Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας

Transcript

1 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας Ενότητα : Ωκεάνια Θερμική Ενέργεια I Σκόδρας Γεώργιος, Αν. Καθηγητής gskodras@uowm.gr Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ψηφιακά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί Η εκμετάλλευση της ωκεάνιας θερμικής ενέργειας αποτελεί πρόκληση για το μέλλον Κατανόηση της χρησιμότητας, της αναγκαιότητας και των δυνατοτήτων της ωκεάνιας θερμικής ενέργειας Γνώση της διαδικασίας εξαγωγής ενέργειας από την μετατροπή της θερμικής ενέργειας των ωκεανών Ορολογία Κανονική θερμική διαβάθμιση Θερμική διαβάθμιση Ωκεάνια θερμική ενέργεια Αγωγός πίεσης 4

5 Μετατροπή ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (1/2) Η ωκεάνια θερμική ενέργεια αποτελεί σημαντικό απόθεμα για μελλοντική χρήση Κατά την μετατροπή της ωκεάνιας θερμικής ενέργειας γίνεται εκμετάλλευση της θερμοκρασιακής διαφοράς μεταξύ των θερμών επιφανειακών νερών και των ψυχρών βαθύτερων νερών 5

6 Μετατροπή ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (2/2) Κατά την μετατροπή της ωκεάνιας θερμικής ενέργειας, η ηλιακή ενέργεια εξάγεται από τον ωκεανό και χρησιμοποιείται για την λειτουργία κάποιας στροβιλογεννήτριας Από την δεκαετία 1820 ο Γάλλος φυσικός Sadi Carnot είχε αποδείξει ότι μπορούσε να εξαχθεί μηχανική ενέργεια από τη ροή θερμότητας μεταξύ μιας θερμότερης και μιας ψυχρότερης περιοχής 6

7 Ιστορική αναδρομή (1/3) Ο Γάλλος φυσικός Arsene d Arsonval, το 1881, πρώτος πρότεινε την παραγωγή ηλεκτρισμού από τις θερμοκρασιακές διαφορές του ωκεανού Το πρώτο σύστημα κατασκευάστηκε και δοκιμάστηκε το 1930 στο Matarizas Bay, στις βορειο-δυτικές ακτές της Κούβας, και παρήγαγε ισχύ πάνω από 20 kw. Πλην όμως κατανάλωνε περισσότερη ενέργεια από όση παρήγαγε Από την δεκαετία 1940 μέχρι την δεκαετία 1970 διεξήχθησαν πολλά πειράματα βελτίωσης των χαρακτηριστικών λειτουργίας τέτοιων συστημάτων 7

8 Ιστορική αναδρομή (2/3) Παρά τις σχεδιαστικές βελτιώσεις, η τεχνολογία δεν υιοθετήθηκε λόγω της αφθονίας και του χαμηλού κόστους των καυσίμων υδρογονανθράκων Στα τέλη της δεκαετίας 1970, λόγω της πετρελαϊκής κρίσης, χώρες όπως η Γαλλία, η Ιαπωνία, η Σουηδία, οι ΗΠΑ άρχισαν να ασχολούνται εντατικά προς την κατεύθυνση αυτή 8

9 Ιστορική αναδρομή (3/3) Ένα επιτυχημένο πρόγραμμα των ΗΠΑ διεξήχθη στην Χαβάη Το εργοστάσιο αυτό (MINI-OTEC), τέθηκε σε λειτουργία τις 27 Αυγούστου του 1979 Ήταν πλωτό και αγκυροβολημένο στο Kaahole Point και μπορούσε να παράγει MW καθαρής ηλεκτρικής ισχύος (μετά την κάλυψη της ιδιοκατανάλωσης) 9

10 Δυναμικό εργοστασίων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (1/5) Οι ωκεανοί αποτελούν ένα τεράστιο σύστημα συλλογής της ηλιακής ενέργειας Εκτιμάται ότι οι ωκεανοί απορροφούν περίπου το ¼ της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην ατμόσφαιρα της γης Επειδή, τα συστήματα μετατροπής της ωκεάνιας θερμικής ενέργειας είναι πρακτικά μόνο σε περιοχές με θερμοκρασιακές διαφορές νερού από 1,5 ως 10 C ή ακόμη περισσότερο, γι αυτό περιορίζονται στις τροπικές περιοχές του πλανήτη 10

11 Δυναμικό εργοστασίων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (2/5) Οι καταλληλότερες θέσεις βρίσκονται μεταξύ του Τροπικού του Καρκίνου και του Τροπικού του Αιγόκερω (μια λωρίδα γης και κυρίως νερού γύρω από τον Ισημερινό) Μερικές από τις καλύτερες τοποθεσίες τέτοιων συστημάτων βρίσκονται στον Ειρηνικό ωκεανό, όπου συναντώνται θερμοκρασιακές διαφορές μεγαλύτερες των 21 C 11

12 Δυναμικό εργοστασίων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (3/5) Παρά τους περιορισμούς του σημείου τοποθέτησης, το δυναμικό ευρείας κλίμακας εκμετάλλευσης της ενέργειας αυτής είναι ενθαρρυντικό Τα θερμά νερά της τροπικής ζώνης παρέχουν 36 εκατ. Τετραγωνικών μιλίων, όπου θα μπορούσαν να τοποθετηθούν τέτοιες εγκαταστάσεις (περίπου το διπλάσιο διαθέσιμο δυναμικό της αιολικής ενέργειας) 12

13 Δυναμικό εργοστασίων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (4/5) Η θερμική ενέργεια των ωκεανών είναι τεράστια, και το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ εκτιμά ότι από το ρεύμα του Κόλπου (Gulf stream) θα μπορούσαν να παραχθούν 170 τρις kwh ηλεκτρισμού, που είναι περισσότερο από 50 φορές η ετήσια παραγωγή ηλεκτρισμού στις ΗΠΑ Θεωρητικά οι ωκεανοί μπορούν να δώσουν αρκετή θερμική ενέργεια, έτσι ώστε να ικανοποιήσουν όλες τις παγκόσμιες ανάγκες 13

14 Δυναμικό εργοστασίων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (5/5) Αν και ο βαθμός απόδοσης των εγκαταστάσεων αυτών είναι χαμηλός, εν τούτοις παραμένει ελκυστική καθώς είναι ελεύθερη, απεριόριστη και συνεχώς ανανεώσιμη Ο βαθμός απόδοσης σχετίζεται άμεσα με την διαφορά θερμοκρασίας (ΔΤ), μεταξύ θερμού και ψυχρού νερού Τυπικά για την οικονομική λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος απαιτείται μια θερμοκρασιακή διαφορά τουλάχιστον 1,5 έως 10 C 14

15 Λειτουργία συστημάτων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (1/4) Η λειτουργία ενός συστήματος μετατροπής της ωκεάνιας θερμικής ενέργειας είναι αρκετά απλή Μέχρι σήμερα έχουν δοκιμαστεί αρκετές βασικές σχεδιάσεις, που περιλαμβάνουν τα συστήματα κλειστού τύπου, ανοιχτού τύπου καθώς και ένα υβριδικό Ένα τέτοιο εργοστάσιο μπορεί να λειτουργεί από την ξηρά, από μια πλωτή πλατφόρμα ή κάποιο πλοίο Αν και υπάρχει πολλή συζήτηση για το ποιο σύστημα είναι το καλύτερο, οι εκτιμήσεις για το μέλλον δείχνουν ότι ένα ή περισσότερα από αυτά θα βρίσκονται σε ανταγωνιστική λειτουργία με άλλες εγκαταστάσεις παραγωγής ηλεκτρισμού 15

16 Λειτουργία συστημάτων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (2/4) Σύστημα ωκεάνιας θερμικής ενέργειας κλειστού τύπου: Το θερμό επιφανειακό νερό αντλείται μέσα στην εγκατάσταση, από μεγάλες αντλίες κυκλοφορίας Η αντλούμενη ποσότητα εξαρτάται από το εργοστάσιο Ένα τυπικό εργοστάσιο παραγωγής MW θα αντλεί περίπου gal νερού (1 gal = 3.78 l) Το θερμό νερό ακολούθως διέρχεται από μια σειρά εναλλακτών θερμότητας, για την απομάκρυνση της θερμικής ενέργειας Η ενέργεια αυτή μεταφέρεται σε κάποιο ψυκτικό μέσο και το νερό απομακρύνεται από το εργοστάσιο, μακριά από την είσοδο του νερού 16

17 Λειτουργία συστημάτων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (3/4) 17

18 Λειτουργία συστημάτων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (4/4) Όταν το ψυκτικό φθάσει στο σημείο βρασμού του, εξατμίζεται (τα περισσότερα ψυκτικά μέσα βράζουν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, μικρότερες των 17,78 F Το ψυκτικό μέσο, σε αέρια πλέον μορφή και πίεση μικρότερη από 10,21 atm, οδηγείται σε μια στροβιλογεννήτρια Ο στρόβιλος της γεννήτριας περιστρέφεται από το εκτονούμενο αέριο ψυκτικό μέσο, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια Αυτό επιτυγχάνεται με την άντληση ψυχρού νερού -1 C έως 1,6 C από βάθος m, το οποίο χρησιμοποιείται για την ψύξη του ψυκτικού Ο ίδιος κύκλος συνεχίζει να επαναλαμβάνεται με τον ίδιο τρόπο 18

19 Σχηματική απεικόνιση εγκατάστασης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την θερμική ενέργεια των ωκεανώντης Lockheed Corporation 19

20 Λειτουργία συστημάτων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (1/3) Σύστημα ωκεάνιας θερμικής ενέργειας ανοιχτού τύπου: Το σύστημα ανοιχτού τύπου, σχεδιάστηκε αρχικά από τον G. Claude στη δεκαετία του 1920 Είναι παρόμοιο με το προηγούμενο με την διαφορά ότι δεν χρησιμοποιείται καθόλου ψυκτικό μέσο Το σύστημα αξιοποιεί το γεγονός ότι το νερό σε χαμηλή πίεση βράζει κάτω από το συνηθισμένο σημείο βρασμού 20

21 Λειτουργία συστημάτων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (2/3) Το θερμό νερό μετατρέπεται σε ατμό σε περιβάλλον μερικού κενού Ο ατμός διέρχεται από έναν στρόβιλο και στην συνέχεια συμπυκνώνεται ερχόμενος σε επαφή με το ψυχρό νερό, που αντλείται από βάθος 900 μέχρι 1500 m Ο στρόβιλος οδηγεί μια γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρισμού 21

22 Λειτουργία συστημάτων ωκεάνιας θερμικής ενέργειας (3/3) Υβριδικό σύστημα ωκεάνιας θερμικής ενέργειας: Τα υβριδικά συστήματα χρησιμοποιούν στοιχεία και από τα δύο προηγούμενα συστήματα για την παραγωγή ηλεκτρισμού, καθώς επίσης και για την παραγωγή πόσιμου νερού από το θαλασσινό Στην περίπτωση αυτή, το θερμό επιφανειακό νερό εξατμίζεται γρήγορα και ο παραγόμενος ατμός συμπυκνώνεται από αμμωνία Η αμμωνία εξατμίζεται και οδηγεί μια στροβιλογεννήτρια παραγωγής ηλεκτρισμού Παράγωγο του συστήματος είναι το πόσιμο νερό, που προκύπτει από την συμπύκνωση του ατμού 22

23 Αντιμετώπιση προβλημάτων (1/2) Η λειτουργία συστημάτων μετατροπής της ωκεάνιας ενέργειας είναι αρκετά απλή, αλλά η απαιτούμενη τεχνολογία είναι αρκετά περίπλοκη Για τις αρχικές δοκιμές χρησιμοποιούνται πλοία και όχι μόνιμες εγκαταστάσεις και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι υπάρχει δυναμικό για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε ανταγωνιστικές τιμές Υπάρχουν όμως προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν Εγκατάσταση και αγκυροβόλιο σε μεγάλο κυματισμό της θάλασσας 23

24 Αντιμετώπιση προβλημάτων (2/2) Αντιμετώπιση της θαλάσσιας διάβρωσης σε όλα τα τμήματα Καθαρισμός διαφραγμάτων εισόδων αντλιών, από τα άλγη και τη θαλάσσια ζωή Βελτίωση των εναλλακτών θερμότητας Ανάπτυξη υποβρυχίων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις Αντιμετώπιση της μεταβαλλόμενης θερμοκρασίας ωκεάνιων ζωνών 24

25 Το μέλλον των συστημάτων Το μέλλον της τεχνολογίας θα καθοριστεί από οικονομοτεχνικά κριτήρια και την ανταγωνιστικότητα της με άλλες μεθόδους Το κόστος κατασκευής μιας μεγάλης εγκατάστασης είναι δύσκολο να εκτιμηθεί, καθώς μέχρι σήμερα έχουν κατασκευαστεί μόνο μικρές επιδεικτικές μονάδες Σύμφωνα με εκτιμήσεις, το κόστος κατασκευής είναι υψηλό και το κόστος παραγωγής ηλεκτρισμού μπορεί να είναι ανταγωνιστικό μόνο εάν συνδυαστεί με την δημιουργία αγορών πόσιμου νερού ή άλλων υποπροϊόντων, που παράγονται από αυτά τα συστήματα 25

26 Υπο-προϊόντα & οφέλη Πόσιμο νερό (μέχρι 15 εκατ. gal ημερησίως από μονάδα 100 MW Άλγη (για βιο-ιατρικές εφαρμογές) Θαλασσινά είδη (αστακοί, στρείδια, αχινοί και φύκη) Ψυχρό θαλασσινό νερό για συστήματα κλιματισμού κτιρίων και ψύξης 26

27 Τέλος Ενότητας 27

28 Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Σκόδρας Γεώργιος. «Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: eclass.uowm.gr/courses/mech244/ 28

29 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Όχι Παράγωγα Έργα Μη Εμπορική Χρήση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] h t t p ://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό 29

30 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 30