina e gerar eletricidade, após o gás ter perdido pressão, passa por um condensador para voltar ao estado líquido, em contato com a água fria retirada do fundo.
O ETM precisa de muita água: um fluxo muito grande de água do mar é necessário para compensar a baixa eficiência devido ao gradiente de baixa temperatura e diâmetros de tubo muito grandes para limitar as quedas de pressão. Atualmente, é possível usar tubos de PEAD (polietileno de alta densidade ) de 1,5 metro de diâmetro, mas no futuro, se grandes usinas forem construídas, serão necessários tubos de 15 metros de diâmetro.
A ETM funciona com temperaturas na gama diferencial de 20 ° C . Quanto maior for o diferencial de temperatura, maior será a produção. Ao ir fundo, extraímos água mais fria e a produção em isovolume aumenta.
Até o momento, existem três tipos de plantas ETM:
Os arranques de ciclo com a bombagem da água do mar da superfície, que é de cerca de 26 ° C . É introduzido em um evaporador que será colocado sob vácuo, para promover o efeito de evaporação, pois sob pressão relativa negativa, a evaporação ocorre a uma temperatura mais baixa e o vapor é liberado do sal, mas na vazão da água que passa pelo evaporador, apenas 0,5% de vapor de água é produzido, a água restante é devolvido para o mar a 21 ° C . A baixa pressão produzida pelo vapor é suficiente para acionar um turbogerador que produzirá eletricidade. Em seguida, o vapor é transferido para o condensador de parede dupla, que com a água fria bombeada em profundidade a cerca de 5 ° C , vai condensar o vapor em água doce que pode ser utilizada para consumo.
O ciclo fechado usa o mesmo material que uma bomba de calor (evaporador, condensador), mas enquanto uma bomba de calor produz energia térmica a partir da energia elétrica, o ciclo fechado de uma planta ETM usa o processo. Isso significa que, a partir da energia térmica, vamos produzir energia elétrica. Portanto, sempre usamos água de superfície quente, que está a 26 ° C , que é colocada no evaporador de parede dupla. Por um lado, haverá água e, por outro, amônia NH 3 , portanto a água dará suas calorias à amônia para que ela evapore, porque a amônia tem uma temperatura de evaporação inferior à da água. A água que passa através do evaporador retorna para o mar, a uma temperatura de 23 ° C . A amônia evaporada passa por um turbogerador para gerar eletricidade. Em seguida, o amoníaco passa para um condensador de parede dupla para condensar porque o amoníaco passa o seu calor para a água fria atraído para 5 ° C , para retornar para 9 ° C . Uma vez condensada, a amônia retorna ao evaporador, graças a um circulador , para repetir o ciclo.
O ciclo termodinâmico funciona com várias transformações consecutivas, o que o torna um ciclo. Ao todo, existem quatro transformações:
Este ciclo utiliza as duas técnicas anteriores, pois encontramos primeiro o ciclo fechado, sempre com o ciclo da amônia que passa pelo evaporador, pelo turbogerador e pelo condensador, ou seja, um ciclo termodinâmico que produz eletricidade. A nova técnica incorpora uma segunda etapa que produzirá água potável, por meio de um ciclo aberto utilizando o diferencial hídrico após o ciclo fechado.
Notas sobre o ciclo aberto:
Notas sobre o ciclo fechado:
Notas sobre o ciclo híbrido:
Como todas as máquinas térmicas, a eficiência é a relação entre a quantidade de energia recuperada e a energia útil (aqui, a última é a energia de vaporização do fluido de trabalho). No caso de um ETM, o rendimento é, portanto, expresso por:
O rendimento máximo que pode ser obtido é o rendimento de Carnot (nesta fórmula, é a temperatura da água fria e a da água quente):
Considerando e , obtemos por um ciclo fechado.
Esta eficiência teórica máxima é baixa em comparação com a eficiência convencional de máquinas térmicas (40% para uma turbina a gás natural). Além disso, este último não leva em consideração o trabalho necessário para bombear a água das profundezas.
O rendimento varia de acordo com a potência da planta: quanto mais potente, melhor é o rendimento e depende também do ciclo utilizado. A saída será máxima para uma diferença máxima de temperatura entre a superfície e a profundidade.
A produção de energia térmica não envolve combustão (não é necessário fornecer energia para a fonte quente) e, portanto, não libera dióxido de carbono (CO 2 ) que é um gás de efeito estufa .
No entanto, levando em consideração a pequena diferença de temperatura entre a fonte quente e a fonte fria, a eficiência é de apenas alguns pontos percentuais, e esse sistema envolve o uso de grandes volumes de água (alguns m 3 / se por MW). Durante o bombeamento desta água, muitas espécies vivas podem ser carregadas e mortas (peixes, larvas, etc.)
Além disso, o uso de cloro é frequente para prevenir o desenvolvimento de biofilmes e incrustações de organismos marinhos ( mexilhões , crustáceos ). Isso danifica o ecossistema .
Algumas interações menores merecem ser avaliadas. Esses estudos foram realizados por laboratórios em HAWAII, DITMARS, PADDOCK, VEGA, NELHA.
A diferença de temperatura entre a entrada e a saída das tubulações é de cerca de 4 ° C , o que provoca pequenas alterações, mas para mitigar ainda mais os impactos na flora e na fauna, a água é rejeitada em profundidade. Para as plantas de 400 MW, a mudança para os tubos de entrada é de 0,2 ° C . De momento, estas instalações estão desenvolvidas para ilhas (20 MW), e permanecem muito dispersas, o risco então é insignificante. Mas você deve se preocupar com o risco cumulativo de grandes instalações. Um estudo focou no Golfo do México , modelando 100 usinas de 200 MW. Após 30 anos de operação, nota-se que a temperatura da superfície tenha caído por 0,05 ° C , e a temperatura profunda aumentou por um ° C .
Para pequenas instalações de 20 MW, podemos nos dar ao luxo de descarregar a água na superfície. Existe, porém, para instalações maiores, um fenômeno semelhante à ressurgência do fundo (" ressurgência "), que promove nutrientes e estimula o enriquecimento da vida aquática. A ressurgência é um fenômeno oceanográfico que ocorre quando fortes ventos marítimos empurram as águas superficiais dos oceanos, deixando um vazio onde a água do fundo pode subir e com ela uma quantidade significativa de nutrientes.
A aspiração das espécies vivas é levada em consideração: para isso, as grades são colocadas na entrada das tubulações, e elas ficam longe da costa no que diz respeito às águas superficiais. Quanto à água fria, quase não há vida a 800 metros de profundidade.
Para lutar contra um problema marítimo recorrente que é bioincrustante e melhorar o desempenho da máquina, uma dose de biocida (0,02 ppm de concentração molar diária) é usada, que está cinco vezes abaixo do limite regulatório americano. Hoje, a dose de biocida deve ser reduzida para 0,01 ppm, ou 10 vezes abaixo do limite regulatório dos EUA.
O único risco possível de acidente em uma instalação ETM é o risco de perda de amônia. Mesmo que seja um nutriente, muito pode ter impactos negativos no meio ambiente. A amônia é um fluido conhecido amplamente utilizado e os sistemas de segurança são confiáveis.
Águas profundas são mais ricas em CO 2do que as águas superficiais. Um estudo de Sullivan mostra que se todo o CO 2foi lançado, uma planta ETM iria emitir 4 vezes menos CO 2do que uma usina de combustível fóssil. Felizmente, apenas uma pequena parte do CO 2é libertado. Para um ciclo aberto, cerca de um centésimo dos 700g por kWh de uma usina fóssil, e para um ciclo fechado, a taxa seria ainda menor. No final, uma planta ETM é 99 vezes menos poluente em CO 2 do que uma usina fóssil.
Para finalizar, estudos mostram que se fosse possível recuperar 0,07% da energia solar absorvida pelos oceanos, o que representaria 10 milhões de MW, as consequências ambientais seriam insignificantes.
Além de eletricidade, uma planta ETM pode produzir:
Atualmente, o preço por kWh das usinas próximas à costa (baixa potência) continua alto. Para rentabilizar o processo ETM, seria mais interessante produzir combustíveis sintéticos ( hidrogênio , amônia , metanol ).
O hidrogênio foi escolhido como portador de energia porque atende a dois critérios:
Laboratório de Energia Térmica Marinha do Havaí (NELHA) Estudo da História da NELHA:
Na verdade, estamos localizados na ponta da Ilha Grande , uma das ilhas do Havaí , e então é fácil ter acesso à água. Além disso, o Havaí é uma espécie de recife onde a queda atinge profundidades íngremes, a poucos metros do planalto de corais da ilha do Havaí. E a partir de um ponto de vista geográfico, Hawaii está localizado na área onde as águas de superfície permanecem relativamente constantes ao longo do ano, com uma temperatura média de 26 ° C .
A organização NELHA sediada no Havaí visa tornar o projeto ETM uma realidade. Essa empresa financiada pelos Estados Unidos busca provar que, com a ETM, podemos obter bons retornos na produção de eletricidade, hidrogênio e água potável. A base está localizada em um local bem específico, para podermos implementar tal projeto, e assim demonstrar o sistema operacional desta máquina térmica. Estabelecido em muitos hectares, também é interessante estabelecer coproduções em torno de um único ETM. Assim, permite uma vida industrial ativa, a criação de empregos e uma menor pegada de carbono, uma vez que o transporte entre edifícios demora alguns quilómetros.
Hoje, a NELHA possui um enorme site que possui três tipos de tubos: um de superfície e dois de profundidade. Já os dutos de superfície estão localizados em um perímetro de 180 metros da costa, a uma profundidade de 13,5 metros. Eles são colocados a uma distância precisa do fundo do mar para que a areia, os corais e a vida aquática não sejam sugados. Aqui, seus tubos foram colocados a 13,5 metros do fundo.
No que se refere às tubulações profundas, existem duas, uma recente e uma antiga. O antigo gasoduto bombeava água a 6 ° C , a uma profundidade de 600 metros. Porém, atualmente, a ETM do Havaí recorre a 900 metros de profundidade, para obter água de 4 ° C , por meio de 55 tubulações montadas.
Essa fonte de energia não deve ser confundida com a energia geotérmica , que visa - esquematicamente - explorar o calor do subsolo terrestre .
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