Die Funktion eines Meereswärmekraftwerkes ist in zwei verschiedenen Kreislaufsystemen möglich. Beide Prinzipien können auch kombiniert werden.
Bei einem Meereswärmekraftwerk mit geschlossenem Kreislauf wird in einem Organic Rankine Cycle warmes Oberflächenwasser gepumpt, welches ein bei niedriger Temperatur siedendes Arbeitsmedium in einem Wärmeübertrager zum Verdampfen bringt. Das verdampfte Arbeitsmedium wird durch eine an einen Generator angeschlossene Turbine geleitet, in der ein Teil der Wärme in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium mit dem aus der Tiefe angepumpten kalten Wasser in einem weiteren Wärmeübertrager wieder in einem Kondensator verflüssigt und kann von neuem in den Verdampfer eingespeist werden.
Das Arbeitsprinzip entspricht dem eines Dampfkraftwerks, nur wird als Arbeitsmedium kein Wasserdampf verwendet. Es sind verschiedene Stoffe als Arbeitsmedium für ein Meereswärmekraftwerk denkbar, dessen Nutzung allerdings jeweils sowohl Vorteile als auch Nachteile mit sich bringt.
- Ammoniak ist leicht verfügbar und preisgünstig in der Produktion, aber giftig.
- Propan ist auch geeignet, aber hat niedrigere Wärmeleitfähigkeit und Verdampfungswärme als Ammoniak.
Ein Meereswärmekraftwerk mit offenem Kreislauf nutzt das warme Oberflächenwasser als Arbeitsmedium, das unter Vakuum verdampft wird. Der erzeugte Dampf treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an. Anschließend wird der Dampf, der seinen anfänglichen Druck in der Turbine verliert, mit Hilfe von kaltem Tiefenwasser wieder im Kondensator verflüssigt. Wird hierfür ein Wärmeübertrager verwendet und ein direkter Kontakt vermieden, so entsteht entsalztes Süßwasser, das als Trinkwasser genutzt werden kann. In einer Vakuumkammer wird durch eine Vakuumpumpe ständig die im Wasser gelöste Luft abgesaugt. Somit wird sichergestellt, dass das Wasser ohne weitere Wärmezufuhr siedet und verdampft.
In einem hybriden Meereswärmekraftwerk werden beide vorgenannten Systeme kombiniert. Das warme Oberflächenwasser wird genutzt, um das Arbeitsmedium im geschlossenen Turbinenkreislauf zu verdampfen. Nachdem es die Turbine passiert hat, wird es wiederum durch kaltes Tiefenwasser kondensiert und erneut in den Kreislauf eingebracht.
Das immer noch warme Oberflächenwasser wird nach der Wärmeabgabe an den Turbinenkreislauf in einer Vakuumkammer verdampft. Dieser Wasserdampf wird mit Hilfe des Kühlwassers kondensiert, wodurch Süßwasser gewonnen werden kann.
Eine andere Anordnung sieht zuerst die Vakuum-Verdampfung des warmen Seewassers vor. Dieser warme Wasserdampf wird anschließend genutzt, um das Arbeitsmedium des Turbinenkreislaufes zu verdampfen. Bei diesem Vorgang wird der Wasserdampf wiederum zu Süßwasser kondensiert. Das kalte Tiefenwasser wird nur zur Kondensation des Arbeitsmediums der Turbine genutzt.
Es sind auch weitere Kombinationen möglich. Eine favorisierte Bauform hat sich bei den wenigen Versuchsanlagen noch nicht durchgesetzt.
Bereits 1881 erdachte der französische Ingenieur Jacques-Arsène d'Arsonval ein Meereswärmekraftwerk mit geschlossenem Kreislauf. Es wurde von ihm jedoch nie getestet.
Im Jahre 1930 wurde an der Nordküste auf Kuba eine kleine Anlage mit offenem Kreislauf installiert, die ihren Betrieb jedoch schon nach wenigen Wochen einstellte. Sie wurde vom Franzosen Georges Claude, einem Freund und Schüler von Jacques Arsene d'Arsonval und Erfinder der Neonröhre, entworfen. Er ließ sich das Prinzip des offenen Kreislaufes patentieren. Die Pumpen benötigten eine größere Leistung als die 22 kW, die vom Generator abgegeben wurden. Gründe dafür waren der schlecht gewählte Standort und Probleme mit Algen. Das nächste Projekt von Claude, ein schwimmendes OTEC-Kraftwerk vor Brasilien, wurde von einem Sturm beendet, der eine Rohrleitung beschädigte. Der glücklose Erfinder starb praktisch bankrott von seinen OTEC-Versuchen.
In den 1970er Jahren förderte die US-Regierung die Erforschung des Meereswärmekraftwerkes mit 260 Millionen Dollar. Nach den Wahlen von 1980 wurde die staatliche Unterstützung jedoch stark gekürzt.
1979 wurde an Bord eines Frachtkahnes der US-Marine vor der Küste Hawaiis ein Experiment, das sogenannte "Mini-OTEC", mit einem geschlossenen Kreislauf erfolgreich unter Beteiligung des Staates Hawaii und eines Industriepartners durchgeführt. Es dauerte etwa drei Monate. Die Generatorleistung betrug rund 50 kW, die Netzeinspeiseleistung ca. 10-17 kW. Es wurden etwa 40 kW für den Betrieb der Pumpen benötigt, die das 5,5 °C kalte Wasser mit einer Förderleistung von 10,2 Kubikmeter in der Minute aus 670 m Tiefe in einem 61 cm durchmessenden Polyethylenrohr und das 26 °C warme Oberflächenwasser ebenfalls mit einer Förderleistung von 10,2 m³/min zur Anlage förderten.
1980 wurden an Bord eines umgebauten Marine-Tankers, der vor Kawaihae an der Kona-Coast (Hawaii) verankert war, Komponenten eines geschlossenen Kreislaufes unter dem Projektnamen "OTEC-1" getestet. Dabei sollten die Umweltauswirkungen eines im Meer verankerten Kraftwerks untersucht werden. Die Anlage konnte keine Elektrizität gewinnen.
1981 war für einige Monate ein kleines Meereswärmekraftwerk auf der Insel Nauru in Betrieb, welches von einem japanischen Konsortium zu Demonstrationszwecken errichtet worden war. Von den 100 kW Generatorleistung wurden rund 90 kW von den Pumpen benötigt. Die Gesamtbetriebsdauer betrug 1.230 Stunden.
Bereits 1983 wurde ein 40 MW-OTEC Versuchskraftwerk auf einer künstlichen Insel am Kahe Point vor der Küste von Oahu (Hawaii) geplant. Nachdem die Konstruktionsarbeiten 1984 abgeschlossen waren, konnten jedoch keine Geldmittel für den Bau gewonnen werden, da das OTEC-Kraftwerk sich nicht mit billigeren fossilen Kraftwerken vergleichen konnte. Nach weiterer Forschung speziell an den Verdampfern und Kondensatoren versprach man sich jedoch eine starke Senkung der Kosten eines OTEC-Kraftwerks mit geschlossenem Kreislauf.
In den Jahren 1993 bis 1998 war in Keahole Point, Hawaii ein experimentelles Meereswärmekraftwerk mit offenem Kreislauf erfolgreich in Betrieb. Die Generatorleistung betrug 210 kW, bei einer Oberflächenwassertemperatur von 26 °C und einer Tiefenwassertemperatur von 6 °C. Im Spätsommer bei sehr hohen Temperaturen konnten bis zu 250 kW vom Generator abgegeben werden. Dabei wurden etwa 200 kW von den Pumpen zur Förderung des Wassers verbraucht. Es wurden etwa 24.600 Kubikmeter kaltes Wasser durch ein 1 Meter durchmessendes Rohr aus rund 825 m Tiefe und 36.300 Kubikmeter warmes Oberflächenwasser an Land gepumpt. Ein kleiner Teil des erzeugten Dampfes wurde zur Gewinnung von entsalztem Wasser genutzt (etwa 20 l/min). Die Versuche ergaben, dass sich bei kommerziellen Kraftwerken ein Verhältnis von etwa 0,7 von Generatorleistung zu Netzeinspeiseleistung erreichen lassen würde.
Ein weiteres Kraftwerk in Hawaii mit einer Generatorleistung von 1,4 MW und einer Netzeinspeiseleistung von etwa 400 kW wurde entworfen, jedoch aufgrund fehlender Finanzierung nicht umgesetzt.