Restitution artistique d’une usine OTEC de 10 MW.
La conversion de l’énergie thermique des océans (OTEC) est un processus qui peut produire de l’électricité en utilisant la différence de température entre les eaux océaniques froides profondes et les eaux de surface tropicales chaudes. Les usines OTEC pompent de grandes quantités d’eau de mer froide profonde et d’eau de mer de surface pour exécuter un cycle d’alimentation et produire de l’électricité. OTEC est une puissance ferme (24/7), une source d’énergie propre, durable sur le plan environnemental et capable de fournir des niveaux d’énergie massifs.
Récemment, la hausse des coûts de l’électricité, les préoccupations croissantes pour le réchauffement climatique et un engagement politique en faveur de la sécurité énergétique ont rendu la commercialisation initiale de l’OTEC économiquement attrayante dans les communautés insulaires tropicales où un pourcentage élevé de la production d’électricité est basée sur le pétrole. Même aux États-Unis, ce marché insulaire est très vaste; à l’échelle mondiale, il est plusieurs fois plus grand. À mesure que la technologie OTEC mûrit, elle devrait devenir économiquement attrayante dans le sud-est des États-Unis.
Makai a été un pionnier de la recherche OTEC depuis qu’elle a travaillé sur la première usine de production d’énergie nette en 1979. Depuis lors, Makai a été sous-traitant ou maître d’œuvre pour des dizaines de contrats de recherche et développement uniques en OTEC. Makai a travaillé avec Lockheed Martin et d’autres dans le passé pour développer des usines OTEC de 100 MW pour des communautés insulaires comme Hawaï et Guam.
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Makai a développé une expertise internationalement reconnue en OTEC dans les domaines de la conception d’installations commerciales et pilotes, de la modélisation technique et économique globale, de la conception et des essais d’échangeurs de chaleur, de la conception et du déploiement de conduites d’eau froide, des effets environnementaux (modélisation hydro- et bio-panache) et du câble d’alimentation à terre.
Pourquoi les États-Unis ont-ils ce Centre de recherche sur l’énergie océanique?
Le Centre de recherche sur l’énergie océanique à Kailua-Kona, Hawaï
- Climatisation à l’eau de mer (SWAC)
- Échangeurs de chaleur marins pour d’autres applications
- Recherche sur la corrosion marine.
L’OERC est la seule installation de recherche de ce type à avoir un accès continu à de l’eau de mer peu profonde et profonde. Une turbine-génératrice a été installée pour compléter la centrale OTEC terrestre de l’OERC, fournissant de l’électricité OTEC à cycle fermé au réseau pour la première fois de l’histoire des États-Unis à partir de la fin de l’été 2015.
- Pipelines: Recherche et conception de conduites d’eau froide en cours.
- Effets sur l’environnement: Études d’hydro- et de bio-panache d’eau à rejets multiples.
Que fait-on à l’OERC ?
Exploitation de la centrale OTEC
Makai a ajouté un générateur à turbine de 100 kW à l’OERC en août 2015. Il s’agit actuellement de la plus grande usine OTEC connectée au réseau au monde. Cette centrale OTEC entièrement fonctionnelle offre plusieurs avantages:
- Développement de systèmes de contrôle et d’automatisation de la puissance OTEC
- Mesurer la puissance de sortie réelle par rapport à la puissance prévue
- Utiliser des données opérationnelles à long terme pour améliorer les futures conceptions d’usines OTEC commerciales et les projections de coûts
Tests OTEC et des échangeurs de chaleur marins
A l’installation OTEC de base à cycle fermé est illustrée dans la figure ci-dessus. L’eau de mer chaude passe à travers un évaporateur et vaporise le fluide de travail, l’ammoniac. La vapeur d’ammoniac traverse une turbine qui fait tourner un générateur produisant de l’électricité. La vapeur à basse pression quitte la turbine et se condense dans le condenseur relié à un flux d’eau de mer froide et profonde. L’ammoniac liquide quitte le condenseur et est pompé vers l’évaporateur pour répéter le cycle.L’Ocean Energy Research Center (OERC) est un outil essentiel pour le développement et les tests des échangeurs de chaleur OTEC candidats. Les échangeurs de chaleur seront le composant le plus coûteux d’une usine OTEC offshore commerciale et, par conséquent, l’optimisation de leur coût, de leur longévité et de leurs performances est essentielle au succès économique d’OTEC. Les conditions de fonctionnement des échangeurs de chaleur OTEC sont uniques et une conception optimale doit encore être développée.
L’OERC permet aux ingénieurs OTEC de concevoir, de construire et de tester rapidement des échangeurs de chaleur OTEC sur une usine OTEC opérationnelle à terre, en fournissant le retour d’information nécessaire à l’optimisation. Makai utilise un logiciel d’analyse d’usine OTEC unique pour concevoir des échangeurs de chaleur qui tiennent compte de la durée de vie, des performances (efficacité du transfert de chaleur et du pompage) et du coût (fabrication et effet sur la plate-forme), afin de permettre une véritable optimisation. Makai est en train de développer une conception à faible coût, compacte et résistante à la corrosion qui pourrait révolutionner les échangeurs de chaleur OTEC. En outre, Makai fournit des services de tests de performance objectifs à d’autres sociétés d’ingénierie OTEC pour plusieurs échangeurs de chaleur simultanément.
Quel est l’avenir de l’OERC ?
Le Centre de recherche sur l’énergie océanique de Makai continuera de servir de premier banc d’essai pour la technologie OTEC et de plate-forme de collaboration avec la communauté internationale OTEC. Makai est un fournisseur de services d’ingénierie, et nous travaillons donc avec plusieurs développeurs de projets OTEC pour fournir des conseils techniques objectifs à tous les niveaux, de l’ingénierie et de la faisabilité économique à la conception des composants. Enfin, l’exploitation d’une usine OTEC terrestre par Makai apportera des connaissances et une expertise inestimables pour la prochaine étape de la commercialisation de l’OTEC: la construction d’une usine pilote à grande échelle.
Avantages et opportunités de l’OTEC
L’OTEC est à bien des égards une solution très attrayante aux problèmes énergétiques américains (Sécurité énergétique, Volatilité des prix, Approvisionnement non durable, Changement climatique et Risques environnementaux):
- Immense Ressource: L’OTEC est l’énergie solaire, utilisant les océans comme système de stockage thermique pendant 24 ans. – production à l’heure. Contrairement aux autres énergies renouvelables, l’énergie maximale disponible de l’OTEC n’est pas limitée par les terres, les rives, l’eau, l’impact environnemental, l’impact humain, etc.
- Puissance de charge de base: OTEC produit de l’électricité en continu, 24 heures par jour tout au long de l’année. Les sources d’énergie renouvelables intermittentes ne sont pas une charge de base et nécessitent souvent le stockage de leur énergie pendant les heures de pointe de production pour une consommation ultérieure. Les grandes centrales OTEC à charge de base pourraient en fait commencer à remplacer les centrales à combustibles fossiles sans compromettre la stabilité du réseau.
- Puissance dispatchable: OTEC est dispatchable, ce qui signifie que sa puissance peut être montée et descendue rapidement (en quelques secondes) pour compenser la fluctuation de la demande ou de l’offre d’énergie provenant d’énergies renouvelables intermittentes. Pour cette raison, OTEC est complémentaire à d’autres énergies renouvelables comme le solaire et l’éolien, et pourrait permettre une pénétration accrue sur le réseau tout en contribuant à maintenir sa stabilité.
- Sécurité: OTEC offre la possibilité d’exploiter une immense ressource énergétique qui n’est pas contrôlée par d’autres nations.
- Renouvelable: L’OTEC est considéré de manière conservatrice comme durable à quatre fois ou plus la production totale d’énergie électrique actuelle de l’homme.
- Énergie propre: OTEC a le potentiel d’être une énergie alternative très propre – unique pour une source d’énergie solide capable de répondre à des besoins énergétiques massifs. Le risque environnemental avec OTEC est très faible.
- Offshore : La production OTEC se fait en mer. Les ressources terrestres ne sont pas nécessaires autrement que pour l’atterrissage à terre. OTEC n’est pas en concurrence pour d’autres ressources vitales telles que la nourriture et l’eau douce.
- Risque faible: L’OTEC classique à cycle fermé est un risque faible
Le problème de cette énergie renouvelable remarquable est le coût. À l’heure actuelle, des centrales OTEC peuvent être construites qui seront économiquement attrayantes pour Hawaii, Porto Rico et Guam (à des tarifs électriques légèrement supérieurs à vingt cents par kWh sans crédits d’énergie). Makai Ocean Engineering a réalisé une étude pour le Bureau de la recherche navale portant sur une industrie OTEC offshore fournissant de l’énergie aux États-Unis continentaux via l’ammoniac en tant que vecteur d’énergie. Ces futurs prix OTEC sont légèrement élevés, mais proches de la concurrence avec d’autres énergies renouvelables et avec des marges d’erreur qui se chevauchent.
Les gagnants: Communautés insulaires, États-Unis Département de la Défense (qui ont été de fervents partisans de l’OTEC et veulent des usines OTEC plus petites pour les emplacements de base), et le public américain. Une industrie OTEC mature et bien développée (qui existera après la construction de dizaines d’usines OTEC juste pour fournir les îles tropicales des États-Unis) est une technologie de secours formidable, car les États-Unis se replient dans un coin énergétique et deviennent plus dépendants du charbon nucléaire et propre pour répondre à nos besoins non pétroliers. Ces technologies comportent d’énormes risques environnementaux. La biomasse, l’énergie éolienne et l’énergie solaire peuvent dans certains cas fournir une énergie à moindre coût, mais celles-ci sont limitées dans la quantité totale d’énergie fournie. Avoir l’OTEC comme alternative viable et compétitive en termes de coûts serait une position très saine pour les États-Unis.
Développements récents
Depuis 2008, l’augmentation des prix de l’énergie, les préoccupations environnementales et la nouvelle politique énergétique du ministère de la Marine ont conduit le gouvernement et les entreprises à soutenir l’amélioration des technologies OTEC clés. Parallèlement, Makai Ocean Engineering et Lockheed Martin ont ravivé leur soutien OTEC antérieur des années 1970 et ont dirigé des ressources internes de R&pour créer une équipe de développement technologique OTEC.
- Lockheed a inventé une technologie unique de fabrication de tuyaux d’eau froide en fibre de verre, ce qui a conduit à un projet financé en coopération par le Ministère de l’Énergie.
- Le Naval Facilities Engineering Command (NAVFAC) a lancé un appel d’offres en 2009 pour que les entreprises développent des conceptions d’usines OTEC destinées aux bases navales tropicales. Makai et Lockheed Martin ont remporté ce projet et ont peaufiné leurs conceptions pour répondre aux exigences de NAVFAC.
- L’Office of Naval Research (ONR) et NAVFAC ont financé conjointement la construction d’une nouvelle installation d’essai d’échangeurs de chaleur OTEC. Makai Ocean Engineering est le concepteur et l’entrepreneur de cette installation et effectuera des tests de performance et de corrosion de plusieurs modèles d’échangeurs de chaleur construits par plusieurs entreprises différentes. Cet effort est également soutenu par l’État d’Hawaï.
Ben Markus de la Radio publique d’Hawaï publie l’histoire « Ocean Power gagne une nouvelle vie” concernant OTEC R &D de Makai et Lockheed Martin.
Fabrication d’échangeurs de chaleur et R&Installation D
À la fin de 2016, Makai a achevé l’installation d’équipements de fabrication de pointe sophistiqués pour le prototypage rapide et la fabrication d’échangeurs de chaleur de qualité marine dans notre centre de recherche sur l’énergie océanique sur le campus du Natural Energy Lab of Hawaii Authority (NELHA). Ce projet a été rendu possible grâce à des subventions de l’Office of Naval Research (ONR) en partenariat avec l’Institut de l’énergie naturelle d’Hawaï de l’Université d’Hawaï (UH-HLEI), avec des fonds de contrepartie du Programme d’aide à la fabrication (MAP) de la High Technology Development Corporation.
Cette nouvelle installation à la fine pointe de la technologie comprend des équipements de fabrication de pointe destinés à la fabrication de conceptions d’échangeurs de chaleur entièrement nouvelles et innovantes. En plus de desservir les centrales de conversion d’énergie thermique océanique (OTEC), ces échangeurs de chaleur peuvent être utilisés dans une variété d’applications, notamment:
- refroidissement à l’eau de mer et à l’eau de lac pour les centrales électriques,
- liquéfaction de gaz naturel liquide (GNL),
- usines de pâte à papier,
- aciéries et minerais de fer,
- aliments & usines de traitement des boissons,
- installations pétrochimiques,
- dessalement et
- refroidissement à bord des navires – en particulier pour la marine américaine.
Avec une population de plus en plus électrifiée et des préoccupations croissantes en matière d’efficacité énergétique et d’empreinte carbone dans le monde entier, les utilisateurs industriels et militaires cherchent des moyens d’utiliser plus efficacement leurs ressources énergétiques thermiques. Les nouveaux échangeurs de chaleur de Makai sont en cours de développement pour répondre à ces demandes.
L’implication de Makai dans la recherche liée à l’OTEC
Makai a une implication longue et intense avec l’OTEC. Le tableau ci-dessous montre les projets OTEC s’étalant sur 30 ans, qui remontent à la première centrale OTEC produisant de l’électricité nette en 1979 avec Lockheed Martin et l’État d’Hawaï.
Navigation
Makai a participé avec Lockheed Martin et l’US Navy au développement commercial d’usines OTEC de 100 MW pour des communautés insulaires comme Hawaï et Guam en 2009. Nous avons des programmes importants dans la conception et les tests d’échangeurs de chaleur, la modélisation des panaches, la conception des modules d’alimentation, la disposition des installations, la manipulation et le déploiement des conduites d’eau froide, une conception d’usine pilote, l’analyse du câble d’alimentation à terre et la modélisation des bioplumes.
Makai a été tiré de notre étude SBIR OTEC réalisée pour l’ONR et gérée par NAVFAC de 2005 à 2008 (projet #10 dans le tableau ci-dessus) qui a reconnu le potentiel de l’OTEC dans le marché de l’énergie d’aujourd’hui et la crise climatique. Cette étude a mis au point une évaluation détaillée des centrales OTEC flottantes à court terme fournissant de l’électricité à terre et d’une industrie OTEC à long terme fabriquant un vecteur d’énergie pour le continent américain. Des conceptions initiales de l’usine et des outils d’analyse ont été développés qui sont des outils de conception majeurs utilisés aujourd’hui dans la planification OTEC. Une feuille de route pour le développement a été créée et est en cours de mise en œuvre. Les projets ultérieurs, les points 1 à 9, ont été une conséquence directe de ces travaux antérieurs du SBIR. En mai 2010, Makai a reçu de la Small Business Administration le prix de l’entrepreneur de l’année de la Région IX en 2010 pour son travail sur ce projet OTEC et son utilisation dans le programme OTEC qui est en cours aujourd’hui.
Au cours de ce travail sur l’ONR SBIR, Makai s’est rendu compte que nous avions besoin d’un partenaire majeur dans ce développement et nous avons approché Lockheed Martin (nous avions déjà travaillé ensemble sur Mini OTEC en 1979). Nous avons ainsi pu tirer parti de notre enthousiasme, de notre expérience OTEC et de nos outils d’analyse en nous alignant sur Lockheed Martin Corporation. Dans cet accord d’équipe, nous nous sommes concentrés sur une approche visant à développer la première grande usine OTEC commerciale au monde à 100 MW. Une usine OTEC de cette taille n’a pas encore été construite. Une usine pilote plus petite est illustrée sur la figure ci-dessus.
Essais de préhension de conduites d’eau froide OTEC à Makai Ocean Engineering
Une centrale OTEC flottante de 100 MW a été conçue pour l’étude NAVFAC. Dans une usine OTEC flottante en mer, de l’eau de mer profonde et froide est aspirée par un pipeline vertical en fibre de verre à une profondeur de 1000 mètres (3300 pieds). Cette conduite d’eau froide aurait un diamètre de 10 mètres (33 pieds) et son poids dans l’eau serait supérieur à 2,1 millions de kilogrammes (2300 tonnes). Ce tuyau est sans précédent dans l’industrie offshore et Lockheed Martin a développé une méthode de fabrication de ce tuyau en fibre de verre sur une plate-forme OTEC flottante en mer.
Un défi technique majeur, cependant, est de savoir comment abaisser en toute sécurité ce gros pipeline flexible et délicat dans l’océan, car il est fabriqué section par section sur le pont de la plate-forme. Makai a conçu un système pour accomplir cette tâche, et un modèle à l’échelle 1 / 20ème a été construit et testé sur le quai de recherche de Makai.
L’appareil se compose de deux « Pinces », ainsi nommées en raison de la façon dont elles supportent le poids du tuyau en s’agrippant à l’extérieur du tuyau. Ces pinces se serrent à l’extérieur du tuyau de tous les côtés et maintiennent le poids vertical du pipeline à travers des coussinets en caoutchouc renforcé de Kevlar à l’aide de frottements. Les deux pinces sont de structure identique, sauf que la pince inférieure se déplace de haut en bas à l’aide de vérins hydrauliques et que la pince supérieure est fixée à la plate-forme. Les Pinces abaissent la canalisation par une séquence de transfert où les Pinces transfèrent le poids d’avant en arrière; une seule pince doit être pressée sur le tuyau en tout temps.
Les principales préoccupations prises en compte dans la conception comprennent l’écrasement du tuyau et la chute du tuyau. Toutes ces préoccupations ont été résolues avec le design développé par Makai. Des tests rigoureux de ce modèle ont montré que les pinces peuvent supporter et abaisser le tuyau de manière fiable (et même le maintenir sans alimentation!) et des pinces ont été conçues pour les centrales OTEC de 10 MW et de 100 MW sur la base de ces leçons apprises.
Installation d’essai d’échangeur de chaleur OTEC à NELHA
Une installation d’essai a été construite au Laboratoire d’énergie naturelle de Hawaii (NELHA), sur la Grande île d’Hawaï. NELHA est un parc technologique appartenant à l’État qui fournit de l’eau de mer chaude et froide à leurs locataires. L’eau de mer profonde est obtenue via un pipeline d’admission de 40 « de 620 mètres de profondeur ou un pipeline de 55″de 914 mètres de profondeur. NELHA peut fournir un total de 26 000 gpm d’eau de mer froide, avec des débits d’eau chaude correspondants. Aucune autre installation dans le monde ne peut fournir des flux aussi importants d’eau de mer profonde.
L’installation d’essai de l’échangeur de chaleur est une tour de 40 pieds de hauteur qui supporte jusqu’à trois évaporateurs différents, trois condenseurs différents, une tuyauterie d’eau de mer de 24 pouces et un système de tuyauterie de fluide de travail à l’ammoniac instrumenté avec précision avec deux pompes et des récipients sous pression. L’installation d’essai permet à Makai de mesurer les performances des évaporateurs et des condenseurs, en fonction de la vitesse de l’eau, de la différence de température et du débit d’ammoniac. La figure de droite montre l’installation en construction à la mi-octobre 2010, des portions de ces systèmes sont visibles.
NAVFAC et l’ONR ont parrainé l’installation parce qu’il est plus rentable de tester la performance des échangeurs de chaleur à terre, plutôt que de supporter les coûts accessoires élevés de leur installation dans un navire flottant avec son système d’amarrage. Des tests à « petite” échelle correctement conçus peuvent être effectués car les échangeurs de chaleur OTEC sont des composants modulaires. Par exemple, un prototype d’échangeur de chaleur à l’installation aura un peu moins d’un mètre carré de section transversale, aura une hauteur allant de 2 à 8 mètres de haut et nécessitera un débit d’eau de mer de conception typique de 0,25 m3 / sec (4000 gpm). L’installation nous permettra de confirmer soigneusement les performances prévues d’un échangeur de chaleur, validant ainsi les travaux de conception ultérieurs pour des installations beaucoup plus grandes.
Télécharger la Brochure sur les installations de NELHA
Modèle de panache hydrodynamique OTEC à Makai
Makai a récemment développé un modèle hydrodynamique numérique pour évaluer les impacts physiques des rejets d’OTEC dans l’environnement océanique avec un financement du Centre d’Excellence de la Défense Nationale pour la Recherche en Sciences Océaniques. Étant donné qu’aucune centrale OTEC n’a été construite, il n’est pas certain de savoir comment l’environnement océanique voisin sera affecté par le rejet de l’eau profonde riche en nutriments. L’objectif du projet était de créer un ensemble d’outils à utiliser pour la conception durable des centrales OTEC, qui pour une centrale de 100 MW nécessiterait 720 m3 / s d’eau de mer froide riche en nutriments et 420 m3 / s d’eaux de surface chaudes.
Le modèle hydrodynamique 3D est basé sur l’Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC) approuvé par l’EPA et est personnalisé pour générer avec précision les champs d’écoulement régionaux et les champs de densité fournis par le système de modélisation régionale des océans (ROM) de l’Université d’Hawaï. Les plantes OTEC ont été « insérées » dans le domaine à l’aide d’un modèle jet-panache à éléments finis couplé dynamiquement, qui simule l’entraînement et le mélange turbulent de panaches à grande échelle. Le développement réussi du modèle fournit les outils nécessaires pour prédire l’impact des centrales OTEC en présence de conditions océaniques réalistes et variables dans le temps.
Les résultats de l’effort ont été présentés lors de l’atelier environnemental OTEC de la NOAA en juin 2010, et le ministère de l’Énergie a financé une extension du projet (dans le cadre de l’Initiative d’Hydrocinétique marine) pour développer une composante biologique du modèle afin d’évaluer toute biostimulation pouvant survenir en raison des rejets riches en nutriments.
Téléchargez le Rapport d’Examen par les Pairs des Technologies de l’Énergie Hydraulique 2011
Modèle de Panache biologique OTEC
Modèle de panache biologique OTEC
La conversion de l’énergie thermique des océans (OTEC) utilise de grands flux d’eau de mer chaude de surface et d’eau de mer froide profonde pour produire de l’électricité propre. L’océan tropical sur un site OTEC typique a deux couches distinctes: une couche de surface chaude avec de faibles niveaux de nutriments et une couche profonde froide riche en nutriments. L’introduction de nutriments profonds dans les couches supérieures éclairées par le soleil de l’océan pourrait potentiellement augmenter la croissance du plancton ou provoquer des proliférations d’algues. Ainsi, l’eau de mer rejetée par une usine OTEC devrait être retournée dans l’océan suffisamment profondément pour que ces nutriments ne déclenchent pas la croissance biologique.
Le département américain de l’Énergie a publié un rapport décrivant l’impact biologique simulé de l’exploitation de grandes centrales OTEC. L’étude a été réalisée par Makai Ocean Engineering dans le cadre d’une subvention à frais partagés et peut être téléchargée ici. Ce rapport a été examiné par des pairs par le DoE Peer Review pour les dispositifs à énergie hydrocinétique marins & aux pages xii et 167 ici.
Ce nouveau logiciel est l’outil le plus sophistiqué pour modéliser les effets environnementaux de l’OTEC à ce jour. Lorsqu’il est exécuté avec une usine OTEC, le modèle peut déterminer la taille, la profondeur et les débits des rejets d’eau de mer de l’usine OTEC qui minimiseraient l’augmentation du plancton. Dans tous les cas modélisés dans les eaux hawaïennes, aucune augmentation des niveaux de plancton ne s’est produite dans les 40 mètres supérieurs (130 pieds) de l’océan. De 40 à 120 mètres (130 à 400 pieds), la croissance du plancton induite par l’OTEC est faible et se situe bien dans la variabilité naturelle. Ces résultats suggèrent que de grandes plantes OTEC convenablement conçues n’entraîneront aucune augmentation significative de la croissance biologique. Ce modèle sera important pour les développeurs et les organismes de réglementation à mesure que se développera l’OTEC commerciale.
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