אחרי שכל פיסת נדל"ן נוצלה לטובת התקנת מערכות פוטו־וולטאיות, מתברר שיש עוד שטח שאפשר להשתמש בו למטרה זו: מאגרי המים. לא רק המשקיעים והקבלנים של תעשיית הסולאר יוזמים זאת, אלא גם החקלאים ורשויות המים.
מאת שמשון רפפורט ומייק גרין · פורסם בכתב העת "חשמל ואנרגיה", גיליון 78, אוגוסט 2019
לפני כעשור החלה להתרחש מהפכה בתעשיית האנרגיה בישראל ובעולם: אנרגיה סולארית פוטו־וולטאית החלה להתפתח במהירות מואצת כתוצאה מירידה משמעותית במחירי פאנלים והחומרה הנלווית. במקביל, בשל אינטרסים מדיניים בישראל להגביר את עצמאות ייצור האנרגיה ולהפחית את ייצור גזי החממה, המדינה עודדה את התעשייה הסולארית באמצעות תמריצים אטרקטיביים. וכך, עידן הסולאר החל במלוא עוצמתו. מוסדות ממשלתיים, מתקנים תעשייתיים, לולים ובתי ספר התקינו מערכות סולאריות בכל משטח כדאי. בדיוק כשחשבנו שאין עוד משטח שלא חשבו לנצל לעוד כמה קוט"שים זעירים, הפאנלים הסולאריים החלו לצוץ בעוד מרחב בנוף – על מאגרי מים.
התופעה החדשה של פיתוח מערכות צפות על מאגרי מים היא רק בתחילתה. ישנם מספר ארגונים המובילים את המערכה החדשה הזו, והם לא רק המשקיעים והקבלנים של תעשיית הסולאר – אלא גם החקלאים ורשויות המים.
ההתחלה: כיסוי המאגר
חקלאים תלויים בכמות ובאיכות המים לגידול האוכל שהם מוכרים בשוק, והגבלה במים מגבילה את החקלאים. במדינת ישראל, כידוע, יש חשש תמידי מחוסר במים, וכתוצאה גם החקלאים מצויים תמיד בחשש לקיצוצים באספקת המים המותרת. בשנות בצורת הוגבלו חקלאים בכמות המים הנגישה להם, וכתוצאה נגרמו הפסדים קשים.
הפתרון: כיסוי מי המאגר. כ־30 אחוזים מהמים במאגר ללא כיסוי מתאיידים מדי שנה בשל האקלים בישראל, כאשר כיסוי מאגרי המים לא רק מפחית את אחוזי ההתאיידות לכעשרה אחוזים בלבד, אלא גם יכול למנוע גידול אצות הסותמות את הצנרת המובילה את המים. כאשר לוקחים בחשבון שבמדינה כ־75 אחוזים ממי הקולחין ממוחזרים דרך מתקני התפלה, מניעת אצות במים היא עדיפות עליונה לשיפור תפוקת ויעילות תחנות ההתפלה.
ואכן, כבר לפני שלושים שנה התחילו לכסות את מאגרי המים באמצעות כיסויי פלסטיק שונים, עם תוצאות מספקות. כיום, כשתעשיית הסולאר מוכיחה את עצמה כמקור אנרגיה עמיד וזול, החקלאים ורשויות המים שואלים: אם כבר לכסות מאגרי מים, למה לא להפיק חשמל על הדרך? לא רק שטכנולוגיית Floating PV (FPV) תמנע התאיידות מים וגידול אצות, אלא גם תוכל לספק את החשמל הנחוץ לחקלאים ולרשויות המים (כגון למשאבות הצנרת).
היתרונות
גם המשקיעים רואים בכך הזדמנות כלכלית, וזאת בהתחשב במספר יתרונות של התקנת מערכות על מאגרי מים. ראשית, מחיר השטח להתקנת מערכות אפסי ביחס למחיר להתקנת מערכות קרקעיות. שנית, ניתן לעצב את מערכות ה־FPV עם עבודות אזרחיות מינימליות של חפירות כבלים, סלילת שבילי עפר ויישורי קרקע לניקוזי מים.
במרבית המקרים, לצד מאגרי המים ניתן למצוא שלל לקוחות הצמאים לחשמל, ובהם החקלאים, רשויות המים והיישובים השכנים למאגר. מלבד לקוחות נגישים, אספקת חשמל לצרכנים השכנים למערכת מגבירה את יעילות הפקת החשמל בשל הימנעות מהעברת החשמל לאורך הרשת. בנוסף, מאגר המים מצנן את המערכת הסולארית, דבר התורם ליעילות המערכת ומגביר את תפוקתה ביחס למערכות המותקנות על קרקע או על גגות מבנים.
כמו כן, ברוב המקרים מוטל על מאגרי המים הרבה פחות צל, אם בכלל, ולכן מערכות FPV אינן סובלות מירידה ביעילות במשך היום עקב הצללות. מערכות FPV קשות לגניבה עקב הקושי היחסי בפריקת המערכת הצפה. התקנת מערכות FPV מוערכת גם כמהירה יותר מהקמת מערכות קרקעיות, וזאת כיוון שהקונסטרוקציה פשוטה יותר להתקנה ולרוב אינה מחייבת קדיחות לתוך הקרקע.
החסרונות
כידוע, לכל טכנולוגיה יש גם חסרונות, ומערכות ה־FPV אינן יוצאות מהכלל. מאפיין בסיסי של מערכות אלה הוא שהמערכת שטה על פני המים ועל כן נעה ללא הפסקה. התוצאה: חיכוך תמידי בין חיבורי ומפרקי המערכת, עובדה בעלת חשיבות עליונה בהערכת עמידות המערכת. האם הקונסטרוקציה המכילה את המערכת הסולארית עמידה למשך 25 השנים המצופות ממערכת סולארית? רוב יצרני מערכות ה־FPV מציעים אחריות המוגבלת ל־10 שנים, כך שקיים חשש שהמצופים הנושאים את הפאנלים, העשויים מ־HDPE, מועדים להיסדק, ובמקביל שערך הציפה שלהם יפחת עם הזמן.
עמידות המערכות אינה האתגר היחיד. כמו בכל טכנולוגיה חדישה, ישנם שלל אתגרים טכניים המייקרים את המערכת ומגדילים את הפוטנציאל לתקלות. תכנון ערכת העוגן הנחוצה לקיבוע המערכת למקומה, למשל, מחייב לשקול את הפרשי תנודות גובה המים המינימליים והמקסימליים במאגר במשך השנה. ככל שההפרש גדול יותר, כך גם מחיר מערכת העוגן גבוה יותר ועיצובה מורכב יותר. קושי הגישה למים גם הוא גורם שיש לשקול בתכנון, כיוון שהדרך המקובלת להקים מערכות FPV היא להתקינן על היבשה ואז להחליקן לתוך המים.
לצד אלה, נראה שהחשש הבולט ביותר הוא שהמערכת תטבע וכתוצאה מכך ייהרסו באופן מוחלט רכיבי החשמל שבה. סיכוני הרטיבות מאלצים את מתכנני המערכת לעצב את מערכות ה־FPV תוך שימוש ברכיבים המדורגים לתקן IP67 ו־IP68 ובכבלים עמידים למים, המייקרים את המערכת ועם זאת אינם מונעים לחלוטין את הסכנה לפגיעה ממי המאגר. גם המאמץ להגן על המערכת מרוחות מחייב את יצרני המערכות להטות את הפאנלים בזוויות של 5–20 מעלות, דבר שלרוב מפחית את יעילות המערכת.
גורם קריטי נוסף שיכריע את כדאיות ההשקעה הוא התחזוקה המאתגרת של מערכת על מים: מלבד הסכנות של טביעה או התחשמלות, השאלה החשובה היא קלות הגישה למערכת. מערכות FPV מחייבות הקמת מערך כלים חדש לתחזוקה, כולל ציוד המתאים למים כמו סירות, מצופי תחזוקה וציוד נגד מים. במקביל, עלות התחזוקה נגזרת גם משחיקה, אובדן וקלקול של כלים בזמן העבודה במים. כפי שצוין, יש סיכוי גבוה לצורך בהחלפת חלקי חיבור ומפרקים בתדירות גבוהה, בהתחשב בתנועה המתמשכת של המערכת הנשחקת.
שתי אסכולות להצפת פאנלים
במחקר שוק שביצענו מצאנו שניתן להבדיל בין מערכות של פאנלים צפים בעזרת מצופים לעומת כיסויים שעליהם מורכבים פאנלים. מתוך אלה המבוססים על מצופים, ישנה חלוקה נוספת בין מערכות שבהן הפאנלים מורכבים ישירות על מצופים, לבין אלה שבהן הפאנלים מוחזקים על מערכת אחיזה מוצפת על ידי מצופים, המכונה "פונטון" (pontoon).
כל השאלות שהטכנולוגיה הצפה מעלה מדאיגות גם את הבנק העולמי, ולכן הבנק מממן מחקר המבוצע על ידי המכון למחקר אנרגיה סולארית בסינגפור (SERIS), אשר הקים חוות ניסויים עם עשר מערכות בטכנולוגיות הצפה שונות.
פיתוח מואץ והפוטנציאל בישראל
למרות כל החששות והסיכונים הנלווים לטכנולוגיה זו, תעשיית ה־FPV ממשיכה להתפתח במהירות מואצת בזכות הפוטנציאל העצום של המערכות האלה. ממידע שנלקח מהבנק הבינלאומי, יש בעולם יותר מ־6,600 מאגרים מעשה ידי אדם, ואם חמישה אחוזים בלבד משטחם ישמשו למערכות צפות, ההספק הפוטנציאלי יעמוד על יותר מ־2,000 GWp.
בארץ, המחקר של רשות החשמל על טכנולוגיית FPV מעריך שההספק הפוטנציאלי המקסימלי של מערכות FPV בישראל הוא 3 GWp – כך שפיתוח של עשרה אחוזים בלבד מתכולת ההספק הפוטנציאלי יתרום 300 מגה־וואט. לפי ההערכות פותחו כ־2.5 מגה־וואט ממערכות צפות, כ־0.8 אחוז מההספק הפוטנציאלי.
ומה עם הים?
הנתונים עד כה מתייחסים למאגרי מים מעשה ידי אדם בלבד, אשר לצידם ניצב כמובן מרחב עצום לשימוש זה: הים. ניצול של אחוז בודד משטח הים לטובת הפקת חשמל באמצעות מערכות FPV יפיק כ־360 GWp. העובדה שכ־80 אחוזים מאוכלוסיית העולם חיה במרחק של עד 100 ק"מ מרצועת חוף מבטיחה צרכנים קרובים למערכות לאורך החוף, ולפיכך הקטנת עלויות הובלת חשמל לצרכן.
קיימים יצרני מערכות FPV המפתחים מערכות להצבה בלב ים, בדומה לחוות הרוח הקיימות בלב ים כבר שנים רבות. עם זאת, נכון להיום נראה שהתעשייה עדיין מתאמצת להתגבר על האתגרים הקלים יחסית שמציב פיתוח קונסטרוקציות צפות על מי מאגר ואגמים, במים מתוקים. פיתוח מערכות FPV להתקנה בלב ים מציב אתגרים מורכבים יותר מבחינת עמידות, ומחייב פיתוח מערכת הובלה במתח גבוה תת־ימי, ולכן פרויקטים אלה יהיו יקרים יותר. בנוסף, בים זרמי המים חזקים יותר, הגלים גבוהים יותר, הגאויות גורמות להפרשי גובה מים קיצוניים יותר, וקיימים סיכונים נוספים הנובעים מאקלים רווי מלח ומקיומן של חיות ים גדולות העלולות להשחית את המערכת במהירות מוגברת.
תפוקת האנרגיה
ייצור חשמל בטכנולוגיה צפה עושה שימוש בפאנלים קיימים בשוק, שבהם כבר נעשה שימוש מזה שנים רבות על קרקע וגגות. החידושים העיקריים של טכנולוגיה זו הם השיטה שבה הפאנלים צפים על המים, הדרך להעביר את כבלי ההספק לנקודת החיבור עם הצרכן, והאופן שבו מתחזקים את המערכת. יש שאלות רבות בנוגע לתפוקת האנרגיה שניתן לצפות ממערכות אלה, והניסיון מהתקנות על גג או על קרקע אינו מציע הערכה חד־משמעית לגבי המשמעות במערכת הצפה על המים. לדוגמה, נתוני תכנון של החזר אור מהקרקע (Albedo) או אפקט הקירור של רוח יהיו שונים במים.
לסיכום, צפוי שבשנים הקרובות יהיה גידול משמעותי במספר מערכות ה־FPV בעולם בשל שלל יתרונותיהן. עם זאת, נראה שהקונסטרוקציה החדשה עדיין בשלבי התפתחות, ועדיין יש אין־ספור נעלמים וסיכונים שנותר לגלות לשיפור המערכת, לפני שטכנולוגיית FPV תהיה עמידה ונאמנה ל־25 שנות תפוקה המצופות ממערכות סולאריות.
שמשון רפפורט – מהנדס חשמל, שותף במשרד מורן מהנדסים לתחום התכנון המתקדם, בעל ניסיון רב בתעשייה הסולארית הכולל תכנון ופיקוח על תחנות כוח סולאריות, מערכות SCADA, ניתוח נתונים ועיצוב ממירים.
© כל הזכויות על המאמר שמורות לשמשון רפפורט ולמייק גרין. פורסם לראשונה בכתב העת "חשמל ואנרגיה", גיליון 78, אוגוסט 2019. מובא כאן באישור המחברים. התרשימים שורטטו מחדש על בסיס הנתונים שבמאמר המקורי.
← חזרה לכל המאמרים בתכנון מערכות ייצור חשמל
תכנון מערכת ייצור חשמל למתקן שלכם
מגנרטורים ועד תחנת כוח, מהבדיקה הראשונית ועד ההכנסה לניצול. פנו למשרד לתיאום פגישת ייעוץ.
