انرژی حرارتی اقیانوسی که با اختصار OTEC شناخته می‌شود، روشی برای تولید برق از تفاوت دمای آب در لایه‌های مختلف اقیانوس است. این فناوری بر پایه گرمای ذخیره‌شده در آب‌های گرم سطحی اقیانوس و سرمای آب‌های عمقی کار می‌کند. در مناطق استوایی، آب سطحی می‌تواند تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد یا بیشتر گرم باشد، در حالی که آب در عمق هزار متری حدود ۴ تا ۵ درجه سانتی‌گراد است. این اختلاف دما منبع انرژی پایداری برای چرخه‌های ترمودینامیکی فراهم می‌کند.
ایده اولیه این فناوری به قرن نوزدهم بازمی‌گردد، اما پیشرفت‌های واقعی در دهه ۱۹۷۰ میلادی رخ داد. سازمان‌هایی مانند اداره اقیانوسی و جوی ملی آمریکا (NOAA) این روش را به عنوان یکی از منابع انرژی تجدیدپذیر دریایی معرفی کرده‌اند. OTEC نه تنها برق تولید می‌کند، بلکه می‌تواند برای شیرین‌سازی آب دریا یا پرورش آبزیان نیز به کار رود. این سیستم‌ها معمولاً در نزدیکی سواحل یا روی سکوهای شناور نصب می‌شوند تا دسترسی به آب عمقی آسان باشد.
در اصل، OTEC از چرخه رانکین شبیه به نیروگاه‌های بخار معمولی استفاده می‌کند، اما به جای سوخت فسیلی، از گرمای طبیعی اقیانوس بهره می‌برد. این روش پاک محسوب می‌شود زیرا هیچ سوخت فسیلی مصرف نمی‌کند و انتشار گازهای گلخانه‌ای مستقیم ندارد. تحقیقات نشان می‌دهد که پتانسیل جهانی OTEC بیش از ۱۰ هزار گیگاوات است، که بخش قابل توجهی از نیاز انرژی جهان را پوشش می‌دهد. کشورهای جزیره‌ای مانند هاوایی یا جزایر کارائیب به دلیل دسترسی آسان به آب‌های عمیق، پیشرو در آزمایش این فناوری هستند.
انرژی حرارتی اقیانوسی چیست؟
انرژی حرارتی اقیانوسی (OTEC) یا Ocean Thermal Energy Conversion یک فناوری تولید برق است که از اختلاف دمای میان آب سطحی گرم و آب عمیق سرد اقیانوس‌ها بهره می‌برد. این اختلاف دما که معمولاً حدود ۲۰ درجه سانتی‌گراد است، به‌عنوان منبعی پایدار از انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در سامانه OTEC، آب گرم سطح اقیانوس برای تبخیر مایع کاری مانند آمونیاک یا فلوئوروکربن به‌کار می‌رود؛ بخار حاصل سپس توربین را به حرکت درمی‌آورد تا برق تولید شود. پس از آن، بخار توسط آب سرد اعماق اقیانوس متراکم شده و به چرخه بازمی‌گردد. این فرآیند نوعی تبدیل مستقیم انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی و سپس الکتریکی است.
از مزایای مهم OTEC می‌توان به تولید برق مداوم، تجدیدپذیر و بدون آلودگی زیست‌محیطی اشاره کرد، زیرا دمای اقیانوس در طول شبانه‌روز تغییر زیادی ندارد. علاوه بر تولید برق، سیستم‌های OTEC قابلیت تولید آب شیرین از طریق تقطیر و همچنین پشتیبانی از فعالیت‌های آبزی‌پروری را نیز دارند. با این حال، چالش‌هایی مانند هزینه بالای ساخت تجهیزات، نگهداری در محیط دریایی، و نیاز به مکان‌های با اختلاف دمای کافی باعث شده‌اند که استفاده گسترده از این فناوری هنوز محدود باشد. با پیشرفت فناوری مواد و افزایش تمرکز بر انرژی‌های پاک، OTEC در آینده می‌تواند به منبعی قابل‌اعتماد برای تولید انرژی پایدار در مناطق استوایی تبدیل شود.
عملکرد سیستم‌های OTEC
اصول علمی OTEC بر پایه قوانین ترمودینامیک، به ویژه چرخه کارنو، استوار است. در این سیستم، سیال کاری با نقطه جوش پایین در معرض گرمای آب سطحی قرار می‌گیرد و بخار می‌شود. این بخار توربین را می‌چرخاند و برق تولید می‌کند. سپس بخار با آب سرد عمقی خنک شده و به مایع بازمی‌گردد. راندمان این چرخه به اختلاف دما بستگی دارد؛ هرچه تفاوت دما بیشتر باشد، راندمان بالاتر می‌رود. فرمول تقریبی راندمان چرخه کارنو η = ۱ – (T_cold / T_hot) است، که T_hot دمای آب گرم و T_cold دمای آب سرد است. برای اختلاف ۲۰ درجه، راندمان تئوری حدود ۶-۷ درصد است، اما در عمل به دلیل تلفات، کمتر از ۴ درصد می‌رسد.
آب اقیانوس به عنوان منبع گرما و سرما عمل می‌کند و نیازی به سوخت خارجی نیست. پمپ‌ها آب گرم را از سطح و آب سرد را از عمق می‌کشند. این فرآیند مداوم است زیرا خورشید آب سطحی را گرم نگه می‌دارد. مطالعات دانشگاهی نشان می‌دهد که جریان‌های اقیانوسی نقش مهمی در حفظ این گرادیان دما دارند.
استفاده از آمونیاک به عنوان سیال کاری
آمونیاک به عنوان سیال کاری در سیستم‌های حلقه بسته OTEC استفاده می‌شود زیرا نقطه جوش آن پایین است و در دماهای اقیانوسی به راحتی تبخیر می‌گردد. این ماده فشار بخار بالایی دارد که بخار کافی برای چرخاندن توربین تولید می‌کند. گرمای نهان تبخیر آمونیاک بالاست بنابراین با مقدار کمی از آن، حرارت زیادی منتقل می‌شود و چرخه کارآمدتر می‌شود.
آمونیاک ارزان است و به عنوان ماده صنعتی رایج، تأمین آن آسان است. اما سمی بودن و قابلیت اشتعال آن نیاز به اقدامات ایمنی دارد مانند نصب سنسورهای تشخیص نشت و سیستم‌های خاموش‌کننده خودکار. در مقایسه با دیگر سیال‌ها مانند پروپان، آمونیاک کارایی بیشتری نشان می‌دهد و پتانسیل گرمایش جهانی کمتری دارد.
در فرآیند چرخه، آمونیاک در اواپراتور تبخیر شده، توربین را به حرکت درمی‌آورد، در کندانسور متراکم می‌شود و توسط پمپ دوباره به اواپراتور فرستاده می‌شود. آزمایش‌ها نشان داده که این سیال می‌تواند کارایی سیستم را تا ۴ درصد نگه دارد. تحقیقات جدید بر روی مخلوط آمونیاک با آب تمرکز دارد تا سمیت کاهش یابد و کارایی افزایش یابد.
چالش‌های فنی و زیست‌محیطی نیروگاه‌های اقیانوسی
چالش‌های فنی در ساخت نیروگاه‌های OTEC زیاد است. لوله‌های آب عمقی باید بیش از هزار متر طول داشته باشند و در برابر فشار زیاد آب و جریان‌های دریایی مقاوم باشند. مواد سازنده مانند تیتانیوم گران هستند و خوردگی توسط نمک دریا مشکل‌ساز است. رشد موجودات دریایی روی سطوح مبدل‌ها انتقال حرارت را کم می‌کند و نیاز به تمیزکاری مداوم دارد.
پمپاژ آب سرد از عمق انرژی زیادی می‌گیرد که گاهی ۲۵ درصد خروجی برق را مصرف می‌کند. در نیروگاه‌های شناور، پایداری سکوی اصلی در برابر طوفان‌ها چالش دیگری است. از نظر زیست‌محیطی، آوردن آب سرد غنی از مواد مغذی به سطح می‌تواند باعث رشد بیش از حد جلبک‌ها شود و اکوسیستم را برهم بزند.
انتشار گازهای محلول مانند دی‌اکسید کربن از آب عمقی نیز ممکن است به اسیدی شدن آب کمک کند. اما مطالعات نشان می‌دهد این اثرات محلی و قابل کنترل است. راه‌حل‌ها شامل استفاده از پوشش‌های ضدخوردگی، کلرزنی کنترل‌شده و انتخاب مکان دور از مناطق حساس است. در کل، مزایای انرژی پاک بر چالش‌ها غلبه می‌کند.
مزایا و معایب انرژی حرارتی اقیانوسی
- تولید برق پایدار و مداوم در تمام ساعات شبانه‌روز، برخلاف انرژی خورشیدی یا بادی.
- منبع انرژی تجدیدپذیر و پاک با حداقل انتشار کربن در فرآیند تولید.
- قابلیت ترکیب با سیستم‌های نمک‌زدایی آب دریا برای تولید آب آشامیدنی.
- پتانسیل تولید محصولات جانبی مانند آب خنک برای پرورش آبزیان یا سیستم‌های تهویه مطبوع.
- امکان استفاده در مناطق جزیره‌ای یا ساحلی با وابستگی بالا به انرژی وارداتی.
انرژی حرارتی اقیانوسی مزایای زیادی دارد. تولید برق آن مداوم است و برخلاف خورشیدی یا بادی، به شرایط آب و هوایی وابسته نیست. منبع حرارتی اقیانوس نامحدود است و نیروگاه می‌تواند دهه‌ها کار کند. محصول جانبی مانند آب شیرین برای مناطق خشک بسیار ارزشمند است و آب سرد برای پرورش ماهی یا خنک‌سازی ساختمان‌ها استفاده می‌شود.
این فناوری گاز گلخانه‌ای تولید نمی‌کند و به کاهش تغییرات اقلیمی کمک می‌کند. برای جزایر کوچک که سوخت وارد می‌کنند، OTEC استقلال انرژی می‌آورد. معایب آن شامل هزینه ساخت بالا به دلیل تجهیزات دریایی است. کارایی پایین حدود ۳ تا ۵ درصد خروجی را محدود می‌کند. محدودیت جغرافیایی به مناطق استوایی و دشواری تعمیر در دریا از مشکلات دیگر است.
تولید هیدروژن سبز با استفاده از انرژی اقیانوسی
تولید هیدروژن سبز با OTEC به این صورت است که برق تولیدشده برای تجزیه آب دریا به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌شود. این هیدروژن پاک است زیرا از منبع تجدیدپذیر می‌آید. در سیستم‌های هیبریدی، آب شیرین تولیدشده در OTEC مستقیماً وارد دستگاه الکترولیز می‌شود و فرآیند را ساده می‌کند.
هیدروژن می‌تواند به عنوان سوخت برای کشتی‌ها، خودروها یا ذخیره انرژی به کار رود. پروژه‌های آزمایشی در ژاپن نشان داده که یک نیروگاه کوچک OTEC می‌تواند هزاران کیلوگرم هیدروژن در سال تولید کند. هزینه این روش با مقیاس بزرگ کاهش می‌یابد و رقابتی با روش‌های دیگر می‌شود.
معروفترین نیروگاه‌های حرارتی اقیانوسی
یکی از معروفترین نیروگاه‌ها، تأسیسات NELHA در هاوایی است که از دهه ۱۹۷۰ فعال بوده و ظرفیت حدود ۱۰۰ کیلووات دارد. این نیروگاه آزمایش‌های زیادی انجام داده و داده‌های مهمی برای طراحی‌های بزرگتر فراهم کرده است. آب سرد آن برای پرورش آبزیان و تحقیقات استفاده می‌شود. نیروگاه دیگری در جزیره کومه‌جیما ژاپن است که ۵۰ کیلووات برق تولید می‌کند و با سیستم شیرین‌سازی آب ترکیب شده. این پروژه محلی انرژی جزیره را تأمین می‌کند و الگویی برای جزایر دیگر است. پروژه‌های بزرگتر در مارتینیک فرانسه و هند در حال ساخت هستند که ظرفیت مگاواتی خواهند داشت.
مقایسه هزینه تولید انرژی حرارتی اقیانوسی با سایر انرژی‌ها
هزینه تولید برق با انرژی حرارتی اقیانوسی OTEC حدود ۲۰ تا ۳۰ سنت به ازای هر کیلووات‌ساعت است که بالاتر از خورشیدی (۵ سنت) و بادی (۴ سنت) است. اما OTEC سوخت نیاز ندارد و هزینه عملیاتی آن پایین است. در بلندمدت، با عمر ۳۰ ساله، هزینه کلی کاهش می‌یابد.
در مقایسه با گاز طبیعی (۱۰ سنت) یا هسته‌ای (۱۲ سنت)، OTEC گران‌تر به نظر می‌رسد اما برای جزایر که سوخت گران وارد می‌کنند، ارزان‌تر است. با ساخت نیروگاه‌های بزرگ، هزینه به ۱۰ سنت می‌رسد. عوامل مانند عمق آب و فاصله از ساحل تأثیرگذار هستند. OTEC پایدارتر از فسیلی‌هاست و محصولات جانبی دارد که ارزش اضافه می‌کند. در آسیا، مطالعات نشان می‌دهد برای مناطق ساحلی مناسب است.
