海洋温度差エネルギー変換

閉サイクルシステムでは、アンモニア（大気圧下で沸点が約-33  ℃）などの低沸点流体を用いてタービンを回転させ、発電します。温かい海水表面を熱交換器に通して流体を気化させます。膨張した蒸気がタービン発電機を回転させます。2つ目の熱交換器に通された冷水が蒸気を凝縮して液体に戻し、それがシステム内で循環します。

1979年、自然エネルギー研究所と複数の民間企業パートナーは、「ミニOTEC」実験を開発し、閉鎖サイクルOTECによる洋上での正味電力生産に初めて成功した。^{[ 48 ]}ミニOTEC船はハワイ沿岸から1.5マイル（2.4km ）沖合に係留され、船内の電球を点灯させ、コンピューターやテレビを動かすのに十分な正味電力を生産した。 

オープンサイクルOTECは、温かい表層水を直接利用して発電します。まず、温かい海水を低圧容器に送り込み、沸騰させます。一部の方式では、膨張した蒸気が発電機に接続された低圧タービンを駆動します。低圧容器内で塩分やその他の不純物が除去された蒸気は、純粋な淡水です。この蒸気は、深層水の低温にさらされることで液体に凝縮されます。この方法で、飲料水、灌漑、養殖に適した淡水が生成されます。^{[ 49 ]}

他の方式では、上昇する蒸気を利用して、水をかなりの高さまで汲み上げるガスリフト技術が用いられる。実施形態によっては、このような蒸気リフトポンプ技術は、ポンプを使用する前または後に水力タービンから動力を生成する。^{[ 50 ]}

1984年、太陽エネルギー研究所（現在は国立再生可能エネルギー研究所として知られる）は、開放サイクル発電所用の温海水を低圧蒸気に変換する垂直噴流蒸発器を開発した。海水から蒸気への変換効率は97%にも達した（全体の蒸気生成量は流入水の数パーセントに過ぎない）。1993年5月、ハワイのケアホレ岬にある開放サイクルOTEC発電所は、正味発電実験中に80kW近い電力を発電した。[ ^{51 ]これ}は、1982年に日本のシステムが樹立した40kWの記録を破った。^{[ 51 ]}  

ハイブリッドサイクルは、閉サイクルシステムと開サイクルシステムの特徴を組み合わせたものです。ハイブリッドでは、温かい海水が真空チャンバーに入り、開サイクル蒸発プロセスと同様に瞬間蒸発します。蒸気は、アンモニア蒸発器の反対側にある閉サイクルループのアンモニア作動流体を蒸発させます。蒸発した流体はタービンを駆動して発電します。蒸気は熱交換器内で凝縮し、脱塩水を提供します（ヒートパイプを参照）。^{[ 52 ]}

作動流体としてよく用いられるのはアンモニアで、輸送特性に優れ、入手しやすく、コストも低い。しかし、アンモニアは有毒で可燃性である。CFCやHCFCなどのフッ素化炭素は有毒でも可燃性でもないが、オゾン層破壊の原因となる。炭化水素も有望な候補だが、可燃性が非常に高い。さらに、燃料として直接使用する場合との競合が生じる。発電所の規模は作動流体の蒸気圧に依存する。蒸気圧が上昇すると、タービンと熱交換器のサイズは小さくなり、特に蒸発器側では高圧に耐えるために配管と熱交換器の壁厚が増加する。

陸上および沿岸部の施設は、深海に設置される施設に比べて主に3つの利点があります。陸上または沿岸部に建設される施設は、複雑な係留設備、長距離の送電ケーブル、外洋環境に伴う大規模なメンテナンスを必要としません。また、嵐や荒波から比較的安全な、波風の影響を受けにくい場所に設置できます。沿岸部の施設からは、高架橋や堤防を介して、電力、淡水化水、冷たく栄養豊富な海水を送ることができます。さらに、陸上または沿岸部の施設は、海洋養殖業や淡水化水を必要とする産業など、関連産業と連携して操業することが可能です。

好ましい立地としては、狭い棚状の地形（火山島）、急勾配（15～20度）の沖合斜面、比較的平坦な海底などが挙げられます。これらの立地では、取水管の長さを最小限に抑えることができます。陸上プラントは、嵐からの保護を強化するため海岸から十分に内陸に建設することも、パイプを短くするため海岸に建設することも可能です。いずれの場合も、建設と操業が容易であればコスト削減につながります。

陸上または沿岸部の施設でも、海洋養殖や冷水農業を行うことができます。海岸に建設されたタンクやラグーンを利用することで、作業員は小型の海洋環境を監視・制御できます。海洋養殖産物は、通常の輸送手段で市場に出荷できます。

陸上施設の欠点の1つは、波打ち際の乱流による波浪の影響です。OTECの排水管は、嵐や長期間の荒波の際に過度のストレスを受けないよう、保護溝に設置する必要があります。また、冷水と温水の混合排水は、適切な水深に到達するまで数百メートル沖合まで運搬する必要がある場合があり、建設と維持管理に余分な費用がかかります。

OTECシステムが波打ち際での運転に伴う問題や費用の一部を回避する方法の一つは、水深10～30メートルの沖合に建設することである（Ocean Thermal Corporation 1984）。このタイプの発電所は、より短い（したがってコストの低い）取水管と排水管を使用するため、乱流の波による危険を回避できる。ただし、発電所自体は防波堤や耐侵食性基礎などの海洋環境からの保護が必要であり、発電所の出力は陸上に送電する必要がある。^{[ 53 ]}

荒れた波打ち際を避け、冷水資源に近づくために、OTEC プラントは水深100 メートル (330フィート)までの大陸棚に設置することができます。棚に設置されたプラントは、現場まで曳航され、海底に固定されます。このタイプの構造は、すでに洋上石油掘削装置で使用されています。より深い水域で OTEC プラントを運用する複雑さにより、陸上方式よりもコストが高くなる可能性があります。問題には、外洋の環境によるストレスや、製品の配送がより困難になることが含まれます。強い海流や大きな波に対処するには、エンジニアリングと建設のコストが増加します。プラットフォームは、安定した基盤を維持するために、広範囲にわたる杭打ちが必要です。電力供給には、陸地まで届く長い海底ケーブルが必要になる場合があります。これらの理由から、棚に設置されたプラントはあまり魅力的ではありません。^{[ 53 ]} 

浮体式海洋温度差発電（OTEC）施設は洋上で稼働します。大規模システムには最適である可能性がありますが、浮体式施設にはいくつかの困難があります。非常に深い水域でのプラントの係留の難しさが電力供給を複雑にします。浮体プラットフォームに接続されたケーブルは、特に嵐の際に損傷を受けやすくなります。水深1000メートルを超えるケーブルは、保守や修理が困難です。海底とプラントを接続するライザーケーブルは、絡まりに強い構造にする必要があります。^{[ 53 ]}

棚設置型プラントと同様に、浮体式プラントも継続的な運転のために安定した基盤が必要です。大きな嵐や荒波は、垂直に吊り下げられた冷水パイプを破損させ、温水の取水も中断させる可能性があります。これらの問題を防止するために、パイプは柔軟なポリエチレン製で、プラットフォームの底部に取り付けられ、ジョイントやカラーでジンバルすることができます。嵐による損傷を防ぐために、パイプをプラントから切り離す必要がある場合があります。温水パイプの代わりに、表面水を直接プラットフォームに引き込むこともできますが、荒波による激しい動きの際に取水流が損傷したり中断されたりしないようにする必要があります。^{[ 53 ]}

浮体式発電所を送電ケーブルに接続するには、発電所が比較的静止した状態を保つ必要があります。係留は許容される方法ですが、現在の係留技術は水深約2,000メートル（6,600フィート）までしか対応していません。より浅い水深でも、係留コストが高額になる可能性があります。^{[ 54 ]} 

オーシャン・サーマル・エナジー・コーポレーション（OTE）は現在、米領バージン諸島に10MWのOTECプラントを2基、バハマに5～10MWのOTEC施設を設置する計画がある。OTEはまた、バハマのリゾート向けに世界最大の海水空調（SWAC）プラントを設計しており、冷水深層海水を空調方法として利用する予定である。^{[ 62 ]} 2015年半ば、95%完了していたプロジェクトは、リゾートが資金と所有権の問題を解決する間、一時的に中断された。^{[ 63 ]} 2016年8月22日、バハマ政府は、バハマール・リゾートが完成するという新たな協定が締結されたと発表した。^{[ 28 ]} 2016年9月27日、バハマのペリー・クリスティ首相は、バハマールの建設が再開され、リゾートは2017年3月にオープンする予定であると発表した。  

これは保留中で、再開されない可能性もある。^{[ 64 ]}

ロッキード・マーティンの代替エネルギー開発チームは、マカイ・オーシャン・エンジニアリング^{[ 65 ]}と提携し、 2012年から2013年の間にハワイ で稼働開始予定の10MW閉サイクルOTECパイロットシステムの最終設計段階を完了しました。このシステムは、 近い将来100MWの商用システムに拡張できるように設計されていました。2010年11月、米国海軍施設技術コマンド（NAVFAC）は、プラントの重要なシステムコンポーネントと設計を開発するために、ロッキード・マーティンに440万ドルの契約変更を授与しました。これは、2009年の810万ドルの契約と、2008年と2010年3月に合計100万ドルを超える2つのエネルギー省助成金に追加されました。 ^{[ 66 ]} 2015年8月、ハワイで小規模ながら稼働中の海洋温度差発電（OTEC）プラントが開設されました。研究開発用の100キロワット施設の開設は、閉サイクルOTECプラントが米国の送電網に接続された最初の事例となりました。^{[ 67 ]}

2013年4月13日、ロッキード社はレインウッド・グループと契約を結び、中国南部沿岸沖に10メガワットの発電所を建設し、海南島に計画されているリゾートに電力を供給することになった。^{[ 68 ]}この規模の発電所は数千世帯に電力を供給することになる。^{[ 69 ] [ 70 ]}レインウッド・グループは2011年にオーパス・オフショアを買収し、深海掘削の開発にも携わるレインウッド・オーシャン・エンジニアリング部門を設立した。^{[ 71 ]}

現在、継続的に稼働している唯一のOTECシステムは、日本の沖縄県にあります。政府の支援、地域社会の支援、佐賀大学による高度な研究が、請負業者であるIHIプラント建設株式会社、横河電機株式会社、およびXenesysがこのプロジェクトを成功させる鍵となりました。久米島では、新しいパイプラインを必要とする1MWの施設の開発が進められています。2014年7月、50以上のメンバーが、久米島モデルの開発を促進し、より大型の深海パイプラインと1MWのOTEC施設の設置に向けて活動する国際組織であるグローバル海洋資源エネルギー協会^{[ 72 ]を結成しました[ 73 ]} 。現在のOTECプロジェクトに関わっている企業と他の関係者も、洋上OTECシステムの計画を策定しています^{[ 74 ] 。}

2014年3月5日、海洋熱エネルギー公社（OTEC）^{[ 75 ]}と米国領ヴァージン諸島（USVI）の第30議会は、陸上海洋熱エネルギー変換（OTEC）再生可能エネルギー発電所と海水空調（SWAC）施設の設置の実現可能性とUSVIへの潜在的な利益を評価するための調査を進める覚書に署名した。^{[ 76 ]} USVIの調査で評価される利益には、OTECによって生成されるベースロード（24時間365日）のクリーンな電力だけでなく、豊富な淡水飲料水、省エネ空調、持続可能な水産養殖と海洋養殖、セントトーマス島とセントクロイ島の農業強化プロジェクトなど、OTECとSWACに関連するさまざまな関連製品も含まれる。^{[ 77 ]}

2016年7月18日、OTEの適格施設としての申請がバージン諸島公共サービス委員会によって承認されました。^{[ 32 ]} OTEはまた、このプロジェクトに関連する契約の交渉を開始する許可も得ました。^{[ 33 ]}

韓国船舶海洋工学研究所（KRISO）は、1MWの洋上OTEC設計についてビューローベリタスから原則承認を得た。 キリバス共和国沖6kmに位置するこのプロジェクトのスケジュールは明らかにされていない。^{[ 78 ]}

Akuo EnergyとDCNSは、2014年7月8日にNER300の資金援助を受けました^{[ 40 ]。} これは、2020年に完成予定の正味出力10.7MWの洋上施設となるNEMO（マルティニークおよび海外向けの新エネルギー）プロジェクトに対するものです^{[ 79 ]。}開発支援のための助成金総額は7200万ユーロでした^{[ 80 ] 。}

2018年2月16日、Global OTEC Resourcesは、ホテルやリゾート向けに特別に設計された150kWの発電所をモルディブに建設する計画を発表した^{[ 81 ] 。 [ 82 ]}ディレクターのダン・グレック氏は、「これらのリゾートはすべてディーゼル発電機から電力を得ています。さらに、一部のリゾートは需要を満たすために1日に7,000リットルのディーゼルを消費しており、これは年間6,000トン以上のCO2に相当します_」と述べた^{[ 83 ]}。EUは助成金を交付し、Global OTEC Resourcesは残りの資金をクラウドファンディングで調達するキャンペーンを開始した^{[ 81 ] 。} 

淡水化水は、表面凝縮器を使用して蒸発した海水を飲料水に変換する開放サイクルまたはハイブリッドサイクルのプラントで生産できます。システム分析によると、2メガワットのプラントでは、1日あたり約4,300立方メートル（150,000立方フィート）の淡水化水を生産できます。 ^{[ 84 ]}リチャード・ベイリーが特許を取得した別のシステムは、変動する露点温度と相関して表面凝縮器を通る深層海水の流れを調整することにより、凝縮水を生成します。^{[ 85 ]}この凝縮システムは、追加のエネルギーを使用せず、可動部品もありません。  

佐賀大学は2015年3月22日、久米島にフラッシュ式海水淡水化実証施設を開設した。^{[ 86 ]}この施設は、沖縄海洋エネルギー研究所の衛星施設であり、沖縄海洋エネルギー実証施設からの海洋エネルギー変換後の深層海水と原表層海水を用いて淡水化水を生成する。真空ポンプで密閉系から空気を抜き取る。原海水をフラッシュチャンバーに送り込むと沸騰し、純粋な蒸気が上昇して塩分と残りの海水が除去される。蒸気は、冷たい海洋エネルギー変換後の深層海水との熱交換器で液体に戻される。^{[ 87 ]}淡水化水は、水素製造や飲料水（ミネラルを添加すれば）に利用できる。

1993年に設立されたNELHA工場は、1日平均7,000ガロンの淡水を生産していた。KOYO USAは、この新たな経済機会を活用するために2002年に設立された。KOYOは、ハワイのNELHA工場で生産された水をボトル詰めしている。1日100万本のボトルを生産できる能力を持つKOYOは、現在、売上高1億4,000万ドルを誇るハワイ最大の輸出業者となっている。[81]

OTECシステムによって供給される41°F（5°C）の冷たい海水は、発電所近くの産業や住宅に大量の冷却を提供する機会を生み出します。この水は冷水コイルで使用して建物の空調に利用できます。直径1フィート（0.30m）のパイプで毎分4,700ガロンの水を供給できると推定されています。43°F（6°C）の水は、大きな建物の空調に十分すぎるほどの供給が可能です。1キロワット時あたり5～10セントで販売される電気空調の代わりに年間8,000時間稼働すれば、年間20万ドルから40万ドルのエネルギー料金を節約できます。^{[ 88 ]}     

ボラボラ島のインターコンチネンタルリゾート アンド タラソ スパでは、建物の空調に SWAC システムを使用しています。^{[ 89 ]} このシステムでは、海水が熱交換器を通過し、閉ループ システムで淡水を冷却します。この淡水は建物にポンプで送られ、空気を直接冷却します。

2010年、コペンハーゲン・エナジーはデンマークのコペンハーゲンに地域冷房プラントを開設した。このプラントは商業ビルや工業ビルに冷たい海水を供給し、電力消費量を80%削減した。^{[ 90 ]} オーシャン・サーマル・エナジー・コーポレーション（OTE）は、バハマのリゾート向けに9800トンのSDCシステムを設計した。

OTEC技術は、冷却土壌農業を支えています。冷たい海水が地下パイプを流れると、周囲の土壌が冷やされます。冷たい土壌中の根と暖かい空気中の葉との温度差により、温帯気候で​​進化した植物を亜熱帯で栽培することが可能になります。ジョン・P・クレイブン博士、ジャック・デビッドソン博士、リチャード・ベイリーは、このプロセスを特許化し、ハワイ自然エネルギー研究所（NELHA）の研究施設で実証しました。^{[ 91 ]}この研究施設では、このシステムを使用して100種類以上の作物を栽培できることが実証されました。その多くは、通常ハワイやケアホレ岬では生き残れません。

日本は2000年から久米島の沖縄深海水研究所で深海水の農業利用についても研究している。久米島の施設では、地中のパイプを通る熱交換器で深海水で冷却した通常の水を使って土壌を冷却している。この技術は島民にとって重要な資源となり、今では冬野菜であるほうれん草を年間を通して商業的に生産している。2014年には久米島町がOTEC実証施設の隣に深海水農業施設の拡張を完了した。この新しい施設は、より大規模な冷却土壌農業の経済的実用性を研究するためのものである。^{[ 92 ]}

養殖は最もよく知られた副産物であり、深海から大量の水を汲み上げる際の費用とエネルギーコストを削減できる。深海水には、生物による消費で表層水では枯渇してしまう必須栄養素が高濃度で含まれている。この人工的な湧昇流は、世界最大の海洋生態系と地球上で最も生物密度の高い地域を育み支える自然の湧昇流を模倣している。

サケやロブスターなどの冷水性海洋生物は、この栄養豊富な深層海水でよく育ちます。健康食品として利用されるスピルリナなどの微細藻類も栽培可能です。深層海水と表層海水を混合することで、最適な温度の水を供給することができます。

サケ、ロブスター、アワビ、マス、カキ、アサリなどの外来種は、OTECで汲み上げた水で満たされたプールで養殖できます。これにより、近隣の市場で入手できる新鮮なシーフード製品の種類が増えます。このような低コストの冷蔵は、温暖な熱帯地域ではすぐに劣化する収穫魚の品質を維持するために使用できます。ハワイのコナでは、NELHAと協力する養殖会社が年間約4,000万ドルを生み出しており、これはハワイのGDPのかなりの部分を占めています。^{[ 93 ]}

OTECの電力を用いた電気分解によって水素を製造できる。効率を向上させるために電解質化合物が添加された生成蒸気は、水素製造のための比較的純粋な媒体である。OTECは、大量の水素を生成できるように拡張できる。主な課題は、他のエネルギー源や燃料と比較したコストである。^{[ 94 ]}

海洋には塩類やその他の形態で溶液に溶解した57種類の微量元素が含まれている。過去には、ほとんどの経済分析で、海洋から微量元素を採掘することは、水を汲み上げるのに必要なエネルギーなどから、採算が合わないと結論付けられていた。採掘は一般的に、マグネシウムのように高濃度で存在し、容易に抽出できる鉱物を対象としている。OTECプラントが水を供給する場合、コストは抽出のみとなる。^{[ 95 ]} 日本人はウランの抽出の可能性を調査し、他の技術（特に材料科学）の発展が見通しを改善していることを発見した。^{[ 96 ]}

海洋の温度勾配は、熱帯地域における降雨量を増やし、夏の高温を緩和するために利用でき、人類と動植物に多大な恩恵をもたらします。ある地域の海面水温が比較的高い場合、近隣の陸地の気圧に比べて気圧の低い領域が形成され、陸地から海洋に向かう風が吹きます。海洋に向かう風は乾燥していて暖かいため、陸地に向かう湿った風に比べて、陸地への降雨には寄与しません。陸地で十分な降雨量と快適な夏の気温（35℃以下）を確保するには、海洋から陸地に向かう湿った風が望ましいです。海域で人工的に湧昇を起こして高気圧帯を選択的に作り出すことで、通常のモンスーンの地球規模の風を陸地に向かって偏向／誘導することもできます。栄養豊富な深層海水を人工的に湧昇させることは、熱帯および温帯の地域での漁業の成長も促進します。^{[ 97 ]}また、海面上昇や地球温暖化の緩和につながる降雪量の増加により、海藻の成長が促進され、氷河の質量が増加するため、海洋による炭素隔離が強化されるだろう。熱帯低気圧は、海の暖かい表層水からエネルギーを得て勢力を増すため、高気圧帯を通過しない。 

深海の巨大な浮体式風力発電所が発電した電力を用いて、人工的に 海面水温（26℃以上）を抑制するため、冷たい深海水（10℃未満）を海面域に汲み上げる。海面水温が低下すると、局所的な気圧が上昇し、陸地に向かう大気風が発生する。冷たい海水を湧昇させるため、水深500～1000mの深海底に、直径約50mの油圧駆動式固定プロペラが設置され、海面まで伸びる柔軟なドラフトチューブが備えられている。ドラフトチューブは、下側が海底に固定され、上側は海面上の浮体に固定されている。冷たい海水が海面に汲み上げられる際、内部圧力が外部圧力よりも高くなるため、柔軟なドラフトチューブは潰れることはない。中東、北東アフリカ、インド亜大陸、オーストラリアは、ペルシャ湾、紅海、インド洋、太平洋からそれぞれ深層海水を海面に汲み上げることで、夏の暑く乾燥した気候や、不規則な降雨に悩まされることなく、気候の緩和を図ることができる。 

海洋が受ける総日射量（地球表面の70%を覆い、透明度指数0.5、平均エネルギー保持率15%）は、5.45 × 10¹⁸ MJ/年× 0.7 × 0.5 × 0.15 = 2.87 × 10¹⁷ ^MJ /年である^。

水による太陽エネルギーの吸収を定量化するには、ビール・ランベルト・ブーゲの法則を使用できます。

${\displaystyle -{\frac {dI(y)}{dy}}=\mu I}$

ここで、yは水の深さ、Iは強度、μは吸収係数である。上記の微分方程式を解くと、

${\displaystyle I(y)=I_{0}\exp(-\mu y)\,}$

吸収係数μは、非常に澄んだ淡水では 0.05 m ^{− 1} 、非常に塩分濃度の高い水では0.5 m ^{− 1}の範囲になる可能性がある。

熱吸収の強度は深さyとともに指数関数的に減少するため、熱吸収は表層に集中します。熱帯地域では、表面温度は25 ℃（77 °F）を超えるのが一般的ですが、水深1キロメートル（0.62マイル）では、温度は約5～10 ℃（41～50 °F）です。表面の水温が高い（したがって軽い）ため、熱対流は発生しません。温度勾配が小さいため、伝導による熱伝達は温度を均一化するには不十分です。したがって、海洋は実質的に無限の熱源であると同時に、実質的に無限の熱吸収源でもあります。     

この温度差は緯度と季節によって異なり、熱帯、亜熱帯、赤道付近の海域で最大となる。したがって、一般的に熱帯地域は海洋温度差発電（OTEC）に最適な場所である。

この方式では、約27 ℃（81 °F）の温かい地表水が、飽和圧力よりわずかに低い圧力で蒸発器に入り、そこで蒸発する。  

${\displaystyle H_{1}=H_{f}\,}$

ここで、H _fは入口温度T _{1における液体の水の}エンタルピーである。

この一時的に過熱された水は、加熱面が接触している従来のボイラーでのプール沸騰とは異なり、体積沸騰を起こします。そのため、水は部分的に蒸気にフラッシュし、二相平衡が維持されます。蒸発器内の圧力が飽和圧力T ₂に維持されていると仮定します。

${\displaystyle H_{2}=H_{1}=H_{f}+x_{2}H_{fg}\,}$

ここで、x _{2は質量比で蒸発する水の割合です。}タービンの単位質量流量あたりの温水質量流量は 1/ x ₂です。

蒸発器内の低圧は真空ポンプによって維持され、同時に蒸発器内の溶解した非凝縮性ガスも除去されます。蒸発器内には、水と蒸気の混合物（蒸気含有量が非常に低い）が存在します。蒸気は飽和蒸気として水から分離されます。残りの水は飽和しており、開放サイクルで海洋に排出されます。蒸気は低圧・高比容積の作動流体であり、特殊な低圧タービンで膨張します。

${\displaystyle H_{3}=H_{g}\,}$

ここで、H _{g は}T ₂に対応します。理想的な等エントロピー（可逆断熱）タービンの場合、

${\displaystyle s_{5,s}=s_{3}=s_{f}+x_{5,s}s_{fg}\,}$

上記の式は、タービンの排気温度T ₅に対応します。x 5 _、sは状態 5 における蒸気の質量分率です。

T ₅におけるエンタルピーは、

${\displaystyle H_{5,s}=H_{f}+x_{5,s}H_{fg}\,}$

このエンタルピーは低い。断熱可逆タービン仕事 = H ₃ - H _5、s。

実際のタービン仕事W _T = ( H ₃ - H _{5, s} ) ×ポリトロピック効率

${\displaystyle H_{5}=H_{3}-\ \mathrm {実際} \ \mathrm {仕事} }$

凝縮器の温度と圧力は低くなります。タービン排気は海に排出されるため、直接接触式凝縮器を使用して排気を冷水と混合し、ほぼ飽和状態の水を生成します。この水はその後、海に排出されます。

H ₆ = H _f、T ₅において。T ₇は排気ガスと冷たい海水が混合されたときの温度であり、蒸気含有量は無視できるほど小さい。

${\displaystyle H_{7}\approx H_{f}\,\ at\ T_{7}\,}$

各段階間の温度差には、温水表面水と作動蒸気との温度差、排気蒸気と冷却水との温度差、復水器に到達する冷却水と深層水との温度差が含まれる。これらは、全体の温度差を減少させる外部不可逆性要因である。

単位タービン質量流量あたりの冷水流量、

${\displaystyle {\dot {m_{c}={\frac {H_{5}-\ H_{6}}{H_{6}-\ H_{7}}}}}\,}$

タービン質量流量、${\displaystyle {\dot {M_{T}}}={\frac {\mathrm {タービン} \ \mathrm {仕事} \ \mathrm {必要} }{W_{T}}}}$

温水質量流量、${\displaystyle {\dot {M_{w}}}={\dot {M_{T}{\dot {m_{w}}}}}\,}$

冷水質量流量${\displaystyle {\dot {{\dot {M_{c}}}={\dot {M_{T}m_{C}}}}}\,}$

1960年代にシー・ソーラー・パワー社のJ・ヒルベルト・アンダーソンによって開発されたこのサイクルでは、Q _Hは蒸発器内で温かい海水から作動流体へ伝達される熱量です。作動流体は露点付近の気体として蒸発器から排出されます。

高圧・高温のガスはタービン内で膨張し、タービン仕事W_{_T}を生み出す。作動流体はタービン出口でわずかに過熱され、タービンの効率は通常、可逆断熱膨張に基づいて90%である。

タービン出口から作動流体は凝縮器に入り、そこで熱-Q _Cを冷たい海水に放出します。凝縮水はサイクル内で最高圧力まで圧縮され、凝縮水ポンプの仕事W _{C が}必要になります。したがって、アンダーソン閉サイクルは、作動流体が数度華氏以上過熱されることはないという点を除いて、従来の発電所の蒸気サイクルに似たランキン型サイクルです。粘性効果により、作動流体の圧力は蒸発器と凝縮器の両方で低下します。この圧力低下は、使用する熱交換器の種類によって異なるため、最終設計計算で考慮する必要がありますが、ここでは解析を簡略化するために無視します。したがって、ここで計算される寄生凝縮水ポンプの仕事W _Cは、熱交換器の圧力低下を含めた場合よりも低くなります。OTEC プラントにおける主な追加の寄生エネルギー要件は、冷水ポンプの仕事W _CTと温水ポンプの仕事W _HTです。他のすべての寄生エネルギー要求をW _Aとすると、OTEC プラントからの正味の仕事W _NPは

${\displaystyle W_{NP}=W_{T}-W_{C}-W_{CT}-W_{HT}-W_{A}\,}$

作動流体が経験する熱力学サイクルは、寄生エネルギー要件を詳細に考慮することなく分析できます。熱力学第一法則から、システムが作動流体のエネルギーバランスは

${\displaystyle W_{N}=Q_{H}-Q_{C}\,}$

ここで、W _N = W _T + W _Cは熱力学サイクルの正味仕事です。熱交換器で作動流体の圧力損失がない理想的なケースでは、

${\displaystyle Q_{H}=\int _{H}T_{H}ds\,}$

そして

${\displaystyle Q_{C}=\int _{C}T_{C}ds\,}$

正味の熱力学サイクル仕事は次のようになる

${\displaystyle W_{N}=\int _{H}T_{H}ds-\int _{C}T_{C}ds\,}$

過冷却された液体が蒸発器に入ります。温かい海水との熱交換により蒸発が起こり、通常は過熱蒸気が蒸発器から排出されます。この蒸気がタービンを駆動し、二相混合物が凝縮器に入ります。通常、過冷却された液体が凝縮器から排出され、最終的にこの液体は蒸発器に送られ、サイクルが完了します。

2010年に、1基または複数基の100メガワットOTECプラントの物理的海洋学的影響をシミュレートするコンピュータモデルが開発されました。このモデルは、OTECプラントを連続運転できるように構成することで、結果として生じる温度と栄養塩の変動が自然発生レベルの範囲内になることを示唆しています。これまでの研究では、OTECの流れを70メートルより深い水深で下方へ排出することで、希釈が十分であり、栄養塩の増加が十分に小さいため、100メガワットOTECプラントを継続的に持続可能な方法で運転できることが示唆されています。^{[ 103 ]}

OTEC の排出物に含まれる栄養塩が光合成層に大量に蓄積すると、生物活動の増加を引き起こす可能性がある。^{[ 103 ]} 2011 年に、100 メガワットの OTEC 発電所からのプルームに対する生物の反応をシミュレートするために、流体力学コンピューター モデルに生物学的要素が追加された。モデル化されたすべてのケース (70 メートル以上の深さでの排出) において、海洋表面の上部 40 メートルでは不自然な変動は発生しない。^{[ 102 ]} 110 ～ 70 メートルの深さの層におけるピコプランクトンの反応は約 10 ～ 25% の増加であり、これは自然発生的な変動の範囲内である。ナノプランクトンの反応は無視できる。珪藻 (マイクロプランクトン) の生産性の向上は小さい。ベースライン OTEC 発電所のわずかな植物プランクトンの増加は、高次の生化学的影響が非常に小さいことを示唆している。^{[ 102 ]}

1981 年に米国 NOAA が作成した以前の最終環境影響評価書 (EIS) は入手可能ですが、^{[ 104 ]}現在の海洋学および工学基準に適合させる必要があります。OTEC に関連する 10 の化学海洋パラメータに焦点を当て、最適な環境ベースライン監視方法を提案するための研究が行われています。^{[ 105 ]}最近では、NOAA は 2010 年と 2012 年に OTEC ワークショップを開催し、物理的、化学的、生物学的影響とリスクを評価し、情報ギャップまたはニーズを特定しようとしました。^{[ 106 ] [ 107 ]}

Tethysデータベースは、OTECの潜在的な環境影響に関する科学文献と一般的な情報へのアクセスを提供します。^{[ 108 ]}

典型的な OTEC 境界条件で動作する直接接触式熱交換器の性能は、クロード サイクルにとって重要です。初期のクロード サイクル設計の多くは、その性能がよく理解されていたため、表面凝縮器を使用していました。しかし、直接接触式凝縮器には大きな欠点があります。取水管内で冷水が上昇すると、圧力が低下してガスが発生し始めます。かなりの量のガスが溶液から放出される場合、直接接触式熱交換器の前にガス トラップを設置することが正当化される可能性があります。温水取水管内の条件をシミュレートした実験では、溶解ガスの約 30% が管の上部8.5 メートル (28フィート)で発生することが示されました。海水の事前脱気^{[ 109 ]}と凝縮器からの非凝縮性ガスの排出とのトレードオフは、ガス発生のダイナミクス、脱気器の効率、ヘッド損失、ベント コンプレッサーの効率、および寄生電力に依存します。実験結果によると、垂直噴流式凝縮器は落下ジェット式よりも約 30% 優れた性能を発揮します。 

生の海水が熱交換器を通過する必要があるため、良好な熱伝導率を維持するよう注意する必要があります。25 ～50マイクロメートル（0.00098～0.00197インチ）という薄い生物付着層でも、熱交換器の性能が最大50%低下する可能性があります。^{[ 45 ]} 1977年の研究では、模擬熱交換器を10週間海水にさらしたところ、微生物付着のレベルは低かったものの、システムの熱伝導率が著しく低下したと結論付けられました。^{[ 110 ]}付着レベルと熱伝達の低下の間の明らかな不一致は、熱交換器の表面に微生物の増殖によって閉じ込められた薄い水の層の結果です。^{[ 110 ]} 

別の研究では、汚染が時間の経過とともに性能を低下させ、通常のブラッシングで微生物層の大部分を除去できるものの、時間の経過とともに単純なブラッシングでは除去できないより強固な層が形成されることが判明した。^{[ 45 ]}この研究では、スポンジゴムボールをシステムに通した。ボール処理によって汚染速度は低下したが、成長を完全に停止させるには不十分であり、能力を回復するためには時折ブラッシングが必要であると結論付けた。微生物は実験の後半でより速く再増殖し（つまり、ブラッシングがより頻繁に必要になった）、以前の研究の結果を再現した。^{[ 111 ]}その後の洗浄後の成長速度の増加は、微生物コロニーに対する選択圧の結果であると思われる。^{[ 111 ]}

1日1時間の連続使用と、自由付着期間と塩素処理期間（これも1日1時間）を断続的に行う実験が行われた。塩素処理は微生物の増殖を遅らせたが、完全に止めることはできなかった。しかし、 1リットルあたり0.1mgの塩素濃度で1日1時間使用すれば、プラントの長期運転に効果的である可能性がある。^{[ 45 ]} この研究では、温水表面熱交換器では微生物付着が問題となるものの、冷水熱交換器では生物付着はほとんどなく、無機付着も最小限にとどまることが結論付けられた。^{[ 45 ]}

水温に加えて、微生物の付着は栄養レベルにも依存し、栄養豊富な水では増殖が速くなります。^{[ 112 ]}付着速度は、熱交換器の構築に使用される材料にも依存します。アルミニウム管は微生物の増殖を遅らせますが、パイプの内側に形成される酸化層は洗浄を困難にし、効率の低下を招きます。 ^{[ 111 ]} 対照的に、チタン管は生物付着が速く起こりますが、洗浄はアルミニウムよりも効果的です。^{[ 111 ]}

蒸発器、タービン、凝縮器は、大気圧の3%から1%の範囲の部分真空中で動作します。システムは、運転性能の低下や停止につながる大気の侵入を防ぐため、慎重に密閉する必要があります。閉サイクル式海洋温度差発電（OTEC）では、低圧蒸気の比体積は加圧作動流体の比体積に比べて非常に大きくなります。蒸気速度が過度に高くなるのを防ぐため、各コンポーネントは大きな流路面積を持つ必要があります。

排気圧縮機の寄生電力損失を低減するためのアプローチは以下のとおりです。蒸気の大部分がスパウトコンデンサーで凝縮された後、非凝縮性ガスと蒸気の混合物を向流領域に通すことで、ガスと蒸気の反応を5倍に高めます。その結果、排気ポンプの所要動力を80%削減できます。