De oceaan als energiecentrale: OTEC krijgt een nieuwe kans

Een temperatuurverschil van zo’n 20 graden tussen oppervlaktewater en diepzeewater is genoeg om elektriciteit te maken. Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) doet dat al tientallen jaren op kleine schaal, maar een commercieel succes is het nooit geworden. Een nieuw project op de Indiase eilandengroep Lakshadweep laat zien waarom de techniek toch opnieuw interessant kan worden.

OTEC gebruikt het temperatuurverschil tussen het warme water aan het oceaanoppervlak en het koude water op enkele honderden tot duizenden meters diepte om een thermodynamische cyclus aan te drijven. In tropische gebieden is het oppervlaktewater ongeveer 25 tot 30 °C, terwijl het water op duizend meter diepte slechts enkele graden boven nul is. Het temperatuurverschil is vrijwel continu beschikbaar.

Warm oppervlaktewater en koud diepzeewater

Bij een gesloten OTEC-cyclus verwarmt het warme zeewater een werkmedium met een laag kookpunt, bijvoorbeeld ammoniak. Het werkmedium verdampt en de damp drijft een turbine aan. Vervolgens wordt het werkmedium met behulp van koud diepzeewater weer gecondenseerd.

Het nadeel: het temperatuurverschil is klein. Bij een conventionele thermische elektriciteitscentrale kan het verschil tussen warmtebron en koude zijde honderden graden bedragen. Bij OTEC gaat het om ongeveer 20 tot 25 graden. Daardoor is de theoretische maximale efficiëntie laag. Om toch bruikbaar vermogen te produceren, moeten zeer grote hoeveelheden zeewater door de installatie worden gepompt.

De koudwaterleiding is een technisch sleutelonderdeel

Vooral het aanvoeren van koud water uit de diepte vormt een uitdaging. Een OTEC-installatie heeft een grote leiding nodig die honderden meters tot ongeveer een kilometer de oceaan in gaat. De hoeveelheden water zijn aanzienlijk. Voor een voorgestelde installatie van 6,4 MW in Taiwan is bijvoorbeeld een koudwaterstroom van ongeveer 9500 liter per seconde voorzien.

De leiding moet niet alleen een grote waterstroom kunnen verwerken, maar ook bestand zijn tegen stroming, golven en stormen. Bij offshore-installaties komen daar mechanische belastingen en corrosie door langdurige blootstelling aan zeewater bij. Ook het verpompen van het water kost energie. Die zogenaamde parasitaire belasting heeft direct invloed op het netto elektrische rendement van de installatie.

Waarom OTEC nooit echt is doorgebroken

Het principe van OTEC is al lang bekend en verschillende landen hebben in het verleden proefinstallaties gebouwd. Een grootschalige commerciële toepassing is echter uitgebleven. Een belangrijke reden is de economie. De installaties zijn complex en de hoeveelheid energie die per hoeveelheid verplaatst water beschikbaar komt, is relatief klein. Daardoor zijn grote warmtewisselaars, pompen en leidingen nodig voor een relatief beperkt elektrisch vermogen.

Lakshadweep combineert elektriciteit en drinkwater

Dat is het interessante aan een nieuw OTEC-project op Lakshadweep, een Indiase eilandengroep in de Arabische Zee. De eilanden zijn voor hun elektriciteitsvoorziening afhankelijk van aangevoerde diesel en hebben tegelijkertijd te maken met beperkte beschikbaarheid van zoet water. Een OTEC-installatie kan beide problemen gedeeltelijk aanpakken.

De installatie die daar wordt gebouwd heeft een elektrisch vermogen van ongeveer 65 kW en moet daarnaast ongeveer 100.000 liter zoet water per dag produceren. Voor de elektriciteitsvoorziening is 65 kW niet veel. Voor een afgelegen eiland kan een continue lokale energiebron echter wel degelijk waarde hebben. Daar komt de productie van drinkwater bij.

Verdamping onder vacuüm

Voor de waterproductie kan een zogenoemde open-cycle OTEC worden gebruikt. In plaats van een apart werkmedium wordt daarbij het warme zeewater zelf gebruikt. Door de druk sterk te verlagen, kan het warme zeewater bij relatief lage temperatuur verdampen. De ontstane waterdamp kan een lagedrukturbine aandrijven. Wanneer de damp vervolgens met koud diepzeewater wordt gecondenseerd, ontstaat zoet water.

Dezelfde temperatuurgradiënt wordt daarmee voor twee functies gebruikt: elektriciteitsproductie en ontzilting. Dat maakt de technologie vooral interessant op locaties waar zowel energie als zoet water schaars zijn.

Continu vermogen zonder energieopslag

Een ander voordeel van OTEC is dat de warmtebron continu beschikbaar is. Het temperatuurverschil tussen het warme oppervlaktewater en het koude diepzeewater blijft in tropische gebieden dag en nacht bestaan. Een OTEC-installatie kan daardoor in principe continu elektriciteit produceren, zonder batterijopslag of andere vorm van energieopslag.

Daar staat tegenover dat het lage rendement een groot deel van de potentiële energie opeet. Pompen, warmtewisselaars en de koudwaterleiding moeten zo efficiënt mogelijk worden ontworpen om voldoende netto vermogen over te houden. Juist daarom is de engineering van het totale systeem bepalend. Een efficiënte turbine alleen maakt nog geen efficiënte OTEC-centrale.

Schaalvergroting is niet vanzelfsprekend

Bij veel vormen van energieopwekking levert schaalvergroting belangrijke kostenvoordelen op. Bij OTEC is dat minder vanzelfsprekend. Meer elektrisch vermogen betekent immers ook grotere waterstromen en daarmee grotere leidingen, pompen en warmtewisselaars. Vooral de constructie en installatie van de diepe koudwaterleiding worden een steeds belangrijker onderdeel van het project.

Dat maakt het de vraag of OTEC ooit geschikt wordt voor grootschalige elektriciteitsproductie. De technologie hoeft daarvoor echter niet per se te concurreren met wind- en zonneparken.

De niche kan juist de kracht zijn

OTEC lijkt vooral interessant op plaatsen waar de omstandigheden precies goed zijn: tropische gebieden met een groot temperatuurverschil tussen oppervlakte- en diepzeewater, hoge kosten voor geïmporteerde brandstof en een behoefte aan zoet water.

Op dergelijke locaties kan de waarde van OTEC groter zijn dan alleen de prijs van de opgewekte kilowatturen. De installatie kan tegelijk dieselverbruik verminderen, continu vermogen leveren en drinkwater produceren. Daarmee verschuift de vraag van hoe goedkoop OTEC elektriciteit kan produceren naar welke problemen één OTEC-installatie tegelijk kan oplossen.

Dat kan de technologie een nieuwe kans geven. Na tientallen jaren van experimenteren hoeft OTEC misschien geen wereldwijde energiebron te worden. Een veel beperktere rol ligt meer voor de hand: als compacte energie- en waterinstallatie op tropische eilanden en andere afgelegen locaties waar het temperatuurverschil van de oceaan vrijwel continu beschikbaar is.