מאת: רועי בן צבי
מכיוון שתחום הפקת האנרגיה מגלים הינו בשלבי התפתחות מוקדמים, ישנו מספר רב של מתקנים להפקת אנרגיה מגלים.לכל מתקן יתרונות וחסרונות שונים, אך ישנן מספר בעיות עיקריות המשותפות לכל המתקנים והן:
1. אי הרגולאריות של גלי הים, המקשה על יצירת חשמל באופן יציב (ראה מבוא).
2. התלות של גלים בזמן, מרחב ועצמת הנשיבה של הרוח. עקב התלות בתנאים אלו, אנרגית הגלים מרוכזת בעיקר בין קווי הרוחב 300 ל-600, בהם נושבות רוחות הסחר המזרחיות דרך קבע. כתוצאה מהפרשי לחצים גלובליים (ראה איור 1).
3. תנאי סביבה עוינים כגון: סערות, תנאי סביבה קורוזיביים, התיישבות אוכלוסיות צמדה ביולוגיות (פאולינג) ולחצים מבניים הנובעים מהתנועה האי רגולארית של גלי הים.
4. חוסר ניכר בידע הנדסי (בעיקר בתחומי חוזק חומרים ויעילות המרת האנרגיה).
5. עלות כלכלית גבוהה, הנובעת מהצורך במו"פ, עלות חומרים גבוהה, בלאי גבוה ואי היכולת להתחרות בטכנולוגיות קיימות עקב עלות הפקת חשמל גבוהה (ראה פרק שיקולים כלכליים בהפקת אנרגיה מגלי ים).
6. השפעה סביבתית אקולוגית (ראה פרק השפעות אקולוגיות של מתקנים להפקת אנרגיה מתחדשת).
את המתקנים לייצור חשמל מגלים נהוג לסווג ראשית ע"י מיקומם ביחס לחוף (Onshore, Nearshore, Offshore), ושנית לפי עיקרון הפעולה שלהם (OWC, Spillover, Pneumatic, Float based, Moving body).
מתקנים הממוקמים בחוף הים – Onshore
מתקנים אלו ממוקמים על שפת הים כך שחלקם במים וחלקם ביבשה.
יתרונותיו של מיקום זה הינם:
1. נגישות גבוהה להתקנה ואחזקה שוטפת.
2. ביטול הצורך בכבלי עיגון וכבלי חשמל תת מימיים, אשר עלותם הכלכלית גבוהה.
3. חשיפה נמוכה יחסית לתנאי מזג אוויר קשים.
4. פגיעה קטנה יחסית בסביבה הימית (במיוחד אם משלבים את מתקנים אלו בשוברי גלים).
5. כיום כבר נצבר ניסיון מסוים בסוג מתקנים אלו (מספר מתקנים כאלו כבר פועלים בצורה מסחרית). נתונים שנאספו מפעולתם של מתקנים אלו, משמשים לשיפור היעילות והאמינות של מתקנים עתידיים ובכך מורידים את עלותם.
חסרונותיו של מיקום זה הינם:
1. זמינות האנרגיה האצורה בגלים נמוכה יחסית לים הפתוח.
2. עקב ההשפעות השונות של הקרקעית, מספר האתרים בהם ניתן להקים מתקן יעיל להפקת אנרגיה מגלים קטן (אתרים אלו מכונים HOT SPOTS, מכיוון שתהליכי רפרקציה ורפלקציה גורמים לריכוז של עצמת הגלים המגיעים מהים הפתוח).
3. הפיתוח המואץ של רצועות חופיות לצרכי תעשייה, תשתיות, צבא, מסחר ומגורים מעלה את ערך הקרקע הנדרשת לבניית מתקנים מסוג זה ובכך מייקר את עלות הקמת המתקן.
4. למתקנים מסוג זה עלולה להיות השפעה נרחבת על מבנה הזרמים באזור, העלולה לשנות את מבנהו הגיאומורפולוגי וסביבתו האקולוגית של החוף.
סוג המתקן הנפוץ ביותר במיקום זה, הינו ה-OWC (Oscillating Water Column). ליבו של מתקן זה הינו חלל השקוע למחצה ופתוח לגלי הים. כאשר גל נכנס לתוך חלל זה, הוא דוחס את האוויר הנמצא בתוכו לתוך טורבינה מסוג וולס (ייחודה של טורבינה זו הינו בעובדה שכיוון הסיבוב שלה זהה גם ביניקת האוויר וגם בפליטתו) הנמצאת בחלקו העליון של החלל. לטורבינה זו מחובר מחולל, היוצר אנרגיה חשמלית מכוח סיבובה של הטורבינה. מספר מתקנים מסוג זה פועלים כיום בסקוטלנד ובאירלנד.
במיקום זה נפוצים עוד שני סוגים של מתקנים אחרים:
1. מתקן מסוג Spillover (TAPCHAN), המורכב מתעלה פתוחה לגלי ים, המעלה את המים הנעים עם הגל למאגר הנמצא מעל פני הים. מים אלו חוזרים לים דרך טורבינות ימיות אשר מחוברות למחוללים המייצרים חשמל. יתרונה היחסי של מערכת זו הינו קצב ייצור החשמל האחיד.
2. מתקן מסוג Float based (Pendulum), המורכב ממטוטלת המחוברת למנוע הידראולי ע"י זרוע. כאשר גל דוחף את המטוטלת, הנוזל ההידראולי בתוך הזרוע נדחס ומסובב מנוע הידראולי המחובר למחולל. היתרון של מערכת זו הינו פשטותה היחסית.
מתקנים הממוקמים בקרבת החוף – Nearshore
מיקום זה, מוגדר כמרחב הנמצא מחוף הים עד עומק הים בו הגלים אינם מושפעים מחיכוך עם קרקעית הים (גלי עומק). לאזור זה חסרונות רבים שהעיקריים בהם הינם: השפעה אקולוגית משמעותית, הפרעה לנתיבי ספנות ופעילות ימיות נוספות במרחב זה, עלויות הקמה ואחזקה גבוהות, צורך במתיחת כבלי עיגון ופריסת כבלי חשמל תת מימיים. המתקן העיקרי בו נעשו ניסויים הינו Oyster. מתקן זה משתמש באנרגיית הגלים בכדי לשאוב מי ים בלחץ גבוה לתחנה הנמצאת בחוף. מלחץ מים זה, ניתן להפיק חשמל או להתפיל מים בעלות אנרגטית נמוכה משמעותית משיטות קיימות. היתרון העיקרי של מערכת מסוג זה הינו פשטותה הן מבחינת תפעול שוטף והן מבחינת בלאי של חלקים נעים כך שעלויות ההקמה והאחזקה יורדות בצורה משמעותית. )2003 (R. Gross,
מתקנים הממוקמים בעומק הים – Offshore
אזור זה מתייחס למרחב בו עומק הים גדול מ-40 מטר. מכיוון שבעומק זה אין חיכוך עם קרקעית הים, האנרגיה של גלי הים נשמרת ולכן עצמתם גבוהה יותר במרחב זה מאשר בשני האחרים. בכדי להפיק אנרגיה מגלים אלו, על המתקנים לצוף בקרבת או על פני הים ומכאן שנדרשת להם תשתית של כבלי עיגון גמישים וכבלי חשמל תת מימיים. למיקום זה מספר יתרונות:
1. חישובי האנרגיה פשוטים יחסית, ומכאן שיעילות התכנון עולה ועלויות הבנייה יורדות.
2. במרחב זה ישנם אינספור אתרים המתאימים להקמת מתקן להפקת אנרגיה מגלים.
3. עצמת הגלים במרחב זה גבוהה בהרבה מכיוון שיש פחות בזבוז אנרגיה בגל הנע במים עמוקים.
4. המתקן יכול לשמש כמצע להתיישבות בע"ח ימיים (בעיקר על כבלי העיגון), וכך ליצור מעין ריף מלאכותי ולהגדיל את מגוון המינים באזור.
חסרונותיו של מיקום זה כוללים:
עלויות הקמה ואחזקה גבוהות עקב המרחק מהיבשה, מרחק זה מחייב היערכות מוקדמת במקרה של כשל טכני או תיקון פגעי מזג אוויר.
הצורך בפריסת כבלי חשמל תת מימיים אשר מוריד את כדאיותו הכלכלית של מתקן במרחב זה.
חשיפת המתקן לתנאי מזג אוויר קיצוניים, מחייבת שימוש בחומרים שיאפשרו חוזק מבני מספק, ובכך מגדילה את עלות המתקן.
רוב המתקנים המתוכננים למרחב זה, נמצאים עדיין בשלבי מחקר ופיתוח מוקדמים. ולכן ישנו חוסר במידע לגבי אפשרויות הפקת אנרגיה מגלים במרחב זה.
במרחב זה נעשו ניסויים במספר סוגים של מתקנים להפקת אנרגיה מגלים, חלקם פניאומאטיים (Archimedes Wave swing), חלקם Float based (OPTWEC ו-McCabe Wave pump), חלקם Moving body (Pelamis) וחלקם מסוג Spillover (Wavedragon). שני המתקנים העיקריים בתחום זה, אשר נמצאים כיום בתחילת השלב המסחרי שלהם, הינם Pelamis ו-Wavedragon. ה-Wavedragon , הינו מתקן מסוג Spillover המשתמש באנרגיה הקינטית של הגלים למילויו של מאגר מים הנמצא מעל פני הים. מים אלו שלהם אנרגית גובה פוטנציאלית, חוזרים לפני הים דרך תעלות ובדרכם מסובבים טורבינות ימיות היוצרות חשמל (ראה איור 2). מתקן זה מורכב מ-3 חלקים עיקריים:
1. שתי זרועות הממקדות את אנרגיית הגלים הנכנסים כך שיעילות המתקן בתפיסת אנרגיה גבוהה ברוב תנאי הים (מעל 70% לפי הצהרות היצרן).
2. שיפוע המוביל את המים שנישאים בגלים אלו לתוך מאגר מים. מכיוון שכמות המים במאגר ניתנת לשליטה ,ניתן לווסת את קצב החזרה שלהם לים ובכך לשלוט על קצב הפקת האנרגיה ולייצר זרם חשמלי יציב לאורך זמן
3. טורבינות ימיות המסובבות מנועים הידראוליים. מכיוון שניתן לשנות את התנגדותם של מנועים אלו לפי לחץ המים המסובב את הטורבינות, היעילות של הפקת החשמל עולה.
למתקן זה יתרונות רבים הנובעים מתכנונו הפשוט והיעיל, אך עקב גודלו האדיר (משקלו הכולל של מתקן מסחרי ינוע בין 22,000 טון ל-54,000 טון ורוחבו יהיה בין 260 ל-390 מטר, כתלות בכמות החשמל שעליו להפיק ובתנאי הים באתר הבנייה), בעיות של חוזק חומרים ועלות בנייה גבוהה יחסית מקשים על הפעלתו בצורה מסחרית. תכנונו של מתקן זה החל ב-1987 והוא נמשך עד היום תוך בניית אבות טיפוס בקנה מידה של 1:4.5 וניסויים בתנאי שטח. (2006J.P. Kofoed et al. )
ה-Pelamis שהינו מתקן מסוג Moving body, מורכב ממספר גלילים הצפים על פני הים ומקושרים ביניהם בבוכנות ומנועים הידראוליים. מערכת הידראולית זו, ממירה את תנועת הגלילים לחשמל בהתאם לעצמת הגלים המניעה אותם (ראה איור 3). כמו במקרה של ה-Wavedragon, המערכת ההידראולית מקנה למפעיל המתקן יכולת לשלוט על מידת ההתנגדות של המתקן לגלים ובכך להפיק את מקסימום החשמל האפשרי מתנאי ים ספציפיים. מתקן מסוג זה, פועל ביעילות הגבוהה ביותר כאשר הוא נמצא ברזוננס עם תנועתם של גלי הים, ולכן שליטה על מידת ההתנגדות שלו תסייע במציאת תדר התנועה האידיאלי. חסרונו העיקרי של מתקן זה הינו חוסר היציבות בקצב הפקת החשמל (אף על פי שהאנרגיה האצורה בלחץ ההידראולי משמשת כבולם זעזועים זמני). גודלם ומספרם של הגלילים שקוטרם 3.5 מטר,משתנה בהתאם לתנאי הים השליטים באתר ההקמה. חווה ניסיונית המכילה מספר מתקנים מסוג זה פועלת מול חופי פורטוגל משנת 2007. (R. Henderson. 2006).
בשתי הדוגמאות שניתנו להלן, מערכת הפקת החשמל מתבססת על לחץ הידראולי (כ-400 Bar), וזאת מכיוון שעומסי העבודה ומהירות זרימת המים מתאימים למערכות מסוג זה. ישנן מספר מערכות המשתמשות באמצעים אחרים לצורך הפקת החשמל מתנועת הגלים. ה-OWC לדוגמא, המתבסס על לחץ פניאומאטי ואשר החיסרון עיקרי שלו נעוץ בעלויות הבנייה והאחזקה הגבוהות של הטורבינות עקב בלאי גבוה. או מתקנים כגון Oyster /IPS buoy השואבים מי ים בלחץ גבוה למתקן הנמצא על היבשה. פתרון נוסף ניתן למצוא בשיטת ה-Linear Drive. בשיטה זו, מיוצר החשמל ע"י יצירת שדה אלקטרומגנטי. שדה זה נוצר כאשר תנועת הגל מרימה ומורידה רכיב מגנטי שסביבו פזורים מגנטים סטטיים (הנקראים סטאטור). שיטה זו הינה בתהליכי מו"פ מתקדמים אך ישנן בעיות טכניות רבות (בעיקר בתחום אמצעי השליטה והבקרה). (I.A. Ivanova et al. 2005)
לעמוד הבא – שיקולים כלכליים בהפקת אנרגיה הידרואלקטרית מגלים
לעמוד הקודם – סוגים שונים של מתקנים להפקת אנרגיה הידרו אלקטרית מגלים
