OTEC, un largo

Un proyecto para implementar una plataforma de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) a escala comercial de 1,5 MW en la nación insular africana de Santo Tomé y Príncipe para 2025 obtuvo una certificación de diseño clave. El hito crucial aborda directamente los riesgos técnicos que han obstaculizado OTEC, una tecnología renovable costa afuera de carga base perseguida durante mucho tiempo.

La empresa Global OTEC Resources, con sede en el Reino Unido, recibió en abril su primer certificado de aprobación para la metodología de instalación de un tubo ascendente de agua fría, una tubería utilizada para transportar agua de mar desde el océano hasta el tanque de agua de mar y viceversa desde una plataforma OTEC en alta mar (ver barra lateral a continuación). El certificado fue otorgado por el inspector de garantías marinas ABL Group, que proporciona revisiones técnicas independientes de terceros para proyectos de transporte y construcción marina de alto riesgo. El hito "es particularmente importante dados los desafíos técnicos que enfrentan las instalaciones de OTEC y la larga historia de implementaciones fallidas de OTEC", señaló Global OTEC.

"La historia es un maestro importante y estamos comprometidos a aprender de ella", dijo el fundador y director ejecutivo de Global OTEC, Dan Grech. "El fracaso de proyectos OTEC anteriores destaca dónde debemos tener cuidado, por lo que la debida diligencia técnica de terceros desde la etapa más temprana es importante para nuestro éxito", dijo.

1. Global OTEC ha diseñado lo que dice será el primer sistema de conversión de energía térmica oceánica a escala comercial. La plataforma flotante de 1,5 MW denominada Dominique se instalará en Santo Tomé y Príncipe en 2025. Cortesía: Global OTEC

El proyecto insignia de Global OTEC es "Dominque", una plataforma OTEC flotante de 1,5 MW que se instalará en Santo Tomé y Príncipe en 2025 (Figura 1). La compañía dice que la plataforma "será el primer sistema OTEC a escala comercial".

Eso es significativo porque OTEC es una tecnología propuesta ya en 1881 por el físico francés Jacques Arsene d'Arsonval para convertir la radiación solar absorbida en el océano en energía eléctrica. Se ha comprobado que OTEC proporciona energía continua, así como agua potable fresca y agua fría para refrigeración. Pero aunque se han probado más de una docena de prototipos de manera intermitente desde que se implementó la primera turbina experimental de baja presión de 22 kW en 1930, no existen plantas a escala comercial.

OTEC esencialmente busca explotar los gradientes térmicos del océano (diferencias de temperatura de 36F o más entre el agua superficial cálida y el agua fría del mar profundo) para impulsar un ciclo de producción de energía. "Dado que el océano comprende alrededor del 70% de la superficie terrestre, es un gran receptor y depósito de energía solar. Mientras que las olas, los vientos, las mareas y las corrientes son todas formas de energía renovable del océano, que varían con el tiempo y la estación, por el contrario, un El sistema OTEC permite la generación de energía constante las 24 horas del día, los 365 días del año", explicó el programa de colaboración tecnológica Ocean Energy Systems (OES) de la Agencia Internacional de Energía (AIE) en un libro blanco de octubre de 2021.

Los prototipos existentes se han ajustado típicamente a tres configuraciones básicas según su ubicación: en tierra, a una distancia relativamente corta de la costa; montado en el borde de una plataforma continental; o en una plataforma flotante o barco, donde se puede acceder al agua fría profunda directamente debajo del casco.

Además, OTEC generalmente aprovecha tres tipos principales de sistemas de generación de energía: un ciclo cerrado, un ciclo abierto o un híbrido de ciclos cerrados y abiertos. En un sistema de ciclo OTEC cerrado, el amoníaco, como un líquido con un punto de ebullición bajo, se bombea a un evaporador (intercambiador de calor) que se calienta con agua de mar tibia, lo que hace que el fluido de trabajo se expanda en una turbina que impulsa un generador. El vapor expandido luego se condensa de nuevo a líquido utilizando agua de mar fría en otro intercambiador de calor. En un ciclo abierto, el agua de mar en sí misma funciona como fluido termodinámico después de que se convierte en vapor en una cámara parcialmente vacía. Luego, el vapor se usa para impulsar una turbina de vapor y el vapor de escape se condensa con agua de mar fría.

Según el OES de la AIE, una de las pruebas más importantes del mundo fue el proyecto flotante OTEC-1 del Departamento de Energía de EE. UU., un bucle de prueba de ciclo cerrado de 1 MW que funcionó entre 1980 y 1981. El proyecto demostró la viabilidad del lanzamiento horizontal, remolque , y acopló con éxito a la parte inferior de un buque cisterna convertido de la Marina de los EE. UU. un paquete de tres tuberías de agua fría (CWP) de polietileno de alta densidad (HDPE), además de la desconexión posterior, utilizando un cardán de desacoplamiento de movimiento especial. "Proporciona confianza de que si, en particular, se utilizan las habilidades de la industria petrolera, es posible diseñar e instalar con éxito CWP más grandes", lo que ha planteado una "incertidumbre clave para OTEC", dijo OES.

"Una tubería ascendente es una tubería vertical que mueve fluido de un lugar a otro, en nuestro caso, esto es desde debajo de la superficie del océano hasta la superficie", explica Global OTEC Resources. "Los elevadores OTEC pueden venir en muchas formas, pueden estar hechos de un tubo flexible, aleaciones metálicas resistentes al agua de mar u hormigón, e incluso se han realizado algunas pruebas en materiales compuestos como la fibra de vidrio".

Los elevadores de agua fría para una generación de OTEC a gran escala necesitan diámetros grandes para permitir un caudal de agua suficiente para los intercambiadores de calor, señaló la compañía. "Estas tuberías ascendentes pueden tener varios metros (m) de diámetro y superar los 750 m de longitud. Algunas ubicaciones requieren una altura de hasta 1400 m". Las tuberías ascendentes también "deben resistir los movimientos de la embarcación a medida que la embarcación se mueve con el viento y las olas, mientras que la tubería trata de permanecer estática; las fuerzas laterales de la corriente oceánica que pueden extenderse hacia el lecho marino; y las cargas cíclicas a largo plazo causadas por las cuestiones anteriores".

Diseñar contrahuellas resilientes ha planteado un desafío duradero que ha obstaculizado durante mucho tiempo la viabilidad comercial de OTEC. "Estas instalaciones tienen una vida útil planificada de decenas de años, por lo que diseñar el elevador para resistir todas estas fuerzas durante tanto tiempo puede ser muy desafiante", señaló Global OTEC. "La falla de la tubería de agua fría impediría que el ciclo OTEC funcionara, lo que provocaría una pérdida de energía y, dependiendo de la ubicación de la rotura, podría representar un peligro para la embarcación misma".

Los proyectos notables más recientes incluyen la planta OTEC de 105 kW en tierra de Makai Ocean Engineering en un centro de investigación en Hawái, y una planta piloto flotante OTEC de 20 kW encabezada por el Instituto Coreano de Investigación de Naves e Ingeniería Oceánica (KRISO) que comenzó a operar en 2012. KRISO ahora está desarrollando una demostración OTEC de 1-MW en la pequeña isla del Pacífico de Kiribati basada en una operación de prueba de un sistema probado en el Mar del Este de Corea del Sur (cerca de Pohang, Figura 2).

"La demostración OTEC de 1 MW se diseñó para una diferencia de temperatura del agua de mar de 24 °C y se llevó a cabo con éxito en una operación de prueba (salida de 338 kW en condiciones operativas de diferencia de temperatura de 18,7 °C) en Corea", dijo el Dr. Hyeon-Ju Kim, investigador principal de KRISO, le dijo a OES en una entrevista publicada en julio de 2022. "Si la demostración de la planta OTEC de 1 MW cerca del ecuador se lleva a cabo con éxito en el futuro, los profesionales competentes pueden dibujar una perspectiva positiva en la escala de las plantas OTEC de 10, 100 y 400 MW gradualmente".

El desarrollo de OTEC también está avanzando en Japón, donde en 2016 se conectó a la red una demostración de OTEC de 100 kW en la isla de Kume, en la prefectura de Okinawa. El generador de energía OTEC Xenesys, que ejecuta y mantiene el proyecto para la prefectura de Okinawa (ciudad de Kumejima), junto con los socios del proyecto, la empresa de transporte japonesa Mitsui OSK Lines (MOL) y la Universidad de Saga, confirmaron que la demostración (Figura 3) aún está en funcionamiento.

En marzo de 2023, los socios obtuvieron el respaldo del Ministerio de Medio Ambiente de Japón en el marco de un programa de desarrollo de tecnología para "simbiosis regional y neutralidad de carbono intersectorial" para expandir el proyecto OTEC a escala comercial de 1 MW "alrededor de 2026". El esfuerzo implicará la fabricación de grandes intercambiadores de calor de titanio de tipo paralelo equivalentes a 200 kW de generación de energía y la verificación de su desempeño desde el año fiscal 2022 hasta el 2024, con el objetivo de establecer una tecnología de recuperación de calor a gran escala del agua de mar para la comercialización de OTEC, las empresas dijo PODER.

3. Una instalación de demostración de conversión de energía térmica oceánica (OTEC) de 100 kW en curso, propiedad de la prefectura japonesa de Okinawa, está programada para expandirse a una instalación de escala comercial de 1 MW. Cortesía: Mitsui OSK Lines

MOL elogió el potencial de OTEC como un recurso de energía de carga base que "no se ve muy afectado por las condiciones climáticas". Otro beneficio destacado es que "incluso después de que el agua del océano profundo se usa para la generación de energía, la calidad del agua no cambia y la temperatura sigue siendo lo suficientemente baja como para usarse para fines secundarios como la pesca, la agricultura y el aire acondicionado". Si bien MOL reconoció los intentos fallidos a nivel mundial de comercializar la tecnología de latencia prolongada, dijo que sus esfuerzos "para comercializar rápidamente OTEC en Japón y en el extranjero" se verían reforzados por un proyecto para verificar su investigación de la demostración de Okinawa en un proyecto en Mauricio.

"Mauricio estableció una hoja de ruta para elevar su porcentaje de energía renovable al 60% para 2030", señaló la compañía. "OTEC, que puede generar energía de manera confiable las 24 horas del día, independientemente de las condiciones climáticas, tiene un gran potencial en Mauricio, gracias a la ubicación geográfica ventajosa de la isla en el Océano Índico. El uso secundario de agua de mar después de la generación de energía también puede ayudar a otras industrias en la isla ." MOL dijo que también planea utilizar el "conocimiento y la experiencia que ha acumulado a través de su red comercial y de cadena de suministro en el extranjero" para impulsar la comercialización de OTEC.

Global OTEC también elogia el potencial de OTEC para los pequeños estados insulares en desarrollo (SIDS). Los SIDS a menudo sufren altos precios de la energía, debido a la dependencia de las importaciones de diésel y otros combustibles, y enfrentan limitaciones de espacio para instalar cantidades adecuadas de energía eólica y solar. Junto con la energía de carga base, "OTEC puede suministrar cantidades de agua fría como subproducto. Esto se puede usar para aire acondicionado y las aguas profundas ricas en nutrientes se pueden usar para la acuicultura y la creación de una economía local sostenible", dijo Neil. Reynolds, director de la junta de Global OTEC, quien también es asesor especial de la organización internacional SIDS DOCK. "OTEC también se puede combinar con la desalinización de agua potable y la producción de amoníaco e hidrógeno verde", agregó Reynolds.

Junto con su primera barcaza de circuito cerrado planificada para Santo Tomé y Príncipe, frente a la costa ecuatorial occidental de África Central, Global OTEC está explorando sitios OTEC en las Islas Turcas y Caicos (TCI), un archipiélago de 40 islas coralinas bajas en el océano Atlántico. "Al tener una amplia zona económica exclusiva de espacio oceánico que multiplica el área de sus aguas terrestres y al estar en los trópicos, TCI es muy adecuado para OTEC", dijo la compañía. Los estudios de escritorio de Global OTEC han demostrado que TCI posee la combinación ideal de agua de mar cálida durante todo el año y fácil acceso a aguas frías profundas con plataformas continentales que descienden rápidamente a 1000 metros (3281 pies) dentro de los 4 kilómetros de la costa.

Sin embargo, Global OTEC reconoció que el lanzamiento de su primer proyecto comercial, el Dominique, requerirá ser pionero en una vía de implementación que aborde directamente los riesgos que han obstaculizado a OTEC durante mucho tiempo. El más destacado se relaciona con las tuberías ascendentes de agua fría (consulte la barra lateral anterior, "¿Qué es una tubería vertical??"), que dotan a las instalaciones OTEC de la importante cantidad de agua fría que requieren.

Global OTEC dice que eligió un diseño de barcaza flotante porque las plantas OTEC en tierra "requieren varias tuberías de varios kilómetros fijadas al lecho marino" para facilitar la adquisición y descarga segura de agua. Las tuberías de agua, señaló, "representan uno de los mayores centros de costos de una planta OTEC". El OTEC en tierra, que centraliza efectivamente la producción de energía, también limita las regiones donde el proceso puede ser económico y presenta un único punto de falla en caso de un desastre natural.

Además de examinar minuciosamente los riesgos relacionados con las tuberías ascendentes OTEC, a través de revisiones técnicas de terceros, la compañía dice que ha llevado a cabo una fase de diseño rigurosamente detallada para la tubería de agua fría "en colaboración con proveedores y científicos de vanguardia en investigación submarina". diseños de tuberías ascendentes". Para frenar aún más los riesgos, desplegará sus primeros sistemas comerciales "en un mercado donde están presentes distancias mucho más pequeñas entre el agua de mar superficial cálida y el agua profunda fría", dijo.

Dadas las economías de escala, los sistemas incipientes más pequeños serán costosos, reconoce Global OTEC. Citando revisiones bibliográficas de diseños de plantas OTEC anteriores, la compañía apunta a un costo nivelado de energía (LCOE) para plantas a gran escala de $0.05/kWh. "Nuestros estudios de adquisiciones y el compromiso con los proveedores muestran que un rango entre $0,30 y $0,15 por kWh es realista para las primeras generaciones de barcazas OTEC", dijo.

Sin embargo, los cambios recientes en la economía global de la energía y los avances en la eficiencia de los componentes OTEC pueden mejorar el costo, señaló. "Históricamente, la eficiencia de los ciclos y los componentes resultó difícil para los primeros proyectos para hacer un caso comercial. A lo largo de décadas de petróleo, gas y carbón muy baratos, se pensó que los proyectos OTEC debían tener una escala de 50 MW o incluso 100 MW para ser competitivos", señaló. Si bien la compañía predice que los primeros sistemas OTEC comerciales aún pueden necesitar "modelos de financiamiento innovadores para tener éxito", parece confiar en que las condiciones impuestas a los sistemas de energía globales por la transición energética pueden presentar la "tormenta perfecta" para comenzar la comercialización de OTEC.

—Sonal Pateles editor asociado sénior de POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

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