Ocean Thermal Energy Conversion

물은 완전히 투명하지 않으므로 햇빛은 거의 모두 표층에서 흡수되어 물을 데운다. 따뜻한 물은 떠오르고 찬물은 가라앉기 때문에 데워진 물은 해수면 부근에 머문다. 바람과 파도가 표층수를 순환시켜 열을 어느 정도 분산하므로 수심 100미터까지는 온도가 상당히 일정할 수 있다. 그러나 이 혼합층 아래에서는 수온이 급격히 낮아져, 150m를 더 내려가는 동안 섭씨 20도나 떨어지기도 한다. 이 급격한 전이 영역이 수온 약층이다. 그 아래에서는 온도가 깊이에 따라 계속 떨어지지만 훨씬 더 완만하다. 가이안 타입 세계의 해양에서 물의 약 90%가 수온 약층 아래에 있다. 이 심해는 혼합이 잘 되지 않는 동일 밀도의 층으로 구성되어 있으며 섭씨 0도에서 3도까지 낮을 수 있다.

수온 약층은 위도와 계절에 따라 달라진다. 열대에서는 연중 유지되고, 온대에서는 계절에 따라 변하며 여름에 가장 뚜렷하다. 행성의 자전축 기울기가 충분히 작다면 극지방에서는 약하거나 아예 없을 수도 있다. 이곳에서는 수주가 표면에서 바닥까지 차갑다. 이 자원을 활용하기 위해 필요한 것은 열기관뿐이다.

OTEC 발전소의 작동 원리는 매우 간단하다. 따뜻한 물로 작동 유체라는 액체를 데워 기화시킨다. 작동 유체는 증발하면서 압력을 발생시킨다. 팽창한 증기는 터빈 발전기 같은 열기관을 통과한 뒤, 깊은 곳에서 끌어올린 찬물로 다시 액화된다. 물을 더 깊은 곳에서 끌어올릴수록 좋다. 이 과정이 계속 반복된다. OTEC 발전소는 폐쇄 순환식, 개방 순환식, 두 방식을 조합한 여러 하이브리드식의 세 가지 기본 유형으로 나뉜다.

폐쇄 순환 OTEC

폐쇄 순환 OTEC 공정에서 따뜻한 표층수는 열교환기(증발기)에서 작동 유체(예: 암모니아)를 기화시킨다. 암모니아 증기는 또 다른 열교환기인 응축기에서 찬물과 열을 교환해 다시 액체로 응축된 뒤 재순환한다. 작동 유체는 항상 폐쇄계 안에 머물며 끊임없이 순환한다. 암모니아는 이용 가능한 해수 온도에서 대기압 근처에서 기화하고 응축하기 때문에, 터빈에 충분한 압력 강하를 제공하여 개방 순환 시스템에 비해 적당한 크기에서 상대적으로 높은 효율을 달성할 수 있다.

개방 순환 OTEC

개방 순환 OTEC 공정에서는 해수가 작동 유체이다. 물의 끓는점은 압력에 따라 달라진다. 개방 순환 OTEC에서는 따뜻한 표층 해수가 약 0.34 psi의 저압을 유지하는 진공 챔버 안에서 끓는다. 이렇게 생긴 저온 수증기는 터빈 발전기를 통과한다. 이후 심해에서 끌어올린 차가운 심층수로 증기를 냉각해 다시 액체로 응축한다. 증기가 차가운 해수와 직접 맞닿을 때 응축 효율과 전력 출력이 가장 높다. 그러나 증기가 차가운 해수와 직접 접촉하지 않는 표면 응축기를 통과하면, 생성된 응축수는 담수화된 물이다. 이 순수한 담수 "부산물"은 특히 자연 담수 공급이 제한적일 수 있는 지역 사회에서 인간 소비와 농업 목적으로 가치가 있다. 그러나 표면 응축기의 효율 감소는 터빈에서 생산되는 전기 에너지를 크게 감소시킨다. 터빈에 걸친 압력 강하는 물이 기화하는 저압과 응축 후 남은 더 낮은 압력 사이의 차이이기 때문에, 개방 순환 시스템은 상대적으로 적은 양의 에너지를 포착하기 위해 매우 큰 터빈이 필요하다. 이상적인 개방 순환 발전소라면 시동 뒤 진공 펌프를 끌 수 있다. 증발기에서 기화한 물이 모두 응축기에서 응축되어 진공이 남기 때문이다. 그러나 현실 세계(Real World)에서는 불가피한 진공 누출과 표층 및 심층 해수에 용해된 비응축성 가스 모두 진공 펌프의 지속적인 작동을 필요로 한다. 기생 손실 "미스트 리프트"라고 불리는 대안적인 개방 순환 공정은 큰 증기 터빈의 필요성을 피하면서도 개방 순환의 본질적인 더 높은 효율을 제공할 수 있는 잠재력을 유지한다. 미스트 리프트는 개방 순환 시스템의 압력 차이를 사용하여 상승하는 증기 흐름에 동반된 액체 물방울의 미스트를 상당한 높이로 들어 올린다. 그런 다음 액체 물은 증기로부터 분리되어 중력에 의해 액체 터빈을 통해 아래로 끌어당겨지며, 이는 훨씬 더 컴팩트하고 대형 출력으로 쉽게 확장할 수 있다.

하이브리드 OTEC

또 다른 옵션은 두 공정을 함께 결합하여 개방 순환/폐쇄 순환 하이브리드로 만드는 것이며, 이는 전기와 담수화된 물을 모두 더 효율적으로 생산할 수 있다. 한 하이브리드 OTEC 시스템에서는 따뜻한 해수가 진공 챔버에 들어가 개방 순환 증발 공정과 유사한 방식으로 증기로 순간 증발된다. 그런 다음 증기 또는 따뜻한 물은 증발기를 통과하여 폐쇄 순환 루프의 작동 유체를 기화시킨다. 기화된 유체는 터빈을 구동하여 전기를 생산하고, 증기는 응축기 내에서 응축되어 담수화된 물을 생산한다. 다른 하이브리드 시스템에서는 대기 공기가 사용된다. 북극 지역에서 겨울 동안 해수 온도는 현지 대기 온도보다 섭씨 40도 더 따뜻할 수 있다. 폐쇄 순환 OTEC 시스템을 기반으로 한 기술은 이 온도 차이를 활용할 수 있다. 심층 해수를 추출하기 위한 긴 파이프의 필요성이 없다는 점은 이 개념을 기반으로 한 시스템을 OTEC보다 더 쉽게 만들 수 있다.

추가 이점

OTEC는 깨끗하고 안정적으로 전기를 생산하는 것 외에도 여러 이점을 제공한다. 이를 활용하는 문명에는 오히려 이런 부가 이점이 더 큰 가치를 지니기도 한다. 대표적인 이점은 다음과 같다:

• 담수 생산. OTEC 발전소는 전기뿐만 아니라 담수도 생산할 수 있다. 개방 사이클 및 하이브리드 발전소는 전기뿐만 아니라 담수를 직접 생산할 수 있으며, 폐쇄 사이클 발전소는 대기로부터의 응축을 통해 유사한 양을 생산할 수 있다. 이것은 담수가 제한적인 섬 지역이나 사막에서 중요한 이점이다.

• 전 세계 연료 공급. 열대 OTEC 발전소에서 수소 또는 유전자 조작된 조류로부터 생산된 바이오 연료와 같은 연료의 생산은 전체 행성에 OTEC 전력의 이점을 제공할 수 있다.

• 양식업. OTEC 발전소에서 배출되는 심해수는 차갑고 영양소가 풍부하며 병원체가 상대적으로 없고 대량으로 사용할 수 있다. 이것은 식물성 플랑크톤(조류)을 키우는 데 훌륭한 매질이며, 이는 다시 다양한 어류와 갑각류의 생산을 지원할 수 있다. 온수와 냉수 배출의 적절한 혼합은 표면과 심해수의 온도 사이의 어느 온도에서든 대량의 해수 흐름을 제공할 수 있어, 배양 생물의 성장 주기 전반에 걸쳐 온도 최적화를 가능하게 한다 - 단순히 밸브를 돌리는 것만으로. 실제로 잠재적인 생태학적 결과를 피하기 위해 양식업이 필요할 수 있다. OTEC 발전소의 물 흐름은 주요 강의 흐름과 같을 것이다. 바다의 염도는 거의 균일하기 때문에 이러한 대량 배출은 수용 수역의 염도에 크게 영향을 미치지 않을 것이지만 온도 차이가 있을 것이며, 그 결과로 인한 온도 변화는 국지 생태계에 영향을 미칠 수 있으며, 억제되거나 표면 아래로 다시 배출되지 않으면 증가된 영양소 공급도 마찬가지이다.

• 공조·냉장. 차가운 심층수는 공조 설비의 냉각 유체로 쓸 수 있다. 같은 원리로 OTEC 기술은 토양 냉각 농업도 지원한다. 냉수가 지하 파이프를 통해 흐를 때 주변 토양을 냉각시킨다. 차가운 토양의 식물 뿌리와 따뜻한 공기의 식물 잎 사이의 온도 차이는 온대 기후에서 진화한 많은 식물이 아열대 지방에서 재배될 수 있게 한다. 이것은 양식업에 더하여 지역 주민들에게 글로벌 운송 시스템의 추가 비용 없이 훨씬 더 다양한 식량 공급을 제공할 수 있다.

• 광물 추출. 물은 약한 용매이며 전형적인 가이안 세계의 바다에서 자연적으로 발생하는 모든 원소가 용해되거나 부유된 상태로 발견될 수 있다. 그러나 나트륨, 염소, 황, 마그네슘, 칼슘 및 칼륨의 6가지만이 이 중 99% 이상을 차지한다. OTEC 발전소는 이미 대량의 물을 퍼 올리므로 추가로 고려할 비용은 추출 공정뿐이다.

• 기상 조절. OTEC는 기상 시스템을 변경할 가능성이 있다. 예를 들어, 따뜻한 해수는 사이클론의 형성을 촉진하지만 OTEC 발전소는 깊은 곳에서 차가운 물을 끌어올린다. 또는 차가운 출력수 대신 따뜻한 흡입수를 열교환기를 통과하기 전에 얕은 양식 연못에 보관하면 태양 가열로 인한 온도 상승을 얻을 수 있고 더 많은 수증기가 지역 대기로 들어가게 하여 OTEC 발전소의 바람 아래쪽 지역의 강우량에 영향을 미친다. 행성 전체에 퍼진 수만 개의 OTEC 발전소를 담당하는 하이퍼튜링은 각 발전소의 운영에서 작은 조정만 함으로써 전 지구적 기상 패턴을 제어할 수 있다.