Tepelný motor oceánských elektráren

V tropických pásmech oceánů činí rozdíl mezi teplotou vody v hlubinách a Sluncem ohřívanou vodou při hladině 20 až 30 °C. Tento teplotní rozdíl umožňuje sestrojit tepelný motor, jehož „palivem” je voda z mořské hladiny a chladičem voda z mořských hlubin. 

Jules Verne – věčná inspirace 
S touto myšlenkou, inspirovanou románem Julese Verna „Dvacet tisíc mil pod mořem”, přišel již před 130 roky francouzský fyzik D´Arsonval. Navrhl uzavřený cyklus s nízkovroucím médiem, který by dokázal využít i tak malý rozdíl teplot. Účinnost sice nemůže překročit 10 %, avšak fakt, že hladina nejméně 60 mil. km² tropických moří v oblasti rovníku pohlcuje denně sluneční energii srovnatelnou se spálením 40 mil. tun topného oleje, láká vědce a dnes již i energetické společnosti k pokusům využít tuto věčně se obnovující energii pomocí uzavřených nebo otevřených termodynamických cyklů. Na uzavřený cyklus s čpavkem navržený samotným D’Arsonvalem navázal cyklus Rankinův, jehož účinnost zdokonalily později vícetlakové systémy sestrojené Kalinou a Ueharou, vhodné jak k výrobě elektřiny, tak k odsolování mořské vody. 
 
Uzavřené cykly 
Uzavřené cykly používají jako pracovní médium nízkovroucí vodní roztoky čpavku, které se v tzv. odparkách odpařují teplem vody přečerpávané z hladiny. Objem par se zvýší až čtyřicetinásobně a může pohánět tepelný motor či turbogenerátor umístěný obvykle na palubě u břehu zakotveného plavidla nebo v zařízení vybudovaném na pobřeží. Za nízkého tlaku se čpavkové páry po průchodu turbínou srazí v kondenzátoru ochlazovaném studenou vodu, která se přivádí podmořským potrubím z hlubin. Pohyb teplosměnného média v uzavřeném okruhu mezi kondenzátorem a výparníkem obstarává oběhové čerpadlo. 
 
Pionýrské pokusy, které zahájil pařížský inženýr George Claude roku 1926 v zátoce Mantanzas na Kubě, narazily na technické potíže. Plovoucí potrubí spuštěné do hloubky 2 km ničily bouře i mořské proudy, zařízení s kratším náhradním potrubím dávalo výkon jen 22 kW, což zdaleka nestačilo ani k pohonu hlubinného čerpadla. S podporou Francouzské Akademie věd postavil Claude později podobné zařízení u Pobřeží slonoviny, kde se voda z hloubky 5 km čerpala potrubím o světlosti 250 cm. Dosáhli výkonu 3,5 MW. Avšak i zde potrubí pokaždé zničily mořské proudy. Po druhé světové válce v pokusech směřujících spíše k vývoji odsolovacích plovoucích stanic pokračovali zejména Američané, Japonci a Indové.  
 
OTEC 
Demonstrační projekty, které hodlají využít energii rozdílu teploty mořské vody, dostaly označení OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion). Se státní podporou se např. uskutečnil pokus „v malém“ na modelovém zařízení MINI OTEC u Havajského pobřeží Point Keyhole. V hermetické bóji byl umístěn turboalternátor o výkonu 50 kW. Čtyři výměníky tepla po stranách bóje měly samostatná oběhová čerpadla s freónem, nahrazeným později ekologicky čistějším izo‑butanem. Studená voda (9 °C) se čerpala z hloubky teleskopicky spuštěným potrubím, povrchová voda měla teplotu 24‑28 °C. Pokusy ukázaly, že pohon čerpadel spotřebovával až 70 % turboalternátorem vyrobené elektrické energie, takže čistý výkon zařízení nepřesáhl 15 kW. Vzhledem k vysokým nákladům, ekologickým problémům (např. jak zajistit bezpečnost čpavkového okruhu) a světovému poklesu ceny ropy z mnoha podobných projektů sešlo. 
 
S využitím nových technologií s účinnějšími, avšak technicky složitějšími okruhy se separátory, regenerátory a až několika tlakovými stupni se v projektech OTEC v posledních letech snaží prosadit zejména Havajská národní laboratoř NELH (Natural Energy Laboratory of Hawaii) v oblasti Kailua‑Kona. Japonci na ostrově Nauru uvedli do provozu demonstrační jednotku 100 kW, a nyní budují zařízení s hybridní technologií na ostrůvku Okinotorishima. Zřízení obsahuje otevřený vakuový cyklus, z něhož jsou odsávány nekondenzující plyny a odsolená pára ohřívá výparník uzavřeného amoniakového cyklu s plynovou turbínou.  
 
Nejrozsáhlejší projekty připravuje Indie – o jejich plovoucí stanici Saga Shakti o výkonu 1 MW jeví zájem řada tichomořských ostrovů, které nemají vlastní zdroje fosilních paliv a potřebují také pitnou i závlahovou vodu.  
 
Otevřený cyklus 
Technologicky se prosazuje výhradně otevřený cyklus (OC‑OTEC) umožňující kromě elektrické energie vyrábět z mořské vody i vodu pitnou. Odparka, kondenzátor i turbína pracují při poměrně nízkých tlacích (pouze 1‑3 % atmosférického tlaku), z okruhu musí být odstraňovány plyny jako CO2, dusík a kyslík. Sůl se přes odparku do páry nedostane, takže voda odcházející z několikastupňové kondenzace je pitná. Experimenty prokázaly, že na produkci 1 MW elektrického výkonu v otevřeném cyklu zařízení vyžaduje prohánět okruhem okolo 4 m³/s povrchové mořské vody a 2 m³/s studené vody z hloubky okolo 1 km, což spotřebuje asi čtvrtinu vyrobené energie.  
 
Ekologové požadují, aby odpadní chladná voda byla vypouštěna a rozptylována do hloubek nejméně 60 m tak, aby nevyvolala nevratné ekologické změny všeho živého v okolí. Technici se také musejí vypořádávat zejména s neustálým znečišťováním výměníků biologickými nánosy a nasáváním planktonu. Problém jak v řídce obydlených oblastech využít produkovanou elektřinu sice řeší nová generace podmořských kabelů, přesto se hledají v místě efektivnější způsoby. Je to např. akumulace energie do vodíku vyráběného elektrolyzéry; vodík lze pro snazší transport zkapalňovat. Možná je i návazná produkce čpavku a syntetických hnojiv. Právě tam směřují práce NELH, která letos uvede do provozu hybridní OTEC; ten bude kromě elektřiny a pitné vody produkovat i závlahovou vodu. Experti budou studovat i možnost získávat z odparek zachycené prvky z hlubinných vod – zejména uran a lithium.  
 
 

OTEC s uzavřeným okruhem. 1 – ohřátá voda z hladiny teplá 25 °C, 2 – odparka, 3 – vratná mořská voda teplá 23 °C, 4 – turbína, 5 – elektrický generátor, 6 – vyvedení elektřiny do sítě, 7 – odpadní voda teplá 7 °C, 8 – kondenzátor, 9 – voda čerpaná z hlubin teplá 5 °C, 10 – oběhové čerpadlo teplosměnného okruhu.


V roce 1979 byl spuštěn plovoucí MINI-OTEC s uzavřeným okruhem a poprvé s polyetylenovým potrubím; k čerpání studené a hladinové vody spotřebovával 4/5 energie z výkonu turbogenerátoru 50 kW


Havajský NELH dokončuje v zátoce Keahole Point 100 MW elektrárnu s otevřeným cyklem, s turbínami Alfa Laval


Stavba demonstračního hybridního okruhu OTEC v Keyhole Point ukazuje složitost teplosměnných vodních a amoniakových okruhů s výměníky, kondenzátory, turbínou a čerpadly


Představa tepelné mořské off-shore elektrárny s otevřeným okruhem o výkonu 300 MW v tropických oblastech (zdroj Lockheed/NELH)


Využití tepelné energie moří v budoucích hybridních jednotkách OTEC k zásobování elektřinou, pitnou a zavlažovací vodou umožní hospodářský rozvoj tisíců malých ostrůvků v tropických oceánech


Plovoucí OTEC – elektrárna s výkonem 5 × 25 MW s odsolovací stanicí s denním výkonem 100.000 m³ pitné vody podle projektu americké společnosti Lockheed-Martin