OTEC, une longue

Un projet de déploiement d'une plate-forme de conversion de l'énergie thermique des océans (OTEC) à l'échelle commerciale de 1,5 MW dans la nation insulaire africaine de São Tomé et Príncipe d'ici 2025 a obtenu une certification de conception clé. Cette étape cruciale aborde directement les risques techniques qui ont entravé l'OTEC, une technologie renouvelable offshore de base de longue date.

La société britannique Global OTEC Resources a reçu en avril son premier certificat d'approbation pour la méthodologie d'installation d'une colonne montante d'eau froide - un tuyau utilisé pour transporter l'eau de mer de l'océan au réservoir d'eau de mer et vice versa à partir d'une plate-forme OTEC offshore (voir encadré ci-dessous). Le certificat a été accordé par l'expert en garantie marine ABL Group, qui fournit des examens techniques indépendants pour les projets de construction et de transport maritimes à haut risque. Cette étape "est particulièrement importante compte tenu des défis techniques auxquels sont confrontées les installations OTEC et de la longue histoire des implémentations infructueuses d'OTEC", a noté Global OTEC.

"L'histoire est un enseignant important, et nous nous engageons à en tirer des leçons", a déclaré Dan Grech, fondateur et PDG de Global OTEC. "L'échec des projets OTEC précédents met en évidence les points sur lesquels nous devons faire preuve de prudence, de sorte qu'une diligence raisonnable technique par des tiers dès le stade le plus précoce est importante pour notre succès", a-t-il déclaré.

1. Global OTEC a conçu ce qu'il dit être le premier système de conversion d'énergie thermique des océans à l'échelle commerciale. La plate-forme flottante de 1,5 MW nommée Dominique devrait être installée à São Tomé et Príncipe en 2025. Avec l'aimable autorisation de Global OTEC

Le projet phare de Global OTEC est le « Dominque », une plate-forme OTEC flottante de 1,5 MW qui devrait être installée à São Tomé et Príncipe en 2025 (Figure 1). La société affirme que la plate-forme "sera le premier système OTEC à l'échelle commerciale".

C'est important parce que l'OTEC est une technologie qui a été proposée dès 1881 par le physicien français Jacques Arsène d'Arsonval pour convertir le rayonnement solaire absorbé dans l'océan en énergie électrique. Il a été prouvé qu'OTEC fournit une alimentation continue ainsi que de l'eau potable fraîche et de l'eau froide pour la réfrigération. Mais alors que plus d'une douzaine de prototypes ont été testés par intermittence depuis le déploiement de la première turbine basse pression expérimentale de 22 kW en 1930, aucune centrale à l'échelle commerciale n'existe.

L'OTEC cherche essentiellement à exploiter les gradients thermiques de l'océan - des différences de température de 36 F ou plus entre l'eau de surface chaude et l'eau de mer profonde froide - pour entraîner un cycle de production d'énergie. "Étant donné que l'océan représente environ 70 % de la surface de la Terre, il s'agit d'un vaste récepteur et réservoir d'énergie solaire. Alors que les vagues, les vents, les marées et les courants sont toutes des formes d'énergie renouvelable des océans, qui varient avec le temps et la saison, à l'inverse, un Le système OTEC permet la génération d'une puissance constante 24 heures sur 24, 365 jours par an », a expliqué le programme de collaboration technologique Ocean Energy Systems (OES) de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) dans un livre blanc d'octobre 2021.

Les prototypes existants se sont généralement conformés à trois configurations de base en fonction de leur emplacement : sur terre, à une distance relativement courte de la côte ; monté sur le bord d'un plateau continental; ou sur une plate-forme flottante ou un navire, où l'eau froide profonde est accessible directement sous la coque.

En outre, OTEC exploite généralement trois types principaux de systèmes de production d'énergie : un cycle fermé, un cycle ouvert ou un hybride des cycles fermé et ouvert. Dans un système à cycle OTEC fermé, l'ammoniac - sous forme de liquide à bas point d'ébullition - est pompé dans un évaporateur (échangeur de chaleur) qui est chauffé par de l'eau de mer chaude, provoquant la dilatation du fluide de travail dans une turbine entraînant un générateur. La vapeur détendue est ensuite condensée en un liquide à l'aide d'eau de mer froide dans un autre échangeur de chaleur. Dans un cycle ouvert, l'eau de mer elle-même fonctionne comme fluide thermodynamique après avoir été « flashée » en vapeur dans une chambre partiellement évacuée. La vapeur est ensuite utilisée pour entraîner une turbine à vapeur et la vapeur évacuée est condensée à l'aide d'eau de mer froide.

Selon l'OES de l'AIE, l'un des tests les plus importants au monde était le projet flottant OTEC-1 du Département américain de l'énergie, une boucle d'essai en cycle fermé de 1 MW qui s'est déroulée entre 1980 et 1981. Le projet a prouvé la faisabilité du lancement horizontal, du remorquage , et accouplant avec succès au dessous d'un pétrolier de la marine américaine converti un faisceau de trois tuyaux d'eau froide (CWP) en polyéthylène haute densité (HDPE), plus une déconnexion ultérieure, à l'aide d'un cardan spécial de découplage de mouvement. Cela "donne confiance que si, en particulier, les compétences de l'industrie pétrolière sont utilisées, il est possible de concevoir et d'installer avec succès des CWP plus grands", ce qui a posé une "incertitude clé pour l'OTEC", a déclaré OES.

"Une colonne montante est un tuyau vertical qui déplace le fluide d'un endroit à un autre, dans notre cas, c'est du dessous de la surface de l'océan, vers la surface", explique Global OTEC Resources. "Les colonnes montantes OTEC peuvent prendre de nombreuses formes, elles peuvent être constituées d'un tube flexible, d'alliages métalliques résistants à l'eau de mer ou de béton, et certains tests ont même été effectués sur des matériaux composites tels que la fibre de verre."

Les colonnes montantes d'eau froide pour une génération OTEC à grande échelle ont besoin de grands diamètres pour permettre un débit d'eau suffisant pour les échangeurs de chaleur, a noté la société. "Ces colonnes montantes peuvent avoir plusieurs mètres (m) de diamètre et dépasser 750 m de longueur. Certains endroits nécessitent jusqu'à 1 400 m." Les colonnes montantes doivent également « résister aux mouvements du navire lorsque le bateau se déplace avec le vent et les vagues, tandis que le tuyau essaie de rester statique ; les forces latérales du courant océanique qui peuvent s'étendre loin vers le fond marin ; et les charges cycliques à long terme causées par les problèmes ci-dessus."

La conception de colonnes montantes résilientes a posé un défi durable qui a longtemps entravé la faisabilité commerciale d'OTEC. "Ces installations ont une durée de vie prévue de plusieurs dizaines d'années, donc concevoir la colonne montante pour résister à toutes ces forces pendant aussi longtemps peut être très difficile", a noté Global OTEC. "Une défaillance du tuyau d'eau froide empêcherait le cycle OTEC de fonctionner, entraînant une perte de puissance et, selon l'emplacement de la rupture, pourrait constituer un danger pour le navire lui-même."

Parmi les projets notables les plus récents, citons la centrale terrestre OTEC de 105 kW de Makai Ocean Engineering dans un centre de recherche à Hawaï et une centrale pilote flottante OTEC de 20 kW dirigée par l'Institut coréen de recherche sur les navires et l'ingénierie océanique (KRISO) qui a commencé à fonctionner en 2012. KRISO développe actuellement une démonstration OTEC de 1 MW dans la petite île du Pacifique de Kiribati basée sur une opération d'essai d'un système testé en mer de l'Est en Corée du Sud (près de Pohang, Figure 2).

"La démonstration OTEC de 1 MW a été conçue pour une différence de température de l'eau de mer de 24 degrés C et a été réalisée avec succès lors d'une opération d'essai (sortie de 338 kW dans des conditions de fonctionnement de différence de température de 18,7 degrés C) en Corée", a déclaré le Dr. Hyeon-Ju Kim, chercheur principal du KRISO, a déclaré à OES dans une interview publiée en juillet 2022. "Si la démonstration de la centrale OTEC de 1 MW près de l'équateur est menée à bien à l'avenir, les professionnels compétents pourront progressivement dresser un bilan positif à l'échelle des centrales OTEC de 10, 100 et 400 MW."

Le développement d'OTEC progresse également au Japon, où en 2016, une démonstration d'OTEC de 100 kW sur l'île de Kume, dans la préfecture d'Okinawa, a été connectée au réseau. Le groupe électrogène OTEC Xenesys, qui gère et entretient le projet pour la préfecture d'Okinawa (ville de Kumejima), aux côtés des partenaires du projet, la société de transport japonaise Mitsui OSK Lines (MOL) et l'Université de Saga, a confirmé que la démonstration (Figure 3) est toujours en cours.

En mars 2023, les partenaires ont obtenu le soutien du ministère japonais de l'Environnement dans le cadre d'un programme de développement technologique pour "la symbiose régionale et la neutralité carbone intersectorielle" pour étendre le projet OTEC à une échelle commerciale de 1 MW "d'ici 2026". L'effort consistera à fabriquer de grands échangeurs de chaleur en titane de type parallèle équivalant à 200 kW de production d'électricité et à vérifier leurs performances de l'exercice 2022 à 2024, dans le but d'établir une technologie de récupération de chaleur à grande échelle à partir de l'eau de mer pour la commercialisation d'OTEC, les entreprises dit POWER.

3. Une installation de démonstration de conversion de l'énergie thermique des océans (OTEC) de 100 kW en cours appartenant à la préfecture d'Okinawa au Japon devrait être étendue à une installation commerciale de 1 MW. Avec l'aimable autorisation de Mitsui OSK Lines

MOL a salué le potentiel d'OTEC en tant que ressource d'alimentation de base qui n'est "pas grandement affectée par les conditions météorologiques". Un autre avantage notable est que "même après que les eaux profondes de l'océan sont utilisées pour la production d'électricité, la qualité de l'eau reste inchangée et la température est encore suffisamment basse pour être utilisée à des fins secondaires telles que la pêche, l'agriculture et la climatisation". Alors que MOL a reconnu les tentatives infructueuses à l'échelle mondiale pour commercialiser la technologie latente depuis longtemps, il a déclaré que ses efforts "pour commercialiser rapidement l'OTEC au Japon et à l'étranger" seraient renforcés par un projet visant à vérifier ses recherches à partir de la démonstration d'Okinawa dans un projet à Maurice.

"L'île Maurice a établi une feuille de route pour porter son pourcentage d'énergie renouvelable à 60% d'ici 2030", a noté la société. "OTEC, qui peut produire de l'électricité de manière fiable 24 heures sur 24, quelles que soient les conditions météorologiques, a un grand potentiel à Maurice, grâce à la situation géographique avantageuse de l'île dans l'océan Indien. L'utilisation secondaire de l'eau de mer après la production d'électricité peut également aider d'autres industries sur l'île. ." MOL a déclaré qu'il prévoyait également d'utiliser "les connaissances et l'expertise qu'il a accumulées grâce à son réseau d'activités et de chaîne d'approvisionnement offshore" pour stimuler la commercialisation d'OTEC.

Global OTEC salue également le potentiel de l'OTEC pour les petits États insulaires en développement (PEID). Les PEID souffrent souvent des prix élevés de l'énergie, en raison de leur dépendance à l'importation de diesel et d'autres carburants, et sont confrontés à des contraintes d'espace pour installer des quantités adéquates d'énergie éolienne et solaire. En plus de l'électricité de base, "OTEC peut fournir des quantités d'eau froide en tant que sous-produit. Cela peut être utilisé pour la climatisation et l'eau profonde riche en nutriments peut être utilisée pour l'aquaculture et la création d'une économie locale durable", a déclaré Neil Reynolds, directeur du conseil d'administration de Global OTEC, qui est également conseiller spécial auprès de l'organisation internationale SIDS DOCK. "OTEC peut également être couplé au dessalement pour l'eau potable et à la production d'ammoniac et d'hydrogène vert", a ajouté Reynolds.

Parallèlement à sa première barge en boucle fermée prévue pour São Tomé et Príncipe, au large de la côte équatoriale occidentale de l'Afrique centrale, Global OTEC explore des sites OTEC dans les îles Turques et Caïques (TCI), un archipel de 40 îles coralliennes basses dans l'océan Atlantique. "Ayant une vaste zone économique exclusive d'espace océanique plusieurs fois supérieure à la superficie de leurs eaux terrestres et étant sous les tropiques, TCI est bien adaptée à l'OTEC", a déclaré la société. Les études de bureau de Global OTEC ont montré que TCI possède la combinaison idéale d'eau de mer chaude toute l'année et d'un accès facile aux eaux profondes froides avec des plateaux continentaux tombant rapidement à 1 000 mètres (3 281 pieds) à moins de 4 kilomètres du rivage.

Global OTEC a reconnu, cependant, que le lancement de son premier projet commercial, le Dominique, nécessitera d'ouvrir la voie à une voie de déploiement qui traite directement les risques qui ont longtemps entravé OTEC. Le plus important concerne les conduites montantes d'eau froide (voir l'encadré ci-dessus, "Qu'est-ce qu'une colonne montante?"), qui fournissent aux installations OTEC la quantité importante d'eau froide dont elles ont besoin.

Global OTEC dit avoir choisi une conception de barge flottante car les usines OTEC à terre "nécessitent plusieurs conduites de plusieurs kilomètres fixées au fond marin" pour faciliter l'acquisition et l'évacuation en toute sécurité de l'eau. Les conduites d'eau, a-t-il noté, "représentent l'un des plus grands centres de coûts d'une usine OTEC". Onshore OTEC, qui centralise efficacement la production d'électricité, limite également les régions où le processus peut être économique et présente un point de défaillance unique en cas de catastrophe naturelle.

En plus d'examiner minutieusement ses risques liés aux colonnes montantes OTEC - par le biais d'examens techniques par des tiers - la société affirme avoir poursuivi une phase de conception rigoureusement détaillée pour la conduite d'eau froide "en collaboration avec des fournisseurs et des scientifiques à la pointe du sous-marin". conceptions de conduites montantes. » Pour limiter davantage les risques, il déploiera ses premiers systèmes commerciaux "sur un marché où des distances beaucoup plus petites entre l'eau de mer de surface chaude et l'eau profonde froide sont présentes", a-t-il déclaré.

Compte tenu des économies d'échelle, les petits systèmes naissants seront coûteux, reconnaît Global OTEC. Citant des revues de littérature sur les précédentes conceptions de centrales OTEC, la société indique un coût actualisé de l'énergie (LCOE) pour les centrales à grande échelle de 0,05 $/kWh. "Nos études d'approvisionnement et notre engagement auprès des fournisseurs montrent qu'une fourchette comprise entre 0,30 et 0,15 $ par kWh est réaliste pour les premières générations de barges OTEC", a-t-il déclaré.

Cependant, les récents changements dans l'économie mondiale de l'énergie et les progrès de l'efficacité des composants OTEC pourraient améliorer les coûts, a-t-il noté. "Historiquement, l'efficacité des cycles et des composants s'est avérée difficile pour les premiers projets à faire un cas commercial. Pendant des décennies de pétrole, de gaz et de charbon très bon marché, on pensait que les projets OTEC devaient être de 50 MW ou même de 100 MW pour être compétitif », a-t-il noté. Alors que la société prédit que les premiers systèmes commerciaux OTEC pourraient encore avoir besoin de "modèles de financement innovants pour réussir", elle semble convaincue que les conditions imposées aux systèmes électriques mondiaux par la transition énergétique pourraient constituer la "tempête parfaite" pour commencer la commercialisation de l'OTEC.

—Sonal Patelest rédacteur en chef adjoint de POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine).

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