120 שנה אחרי מהפיכת החשמול הנרחב של אירופה, אנו על ספו של עידן חלוצי שני בטכנולוגיית החשמל, ולמעשה מדובר במהפכה טכנולוגית חדשה. המפתח העיקרי להישרדות בעידן זה יהיה בחלוקה ובהולכה של חשמל בצורה נכונה ויעילה, שיהפכו את רשתות הכוח החשמליות לרשתות חכמות.

מאת: פרופ' גדי גולן

דקאן הפקולטה להנדסת חשמל אלקטרוניקה ותקשורת במכון הטכנולוגי חולון – HIT

120 שנה אחרי מהפיכת החשמול הנרחב של אירופה, אנו על ספו של עידן חלוצי שני בטכנולוגיית החשמל, ולמעשה מדובר במהפכה טכנולוגית חדשה. המפתח העיקרי להישרדות בעידן זה יהיה בחלוקה ובהולכה של חשמל בצורה נכונה ויעילה, שיהפכו את רשתות הכוח החשמליות לרשתות חכמות.

סימנס והחשמול של אירופה

המחצית השנייה של המאה ה-19 הייתה, ללא ספק, שיאו של עידן החלוצים הטכנולוגים.

ב-1866 גילה סימנס הגרמני את עיקרון הדינמו החשמלי, ובכך נסללה הדרך ופותחה שיטה יעילה וחסכונית לייצור חשמל בזרם חילופין (בשונה מחשמל זרם ישר המוכר לנו מן הסוללה החשמלית).

בשלהי העשור של 1870 הצליח תומס אדיסון להביא, הלכה למעשה, תאורה אמינה וזולה לכל בית בעולם הטכנולוגי, בעזרת נורת הלהט שהמציא. חשוב לציין, שעיקרון נורת הלהט לא הומצא ע"י אדיסון. המצאתו של אדיסון הייתה האפשרות להלהיט תיל המתכת שבנורה לטמפרטורות גבוהות, ללא סילוק האוויר ושאיבתה לוואקום. תוספת של גז ממשפחת ההלוגן (עמודה שביעית בטבלה המחזורית) למנורה אפשרה לו לבודד את נימת הלהט ומניעת חמצונה המיידי. בכך נסללה הדרך לייצור המוני של נורות להט, בכל הגדלים וכל הצורות.

בהמשך, היו אלה ווסטינגהאוס וניקולה טסלה, שערכו ניסיונות בשיפור הייצור של זרם החילופין. הראשון שהצליח להעביר חשמל למרחקים היה מילר הגרמני, שהצליח להוליך חשמל למרחק של 175 ק"מ. היה זה סימנס הגרמני שהבין, שהחשמל יגיע בסופו של דבר לאין סוף מוצרים בבתים ובמפעלי החרושת התעשייתיים, ובכך יקל בצורה משמעית על חייהם של תושבי הארץ. רבים מהמוצרים הללו פותחו ע"י סימנס עצמו. הם כללו את הרכבת החשמלית הראשונה, את הקרון החשמלי, את הקטר החשמלי, ואת המעלית החשמלית הראשונה. חשמול נרחב של אירופה החל בסביבות 1890.

כיום, 120 שנה אחרי, אנו על ספו של עידן חלוצי שני בטכנולוגית החשמל. למעשה, מדובר במהפכה טכנולוגית חדשה.

הטכנולוגיות הדרושות כבר מתפקדות

ללא כל צל של ספק, החשמל הנקי, הירוק, הופך להיות כיום מקור האנרגיה הדומיננטי בעולם. השימוש בו מקודם כיום, בראש ובראשונה, בזכות התובנה שעלינו לצמצם את פליטת גזי החממה, על מנת להילחם בשינויים האקלימיים המתרחשים בכדור הארץ. ייצור חשמל באמצעות שריפת דלקים אורגניים, מכל סוג, מגדיל את פליטת גזי החממה לאטמוספרה ובראשם את דו תחמוצת הפחמן, החשוד בהגדלת החום הגלובלי על פני כדור הארץ. נושא זה, של צמצום פליטת גזי החממה, עמד בראש הדיונים בכנס האומות המאוחדות שהתקיים בדצמבר 2009 בקופנהגן, בנוכחות מלאה של כל שועי העולם.

האנרגיה החשמלית הפכה למפתח להשגת מטרה זו, מאחר וניתן ליצרה ולהוליכה בדרכים ידידותיות לסביבה. החשיבה האוטופית דוגלת במעבר לכלכלה מבוססת אנרגיה נטולת פחמן, היינו, ללא שריפת דלקים.
כל הטכנולוגיות, הדרושות להתרחשותו של מהלך שכזה, כבר קיימות ומתפקדות כיום. אנו יודעים על טכנולוגיות להפקת חשמל משמש, מרוח וממים. כל שנותר הוא ליישמן הלכה למעשה.

הגדלת הייצור של החשמל הירוק

כמות החשמל הירוק, המיוצר בעזרת שמש, רוח, או מים – נטולי פליטת דו תחמוצת הפחמן – תגדל בצורה משמעותית בעתיד. לפי החישובים של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה, בשנת 2030 תגדל האנרגיה החשמלית, המיוצרת באמצעות תחנות רוח, פי 13 מן האנרגיה המיוצרת כיום באמצעות רוח! האנרגיה החשמלית, המיוצרת באמצעות שמש, תהה גדולה בשנת 2030 פי  140 מן האנרגיה החשמלית המיוצרת כיום באמצעות השמש!

דוגמה בולטת אחת ומבטיחה במיוחד היא פרויקט ה-Desert Tech, במדבר סהרה, המתמקד בייצור חשמל באמצעות אנרגיית השמש האינסופית שבצפון אפריקה. לאחרונה הוקם תאגיד תעשייתי בניהול האיחוד האירופי על מנת לתכנן וליישם רעיון זה. במקביל, יותר ויותר טורבינות רוח הולכות ונבנות ביבשה ובים. בשני המקרים, כמות גדולה של חשמל חייבת להיות מועברת למרחקים גדולים ובהפסדים מזעריים.

הולכה מיטבית נטולת הפסדים

כאן נכנס לפעולה נושא חדש ומהפכני של חשמל בזרם ישר ובמתח גבוה, להולכה מיטבית נטולת הפסדים. בסין, הולכת ונשלמת כיום בנייתה של תחנת כוח הידרואלקטרית עם סכר הגדול בעולם. תחנת כוח זו תעביר חשמל בהספק של 5,000 מגה ואט (מחצית מיכולת הייצור של מדינת ישראל) מן המפעל ההידרואלקטרי שבפנים היבשת, לאורך 1,400 ק"מ עד לערי החוף, במינימום הפסדים. זוהי מהפיכה של ממש.

למרות זאת, החשמל הירוק – של רוח, שמש ומים – הוא עדיין בעייתי, מאחר ואינו מגיע כאשר הוא נחוץ. אנרגיית החשמל המיוצרת משמש מתקבלת אך ורק כאשר יש שמש, וגם אז, השמש אינה מאירה בכל רגע ורגע באותה עוצמה. כנ"ל לגבי האנרגיה החשמלית הנוצרת על ידי הרוח, שאינה קבועה לאורך היממה. משמעות הדבר היא, שאת החשמל הנוצר מן המקורות הירוקים יש לאגור בדרך כלשהי, ורק אז לשחררו בצורה יציבה לרשת החשמל.

אגירה שאובה

כיום מדברים על "אגירה שאובה", שבה מפעילים באמצעות החשמל הירוק והלא יציב, משאבות, המרימות מים לראש הר. משם מזרימים את המים במורד ההר על גבי טורבינות המייצרות חשמל בתהליך הידרואלקטרי. בישראל קיימות כבר שתי תחנות "אגירה שאובה", המשמשות גם לוויסות ייצור החשמל. בלילה, כאשר הביקוש לחשמל נמוך, מופנה עודף החשמל להפעלת המשאבות, המרימות את המים לראש ההר. ביום, בעת צריכת השיא, מפילים את המים במדרון לטורבינות הידרו-אלקטריות.

יתרונה של אגירה שאובה זו הוא בביטול הצורך בוויסות דודי הקיטור הענקיים שבתחנות הכוח. בצורה זו פועלת תחנת הכוח בצורתה המיטבית 24 שעות ביממה, ונמנע בה בלאי בגלל שינוי בקצב חימום הקיטור בתלות בשעות היממה וגודל הצריכה המשתנה. אפשרות אחרת היא לחמם באמצעות החשמל הירוק קיטור, המייצר חשמל יציב באמצעות טורבינות, או פשוט לאגור את החשמל על גבי מצברים רבי תכולה עם יכולת קיבול גדולה.

אוגר אנרגיה מתנייע

העתיד המבטיח של המכונית החשמלית יכול להיות מבטיח עוד יותר, אם ייקח חלק בתכנון ייצוב משק החשמל. מלבד תכונותיה "הירוקות" של המכונית החשמלית, היא יכולה גם לשמש כאוגר אנרגיה מתנייע, ואף לאפשר לבעליה של המכונית החשמלית לייצור מעט מזומנים לעצמו על ידי מכירת אנרגיה חשמלית ממצברה.

כיצד זה עובד? בעלי המכונית החשמלית יטעינו את מכוניתם בלילה באנרגיה זולה ויוכלו למכור חשמל זה ביום במחירי שיא. אם המכונית תעמוד במשך היום ותהייה מחוברת לרשת ההטענה של מצבריה, תהה גם אפשרות הפוכה למשיכת חשמל ממצברי המכונית החשמלית לרשת החשמל! מספיק מספר אלפים קטן של מכוניות חשמליות, המחוברות לרשת החשמל הארצית, על מנת לספק אנרגיה מספקת לצורך איזון וויסות משק החשמל של מדינת ישראל, הנאבקת בבעיית ייצור החשמל בנקודות השיא של ימים חמים מאוד, או קרים מאוד.

מדידת חשמל דו-כיוונית

על מנת לגרום למערכת שכזו לתפקד כראוי, עם יכולת לדחוף או למשוך חשמל לפי הצורך, אנו זקוקים למוני חשמל חכמים עבור כל מחוללי האנרגיה וצרכני האנרגיה שבמדינה. נושא חדש זה נקרא בשם: Smart Metering. זוהי מדידת חשמל דו כיוונית, של חשמל היוצא מן הרשת וחשמל הנכנס לרשת, עם יכולת חישוב, תיעוד ותקשורת נתונים עם מחשבי ניהול רשת מרכזיים בעלי שעון זמן אמת.

הטכנולוגיה המהפכנית ברשת החכמה (Smart Grid) תנהל את ייצור והולכת החשמל באמצעות מערכת ניהול ידע מתוחכמת, הנשענת על תקשורת מתקדמת בפרוטוקול אינטרנטי (IP), וטכנולוגיית חישת אנרגיה – שתהה מותקנת בכל מכשיר חשמלי המחובר לרשת החשמל. רשתות חכמות אלו יעשו את צריכת החשמל שקופה יותר וברת ניהול קל יותר, ובכך יסייעו לחיסכון באנרגיה.

שוק ענק הצומח במהירות

הפיכת רשתות הכוח החשמליות לרשתות חכמות הינה ליבת העסקים של חברות הענק האירופיות מזה שני עשורים. השוק העולמי לרשת חכמה ולטכנולוגיות הנלוות אליה, עד 2014, מסתכם ב-90 ביליון יורו. זהו שוק ענק הצומח במהירות, כמו שאר השווקים למקורות אנרגיה חלופית.  חלוקת והולכת החשמל בצורה נכונה ויעילה יהוו את המפתח העיקרי להישרדות אנרגטית בעידן החדש של החשמל.

לאור כל האמור לעיל, החלטנו בפקולטה להנדסה שבמכון הטכנולוגי חולון – HIT, על קידום כל הקשור באנרגיות מתחדשות, קרי, מחקר/פיתוח והוראה בקידום ייצור חשמל מאנרגיות מתחדשות. בשנת הלימודים הנוכחית, תש"ע, פתחנו לראשונה מסלול התמחות באנרגיות חלופיות במסגרת הפקולטה להנדסת חשמל ואלקטרוניקה. המקצועות אותם לומדים תלמידי מסלול ההתמחות זה הם: א. יסודות אנרגיה חלופית, ב. תאי שמש, ג. תוכן מערכות סולאריות, ד. חשמל ממקורות רוח ומים, תאי דלק ומערכות הספק לאנרגיה חלופית.

המאמר התפרסם במגזין תערוכת אופק ירוק לטכנולוגיות מים, אנרגיה מתחדשת, בנייה ירוקה ומיחזור