OTEC, ein Long

Ein Projekt zur Errichtung einer 1,5-MW-OTEC-Plattform (Ocean Thermal Energy Conversion) im kommerziellen Maßstab im afrikanischen Inselstaat São Tomé und Príncipe bis 2025 hat eine wichtige Designzertifizierung erhalten. Der entscheidende Meilenstein geht direkt auf technische Risiken ein, die OTEC, eine seit langem verfolgte Grundlast-Offshore-Technologie für erneuerbare Energien, behindern.

Das in Großbritannien ansässige Unternehmen Global OTEC Resources erhielt im April sein erstes Zulassungszertifikat für die Methode zur Installation eines Kaltwasser-Steigrohrs – eines Rohrs, das zum Transport von Meerwasser vom Meer zum Meerwassertank und umgekehrt von einer Offshore-OTEC-Plattform verwendet wird (siehe Seitenleiste unten). Das Zertifikat wurde vom Schiffsgarantiegutachter ABL Group verliehen, der unabhängige technische Bewertungen durch Dritte für risikoreiche Schiffsbau- und Transportprojekte anbietet. Der Meilenstein „ist besonders wichtig angesichts der technischen Herausforderungen, mit denen OTEC-Installationen konfrontiert sind, und der langen Geschichte erfolgloser Implementierungen von OTEC“, bemerkte Global OTEC.

„Geschichte ist ein wichtiger Lehrer, und wir sind bestrebt, daraus zu lernen“, sagte Dan Grech, Gründer und CEO von Global OTEC. „Das Scheitern früherer OTEC-Projekte zeigt, wo wir Vorsicht walten lassen sollten, daher ist die technische Due Diligence durch Dritte von Anfang an wichtig für unseren Erfolg“, sagte er.

1. Global OTEC hat das angeblich erste kommerzielle System zur thermischen Energieumwandlung im Ozean entwickelt. Die schwimmende 1,5-MW-Plattform namens Dominique soll 2025 in São Tomé und Príncipe installiert werden. Mit freundlicher Genehmigung von Global OTEC

Das Flaggschiffprojekt von Global OTEC ist „Dominque“, eine schwimmende 1,5-MW-OTEC-Plattform, die 2025 in São Tomé und Príncipe installiert werden soll (Abbildung 1). Das Unternehmen sagt, dass die Plattform „das erste OTEC-System im kommerziellen Maßstab sein wird“.

Das ist von Bedeutung, da es sich bei OTEC um eine Technologie handelt, die bereits 1881 vom französischen Physiker Jacques Arsène d'Arsonval vorgeschlagen wurde, um im Ozean absorbierte Sonnenstrahlung in elektrischen Strom umzuwandeln. OTEC liefert nachweislich kontinuierlich Strom sowie frisches Trinkwasser und Kaltwasser für die Kühlung. Doch obwohl seit der Inbetriebnahme der ersten experimentellen 22-kW-Niederdruckturbine im Jahr 1930 mehr als ein Dutzend Prototypen zeitweise getestet wurden, gibt es keine Anlagen im kommerziellen Maßstab.

OTEC versucht im Wesentlichen, die thermischen Gradienten des Ozeans – Temperaturunterschiede von 36 °F oder mehr zwischen warmem Oberflächenwasser und kaltem Tiefseewasser – auszunutzen, um einen Stromerzeugungskreislauf anzutreiben. „Da der Ozean rund 70 % der Erdoberfläche ausmacht, ist er ein riesiger Empfänger und Speicher für Sonnenenergie. Während Wellen, Winde, Gezeiten und Strömungen allesamt Formen erneuerbarer Meeresenergie sind, die je nach Zeit und Jahreszeit variieren, ist das umgekehrt der Fall.“ „Das OTEC-System ermöglicht die Erzeugung konstanter Energie 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr“, erklärte das Technologiekooperationsprogramm Ocean Energy Systems (OES) der Internationalen Energieagentur (IEA) in einem Whitepaper vom Oktober 2021.

Vorhandene Prototypen entsprachen in der Regel je nach Standort drei Grundkonfigurationen: an Land, relativ kurz von der Küste entfernt; montiert am Rand eines Festlandsockels; oder auf einer schwimmenden Plattform oder einem Schiff, wo direkt unter dem Rumpf auf tiefes, kaltes Wasser zugegriffen werden kann.

Darüber hinaus nutzt OTEC typischerweise drei Haupttypen von Stromerzeugungssystemen: einen geschlossenen Kreislauf, einen offenen Kreislauf oder eine Mischung aus geschlossenem und offenem Kreislauf. In einem geschlossenen OTEC-Kreislaufsystem wird Ammoniak – eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt – in einen Verdampfer (Wärmetauscher) gepumpt, der durch warmes Meerwasser erhitzt wird, wodurch sich das Arbeitsmedium in einer Generator-antreibenden Turbine ausdehnt. Der expandierte Dampf wird dann in einem weiteren Wärmetauscher mit kaltem Meerwasser wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert. In einem offenen Kreislauf fungiert das Meerwasser selbst als thermodynamische Flüssigkeit, nachdem es in einer teilweise evakuierten Kammer in Dampf umgewandelt wird. Der Dampf wird dann zum Antrieb einer Dampfturbine verwendet und der austretende Dampf wird mit kaltem Meerwasser kondensiert.

Laut OES der IEA war einer der weltweit bedeutendsten Tests das schwimmende OTEC-1-Projekt des US-Energieministeriums, ein 1-MW-Testkreislauf mit geschlossenem Kreislauf, der zwischen 1980 und 1981 lief. Das Projekt bewies die Machbarkeit des horizontalen Starts und Schleppens und die erfolgreiche Anbringung eines Bündels von drei Kaltwasserrohren (CWPs) aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) an der Unterseite eines umgebauten Tankers der US-Marine sowie die spätere Trennung mithilfe eines speziellen Bewegungsentkopplungskardanrings. Es „gibt Zuversicht, dass es möglich ist, größere CWPs erfolgreich zu entwerfen und zu installieren, wenn insbesondere die Fähigkeiten der Ölindustrie genutzt werden“, was eine „wichtige Unsicherheit für OTEC“ darstellte, sagte OES.

„Ein Steigrohr ist ein vertikales Rohr, das Flüssigkeit von einem Ort zum anderen transportiert, in unserem Fall von unterhalb der Meeresoberfläche an die Oberfläche“, erklärt Global OTEC Resources. „OTEC-Riser gibt es in vielen Formen, sie können aus einem flexiblen Rohr, meerwasserbeständigen Metalllegierungen oder Beton bestehen, und einige Tests wurden sogar an Verbundmaterialien wie Glasfasern durchgeführt.“

Die Kaltwassersteigleitungen für eine groß angelegte OTEC-Erzeugung benötigen große Durchmesser, um einen ausreichenden Wasserdurchfluss für die Wärmetauscher zu ermöglichen, so das Unternehmen. „Diese Steigleitungen können einen Durchmesser von mehreren Metern (m) und eine Länge von mehr als 750 m haben. An manchen Standorten sind Höhen von bis zu 1.400 m erforderlich.“ Die Steigleitungen müssen außerdem „den Schiffsbewegungen standhalten, wenn sich das Boot mit Wind und Wellen bewegt, während das Rohr versucht, statisch zu bleiben; seitlichen Kräften der Meeresströmung, die sich weit nach unten in Richtung Meeresboden erstrecken können, und verursachten langfristigen zyklischen Belastungen.“ durch die oben genannten Probleme.

Die Entwicklung belastbarer Steigleitungen stellte eine dauerhafte Herausforderung dar, die die kommerzielle Machbarkeit von OTEC lange Zeit behindert hat. „Für diese Installationen ist eine Installationslebensdauer von mehreren zehn Jahren geplant, daher kann es eine große Herausforderung sein, die Steigleitung so zu konstruieren, dass sie all diesen Kräften über einen so langen Zeitraum standhält“, bemerkte Global OTEC. „Ein Ausfall der Kaltwasserleitung würde den Betrieb des OTEC-Kreislaufs verhindern, einen Stromausfall zur Folge haben und je nach Ort des Bruchs eine Gefahr für das Schiff selbst darstellen.“

Zu den neueren bemerkenswerten Projekten gehören die landgestützte 105-kW-OTEC-Anlage von Makai Ocean Engineering in einem Forschungszentrum in Hawaii und eine schwimmende 20-kW-OTEC-Pilotanlage unter der Leitung des Korean Research Institute of Ships and Ocean Engineering (KRISO), die ihren Betrieb aufnahm 2012. KRISO entwickelt derzeit eine 1-MW-OTEC-Demonstration auf der kleinen Pazifikinsel Kiribati, basierend auf einem Probebetrieb eines Systems, das im südkoreanischen Ostmeer (in der Nähe von Pohang, Abbildung 2) getestet wurde.

„Die 1-MW-OTEC-Demonstration wurde für einen Meerwassertemperaturunterschied von 24 °C konzipiert und wurde erfolgreich in einem Probebetrieb (Leistung von 338 kW unter Betriebsbedingungen eines Temperaturunterschieds von 18,7 °C) in Korea durchgeführt“, sagte Dr. Hyeon-Ju Kim, eine leitende Forscherin bei KRISO, sagte gegenüber OES in einem im Juli 2022 veröffentlichten Interview. „Wenn die Demonstration der 1-MW-OTEC-Anlage in Äquatornähe in Zukunft erfolgreich durchgeführt wird, können kompetente Fachleute nach und nach einen positiven Ausblick auf die Größenordnung von 10-, 100- und 400-MW-OTEC-Anlagen ziehen.“

Die OTEC-Entwicklung schreitet auch in Japan voran, wo 2016 eine 100-kW-OTEC-Demonstration auf der Insel Kume in der Präfektur Okinawa ans Netz ging. Der OTEC-Stromerzeuger Xenesys, der das Projekt für die Präfektur Okinawa (Stadt Kumejima) betreibt und wartet, bestätigte zusammen mit den Projektpartnern, dem japanischen Transportunternehmen Mitsui OSK Lines (MOL) und der Saga University, dass die Demonstration (Abbildung 3) noch in Betrieb ist.

Im März 2023 erhielten die Partner die Unterstützung des japanischen Umweltministeriums im Rahmen eines Technologieentwicklungsprogramms für „regionale Symbiose und sektorübergreifende CO2-Neutralität“, um das OTEC-Projekt „bis etwa 2026“ auf eine kommerzielle Leistung von 1 MW zu erweitern. Die Bemühungen umfassen die Herstellung großer, paralleler Titan-Wärmetauscher mit einer Stromerzeugungsleistung von 200 kW und die Überprüfung ihrer Leistung im Geschäftsjahr 2022 bis 2024 mit dem Ziel, eine groß angelegte Wärmerückgewinnungstechnologie aus Meerwasser für die Kommerzialisierung der Unternehmen OTEC zu etablieren sagte POWER.

3. Eine laufende 100-kW-Demonstrationsanlage zur Umwandlung thermischer Meeresenergie (OTEC) im Besitz der japanischen Präfektur Okinawa soll zu einer kommerziellen 1-MW-Anlage erweitert werden. Mit freundlicher Genehmigung: Mitsui OSK Lines

MOL lobte das Potenzial von OTEC als Grundlaststromquelle, die „von den Wetterbedingungen nicht stark beeinflusst wird“. Ein weiterer bekannter Vorteil besteht darin, dass „selbst nach der Nutzung von Tiefseewasser zur Stromerzeugung die Wasserqualität unverändert bleibt und die Temperatur immer noch niedrig genug ist, um für sekundäre Zwecke wie Fischerei, Landwirtschaft und Klimatisierung genutzt zu werden.“ Während MOL erfolglose Versuche weltweit einräumte, die lange latente Technologie zu kommerzialisieren, sagte es, dass seine Bemühungen, „OTEC in Japan und Übersee schnell zu kommerzialisieren“, durch ein Projekt zur Überprüfung seiner Forschungsergebnisse aus der Okinawa-Demonstration bei einem Projekt in Mauritius gestärkt würden.

„Mauritius hat einen Fahrplan erstellt, um den Anteil erneuerbarer Energien bis 2030 auf 60 % zu erhöhen“, stellte das Unternehmen fest. „OTEC, das unabhängig von den Wetterbedingungen 24 Stunden am Tag zuverlässig Strom erzeugen kann, verfügt auf Mauritius dank der vorteilhaften geografischen Lage der Insel im Indischen Ozean über großes Potenzial. Die Zweitnutzung von Meerwasser nach der Stromerzeugung kann auch anderen Industrien auf der Insel helfen.“ ." MOL sagte, es plane außerdem, das „Wissen und die Expertise, die es durch sein Offshore-Geschäft und sein Lieferkettennetzwerk angesammelt habe“, zu nutzen, um die Kommerzialisierung von OTEC voranzutreiben.

Global OTEC lobt auch das Potenzial von OTEC für kleine Inselentwicklungsstaaten (SIDS). SIDS leiden aufgrund der Abhängigkeit von Diesel- und anderen Kraftstoffimporten häufig unter hohen Energiepreisen und sind mit Platzmangel konfrontiert, um ausreichend Wind- und Solarenergie zu installieren. Neben der Grundlastversorgung kann „OTEC als Nebenprodukt große Mengen an kaltem Wasser liefern. Dieses kann zur Klimatisierung genutzt werden und das nährstoffreiche Tiefenwasser kann für die Aquakultur und den Aufbau einer nachhaltigen lokalen Wirtschaft genutzt werden“, sagte Neil Reynolds, Global OTEC-Vorstandsdirektor, der auch Sonderberater der internationalen Organisation SIDS DOCK ist. „OTEC kann auch mit der Entsalzung von Trinkwasser und der Produktion von Ammoniak und grünem Wasserstoff gekoppelt werden“, fügte Reynolds hinzu.

Zusammen mit seinem ersten geschlossenen Lastkahn, der für São Tomé und Príncipe vor der westlichen Äquatorküste Zentralafrikas geplant ist, erkundet Global OTEC OTEC-Standorte auf den Turks- und Caicosinseln (TCI), einem Archipel aus 40 tief liegenden Koralleninseln der atlantische Ozean. „Da TCI über eine riesige ausschließliche Wirtschaftszone im Meeresraum verfügt, die um ein Vielfaches größer ist als die Fläche ihrer Landgewässer und in den Tropen liegt, ist sie gut für OTEC geeignet“, sagte das Unternehmen. Desktop-Studien von Global OTEC haben gezeigt, dass TCI über die ideale Kombination aus ganzjährig warmem Meerwasser und einfachem Zugang zu kaltem Tiefenwasser verfügt, wobei die Festlandsockel innerhalb von 4 Kilometern Entfernung zur Küste schnell auf 1.000 Meter (3.281 Fuß) absinken.

Global OTEC räumte jedoch ein, dass der Start seines ersten kommerziellen Projekts, der Dominique, die Entwicklung eines bahnbrechenden Einsatzpfads erfordern wird, der direkt auf Risiken eingeht, die OTEC seit langem behindern. Das bekannteste Problem betrifft Kaltwasser-Steigrohre (siehe Seitenleiste oben, „Was ist ein Steigrohr??"), die OTEC-Anlagen mit der benötigten erheblichen Menge an Kaltwasser versorgen.

Global OTEC gibt an, sich für ein schwimmendes Lastkahndesign entschieden zu haben, da Onshore-OTEC-Anlagen „mehrere mehrere Kilometer lange Rohre erfordern, die am Meeresboden befestigt sind“, um die Gewinnung und sichere Ableitung von Wasser zu ermöglichen. Wasserleitungen seien „eine der größten Kostenstellen einer OTEC-Anlage“. Onshore-OTEC, das die Stromerzeugung effektiv zentralisiert, schränkt auch die Regionen ein, in denen der Prozess wirtschaftlich sein kann, und stellt im Falle einer Naturkatastrophe einen Single Point of Failure dar.

Neben der gründlichen Überprüfung seiner Risiken im Zusammenhang mit OTEC-Steigrohren – durch technische Überprüfungen durch Dritte – hat das Unternehmen nach eigenen Angaben eine streng detaillierte Entwurfsphase für das Kaltwasserrohr „in Zusammenarbeit mit Lieferanten und Wissenschaftlern auf dem neuesten Stand der Unterwasserwelt“ durchgeführt Steigrohrkonstruktionen.“ Um die Risiken weiter einzudämmen, werde das Unternehmen seine ersten kommerziellen Systeme „in einem Markt einsetzen, in dem viel geringere Abstände zwischen warmem Oberflächenmeerwasser und kaltem Tiefenwasser bestehen“, hieß es.

Global OTEC räumt ein, dass kleinere, noch junge Systeme angesichts der Skaleneffekte kostspielig sein werden. Unter Berufung auf Literaturberichte früherer OTEC-Anlagendesigns weist das Unternehmen auf Stromgestehungskosten (LCOE) für Großanlagen von 0,05 $/kWh hin. „Unsere Beschaffungsstudien und die Zusammenarbeit mit Lieferanten zeigen, dass ein Bereich zwischen 0,30 und 0,15 US-Dollar pro kWh für frühe Generationen von OTEC-Lastkähnen realistisch ist“, hieß es.

Allerdings könnten die jüngsten Veränderungen in der globalen Energiewirtschaft und Fortschritte bei der Effizienz von OTEC-Komponenten die Kosten senken, hieß es. „In der Vergangenheit erwies sich die Effizienz der Kreisläufe und Komponenten als schwierig für frühe Projekte, um sie kommerziell zu rechtfertigen. Im Laufe der Jahrzehnte, in denen Öl, Gas und Kohle sehr billig waren, glaubte man, dass OTEC-Projekte eine Größe von 50 MW oder sogar 100 MW haben müssten.“ wettbewerbsfähig sein“, hieß es. Während das Unternehmen prognostiziert, dass frühe kommerzielle OTEC-Systeme möglicherweise noch „innovative Finanzierungsmodelle benötigen, um erfolgreich zu sein“, scheint es zuversichtlich zu sein, dass die Bedingungen, die die Energiewende den globalen Stromsystemen auferlegt, den „perfekten Sturm“ für den Beginn der Kommerzialisierung von OTEC darstellen könnten.

—Sonal Patelist leitender Mitherausgeber von POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

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