Toplotna energija okeana: Novi horizonti u proizvodnji održive energije
Svetski okeani godišnje apsorbuju preko 90% toplote koja se akumulira u atmosferi kao direktna posledica porasta koncentracije gasova staklene bašte. Nasuprot evidentnom negativnom uticaju na klimu, u ovoj činjenici se krije i jedna pozitivna okolnost – šansa da se iskoristi ogroman potencijal okeana kao novog izvora obnovljive i zelene energije. Upravo na tome počiva ideja OTEC tehnologije, odnosno tehnologija pretvaranja toplotne energije okeana u električnu energiju (OTEC je skraćenica od Ocean Thermal Energy Conversion).
- Datum: March 14, 2024
- Oblasti:sustainabilityedutechnews
Svetski okeani godišnje apsorbuju preko 90% toplote koja se akumulira u atmosferi kao direktna posledica porasta koncentracije gasova staklene bašte. Nasuprot evidentnom negativnom uticaju na klimu, u ovoj činjenici se krije i jedna pozitivna okolnost – šansa da se iskoristi ogroman potencijal okeana kao novog izvora obnovljive i zelene energije. Upravo na tome počiva ideja OTEC tehnologije, odnosno tehnologija pretvaranja toplotne energije okeana u električnu energiju (OTEC je skraćenica od Ocean Thermal Energy Conversion).
Nuklearne centrale funkcionišu tako što se energija koju generiše fisioni proces Uranijuma 235, ili nekog drugog nuklearnog goriva (dešava se u nuklearnom reaktoru), koristi za zagrevanje vode koja se ovim pretvara u pregrejanu vodenu paru. Vodena para time postaje izvor termičke energije koja pokreće parnu turbinu. Ovim procesom se termička energija pretvara u mehaničku. I zatim, na kraju tog lanca, nalazi se električna mašina koja se naziva generator. Pogonjen parnom turbinom, generator mehaničku energiju pretvara u električnu. A šta se dešava sa vodenom parom? Ona se u pothladjenom stanju posebnim postrojenjem dodatno rashladjuje, čime se pretvara u vodu i odmah vraća u blok u kojem se fisionim procesom pretvara u pregrejanu vodenu paru. Vodu ovde možemo posmatramo kao radni fluid, medijum kroz koji se zamršenim termičkim procesima transportuje energija, od nuklearnog reaktora, gde se preuzima energija, do turbine koja pokreće generator, gde se ta energija predaje. Pritom, kretanje radnog fluida je kružno. Odatle ovakve procese nazivamo kružnim, a kompletno postrojenje toplotnom mašinom. Ukoliko se umesto nuklearnog reaktora kao izvor energije koristi ložište u kojem se sagoreva neko fosilno gorivo, ugalj, nafta, gas, … onda dobijamo nama poznatu termo-centralu, kakva postoji u Obrenovcu, na primer.
OTEC je takodje toplotna mašina. Ali posebna, jer se proces pretvaranja toplotne energije u električnu odvija na mnogo nižim temperaturama.
Temperatura vode u okeanu je promenljiva. Menja se po raznim osnovama, uključujući i promenu sa dubinom. Na površini je najtoplija, u ekvatorijalnim vodima dostiže skoro 30 stepeni Celzijusa (misli se na onaj deo površinskog sloja koji je izložen dejstvu sunčeve svetlosti). Taj površinski sloj ima debljinu oko 100 do 200 metara. Temperaturni profil, takozvana termoklina, ima strmi pad sa dubinom. Medjutim, na dubini od oko 1000 metara, termoklina naglo menja karakter. . Tu počinje dubinski sloj. U dubinskom sloju vlada prilično stabilan dubinski profil temperature – na 1000m dubine je oko 4 stepena Celzijusa i zatim temperatura blago opada sa dubinom, dosežući na najvećim okeanskim dubinama vrednosti ispod nule, čak i do -2.3 Celzijusa, u ekstremnim slučajevima. Izmedju površinskog i dubinskog, nalazi se prelazni sloj, mešane tople i hladne vode. Površinski i prelazni sloj poseduju vrlo izraženu dinamiku vertikalnog strujanja i razmene toplote, indukovanu uticajem talasa. Okeanografi prepoznaju mnogo veći broj slojeva i čitav univerzum termodinamičkih procesa, ali to nije naša tema. Iz ugla OTEC tehnologije, bitna je samo činjenica da postoji površinski i dubinski sloj vode, sa temperaturnom od oko 20 stepeni celzijusa. Odnosno, imamo izvor termičke energije na površini okeana i ponor u dubinskom sloju. To je dovoljno da inženjeri osmisle i projektuju toplotnu mašinu koja će iz te temperaturne razlike preuzeti dovoljno energije za pokretanje generatoa električne energije, analogno onom kakvog srećemo u nuklearnim ili termocentralama.
Dakle, OTEC tehnologija se zasniva na kružnom procesu koji koristi amonijak radni fluid (ili tome slično). Toplotna energija preuzeta iz površinskog sloja okeana se koristi za isparavanje radnog fluida (proces koji se dešava u bloku koji nazivamo primarni razmenjivač toplote). Radni fluid se u gasovitom stanju zatim dovodi u parnu turbinu gde se procesom njegove ekspanzije vrši pretvaranje toplotne u mehaničku energiju. Na kraju tog lanca nalazi se generator električne energije koji pogoni gasna turbina. Kružni tok radnog fluida se ostvaruje tako što se on dovodi u blok takozvanog sekundarnog razmenjivača toplote u koji se pumpama, dovodi voda iz dubinskog sloja okeana. Ta hladna morska voda hladi radni fluid, on kondenzuje i u rashladjenom tečnom stanju se ponovo dovodi u blok primarnog razmenjivača. Scena je postavljena, bar konceptualno, i takva toplotna mašina može da toplotnu energiju energiju okena pretvara u električnu.
Naravno, od ideje do praktične realizacije postoji mnogo izazova i prepreka koje treba prevazići. Na tome se radi dugi niz godina, više decenija. Ubrzano narastanje svesti o egzistencijalnoj potrebi naše civilizacije da živi u harmoniji sa prirodom, da stepen degeneracije okruženja svedemo na najmanju moguću meru, ubrzava istraživanja na OTEC tehnologiji.
Pre svega, izgradnja ovakvog sistema koji bi imao komercijalnu relevantnost je izuzetno zahtevan inženjerski poduhvat. Pre svega zbog toga što se ovo energetsko postrojenje ne podiže na čvrstom, već u vodenoj sredini. Potrebni su gigantski blokovi razmenjivača toplote. Njihovo snabdevanje toplom i hladnom vodom zahteva cevi ogromnog prečnika, od oko 10m, a za dosezanje dubinskog sloja, potrebno je da te cevi budu dugačke 1000 metara! Ali, to nije kraj, tu problemi tek počinju. Vodena sredina je živa sredina, pa se živi organizmi prilepljuju na cevne i druge instalacije razmenjivačkih blokova, dramatično ugrožavajući njihovu funkciju. Na primer, sloj debljine 25-50 µm bioloških naslaga vodenih mikroorganizama može da umanji efikasnost razmenjivača toplote čak i do do 50%!
Medjutim, ekonomski potencijal OTEC tehnologije je ogroman, a njena ekološka neutralnost je verovatno presudni faktor. Procenjuje se da bi proizvodnja energije u OTEC centralama mogla postati konkurentna konvencionalnim tehnologijama proizvodnje električne energije već izgradnjom postrojenja kapaciteta od 50-100 MW. To nije nedostižno i na tome se radi. Iako su početna ulaganja u ovakve energetske sisteme značajno veća od ulaganja u konvencionalne, na primer termocentrale, dugoročno gledano ovakav investicioni poduhvat se može smatrati opravdanim. Na primer, jedna studija iz 2005 pokazuje na primeru OTEC postrojenja snage 100MW, udaljeno 10km od obale u zoni Havaja, da bi cena proizvedene električne energije bila oko 7 US centi po kilovat satu. To je sasvim uporedivo sa cenom električne energije proizvedene iz fosilnih goriva (u slučaju uglja cena je od 4 do 8 US centi). Medjutim, druge studije tehnoekonomske održivosti pokazuju da bi se cena OTEC električne energije kretala u intervalu od 0.15 do 0.30 USD po kilovat-satu. Ipak ova tehnologija je u povoju, sa ogromnim potencijalom za dalja unapredjenja, tako da su procene ove vrste podložne bitnim promenama. U korist OTEC.
Uz prethodno, treba dodati i činjenicu da OTEC tehnologija nudi ekonomski i tehnološki održivu priliku ostrvima u ekvatorskoj regiji, na kojima se tradicionalno koriste fosilna goriva za zadovoljavanje sopstvenih energetskih potreba. Ne samo zbog ekologije, već podjednako i zbog nedostatka konvencionalnih izvora energije i nestabilnosti koje su sa tim povezane. Zahvaljujući praktično neprekidnom zagrevanju okeanske vode u tropskim regijama tokom cele godine, čak i noću, OTEC omogućava neprekidnu, odnosno stabilnu proizvodnju energije tokom čitave godine. Čak i u nepovoljnim vremenskim uslovima, što daje prednost u poređenju sa solarnim i vetroelektranama koje po pitanju stabilnosti i dalje nemaju ekonomski održiv odgovor.