Resa artistica di un impianto OTEC da 10 MW.

L’Ocean Energy Research Center di Kailua-Kona, Hawaii

L’Ocean Energy Research Center (OERC) di Kailua-Kona, Hawaii, USA è una struttura di ricerca unica e critica dedicata a dimostrare e migliorare la tecnologia per sfruttare l’energia termica dell’oceano. L’obiettivo principale è sui sistemi OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion), ma la ricerca è in corso presso il Centro per supportare altre tecnologie di acque profonde oceaniche, tra cui:

• Aria condizionata per acqua di mare (SWAC)
• Scambiatori di calore marini per altre applicazioni
• Ricerca sulla corrosione marina.

Altri progetti in corso:

• Pipelines: Continua ricerca e progettazione di tubi per acqua fredda.
• Effetti ambientali: Studi multipli dell’idro – e del bio-pennacchio dell’acqua di scarico.

Una base a ciclo chiuso OTEC impianto è mostrato nella figura sopra. L’acqua di mare calda passa attraverso un evaporatore e vaporizza il fluido di lavoro, l’ammoniaca. Il vapore di ammoniaca passa attraverso una turbina che trasforma un generatore che produce elettricità. Il vapore a pressione inferiore lascia la turbina e si condensa nel condensatore collegato a un flusso di acqua di mare fredda profonda. L’ammoniaca liquida lascia il condensatore e viene pompata all’evaporatore per ripetere il ciclo.

Ocean Energy Research Center di Makai continuerà a servire come il banco di prova premier per la tecnologia OTEC e una piattaforma per la collaborazione con la comunità internazionale OTEC. Makai è un fornitore di servizi di ingegneria e quindi lavoriamo con più sviluppatori di progetti OTEC per fornire una guida tecnica obiettiva a tutti i livelli, dall’ingegneria e dalla fattibilità economica alla progettazione dei componenti. Infine, la gestione di un impianto OTEC a terra da parte di Makai fornirà conoscenze e competenze inestimabili per il prossimo passo nella commercializzazione OTEC: la costruzione di un impianto pilota su larga scala.

OTEC è per molti versi una soluzione molto attraente per NOI le questioni energetiche (Energia, la Sicurezza, la Volatilità dei Prezzi, Insostenibile Alimentazione, i Cambiamenti Climatici e i Rischi Ambientali):

• Immensa Risorsa: OTEC è l’energia solare, utilizzando gli oceani come un sistema di stoccaggio termico per 24 ore di produzione. A differenza di altre energie rinnovabili, l’energia massima disponibile da OTEC non è limitata da terra, coste, acqua, impatto ambientale, impatto umano, ecc.
• Potenza del carico di base: OTEC produce energia elettrica in modo continuo, 24 ore al giorno durante tutto l’anno. Le fonti energetiche rinnovabili intermittenti non sono un carico di base e spesso richiedono lo stoccaggio della loro energia durante le ore di punta della produzione per un consumo successivo. Le grandi centrali OTEC a carico di base potrebbero effettivamente iniziare a sostituire le centrali elettriche alimentate a combustibili fossili senza compromettere la stabilità della rete.
• Dispatchable Power: OTEC è dispatchable, il che significa che la sua potenza può essere aumentata su e giù rapidamente (in pochi secondi) per compensare la domanda di energia fluttuante o l’offerta da fonti rinnovabili intermittenti. Per questo motivo, OTEC è complementare ad altre fonti rinnovabili come il solare e l’eolico e potrebbe consentire un’ulteriore penetrazione sulla rete contribuendo al contempo a mantenere la sua stabilità.
• Sicurezza: OTEC offre l’opportunità di sfruttare un’immensa risorsa energetica che non è controllata da altre nazioni.
• Rinnovabili: OTEC è conservativamente creduto di essere sostenibile a quattro o più volte l’attuale produzione totale di energia elettrica dell’uomo.
• Energia pulita: OTEC ha il potenziale di essere un’energia alternativa molto pulita – unica per una fonte di energia solida in grado di fornire enormi bisogni energetici. Il rischio ambientale con OTEC è molto basso.
• Offshore: la produzione OTEC avviene in mare aperto. Le risorse terrestri non sono necessarie se non per lo sbarco a terra. OTEC non è in competizione per altre risorse vitali come cibo e acqua dolce.
• Basso rischio: L’OTEC a ciclo chiuso convenzionale è a basso rischio

Il problema di questa notevole energia rinnovabile è il costo. Allo stato attuale, gli impianti OTEC possono essere costruiti che saranno economicamente attraenti per Hawaii, Porto Rico e Guam (a tariffe elettriche appena superiori a venti centesimi per kWh senza crediti energetici). Makai Ocean Engineering ha eseguito uno studio per Office of Naval Research esaminando un’industria OTEC offshore che fornisce energia agli Stati Uniti continentali tramite ammoniaca come vettore energetico. Questi futuri prezzi OTEC sono leggermente elevati, ma vicini alla concorrenza con altre fonti rinnovabili e con margini di errore sovrapposti.

I vincitori: Comunità insulari, U. S. Dipartimento della Difesa (che sono stati forti sostenitori di OTEC e vogliono impianti OTEC più piccoli per le posizioni di base), e il pubblico degli Stati Uniti. Un’industria OTEC matura e ben sviluppata (che esisterà dopo aver costruito dozzine di impianti OTEC solo per fornire le isole tropicali degli Stati Uniti) è un’enorme tecnologia di backup, poiché gli Stati Uniti stanno arretrando in un angolo energetico e diventano più dipendenti dal carbone nucleare e pulito per soddisfare i nostri bisogni non petroliferi. Queste tecnologie comportano un enorme rischio ambientale. Biomassa, eolica e solare possono in alcuni casi fornire energia a costi inferiori, ma questi sono limitati nella quantità totale di energia erogata. Avere OTEC come alternativa valida e competitiva in termini di costi sarebbe una posizione molto salutare per gli Stati Uniti.

Dal 2008, l’aumento dei prezzi dell’energia, le preoccupazioni ambientali e la nuova politica energetica del Dipartimento della Marina hanno portato al sostegno governativo e commerciale per migliorare le tecnologie chiave OTEC. Contemporaneamente, Makai Ocean Engineering e Lockheed Martin hanno riacceso il loro precedente supporto OTEC dagli anni ‘ 70 e hanno diretto le risorse interne R&D per creare un team di sviluppo tecnologico OTEC.

Ben Markus della Radio pubblica delle Hawaii pubblica la storia “Ocean Power Gains New Life” riguardante OTEC R&D di Makai e Lockheed Martin.

Alla fine del 2016, Makai ha completato l’installazione di sofisticate apparecchiature di produzione avanzate per la prototipazione rapida e la produzione di scambiatori di calore di qualità marina presso il nostro Ocean Energy Research Center nel campus Natural Energy Lab of Hawaii Authority (NELHA). Questo progetto è stato reso possibile dalle sovvenzioni dell’Office of Naval Research (ONR) in collaborazione con Hawaii Natural Energy Institute dell’Università delle Hawaii (UH-HNEI), con fondi corrispondenti dal programma di assistenza alla produzione della High Technology Development Corporation (MAP).

Questa nuova struttura all’avanguardia dispone di attrezzature di produzione avanzate da utilizzare nella fabbricazione di progetti di scambiatori di calore completamente nuovi e innovativi. Oltre a servire conversione dell’energia termica oceanica (OTEC) impianti di potenza, questi scambiatore di calore unità possono essere utilizzati in una varietà di applicazioni, tra cui:

Con una popolazione sempre più elettrificata e le preoccupazioni per l’efficienza energetica e l’impronta di carbonio in aumento in tutto il mondo, gli utenti industriali e militari sono alla ricerca di modi per fare un uso più efficiente delle loro risorse energetiche termiche. I nuovi scambiatori di calore Makai sono in fase di sviluppo per rispondere a queste esigenze.

Makai è stato coinvolto con la Lockheed Martin e la US Navy nella messa a fuoco sullo sviluppo commerciale di 100MW OTEC impianti per la comunità di isola, come le Hawaii e Guam nel 2009. Abbiamo programmi significativi nella progettazione e nella prova dello scambiatore di calore, modellazione del pennacchio, progettazione del modulo di potenza, disposizione dell’impianto, gestione e distribuzione del tubo dell’acqua fredda, progettazione di un impianto pilota, analisi del cavo di alimentazione a terra e modellazione del bioplume.

Makai è stato sfruttato dal nostro studio OTEC SBIR eseguito per ONR e gestito da NAVFAC dal 2005 al 2008 (progetto #10 nella tabella sopra) che ha riconosciuto il potenziale di OTEC nell’odierno mercato energetico e nella crisi climatica. Tale studio ha sviluppato una valutazione dettagliata degli impianti OTEC galleggianti a breve termine che forniscono elettricità a terra e di un’industria OTEC a lungo termine che produce un vettore energetico per gli Stati Uniti continentali. Sono stati sviluppati progetti di impianti iniziali e strumenti analitici che sono i principali strumenti di progettazione utilizzati oggi nella pianificazione OTEC. È stata creata una Road Map di sviluppo che è ora in fase di implementazione. I progetti successivi, punti 1-9, sono stati una diretta conseguenza di questo precedente lavoro SBIR. Nel maggio 2010, Makai ha ricevuto dalla Small Business Administration il premio Region IX Contractor of the Year nel 2010 per il nostro lavoro su questo progetto OTEC e per averlo sfruttato nel programma OTEC che è in corso oggi.

Nel corso di questo lavoro di ONR SBIR, Makai ha capito che avevamo bisogno di un partner importante in questo sviluppo e ci siamo avvicinati a Lockheed Martin (in precedenza abbiamo lavorato insieme su Mini OTEC nel 1979). Siamo stati così in grado di sfruttare il nostro entusiasmo, l’esperienza OTEC e gli strumenti analitici allineandoci con Lockheed Martin Corporation. In questo accordo di collaborazione ci siamo concentrati su un approccio per sviluppare il primo grande impianto commerciale OTEC al mondo a 100 MW. Un impianto OTEC di queste dimensioni deve ancora essere costruito. Un impianto pilota più piccolo è mostrato nella figura sopra.

OTEC Cold Water Pipe Gripper Test presso Makai Ocean Engineering

Per lo studio NAVFAC è stato progettato un impianto OTEC galleggiante da 100 MW. In un impianto OTEC galleggiante offshore, l’acqua di mare profonda e fredda viene aspirata attraverso una tubazione verticale in fibra di vetro da una profondità di 1000 metri (3300 piedi). Questo gasdotto di acqua fredda avrebbe un diametro di 10 metri (33 piedi) e il suo peso in acqua sarebbe di oltre 2,1 milioni di chilogrammi (2300 tonnellate). Questo tubo è senza precedenti nel settore offshore e Lockheed Martin ha sviluppato un metodo per fabbricare questo tubo in fibra di vetro mentre su una piattaforma OTEC galleggiante in mare.

Una grande sfida ingegneristica, tuttavia, è come abbassare in modo sicuro questo grande, flessibile e delicato gasdotto nell’oceano mentre è fabbricato sezione per sezione sul ponte della piattaforma. Makai ha progettato un sistema per realizzare questo compito, e un modello in scala 1/20 è stato costruito e testato presso il Makai Research Pier.

L’apparecchio è costituito da due “pinze”, così chiamate per il modo in cui sostengono il peso del tubo afferrandolo all’esterno del tubo. Queste pinze spremere sulla parte esterna del tubo da tutti i lati, e tenere il peso verticale della tubazione attraverso Kevlar rinforzato tamponi in gomma utilizzando attrito. Le due pinze di presa sono identiche nella struttura eccetto che la pinza di presa inferiore si muove su e giù facendo uso dei cilindri idraulici e la pinza di presa superiore è fissata alla piattaforma. Le pinze abbassano la tubazione con una sequenza di consegna in cui le pinze trasferiscono il peso avanti e indietro; solo una pinza deve essere schiacciata sul tubo in ogni momento.

Le principali preoccupazioni considerate nel progetto includono la frantumazione del tubo e la caduta del tubo. Tutte queste preoccupazioni sono state risolte con il design sviluppato da Makai. Test rigorosi di questo modello hanno dimostrato che le pinze di presa possono supportare e abbassare il tubo in modo affidabile (e persino tenere il tubo senza alimentazione!) e le pinze di presa sono state progettate sia per gli impianti OTEC da 10 MW che da 100 MW sulla base di queste lezioni apprese.

OTEC Scambiatore di Calore Impianto di Test NELHA

Un impianto di prova è stato costruito a di Energia Naturale Laboratorio di Hawaii (NELHA), sulla Grande Isola delle Hawaii. NELHA è un parco tecnologico aziendale di proprietà statale che fornisce acqua di mare calda e fredda ai loro inquilini. L’acqua di mare profonda viene ottenuta tramite una tubazione di aspirazione da 40 “profonda 620 metri o una tubazione da 55” profonda 914 metri. NELHA può fornire un totale di 26.000 gpm di acqua di mare fredda, con corrispondenti flussi di acqua calda. Nessun altro impianto al mondo può fornire tali grandi flussi di acqua di mare profonda.

L’impianto di prova dello scambiatore di calore è una torre alta 40’che supporta fino a tre diversi evaporatori, tre diversi condensatori, tubazioni per acqua di mare da 24″ e un sistema di tubazioni per fluidi di lavoro con ammoniaca accuratamente strumentato con due pompe e recipienti a pressione. L’impianto di prova consente a Makai di misurare le prestazioni di evaporatori e condensatori, in funzione della velocità dell’acqua, della differenza di temperatura e della portata dell’ammoniaca. La figura a destra mostra l’impianto in costruzione a metà ottobre 2010, porzioni di questi sistemi sono visibili.

NAVFAC e ONR hanno sponsorizzato l’impianto perché è più conveniente testare le prestazioni degli scambiatori di calore a terra, piuttosto che sostenere gli alti costi incidentali di installarli in una nave galleggiante con il suo sistema di ormeggio. È possibile eseguire test “su piccola scala” correttamente concepiti perché gli scambiatori di calore OTEC sono componenti modulari. Ad esempio, un prototipo di scambiatore di calore presso la struttura avrà poco meno di un metro quadrato di sezione trasversale, hanno un’altezza che va da 2 – 8 metri di altezza, e richiederà un tipico flusso di acqua di mare di progettazione di 0,25 m3/sec (4000 gpm). La struttura ci consentirà di confermare attentamente le prestazioni previste di uno scambiatore di calore, convalidando i lavori di progettazione successivi per strutture molto più grandi.

Scarica il NELHA Strutture Brochure

OTEC Idrodinamica Pennacchio Modello a Makai

Makai recentemente sviluppato un modello numerico modello matematico per valutare l’impatto di OTEC scarichi nel mare ambiente con i fondi della Difesa Nazionale, Centro di Eccellenza per la Ricerca in Scienze Oceaniche. Considerando che non sono stati costruiti impianti OTEC, è incerto come l’ambiente oceanico vicino sarà influenzato dallo scarico dell’acqua oceanica profonda ricca di nutrienti. L’obiettivo del progetto era quello di creare un set di strumenti da utilizzare per la progettazione sostenibile degli impianti OTEC, che per un impianto da 100 MW richiederebbe 720 m3/s di acqua di mare fredda ricca di nutrienti e 420 m3/s di acque superficiali calde.

Il modello 3D-idrodinamico si basa sul codice EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) approvato dall’EPA ed è personalizzato per generare con precisione i campi di flusso regionali e i campi di densità forniti dal sistema di modellazione regionale dell’oceano assimilativo dei dati dell’Università delle Hawaii (ROM). Gli impianti OTEC sono stati “inseriti” nel dominio utilizzando un modello jet-plume ad elementi finiti accoppiato dinamicamente, che simula il trascinamento e la miscelazione turbolenta di pennacchi su larga scala. Il successo dello sviluppo del modello fornisce gli strumenti necessari per prevedere l’impatto degli impianti OTEC in presenza di condizioni oceaniche realistiche e variabili nel tempo.

I risultati dello sforzo sono stati presentati al workshop ambientale OTEC di NOAA nel giugno 2010, e il Dipartimento dell’Energia ha finanziato un’estensione del progetto (nell’ambito dell’iniziativa Marine Hydrokinetics) per sviluppare una componente biologica del modello al fine di valutare qualsiasi bio-stimolazione che possa verificarsi a causa degli scarichi ricchi di nutrienti.

Scarica il 2011 dell’Acqua di Alimentazione delle Tecnologie Peer Review Report

OTEC Biologico Pennacchio Modello

Conversione dell’Energia Termica oceanica (OTEC) utilizza grandi flussi di superficie calda con acqua di mare fredda e profonda con acqua di mare per produrre energia elettrica pulita. L’oceano tropicale in un tipico sito OTEC ha due strati distinti: uno strato superficiale caldo con bassi livelli di nutrienti e uno strato profondo freddo ricco di nutrienti. L’introduzione di nutrienti profondi negli strati superiori illuminati dal sole dell’oceano potrebbe potenzialmente aumentare la crescita del plancton o causare fioriture algali. Pertanto, l’acqua di mare scaricata da un impianto OTEC dovrebbe essere restituita nell’oceano abbastanza in profondità in modo che questi nutrienti non attivino la crescita biologica.

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha pubblicato un rapporto che descrive l’impatto biologico simulato dal funzionamento di grandi impianti OTEC. Lo studio è stato eseguito da Makai Ocean Engineering con una sovvenzione condivisa e può essere scaricato qui. Questo rapporto è stato peer reviewed da DOE Peer Review for Marine& Hydrokinetic Energy Devices alle pagine xii e 167 qui.

Questo nuovo software è lo strumento più sofisticato per la modellazione degli effetti ambientali di OTEC fino ad oggi. Quando viene eseguito con un impianto OTEC, il modello può determinare la dimensione, la profondità e i flussi degli scarichi di acqua di mare dell’impianto OTEC che minimizzerebbero gli aumenti di plancton. In tutti i casi modellati nelle acque hawaiane, nessun aumento dei livelli di plancton si è verificato nei 40 metri superiori (130 ft) dell’oceano. Da 40 a 120 metri (130 – 400 ft) La crescita del plancton indotta da OTEC è bassa e ben compresa nella variabilità naturale. Questi risultati suggeriscono che i grandi impianti OTEC opportunamente progettati non causeranno un aumento significativo della crescita biologica. Questo modello sarà importante per gli sviluppatori e le autorità di regolamentazione come OTEC commerciale si sviluppa.