TU Delft start-up haalt energie uit temperatuurverschillen in de oceaan

Bluerise is een bedrijf opgericht door twee studenten van TU Delft, Berend Jan Kleute en Remi Blokker, en hun activiteit is de ontwikkeling van technologie van Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC). Ze houden zich dus bezig met de ontwikkeling van de componenten en de systemen die nodig zijn om voor een OTEC-centrale. In een OTEC-centrale komt het er op neer dat er energie opgewekt wordt uit de temperatuursverschillen tussen diep zeewater en oppervlaktewater in tropische zeeën. Het is namelijk zo dat 70% van al het zonlicht op de zee invalt en daardoor warmt het oppervlaktewater op. De zee is dus in feite een zonnecollector met enorme afmetingen. Zeker in tropische gebieden warmt het zeewater enorm op. Het temperatuurverschil dat hiermee ontstaat kan ingezet worden om gebouwen te voorzien van airconditioning, elektriciteit op te wekken en om zout water te ontzilten voor gebruik als drinkwater.

In augustus deze zomer, tekende Bluerise een overeenkomst met de luchthaven van Curaçao om hun technologie voor energiewinning uit zeewater te gaan toepassen. Samen Curaçao Airport onderzoekt het bedrijf de mogelijkheden om de luchthaven te voorzien van koeling, elektriciteit en drinkwater. De keuze om het zeewater te gebruiken voor airconditioning. Deze technologie wordt ook seawater airconditioning (SWAC) genoemd en hierbij gebruikt men het zeewater op grote dieptes als koudebron voor het afkoelen van de ruimtes in gebouwen. Het koude water die zich op een bepaalde diepte in de zee bevindt wordt dat naar boven gepompt en in een reservoir opgeslagen. Vanuit dit reservoir kan het dan naar een warmtewisselaar gepompt worden waar het zorgt voor de afkoeling van het water van de airco van een bepaald gebouw. Daarna wordt het terug in de zee gepompt. Dit wordt meestal niet gedaan voor de airconditioning van één gebouw, maar een dergelijke installatie wordt gebruikt voor de afkoeling van meerdere gebouwen. Dit noemt men dan district cooling.

District cooling is gelijkaardig aan district heating maar dan om gebouwen af te koelen in plaatst van ze op te warmen. Bij district heating of warmtedistributie maakt men gebruik van een ondergronds netwerk van warmwaterleidingen. In de meeste gevallen van warmtedistributie maakt men gebruik van de restwarmte van elektriciteitscentrales, geothermische warmte of van de warmte van afvalverbranding. Bij district cooling is er dus een netwerk van koud-waterleidingen die naar een centrale warmtewisselaar lopen waar het water afgekoeld wordt door het koude zeewater. En daarna loopt het afgekoelde water terug naar het gebouw waar het gebruikt wordt om de ruimtes af te koelen. District cooling is dus op bepaalde locaties interessanter dan op andere locaties. Zeker in tropische gebieden is deze technologie interessant. Niet alleen omdat een airco daar het volledige jaar nodig is maar ook omdat het oppervlakte water daar relatief veel opgewarmd wordt door de felle zon. Met district cooling kan er veel energie bespaard worden, hoeveel dit juist is hangt af van de specifieke situatie. Maar het is mogelijk dat er tot 90% minder energie nodig is in vergelijking met de situatie wanneer men gewone elektrische airco's gebruikt.

Maar naast de mogelijkheid om het temperatuurverschil van het zeewater te gebruiken voor koeling, onderzoekt Bluerise ook de mogelijkheid om, gebruik makend van dit temperatuurverschil, elektriciteit te gaan opwekken. Deze technologie wordt Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) genoemd en in essentie komt het er op neer dat het temperatuurverschil gebruikt wordt om een warmtemotor aan te drijven. Een warmtemotor is het algemene begrip voor een machine die mechanische arbeid levert door warmte van een hoge temperatuur naar een lagere temperatuur te laten stromen. De werking van deze warmtemotor heeft een bepaald rendement. Dit komt doordat het onmogelijk is om alle warmte om te zetten in mechanische arbeid, er blijft namelijk steeds een deeltje, de restwarmte, over. Hoeveel restwarmte er overblijft en dus het rendement van een warmtemotor wordt bepaald door het aanwezige temperaturen en het verschil ertussen. Dit rendement, vooral gekend als het Carnotrendement, is het maximale rendement die een warmtemotor kan behalen bij die specifieke temperaturen. Het effectieve rendement ligt bijna altijd lager dan het Carnotrendement door imperfecties van de warmtemotor en/of bij de werking ervan. Hoe groter het verschil tussen de twee temperaturen, hoe groter het Carnotrendement.

Een warmtemotor maakt gebruikt van de Rankine cyclus waarbij er een turbine aangedreven wordt. De Rankine cyclus is de meest gebruikte thermische cyclus voor energie op te wekken. Deze ligt onder andere aan de basis van de stoommachine. Bij een warmtemotor voor OTEC wordt er geen water maar een ander fluïdum gebruikt. Namelijk één waarvan het kookpunt bij een lagere temperatuur ligt. De installatie van een warmte motor bestaat uit twee warmtewisselaars, een pomp en een turbine. De ene warmte wisselaar bevindt zich aan het wateroppervlak in de zee, daar wordt het fluïdum opgewarmd waardoor het verdampt. Het gas die ontstaat door het verdampen stroomt dan verder naar een turbine, daar expandeert het en drijft het zo de turbine aan. Het gas verlaat de turbine en stroomt verder naar de tweede warmtewisselaar. Door deze tweede warmtewisselaar stroomt het koude water, afkomstig van diep in de oceaan. Het gas koelt dus af en gaat dus condenseren. Het fluïdum is nu dus terug vloeibaar en stroomt verder naar een pomp, die het terug naar de eerste warmtewisselaar pompt.

Het temperatuurverschil in de zee tussen het water op grote diepte en dat aan het oppervlakte is afhankelijk van de locatie, en specifiek van de breedtegraad. Hoe dichter bij de evenaar, hoe groter dit temperatuurverschil is en dus hoe interessanter de OTEC-optie is als energiebron. Het aanwezige temperatuurverschil in de zee is een relatief laag temperatuurverschil in vergelijking met de temperatuurverschillen waarmee men werkt bij andere toepassingen van energieopwekking. Het maximaal haalbare thermische rendement van de warmtemotor ligt rond de 7%. Bijvoorbeeld bij steenkoolcentrales of kerncentrales is het temperatuurverschil heel wat hoger. Bij deze toepassingen ligt het maximaal haalbare thermische rendement ofwel het Carnotrendement veel hoger. En dus hebben de imperfecties van de installatie en de werking ervan een veel kleinere invloed op het totale rendement van het proces. Maar bij een dergelijke warmtemotor die bij een relatief klein temperatuurserschil werkt, hebben de imperfecties van de installatie en de werking een veel grotere impact op het totale rendement. Vroeger slaagde men er niet in om een warmtemotor te bouwen die voldoende efficiënt werkte voor deze toepassing. Maar het ontwerp van de warmtemotor is al veel verbeterd en met de huidige warmtemotor kan men bijna aan deze theoretische maximale rendementen werken.

De kostprijs van de elektriciteit die wordt opgewekt door OTEC hangt uiteraard af van situatie tot situatie. Zo speelt het temperatuurverschil een grote rol voor de kostprijs. Ook de grote van de installatie is een bepalende factor. De energie en de energiedrager, namelijk het zeewater zijn gratis beschikbaar maar er gaat wel een bepaalde kostprijs gepaard met het oppompen ervan. Het gaat niet alleen om de energie die hierbij verbruikt wordt maar ook om de materialen die gebruikt worden. Zeewater is nu niet onmiddellijk de gemakkelijkste vloeistof om mee te werken en dit zorgt dat er regelmatig herstellingen en onderhoud nodig is.

De derde technologie waarvan Bluerise de mogelijkheden zal onderzoeken bij de luchthaven van Curaçao is die van Low Temperature Thermal Desalination. Bij deze technologie wordt er gebruik gemaakt van de eigenschap van water dat gaat koken bij een lage druk, zelfs indien de temperatuur ervan niet hoger is dan de omgevingstemperatuur. Een dergelijk systeem maakt gebruikt van vacuümpompen om het water op een voldoende lage druk te brengen. De waterdamp die hierdoor ontstaat wordt dan naar een ander vat geleid. Daar wordt het dan afgekoeld zodat het terug condenseert. Bij het afkoelen maakt men gebruik van het koude zeewater die men heeft opgepompt. Na het condenseren verkrijgt men gezuiverd water.

Bluerise zal daar, bij de luchthaven, onderzoeken welke de mogelijkheden zijn voor deze technologieën. Er zijn vele zaken die vooraf onderzocht moeten worden vooraleer deze technologieën ingezet kunnen worden. Bijvoorbeeld hoe diep men moet gaan om voldoende koud water te vinden, hoeveel koud water zal er opgepompt moeten worden voor deze verschillende toepassingen, variëren de temperaturen van het zeewater sterk tijdens de verschillende seizoenen, hoeveel mag het allemaal kosten, is er voldoende plaats voor de verschillende installaties, etc. Dit zijn allemaal factoren die een rol spelen in het onderwerp.

via [tudelft]