Interpretación artística de una planta OTEC de 10 MW.
La Conversión de Energía Térmica Oceánica (OTEC) es un proceso que puede producir electricidad utilizando la diferencia de temperatura entre el agua oceánica fría profunda y las aguas superficiales tropicales cálidas. Las plantas OTEC bombean grandes cantidades de agua de mar fría profunda y agua de mar superficial para ejecutar un ciclo de energía y producir electricidad. OTEC es firm power (24/7), una fuente de energía limpia, ambientalmente sostenible y capaz de proporcionar niveles masivos de energía.
Recientemente, el aumento de los costos de electricidad, el aumento de la preocupación por el calentamiento global y el compromiso político con la seguridad energética han hecho que la comercialización inicial de OTEC sea económicamente atractiva en comunidades de islas tropicales donde un alto porcentaje de la producción de electricidad se basa en el petróleo. Incluso dentro de los Estados Unidos, este mercado insular es muy grande; a nivel mundial es muchas veces más grande. A medida que la tecnología OTEC madura, debería volverse económicamente atractiva en el sureste de los Estados Unidos.
Makai ha sido pionero en la investigación OTEC desde que trabajó en la primera planta de producción de energía neta en 1979. Desde entonces, Makai ha sido subcontratista o contratista principal para docenas de contratos únicos de investigación y desarrollo en OTEC. Makai ha trabajado con Lockheed Martin y otros en el pasado para desarrollar plantas OTEC de 100 MW para comunidades insulares como Hawai y Guam.
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Makai ha desarrollado una experiencia reconocida internacionalmente en OTEC en las áreas de diseño de plantas comerciales y piloto, modelado técnico y económico general, diseño y prueba de intercambiadores de calor, diseño e implementación de tuberías de agua fría, efectos ambientales (modelado de plumas hidráulicas y biológicas) y cable de alimentación a tierra.
¿por Qué los estados UNIDOS tienen este Océano Centro de Investigación de Energía?
El Centro de Investigación de Energía Oceánica en Kailua-Kona, Hawai
- Aire acondicionado de agua de mar (SWAC)
- Intercambiadores de calor marinos para otras aplicaciones
- Investigación de corrosión marina.
El OERC es la única instalación de investigación de su tipo con acceso continuo a agua de mar de poca profundidad y profundidad. Se ha instalado un generador de turbina para completar la planta de energía OTEC terrestre del OERC, suministrando energía OTEC de ciclo cerrado a la red por primera vez en la historia de los Estados Unidos a partir de finales del verano de 2015.
- Tuberías: Investigación y diseño de tuberías de agua fría en curso.
- Efectos Ambientales: Estudios de hidro y bio-penacho de agua de descarga múltiple.
¿Qué se está haciendo en el OERC?
Operación de la central eléctrica OTEC
Makai agregó un generador de turbina de 100 kW al OERC en agosto de 2015. Actualmente es la planta OTEC conectada a la red más grande del mundo. Esta central eléctrica OTEC en pleno funcionamiento ofrece varios beneficios:
- Desarrollo de sistemas de automatización y control de potencia OTEC
- Mida la potencia de salida real frente a la prevista
- Utilice datos operativos a largo plazo para mejorar los diseños de plantas OTEC comerciales futuras y las proyecciones de costos
Pruebas OTEC y de intercambiadores de calor marinos
A la planta básica de ciclo cerrado OTEC se muestra en la figura anterior. El agua de mar caliente pasa a través de un evaporador y vaporiza el líquido de trabajo, el amoníaco. El vapor de amoníaco pasa a través de una turbina que hace girar un generador que produce electricidad. El vapor de baja presión sale de la turbina y se condensa en el condensador conectado a un flujo de agua de mar fría profunda. El amoníaco líquido sale del condensador y se bombea al evaporador para repetir el ciclo.El Centro de Investigación de Energía Oceánica (OERC) es una herramienta esencial para el desarrollo y la prueba de intercambiadores de calor OTEC candidatos. Los intercambiadores de calor serán el componente más caro de una planta OTEC comercial en alta mar y, por lo tanto, optimizar su costo, longevidad y rendimiento es fundamental para el éxito económico de OTEC. Las condiciones de funcionamiento de los intercambiadores de calor OTEC son únicas y aún no se ha desarrollado un diseño óptimo.
El OERC permite a los ingenieros de OTEC diseñar, construir y probar rápidamente intercambiadores de calor OTEC en una planta OTEC operativa en tierra, proporcionando la retroalimentación necesaria para la optimización. Makai utiliza un software de análisis de planta OTEC único para diseñar intercambiadores de calor que tienen en cuenta la vida útil, el rendimiento (transferencia de calor y eficiencia de bombeo) y el costo (fabricación y efecto en la plataforma), para permitir una verdadera optimización. Makai está en proceso de ampliar un diseño para un diseño compacto, resistente a la corrosión y de bajo costo que podría revolucionar los intercambiadores de calor OTEC. Además, Makai proporciona servicios de pruebas de rendimiento objetivo a otras empresas de ingeniería OTEC para múltiples intercambiadores de calor simultáneamente.
¿Cuál es el futuro del OERC?
El Centro de Investigación de Energía Oceánica de Makai continuará sirviendo como el principal banco de pruebas para la tecnología OTEC y una plataforma para la colaboración con la comunidad internacional OTEC. Makai es un proveedor de servicios de ingeniería y, por lo tanto, trabajamos con múltiples desarrolladores de proyectos OTEC para proporcionar orientación técnica objetiva en todos los niveles, desde ingeniería y viabilidad económica hasta diseño de componentes. Por último, la operación de una planta de OTEC en tierra por Makai proporcionará conocimientos y experiencia invaluables para el siguiente paso en la comercialización de OTEC: la construcción de una planta piloto a gran escala.
Beneficios y oportunidades de OTEC
OTEC es, en muchos sentidos, una solución muy atractiva para los problemas energéticos de Estados Unidos (Seguridad energética, Volatilidad de Precios, Suministro Insostenible, Cambio Climático y Riesgos ambientales):
- Inmenso recurso: OTEC es energía solar, que utiliza los océanos como sistema de almacenamiento térmico para 24 producción de horas. A diferencia de otras energías renovables, la energía máxima disponible de OTEC no está limitada por la tierra, las costas, el agua, el impacto ambiental, el impacto humano, etc.
- Potencia de carga base: OTEC produce electricidad de forma continua, las 24 horas del día durante todo el año. Las fuentes de energía renovables intermitentes no son de carga básica y a menudo requieren el almacenamiento de su energía durante las horas pico de producción para su consumo posterior. Las grandes plantas OTEC de carga básica podrían comenzar a reemplazar las centrales eléctricas alimentadas con combustibles fósiles sin comprometer la estabilidad de la red.
- Potencia despachable: OTEC es despachable, lo que significa que su potencia se puede aumentar y disminuir rápidamente (en cuestión de segundos) para compensar la fluctuación de la demanda o el suministro de energía de las energías renovables intermitentes. Por esta razón, OTEC es complementario a otras energías renovables como la solar y la eólica, y podría permitir una mayor penetración en la red al tiempo que ayuda a mantener su estabilidad.
- Seguridad: OTEC ofrece la oportunidad de aprovechar un inmenso recurso energético que no está controlado por otras naciones.
- Renovable: Se cree conservadoramente que la OTEC es sostenible a cuatro o más veces la producción total de energía eléctrica actual del hombre.
- Energía Limpia: OTEC tiene el potencial de ser una energía alternativa muy limpia, única para una fuente de energía firme capaz de satisfacer necesidades energéticas masivas. El riesgo ambiental con OTEC es muy bajo.
- Offshore: La producción OTEC se produce en alta mar. Los recursos de tierra no son necesarios más que para el desembarque en tierra. La OTEC no compite por otros recursos vitales, como alimentos y agua dulce.
- Bajo riesgo: La OTEC de Ciclo Cerrado convencional es una OTEC de bajo riesgo
El problema con esta notable energía renovable es el costo. En la actualidad, se pueden construir plantas OTEC que sean económicamente atractivas para Hawai, Puerto Rico y Guam (a tarifas eléctricas de poco más de veinte centavos por kWh de autonomía sin créditos de energía). Makai Ocean Engineering realizó un estudio para la Oficina de Investigación Naval en el que se analizó una industria OTEC en alta mar que proporciona energía a los Estados Unidos continentales a través del amoníaco como portador de energía. Estos futuros precios OTEC son ligeramente elevados, pero están cerca de competir con otras energías renovables y con márgenes de error superpuestos.
Los ganadores: Island communities, U. S. Departamento de Defensa (que han sido fuertes partidarios de OTEC y quieren plantas OTEC más pequeñas para ubicaciones de bases), y el público estadounidense. Una industria OTEC madura y bien desarrollada (que existirá después de construir docenas de plantas OTEC solo para proporcionar a las islas tropicales de los Estados Unidos) es una tremenda tecnología de respaldo, ya que los Estados Unidos se están volviendo más dependientes de la energía nuclear y el carbón limpio para satisfacer nuestras necesidades no relacionadas con el petróleo. Esas tecnologías conllevan un enorme riesgo para el medio ambiente. En algunos casos, la biomasa, la energía eólica y la solar pueden proporcionar energía de menor costo, pero la cantidad total de energía suministrada es limitada. Contar con OTEC como alternativa viable y competitiva en costos sería una posición muy saludable para los Estados Unidos.
Los desarrollos recientes
Desde 2008, el aumento de los precios de la energía, las preocupaciones ambientales y la nueva política energética del Departamento de la Marina llevaron al apoyo gubernamental y comercial para mejorar las tecnologías OTEC clave. Al mismo tiempo, Makai Ocean Engineering y Lockheed Martin reavivaron su anterior soporte OTEC de la década de 1970, y dirigieron recursos internos de R&D para crear un equipo de desarrollo de tecnología OTEC.
- Lockheed inventó una tecnología única de fabricación de tuberías de agua fría de fibra de vidrio, que condujo a un proyecto financiado por el Departamento de Energía.
- El Comando de Ingeniería de Instalaciones Navales (NAVFAC) realizó una licitación competitiva durante 2009 para que las empresas desarrollaran diseños de plantas OTEC destinados a bases navales tropicales. Makai y Lockheed Martin ganaron este proyecto y han estado refinando los diseños para cumplir con los requisitos de NAVFAC.
- La Oficina de Investigación Naval (ONR) y NAVFAC han financiado conjuntamente la construcción de una nueva Instalación de Pruebas de Intercambiadores de Calor OTEC. Makai Ocean Engineering es el diseñador y contratista de esta instalación, y llevará a cabo pruebas de rendimiento y corrosión de varios diseños de intercambiadores de calor que están siendo construidos por varias empresas diferentes. Este esfuerzo también cuenta con el apoyo del Estado de Hawai.
Ben Markus de Hawaii Public Radio publica la historia «Ocean Power Gains New Life» con respecto a OTEC R& D de Makai y Lockheed Martin.
Fabricación de intercambiadores de calor y R&Instalación D
A finales de 2016, Makai completó la instalación de sofisticados equipos de fabricación avanzada para la creación rápida de prototipos y la fabricación de intercambiadores de calor de grado marino en nuestro Centro de Investigación de Energía Oceánica en el Laboratorio de Energía Natural del campus de la Autoridad de Hawái (NELHA). Este proyecto fue posible gracias a subvenciones de la Oficina de Investigación Naval (ONR) en asociación con el Instituto de Energía Natural de Hawái de la Universidad de Hawái (UH-HNEI), con fondos equivalentes del Programa de Asistencia a la Fabricación (MAP) de la Corporación de Desarrollo de Alta Tecnología.
Esta nueva instalación de vanguardia cuenta con equipos de fabricación avanzados que se utilizarán en la fabricación de diseños de intercambiadores de calor completamente nuevos e innovadores. Además de servir a centrales eléctricas de conversión de energía térmica oceánica (OTEC), estas unidades intercambiadoras de calor se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones, que incluyen:
- refrigeración por agua de mar y de lago para centrales eléctricas,
- licuefacción de gas natural líquido (GNL),
- fábricas de pulpa de papel,
- fábricas de acero y mineral de hierro,
- alimentos & plantas de procesamiento de bebidas,
- instalaciones petroquímicas,
- desalinización y
- refrigeración a bordo, especialmente para la Marina de los Estados Unidos.
Con una población cada vez más electrificada y preocupaciones sobre la eficiencia energética y la huella de carbono en aumento en todo el mundo, los usuarios industriales y militares están buscando formas de hacer un uso más eficiente de sus recursos de energía térmica. Los nuevos intercambiadores de calor de Makai se están desarrollando para satisfacer estas demandas.
La participación de Makai en la investigación relacionada con OTEC
Makai tiene una participación larga e intensa con OTEC. La siguiente tabla muestra los proyectos OTEC que abarcan 30 años y se remontan a la primera planta OTEC de producción de energía neta en 1979 con Lockheed Martin y el Estado de Hawai.
Navegación
Makai estuvo involucrado con Lockheed Martin y la Marina de los Estados Unidos en el desarrollo comercial de plantas OTEC de 100 MW para comunidades insulares como Hawai y Guam en 2009. Tenemos programas importantes en diseño y pruebas de intercambiadores de calor, modelado de penachos, diseño de módulos de energía, diseño de plantas, manejo e implementación de tuberías de agua fría, diseño de plantas piloto, análisis del cable de alimentación a tierra y modelado de bioplumas.
Makai se ha aprovechado de nuestro estudio OTEC SBIR realizado para ONR y gestionado por NAVFAC entre 2005 y 2008 (proyecto #10 en la tabla anterior), que reconoció el potencial de OTEC en el mercado energético actual y la crisis climática. Ese estudio desarrolló una evaluación detallada de plantas OTEC flotantes a corto plazo que suministran electricidad a la costa y una industria OTEC a largo plazo que fabrica un portador de energía para los Estados Unidos continentales. Se desarrollaron diseños iniciales de plantas y herramientas analíticas que son las principales herramientas de diseño que se utilizan hoy en día en la planificación OTEC. Un plan de desarrollo que se está implementando ahora. Los proyectos posteriores, ítems 1 a 9, han sido una consecuencia directa de este trabajo anterior de SBIR. En mayo de 2010, Makai recibió de la Administración de Pequeñas Empresas el Premio Contratista del Año de la Región IX en 2010 por nuestro trabajo en este proyecto OTEC y aprovecharlo en el programa OTEC que está en marcha hoy.
Durante el transcurso de este trabajo de ONR SBIR, Makai se dio cuenta de que necesitábamos un socio importante en este desarrollo y nos acercamos a Lockheed Martin (anteriormente trabajamos juntos en Mini OTEC en 1979). De este modo, pudimos aprovechar nuestro entusiasmo, la experiencia OTEC y las herramientas analíticas al alinearnos con Lockheed Martin Corporation. En este acuerdo de trabajo en equipo, nos centramos en un enfoque para desarrollar la primera planta OTEC comercial importante del mundo a 100 MW. Todavía no se ha construido una planta de OTEC de este tamaño. En la figura anterior se muestra una planta piloto más pequeña.
Pruebas de pinzas para tuberías de agua fría OTEC en Makai Ocean Engineering
Se diseñó una planta OTEC flotante de 100 MW para el estudio NAVFAC. En una planta OTEC flotante en alta mar, se extrae agua de mar profunda y fría a través de una tubería vertical de fibra de vidrio desde una profundidad de 1000 metros (3300 pies). Esta tubería de agua fría tendría un diámetro de 10 metros (33 pies), y su peso en agua sería de más de 2,1 millones de kilogramos (2300 toneladas). Esta tubería no tiene precedentes en la industria de alta mar y Lockheed Martin ha desarrollado un método para fabricar esta tubería de fibra de vidrio mientras se encuentra en una plataforma OTEC flotante en el mar.
Un gran desafío de ingeniería, sin embargo, es cómo bajar de forma segura esta tubería grande, flexible y delicada hasta el océano, ya que se fabrica sección por sección en la cubierta de la plataforma. Makai ha diseñado un sistema para llevar a cabo esta tarea, y se ha construido y probado un modelo a escala 1/20 en el Muelle de Investigación de Makai.
El aparato consta de dos «Pinzas», llamadas así por la forma en que soportan el peso de la tubería al agarrarse al exterior de la tubería. Estas pinzas aprietan el exterior de la tubería por todos los lados y sostienen el peso vertical de la tubería a través de almohadillas de goma reforzadas con Kevlar mediante fricción. Las dos pinzas son idénticas en estructura, excepto que la Pinza inferior se mueve hacia arriba y hacia abajo utilizando cilindros hidráulicos y la pinza superior se fija a la plataforma. Las pinzas bajan la tubería mediante una secuencia de entrega en la que las Pinzas transfieren el peso de un lado a otro; solo se debe apretar una pinza en la tubería en todo momento.
Las principales preocupaciones consideradas en el diseño incluyen aplastar la tubería y dejar caer la tubería. Todas estas preocupaciones se resolvieron con el diseño desarrollado por Makai. Pruebas rigurosas de este modelo mostraron que las pinzas pueden soportar y bajar la tubería de forma confiable (¡e incluso sujetar la tubería sin alimentación!) y las pinzas se han diseñado para plantas OTEC de 10 MW y 100 MW sobre la base de estas lecciones aprendidas.
Instalación de Prueba de Intercambiadores de Calor OTEC en NELHA
Se ha construido una instalación de prueba en el Laboratorio de Energía Natural de Hawái (NELHA), en la Isla Grande de Hawái. NELHA es un parque tecnológico empresarial de propiedad estatal que proporciona agua de mar cálida y fría a sus inquilinos. El agua de mar profunda se obtiene a través de una tubería de admisión de 40″ de 620 metros de profundidad o una tubería de 55″ de 914 metros de profundidad. NELHA puede suministrar un total de 26,000 gpm de agua de mar fría, con los flujos de agua caliente correspondientes. Ninguna otra instalación en el mundo puede proporcionar flujos tan grandes de agua de mar profunda.
La instalación de prueba del intercambiador de calor es una torre de 40 pies de altura que admite hasta tres evaporadores diferentes, tres condensadores diferentes, tuberías de agua de mar de 24 pulgadas y un sistema de tuberías de fluido de trabajo de amoníaco instrumentado con precisión con dos bombas y recipientes a presión. La instalación de prueba permite a Makai medir el rendimiento de los evaporadores y condensadores, en función de la velocidad del agua, la diferencia de temperatura y el caudal de amoníaco. La figura de la derecha muestra la instalación en construcción a mediados de octubre de 2010, partes de estos sistemas son visibles.
NAVFAC y ONR patrocinaron la instalación porque es más rentable probar el rendimiento de los intercambiadores de calor en tierra, en lugar de incurrir en los altos costos incidentales de instalarlos en un barco flotante con su sistema de amarre. Se pueden realizar pruebas a «pequeña» escala adecuadamente concebidas porque los intercambiadores de calor OTEC son componentes modulares. Por ejemplo, un intercambiador de calor prototipo en la instalación tendrá una sección transversal de un poco menos de un metro cuadrado, tendrá una altura de 2 a 8 metros de altura y requerirá un flujo de agua de mar de diseño típico de 0,25 m3/seg (4000 gpm). La instalación nos permitirá confirmar cuidadosamente el rendimiento previsto de un intercambiador de calor, validando el trabajo de diseño posterior para instalaciones mucho más grandes.
Descargue el Folleto de Instalaciones de NELHA
Modelo hidrodinámico OTEC en Makai
Makai desarrolló recientemente un modelo hidrodinámico numérico para evaluar los impactos físicos de las descargas OTEC en medio ambiente oceánico con financiación del Centro de Excelencia de Defensa Nacional para la Investigación en Ciencias Oceánicas. Teniendo en cuenta que no se han construido plantas OTEC, no está claro cómo el entorno oceánico cercano se verá afectado por la descarga de aguas profundas ricas en nutrientes. El objetivo del proyecto era crear un conjunto de herramientas para el diseño sostenible de plantas OTEC, que para una planta de 100 MW requeriría 720 m3/s de agua de mar fría rica en nutrientes y 420 m3/s de aguas superficiales cálidas.
El modelo hidrodinámico 3D se basa en el Código Ambiental de Dinámica de Fluidos (EFDC) aprobado por la EPA y está personalizado para generar con precisión los campos de flujo regional y los campos de densidad suministrados por el Sistema de Modelado Regional de Océanos asimilativo de Datos (ROMS) de la Universidad de Hawái. Las plantas OTEC se «insertaron» en el dominio utilizando un modelo de penacho de chorro de elementos finitos acoplados dinámicamente, que simula el arrastre y la mezcla turbulenta de penachos a gran escala. El desarrollo exitoso del modelo proporciona las herramientas necesarias para predecir el impacto de las plantas OTEC en presencia de condiciones oceánicas realistas y variables en el tiempo.
Los resultados del esfuerzo se presentaron en el taller ambiental OTEC de la NOAA en junio de 2010, y el Departamento de Energía ha financiado una extensión del proyecto (en el marco de la Iniciativa de Hidrocinética Marina) para desarrollar un componente biológico del modelo con el fin de evaluar cualquier bioestimulación que pueda ocurrir debido a las descargas ricas en nutrientes.
Descargue el Informe de Revisión por pares de Tecnologías de Energía Hidráulica de 2011
Modelo de pluma Biológica OTEC
Modelo de penacho biológico OTEC
La conversión de Energía Térmica oceánica (OTEC) utiliza grandes flujos de agua de mar de superficie cálida y agua de mar fría profunda para generar electricidad limpia. El océano tropical en un sitio típico de OTEC tiene dos capas distintas: una capa superficial cálida con bajos niveles de nutrientes y una capa profunda fría rica en nutrientes. La introducción de nutrientes profundos en las capas superiores iluminadas por el sol del océano podría aumentar el crecimiento de plancton o causar floraciones de algas. Por lo tanto, el agua de mar descargada de una planta OTEC debe devolverse al océano lo suficientemente profundo para que estos nutrientes no desencadenen el crecimiento biológico.
El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha publicado un informe que describe el impacto biológico simulado de la operación de grandes plantas OTEC. El estudio fue realizado por Makai Ocean Engineering bajo una subvención de costo compartido y se puede descargar aquí. Este informe ha sido revisado por pares por DoE para Dispositivos de Energía Hidrocinética Marina & en las páginas xii y 167 aquí.
Este nuevo software es la herramienta más sofisticada para modelar los efectos ambientales de OTEC hasta la fecha. Cuando se ejecuta con una planta OTEC, el modelo puede determinar el tamaño, la profundidad y los flujos de las descargas de agua de mar de la planta OTEC que minimizarían los aumentos de plancton. En todos los casos modelados en aguas hawaianas, no se produjo ningún aumento en los niveles de plancton en los 40 metros superiores (130 pies) del océano. De 40 a 120 metros (130 a 400 pies) El crecimiento de plancton inducido por OTEC es bajo y está dentro de la variabilidad natural. Estos resultados sugieren que las grandes plantas OTEC adecuadamente diseñadas no causarán un aumento significativo en el crecimiento biológico. Este modelo será importante para los desarrolladores y reguladores a medida que se desarrolle la OTEC comercial.
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