海洋溫差發電系統為一循環式熱機，是利用儲存於海洋溫海水中的部分太陽熱能，推動渦輪機以產生電力，其基本原理是以表層海水做為熱源，深層海水做為冷源，利用表層溫海水與深層冷海水的溫差來發電。如圖1之開放式循環海洋溫差發電所示（National Renewable Energy Laboratory, 2008），25℃左右的表層海水被抽取置入蒸發器鍋，供給工作流體熱量；另一方面抽取5℃左右的深層海水，從工作流體吸收熱量，成為7℃的水與下降2℃的溫排水混合，排出於適當深度。一般溫海水與冷海水的溫度差如在20℃以上，即可產生較多淨電量，由於水深1,000公尺的水溫一般約為5℃，因此表層海水若達25℃左右即有利用價值，在緯度30°N與30°S範圍內的海洋大都符合此溫差條件（林劭珍，2002）。
圖1 海洋溫差發電與相關應用
資料來源：National Renewable Energy Laboratory, 2008
根據熱力學原理的卡諾循環（Carnot cycle），工作流體在高溫與低溫之間做高溫度等溫－高溫度絕熱－低溫度等溫－低溫度絕熱四行程的循環時，其效率主要由高溫度TH與低溫度TC來決定。其理論效率為：
η = (TH - TC) / TH
其中TH與TC均為絕對溫度，也就是攝氏溫度加上273，因此，循環熱機的最大理論卡諾能量轉換與熱傳的溫差有關。對於海洋溫差發電而言，此溫差非常小，所以海洋溫差發電的效率非常低，依據卡諾理論，海洋溫差發電的效率在6-8%之間，但是，此是對理想狀態的熱機而言，熱力學第二定律說明了無法將熱能完全轉變為電力，因此，在實際的發電系統裡，其效率還會降低（Masutani & Takahashi, 2001）。以TH=298 K、TC=277 K來看，理論上卡諾效率約為7%，Wu（2007）則計算出用於海洋溫差時其最大發電效率為1- (TC/TH)1/2=3.8% ，其他文章也指出，考量其他操作因素的影響，例如，在理想循環系統中，真空幫浦在啟動後可被關掉，這是因為假設蒸發器中的所有蒸汽將在冷凝器中凝結，但是，在實際操作中，無法避免的真空滲漏以及無法冷凝的氣體溶入表層與深層海水中將使真空幫浦必須連續運轉（http://www.caribotec.com/OTEC2.htm），實際效率約僅為3%（梁乃匡，1989），或約2.5%（CaribOTEC.com, 2008）。海洋溫差發電低能量轉換效率意謂著所使用的表層溫海水的90%以上的熱能將成餘熱，因此需要大熱交換器與大量海水才能產生可用的電力（Masutani & Takahashi, 2001）。
二、 海洋溫差發電潛能
目前燃煤、燃油、核能等電廠是利用高溫來發電，其電力轉換效率可達百分之40，而海洋溫差發電係利用溫差約僅20oC到24oC的海水來發電，此溫差適於驅動相當低效率的熱機來發電。不過，海洋溫差發電可用之海水量相當大，且幾乎能全年每日24小時運轉，因此能產生巨量的電力，以彌補其低效率的缺點。
太陽是提供地球能源的最主要來源，海洋佔了地球百分之七十以上的面積，是最大的太陽能收集與儲存系統，因此海洋蘊藏著巨量的能源，可以源源不絕地提供全球所需的能源。雖然海洋蘊藏的熱量相當大，但是由於缺乏詳細的調查，不同文獻常有相異的估算結果，例如，Knauss（CaribOTEC.com, 2008）估計海洋表面積為3.35328 x 1014 m2，其平均吸收能量為400 cal/cm2/day，也就是194 W/m2/day，因此平均全部吸收能量達6.5 x 1016 W/day，即每年最多約可產生的電量為 5.7 x 1017 度（kWh）。另一文獻指出（CaribOTEC.com, 2008），海洋表面積為129,400,000 mi2，年吸收量為5.023 x 108 watts/ mi2 （約500 MW/ mi2），此相當於44億 kWh/yr。另一文獻（DiChristina, 2008）指出，一般而言，地球表層海水每平方哩包含超過7,000 桶石油，等於每年37 兆KW，或4,000倍全球人類所使用的電量。
Avery & Wu（1994）估計，大約每秒三立方公尺的海水流量可產生1 MW的淨電力，由於海水的量很大，因此具有可觀的發電潛能，其估計海洋溫差發電裝置容量可達1,900萬MW（Wu, 2007）。此外，根據聯合國教科文組織調查（何秀玲，2003），全球海洋能的總量約為7,360萬MW，其中海洋溫差發電約為4,000萬MW，國際能源總署亦估計全球海洋溫差發電度數可達100,000億度/年（IEA, 2006）。另依據一些專家的估計，其潛能約為每年可提供1013瓦的基載電力（National Renewable Energy Laboratory, 2008），能持續提供此基載電力而不會明顯影響海洋溫度結構，其能源數量每年約為300 Quads，約等於人類所有活動的全部能源消耗量，目前尚無已被調查過的化石/核能能源替代能源能接近此海洋溫差的能源數量（OCEES International, Inc, 2008）。
太陽照射熱帶海洋的表面，在南、北回歸線間的大部分海域，其表層海水溫度終年超過24oC，典型的熱帶海洋溫度變化為表層溫水層與深層冷水被一溫躍層所分離而呈現水溫隨深度之增加而急速下降，如圖2所示（OCEES International, Inc, 2008）。在熱帶海域，表層溫水與水1000處冷水的年平均溫度差超過20oC，適合做為海洋溫差發電廠址。
圖2 典型的熱帶海洋溫度變化圖
資料來源：OCEES International, Inc, 2008
熱帶海洋每天所吸收的太陽熱能明顯大於目前全球24小時能源消耗量的1,000倍以上，因此，即使地球最終每個地區都達成工業化程度，人類消耗的能源可能都不會高於此巨大熱源（OCEES International, Inc, 2008）。熱帶海洋的表層海水終年可獲得並儲存充足的太陽熱能，6,000萬平方公里的熱帶海域平均每天吸收的太陽熱能量等於2500億桶石油的熱含量，如果此儲存太陽能源的千分之一能被轉換成電力，將能供應高於美國任何一天所需全部電力的20倍以上（National Renewable Energy Laboratory, 2008）。若以離岸25公里內的海域，其表層與水深1,000公尺的溫差約為20°C的條件來看，許多低度開發國家擁有開發海洋溫差能源的機會，如表1至表3所示（National Renewable Energy Laboratory, 2008）。
表1 非洲具有離岸25公里以內適當海洋溫差資源的低度發展國家
資料來源：National Renewable Energy Laboratory, 2008
表2 拉丁美洲與加勒比海地區具有離岸25公里以內適當海洋溫差資源的低度發展國家
資料來源：National Renewable Energy Laboratory, 2008
表3 印度洋與太平洋地區具有離岸25公里以內適當海洋溫差資源的低度發展國家
資料來源：National Renewable Energy Laboratory, 2008
三、 海洋溫差發電優點
就能源供應來看，化石燃料最大的缺點為蘊藏量有限，資料顯示（經濟部能源局，2005），石油僅夠未來40年之需，天然氣亦僅可再開採70年，煤炭雖可再開採300多年，但是在石油及天然氣耗盡之後，剩下的煤炭則不夠百年之需。核能除蘊藏量有限外，其缺點為運轉安全性可疑，可能帶來毀滅性的災難，1986年車諾比事件已付出數百億美元。太陽光電與風能等雖為取之不盡的再生能源，其缺點為易受季節天候影響，供電不穩，具時續時斷的特性。至於海洋溫差發電，如前所述，海洋本身就是一個巨大的太陽能吸熱板，具有很大的開發潛能，表層與深層的溫差無日夜之分，冬夏的變化也不大，海洋溫差電廠幾乎能一天24小時，一年365天穩定運轉（CaribOTEC.com, 2008），適合大規模發電，和其他再生能源相比，具有穩定量大之優點，所以海洋溫差發電可以提供巨量、連續、安全的基載電力。此外，無論海洋溫差電廠建在岸上或離岸，都能夠提供足夠的電力與水，使熱帶地區島國可以不依賴昂貴的進口能源（CaribOTEC.com, 2008）。另一方面，雖然海洋溫差能源最常見的應用是轉換成電力並直接配送給使用者，但是對離岸較遠的浮動式電廠，能源儲存已被認為是海洋溫差能源應用的可行方式，將電力轉變成其他能源，如氫氣以及氨合成等，使海洋溫差發電應用跳脫特定地區之限制，而可供全球利用（Masutani & Takahashi, 2001）。
在環境保護方面，化石燃料常見的缺點為產生不利於環境與生物的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、懸浮顆粒等。核能發電的缺點為運轉時可能會產生輻射外洩，並會產生目前各國視為棘手的低放射性、高放射性廢料，以及運轉後的除役廢料，其電廠運轉與廢料處置常引起激烈的社會爭議。對於生質能源，整體而言，以等量生質能替代化石能源並未能減少二氧化碳的排放量，對日益嚴重的全球暖化現象無明顯的改善，只能視其為替代能源。至於海洋溫差發電，經妥適設計的海洋溫差電廠幾乎不會產生造成酸雨或全球暖化的二氧化碳或其他污染化學物，許多研究指出，排放海洋溫差用過水至海洋規定深度幾乎沒有或沒有不利的環境影響（Rezachek & Associates, 2008）。雖然，大型海洋溫差發電系統排出氣體種類的數量可能是值得注意的，但是，除了二氧化碳外，這些氣體是良性的。海洋溫差發電所釋放的二氧化碳量比化石燃料電廠低1-2個次方，而且這些排放可以輕易地封存於海洋中或用來促進海洋生物的產量（Masutani & Takahashi, 2001）。
Daniel研究指出（2008），開發大規模的海洋溫差能對環境的影響是微乎其微，其理由為海洋溫差不需燃料，其本身基本上是不放熱的，不會直接對全球暖化有不利之貢獻，雖然深層海水與表層海水確實包含溶解的二氧化碳，但是透過工程技術可以防止二氧化碳釋放至大氣中。另一文獻亦指出（OCEES International, Inc, 2008），海洋溫差係使用熱帶海洋上層所儲存的熱能，即使人類大規模使用海洋熱能還是很小，估計小於0.1%，因此海洋溫差發電不會改變全球的能量變動，反而能大量減少二氧化碳、一氧化碳、顆粒碳、氮氧化物、與硫氧化物的排放，不僅降低全球暖化，也大量減少煙霧與酸雨。因此，海洋溫差發電替代化石能源時將可大幅降低溫室氣體排放，尤其是劣質煤未來可能因煤源的耗盡而逐漸被大量利用，其所產生的二氧化碳亦將提高。另一方面，再生能源發展需要廣大的空間，大規模陸上再生能源的開發常會對人類的居住環境產生負面的衝擊，與人類的生活圈發生嚴重的衝突。由於大規模海洋溫差發電大多不需要利用到陸地空間，可明顯減少與人文環境接觸的機會，降低開發時人為的阻力。
雖然封閉式循環的工作流體發生意外洩露會引起危害，但是，在正常情況下，唯一流出物是混合海水排出與溶解氣體（Masutani & Takahashi, 2001）。此外，大量的冷海水排放在海面，會不會造成一種環境的衝擊呢？文獻指出（CaribOTEC.com, 2008），海洋溫差發電排放水不會明顯影響海洋的溫度結構，由於冷卻或混合水將被排放至海洋深處，因此對於大氣溫度或二氧化碳濃度的影響將會很小。此外，已有海洋生物學者認為溫差發電排放水的結果是正面的，因為深層海水含有大量養分，而表層受到陽光的照射，可行光合作用，生長出浮游性植物，是海洋最基礎的食物，因此冷海水可提高海洋的生產力。即使對環境也有一些負面的影響，只要用過的冷熱海水混合排放在同溫度的水深，就可以使不良影響減到最小。另一方面，排放水包含來自深層海水的營養物而可能有不同的鹽度，因此，必須注意排放回海洋中時應儘量降低引起海洋混合層當地生物的改變，以及避免產生長期表層海水溫度的異常。分析海洋溫差發電排放物的結果說明在50-100公尺的排放應該足以保證對海洋環境衝擊的最小化，相反地，富營養的海洋溫差排放物可以用來發展海洋養殖。廣泛採用海洋溫差可以富營養的深層海水養殖海洋有機生物來攝取大氣中的二氧化碳，也可以抑制海水錶層溫度上升來保護珊瑚，並減少颱風（Masutani & Takahashi, 2001）。
就經濟面來看，海洋溫差發電的固定或資本成本是非常高的，這是因為需要大型管線與熱交換器來產生適度的電力，這些高固定成本決定了海洋溫差發電的經濟性而使得它目前無法與傳統發電相競爭。不過，美、日等國已投入許多努力來發展海洋溫差發電副產物，諸如淡水、空調、海水養殖，以降低發電成本（Masutani & Takahashi, 2001）。既有的研究成果顯示，海洋溫差發電不僅可產生電力，也能產生大量、乾淨的食用水。此外，深層冷海水富有營養及無病原體，適用水栽與海水養殖應用，冷海水會使土壤自然冷凝而提升農業作物的生長率。海洋溫差發電水產養殖不僅使熱帶島嶼社區獲得食物自主自足與觀光相關產業的利益，也獲得建立具容易可行、商業誘因，可外銷的產業，進一步多元化熱帶島嶼的經濟以及提供當地住民工作機會（OCEES International, Inc, 2008）。而且，海洋溫差發電抽取大量非常冷的海水至表面，可做為建築物空調之用，這是相當有經濟效益的，例如，在海洋溫差發電設施中將空調供應做為分離的次系統，將會大大地降低電力負載需求與維修費，但這些應用，諸如淡水、空調、海水養殖等，只能在陸上進行。另一方面，藉由電解作用，海洋溫差發電過程所產生的淡水可做為產氫系統的基礎，此研究結果導引海洋溫差發電的發展朝向生產這些多種產品，此發展能產生相當有利的經濟條件（OCEES International, Inc, 2008）。
在某些地區，海洋溫差發電系統或海水空調設施的排放物能進一步被利用來改善當地海港或小艇碼頭的水質，這是因為能提供足夠的流動速率來沖刷港口或類似非常不流動的水資源，比起現在的方式，此能明顯改善港口或碼頭的水質。同時，由於排放蒸汽仍然含有顯著的冷或熱吸收能力，若用於傳統電廠或工業設施的製程冷卻也是另一種利用方式（OCEES International, Inc, 2008）。此外，海洋溫差發電是利用源源不絕的太陽能源，其發電的循環成本是非常小的。
四、 海洋溫差發電瓶頸
綜合國內外的經驗，在推動再生能源發展與應用的過程中，常有可能遭遇技術面、商業面、法規面等多方面的阻礙，例如，技術面的障礙有再生能源發電系統與電力系統的併聯，商業面的障礙有再生能源電力業者如何分擔使用公用電業配電設施的費用，法規面的障礙有配電網如何公開給業者使用或如何處理污染等。勢必先降低或解決上述種種障礙，才能使再生能源發電擴大推廣應用。海洋溫差發電概念的提出已超過100年，期間也有許多國家陸續從事相關的研發，可是，截至目前為止，全球尚未有商業化的海洋溫差發電廠，美、日、法等國的大型海洋溫差發電計畫幾乎都已停擺，不禁讓人質疑其未來持續發展的可行性。
海洋溫差發電的發展過程中遭遇到不少技術、成本與法令等瓶頸，致未能全面有效推動。例如，海洋溫差發電的發展受到海水溫差條件的嚴重限制，發電熱效率僅約3~5%，電廠所需設備龐大，致使投資成本昂貴，且其製造運輸及安裝維修也頗具難度，其中尤其是大口徑冷水管的研發不多，雖然冷水管佔總成本比例不高，但它卻是關鍵，因為海洋溫差發電須要大量冷海水。此外，許多海洋溫差發電相關的技術還在試驗階段，投資興建電廠的技術風險仍高，難以精確地評估出發電成本。海洋溫差發電所面臨的另一個瓶頸是缺乏全尺寸示範原型廠，全尺寸或近乎全尺寸約5MW示範電廠是相關設備建立其真實成本、能源轉換性能，以及證實與評估預測成本與性能資料所必須的，也是證明設備可靠度以及驗證規模化（即從部分規模到全尺寸規模的進展）所必要的。由於試驗性電廠未具經濟規模，對設備能源轉換性能的不瞭解限制了準確預測能源輸出的能力，難以吸引政府或民間資金的投入，加上對於環境衝擊的不瞭解也阻礙了示範計畫獲得政府主管機關的同意。另一方面，對電流、短路、電壓等相關能源產出的不確定性延遲了併網的規劃，而發展、測試與量測標準的缺乏亦使不同系統間的比較變得複雜與困難，這也導致政策決策者、投資者或開發者面臨難以決定何種系統是最適合的問題（IEA, 2006）。
