انرژی حرارتی دریاها

حدود ۵۰ سال قبل ۱۹۲۹ ژرژ کلود فرانسوی , استفاده از انرژی حرارتی دریاها را به مرحله عمل در آورد در ایالات متحده در سال ۱۹۷۹ با استفاده از اختلاف دمای میان آبهای سرد عمق اقیانوس و آبهای گرم سطح اقیانوس , الکتریسیته تولید شد

● تاریخچه

حدود ۵۰ سال قبل (۱۹۲۹) ژرژ کلود فرانسوی ، استفاده از انرژی حرارتی دریاها را به مرحله عمل در آورد. در ایالات متحده در سال ۱۹۷۹ با استفاده از اختلاف دمای میان آبهای سرد عمق اقیانوس و آبهای گرم سطح اقیانوس ، الکتریسیته تولید شد. اولین مرکز کوچک آمریکایی ۱۰ کیلو وات تولید کرده است و در چند سال آینده مراکزی با صدها مگاوات بوجود خواهد آمد. در فرانسه مطالعاتی انجام شده و در دست تهیه است تا از آبهای آنتیل یا آبهای حوالی زلاندنو بصورت اقتصادی بهره برداری شود.

دمای سطح اقیانوس در نواحی گرم معمولا ۲۵ تا ۲۸ درجه سانتیگراد است. بنا به اصل دوم ترمودینامیک ، اصل کارنو ، یک ماشین حرراتی می‌تواند بین یک منبع گرم و یک منبع سرد کار کند.

● تولید انرژی الکتریکی

برای تولید ۱۰۰ مگاوات الکتریسیته که یک دهم انرژی یک مرکز هسته‌ای است، لازم است ۴۰۰m۳/sec آب برای هر کدام از دو منبع گرم و سرد استفاده شود: دبی (بده) متوسط رودخانه سن در پاریس با آزمایشهای انجام یافته برای تعیین دمای آب اقیانوس بر حسب عمق در نواحی بین حاره‌ای ، سه ناحیه تشخیص داده شده است:

۱) یک لایه سطحی به ضخامت ۱۰۰ یا ۲۰۰ متر مخصوصا گرم در نزدیکی استوا (۲۸ تا ۳۰ درجه سانتیگراد) و نیمگرم در مناطق حاره‌ای (۲۰ تا ۲۵ درجه سانتیگراد) که مانند یک گیرنده تخت بسیار بزرگ و ذخیره کننده حرارتی بسیار عالی عمل می‌کند.

۲) ناحیه‌ای که تغیر دما در آن سریع است، بین عمق ۲۰۰ متری و ۴۰۰ متری است که مانند یک سد حرارتی بین دو توده آب ، با چگالی متفاوت عمل می‌کند.

۳) یک لایه آب سرد که دمای آن به تدریج کاسته می‌شود تا در عمق ۱۰۰۰ متری به ۴ درجه سانتیگراد و در عمق ۵۰۰۰ متری به ۲ درجه سانتیگراد برسد. این آبهای عمیق اساسا در نزدیکی قطبهای جنوب و شمال صدها سال پیش تشکیل شده‌اند.

با پذیرفتن اینکه رسیدن آبهای سرد به منطقه حاره بطور متوسط هزار سال طول می‌کشد و حجم کلی آنها یک میلیارد کیلومتر مکعب است، می‌توان دبی (بده) جهانی منبع سرد را حدود ۳۰ میلیون متر مکعب بر ثانیه ارزیابی کرد. منبع گرم سطح محدودی ندارد و برای تولید یک مگاوات الکتریسیته در یک سانترال (مرکز) ، ۳m۳/sec آب سرد لازم است. به این ترتیب توانی که می‌توان از تمام اقیانوسهای زمین دریافت کرد، حدود ده میلیون مگاوات برآورد می‌شود که می‌تواند برای مصرف انرژی در سال ۲۰۰۰ میلادی (۱۳۸۰ ه.ش) امیدوار کننده باشد.

در داخل منطقه حاره ، اختلاف دما بین سطح اقیانوس و عمق ۱۰۰۰ متری از ۱۶ درجه سانتیگراد تا ۲۴ درجه سانتیگراد در اقیانوس آرام است. حدود سطح اقیانوسها در دنیا اختلاف دمایی بیشتر از ۱۸ درجه سانتیگراد را نشان می‌دهند. بنابراین ، دریاها منبع ذخیره حرارتی بسیار بزرگ را تشکیل می‌دهند که در آنجا منبع گرم و سرد در داخل منطقه حاره توأما وجود دارد که ‌می‌توان توسط ماشین حرارت "دمای پایین" از انرژی حرارتی دریاها یک مرکز انرژی را بکار انداخت.

این ماشین می‌تواند بر حسب دو چرخه متفاوت کار کند. در یکی به نام چرخه باز ، آب دریا در شرایط خلا با منبع گرم تبخیر و توربین را به کار می‌اندازد. در چرخه دیگر به نام چرخه بسته آب گرم دریا برای تبخیر سیال واسطه مانند آمونیاک بکار می‌رود که پس از انجام کار در منبع سرد متراکم می‌شود.

● بازده ماشین انرژی حرارتی دریاها

بازده کلی یک ماشین انرژی حرارتی دریاها بسیار ضعیف و در حدود ۲ تا ۳ درصد و دبی (بده) آب بسیار زیاد است. برای تولید یک مگاوات الکتریسیته باید ۳ تا ۵ متر مکعب در ثانیه آب گرم و به همان میزان آب سرد پمپ شود. بنابراین باید برای دبی چنین جریانی لوله‌های قطور مورد استفاده قرار گیرند. به این ترتیب برای تولید توان ۱ ، ۱۰ ، ۱۰۰ مگاوات باید به ترتیب لوله‌هایی به قطر ۱ ، ۵ ، ۱۵ متر بکار برد.

● چند نمونه از روشهای استفاده از انرژی حرارتی دریاها

یک ماشین حرارتی می‌تواند بر حسب دو چرخه ترمودینامیکی کار کند: چرخه باز و چرخه بسته.

● چرخه باز

در چرخه باز آب گرم دریا (۲۵ تا C۳۰۷۳۰; در یک تبخیر کننده توزیع می‌شود که در آن فشار بسیار کمی (در حدود ۳۱ اتمسفر) حاکم است و سبب جوشیدن طبیعی آب می‌شود. بخار آبی که تولید می‌شود قبل از مخلوط شدن با آب سرد چگالنده که فشار کمتر نسبت به تبخیر کننده دارد، توربینی را به کار می‌اندازد. اختلاف فشار کم بین دو ناحیه توربین (۱ تا ۲۱۰۰ اتمسفر) الزام می‌دارد که دبی (بده) بخار زیادی بوجود می‌آید و بنابراین توربینی به قطر بزرگ (۸ متری برای ۵ مگاواتی) را لازم دارد. اگر گازهای حل شده در آب دریا تخلیه نشود، سبب توقف توربین می‌شود. بنابراین دستگاه تخلیه قسمت کمی از توان تولید شده را مصرف می‌کند.

● چرخه بسته

چرخه بسته ، سیال واسطه‌ای مانند آمونیاک را مورد استفاده قرار می‌دهد. آب گرم دریا در هنگام عبور از یک مبدل ، گرمای خود را به آمونیاک می‌دهد که آن را تبخیر می‌کند. بخاری که به این ترتیب تولید می‌شود در یک توربین رها می‌شود و قبل از متراکم شدن در تماس با جداره سرد چگالنده که توسط آب سرد دریا تغذیه می‌شود، کار محرک تولید می‌کند. یک پمپ جریان سیال متراکم شده را به دستگاه تبخیر باز می‌فرستد و چرخه دوباره شروع می‌شود. یک مرکز یک مگاواتی ، سطح تبخیری (یا چگالنده) حدود یک هکتار را لازم دارد. پژوهشها در مورد تبدیل کننده‌های بسیار مطلوب (و گرانتر) می‌تواند این سطح را به ۱۵ برساند.

● چشم انداز

در سالهای اخیر طرحهای مراکز شناور با توانهای بزرگ با چرخه بسته معرفی شد. با حذف چرخه باز که برای یک مرکز ۱۰۰ مگاواتی ، توربینی به قطر ۷۰ تا ۸۰ متر لازم دارد، به نظر می‌رسد که آمریکاییها چرخه بسته را که از آمونیاک به عنوان سیال کار استفاده می‌کنند، انتخاب کرده باشند. در طرح شناور دیگری به جای انتقال الکتریسیته آن را در محل به تولید آمونیاک ، به تولید هیدروژن با الکترولیز آب و به تولید ازت با مایع کردن هوا اختصاص می‌دهند.

در ژاپن نیز استفاده از انرژی حرارتی دریا از سال ۱۹۷۷ بطور جدی تعقیب می‌شود و چرخه بسته با سیال کاری آمونیاک بیشتر جلب نظر کرده است و در نظر داشتند یک مرکز انرژی ۱۰۰ مگاواتی الکتریسیته را در سال ۱۹۹۰ به کار اندازند. در فرانسه به علت با صرفه و عملی بودن ، مراکزی با توان از یک تا ۱۰ مگاوات در جریان است. راه حلهای تکنیکی مراکز مستقر در زمین و مراکز شناور مورد آزمایش قرار گرفته و از طرف دیگر چرخه باز و بسته نیز مقایسه شده‌اند.