הפקולטה להנדסה -
המגמה להנדסה מכנית
יוני 2002
תכנון מתקן
לייצור אנרגייה חשמלית בעזרת אנרגיית- רוח
תקציר
לספר הפרוייקטים
פרוייקט גמר
מנחה:
מר שמואל קנטור
מקום הביצוע: אוניברסיטת תל- אביב, ואתרים שונים בארץ
1. נושא העבודה
לאור דרישה הולכת וגוברת באנרגיה חשמלית במדינת ישראל שנובעת מגידול טבעי
באוכלוסייה ומהתפתחותו של המשק במדינת ישראל, קיים צורך מתמיד בגידול משמעותי
ביצור של אנרגיה חשמלית. מדינת ישראל תופסת בשנים אחרונות אחד המקומות הראשונים
בעולם בקצב התפתחות צריכת החשמל.
לכן, קיים צורך להגדיל את תחנות הכוח הקיימות
,וגם ליצור מקורות אנרגיה אלטרנטיביים. בהקשר לכך נבחנת אפשרות לפיתוח של מקורות
אנרגיה פחות מקובלים, כגון אנרגיה הידרואלקטרית, אנרגית רוח, אנרגיה גאותרמית,
ועוד סוגים נוספים של אנרגיה. יתרון במקורות אנרגיה הנזכרים שהם נקיים מבחינה
אקולוגית. כמו כן, יתרון בכך שאנחנו מנצלים מקורות אנרגיה מקומיים. לכן אנו מציעים
ליצור אנרגיה חשמלית באמצאות חוות רוח ובפרט להרחיב את התחנה קיימת.
2. מטרת העבודה
מטרת העבודה היא מתן פתרון הנדסי אופטימלי
לחוות- הרוח "תל עסנניה", לבעיית הכשל של ארבע טורבינות רוח, בהספק כולל של 2.4 מגה-וואט.
חוות- הרוח "תל עסנניה" נמצאת ברמת
הגולן, והיא החווה הראשונה מסוגה בישראל. החווה נבנתה ע''י חברת "מי גולן
בע''מ" לפני כ- 10 שנים. בחוות הרוח עשר טורבינות הרוח בהספק כולל של 6
מגה-וואט, כאשר כל טורבינה מספקת בנפרד 600 קילו-וואט. הטורבינות הקיימות הן
מתוצרת אוסטריה, והחברה המייצרת פשטה את הרגל מאז הוקמה התחנה. עובדה זו מציבה
בעיות רבות בעת תיקונים שוטפים וחלפים.
מהביקור
שלי בחברת "מי גולן" ובחוות- הרוח, התברר שבעיה הבוערת ביותר היא בעיית
הכשל הצפוי של ארבע הטורבינות מתוך העשר הקיימות. הכשל
נובע מסיבות טכניות והזדקנות החומר.
1.3 מהות העבודה
מהות העבודה בפרוייקט היא תיכון של טורבינות,
כדי לפתור את בעיית- הכשל הצפוי. במסגרת הפרוייקט הנוכחי נבחנו מספר הצעות שונות
למתן פתרון אופטימלי לבעיית הכשל של ארבע טורבינות הרוח, וגם מספר הצעות לשיפור
יעילותה של חוות הרוח תל- עסנניה. התיכון נעשה על בסיס חישוב כדאיות כלכלית.
חישוב הכדאיות הכלכלית התבסס על הגורמים
הבאים:
- השקעה ראשונית – העלות הראשונית של הטורבינות שייבחרו
- החזר שנתי – התשואה השנתית מהטורבינות שייבחרו
- תקופת החזר של השקעה ראשונית – הזמן שלאחריו קניית הטורבינות תהפוך לרווחית, וחישוב הרווח השנתי הצפוי
בנוסף לבחינת הכדאיות הכלכלית, בבחירת הפתרון נלקחו בחשבון כל אילוצים שקיימים באתר חוות- הרוח "תל עסנניה", שהם: התפלגות מהירות הרוח, מיקום הגיאוגרפי, גובה האתר. בחירת הטורבינות דרשה גם חישוב של פריסת הטורבינות באתר מבחינה גיאוגרפית.
4. מפרט דרישות
קיימת דרישה להחליף ארבע טורבינות רוח בהספק
כולל של 2.4 מגה-וואט, בטורבינות חדישות יותר ויעילות יותר. דרישות התכן הבסיסיות
הן:
1. כיוון שהגובה האופטימלי מבחינת תנאי הרוח הוא 30 מטר, גובהן של הטורבינות החדשות צריך להיות הגובה המינימלי האפשרי, אפילו שבדרך כלל מהירות הרוח עולה עם העלייה בגובה. לכן, רצוי לקבל טורבינה שתמוקם נמוך ככל שניתן.
2. כדי שהטורבינות יעבדו בנצילות המקסימלית האפשרית, ולא תפרענה אחת לשנייה, המרחק בין טורבינה אחת לאחרת בקו טורבינות זהה צריך להיות גדול פי 2 מקוטר הרוטור של טורבינות אלו. אם מקימים קו מקביל של טורבינות, אזי המרחק בין שני קווי- טורבינות המקבילות צריך להיות גדול פי 8 מקוטר הרוטור של טורבינות אלו (כדי שלא תיגרם הפרעה במשטר הרוח- מעבר לזרימה טורבלנטית). תנאי הזה בא כדי למזער את התופעה של הסתרה של טורבינה אחת על ידי טורבינה שנייה וכתוצאה הקטנת יעילותה.
5. החלופה שנבחרה לפתרון
על סמך חישוב הכדאיות הכלכלית נבחר הפתרון
הבא: הצבת ארבע טורבינות חדשות מדגםNordex N-43: טורבינות שההספק הנומינלי של כל
אחת מהן הוא 600 קילו-וואט. טורבינות אלה חדישות ויעילות יותר מהטורבינות המוצבות
היום בחווה, למרות שהספקן זהה. בבחירת טורבינות אלו נוכל גם להגדיל את התפוקה
הכוללת של החווה ב- 2000000kWh
לערך.
להלן תמונה
של טורבינת Nordex 600kW ונתוניה העיקריים:
|
|
חשוב להדגיש שהסיבה לבחירת טורבינה מחברת Nordex היא
שהחברה הזאת מייצרת טורבינות הרוח שמתחילות לעבוד כבר במהירות של 2.5 מ/שנ'. כיום,
לא ניתן למצוא טורבינות שמתחילות לעבוד במהירות נמוכה ממהירות זו. עובדה זאת מאוד
משמעותית מהסיבות הבאות:
- תנאי הרוח באתר: מהירות הרוח קטנה מ- 4 מ/שנ' במשך כ- 15% משעות העבודה השנתיות. הטורבינות המוצבות כרגע בחווה מתחילות לפעול במהירות של 4 מ'/שנ'.
- ככל שמהירות תחילת הפעולה של הטורבינה קטנה יותר,
עקום ייצור החשמל מטפס גבוה יותר. ייצור החשמל בעזרת אנרגית רוח פרופורציוני
למהירות הרוח בחזקה שלישית, לכן התחלת עבודה במהירות הנמוכה ביותר האפשרית
היא דבר רצוי.
בנוסף, בחירת הטורבינות האלה מאפשרת לנו להשתמש במגדלים הקיימים של
הטורבינות הנכשלות, לאחר הוספת חיזוקים נדרשים, וזה חסכון של עד 20% בעלות הטורבינה.
6. תקציר בדיקת כדאיות כלכלית
בפרק 6 נעשה ניתוח כדאיות כלכלית להצעות התכן
הבאות:
- הצעה 1: החלפת הטורבינות הנכשלות בטורבינות בעלות הספק דומה. בהצעה זו נבחנו שלושה אופציות לפתרון.
- הצעה 2: החלפת כל הטורבינות, כדי להגדיל את הספק החווה להספק המקסימלי שניתן, ללא צורך בביצוע שינויים או חיזוקים ברשת החשמל. בהצעה זו נבחנו שתי אופציות.
- הצעה 3: החלפת כל הטורבינות, כדי להגדיל את הספק החווה להספק המירבי שניתן, בהתחשבות בשינוי הדרוש בחיזוק רשת החשמל. בהצעה זו נבחנו שתי אופציות.
- הצעה
4: בחינת האפשרות להרחבה גיאוגרפית של חוות הרוח.
בסך הכל נסקרו שמונה אופציות לתכן הטורבינות,
ונבחר פתרון אופטימלי, על בסיס כדאיות כלכלית כפי שהיא נבחנה בפרוייקט. אביא עתה
את תקציר חישובי הכדאיות הכלכלית שמבוססת על הקריטריונים שבסעיף 1.2:
v
הצעה 1:
§
אופציה ראשונה – הצבת 3
טורבינות Nordex 600kW:
o
עלות השקעה ראשונית:
1.305 מיליון דולר
o
החזר שנתי:
238 אלף דולר
o
תקופת החזר:
5.5 שנים, רווח שנתי לאחר החזר: 238 אלף דולר
§
אופציה שנייה – הצבת 4
טורבינות Nordex 600kW:
o
עלות השקעה ראשונית:
1.74 מיליון דולר
o
החזר שנתי:
309 אלף דולר
o
תקופת החזר:
5.66 שנים, רווח שנתי לאחר החזר: 309 אלף דולר
§
אופציה שלישית – הצבת 2
טורבינות Nordex 1300kW:
o
עלות השקעה ראשונית:
2.21 מיליון דולר
o
החזר שנתי:
296 אלף דולר
o
תקופת החזר:
7.5 שנים, רווח שנתי לאחר החזר: 296 אלף דולר
v
הצעה 2:
§
אופציה ראשונה – הצבת 10
טורבינות Nordex 1300kW:
o
עלות השקעה ראשונית:
11.05 מיליון דולר
o
החזר שנתי:
1.025 מיליון דולר
o
תקופת החזר:
10.9 שנים, רווח שנתי לאחר החזר: 1.025 מיליון דולר
§
אופציה שנייה – הצבת 10 טורבינות
1500kW 
:
o
עלות השקעה ראשונית:
12.75 מיליון דולר
o
החזר שנתי:
984 אלף דולר
o
תקופת החזר:
13 שנים, רווח שנתי לאחר החזר: 984 אלף דולר
v
הצעה 3:
§
אופציה ראשונה – הצבת 8
טורבינות Nordex 2500kW:
o
עלות השקעה ראשונית:
18.6 מיליון דולר
o
החזר שנתי:
1.41 מיליון דולר
o
תקופת החזר:
13.25 שנים, רווח שנתי לאחר החזר: 1.41 מיליון דולר
§
אופציה שנייה – הצבת 7
טורבינות Nordex 2500kW:
o
עלות השקעה ראשונית:
16.225 מיליון דולר
o
החזר שנתי:
1.28 מיליון דולר
o
תקופת החזר:
11.66 שנים, רווח שנתי לאחר החזר: 1.28 מיליון דולר
v
הצעה 4:
§ הרחבה של חוות- הרוח "תל עסנניה": סביבת חוות- הרוח הינה שטח צבאי סגור, ונמצאת בקרבת הגבול הישראלי-סורי. לכן, אין סיכוי סביר שחברת "מי גולן" תקבל אישור להקמת יותר מעשר טורבינות רוח בסך הכל. לכן, אני לא ביצעתי חישוב כדאיות כלכלית להצעה.
7. סיכום, תוצאות ומסקנות
במהלך העבודה בפרוייקט, התברר שהבעיה העומדת
על הפרק כרגע היא כשל צפוי של ארבע טורבינות רוח, מתוך מערך של עשר הטורבינות
המוצבות בחווה. במסגרת פרוייקט הנוכחי הוצע פתרון האופטימלי לבעיה הזאת. כמו כן
הוצעו מספר הצעות להגדלת תפוקתה של חוות הרוח.
בדרך ליישום הפתרון הנבחר קיימות שתי בעיות
מרכזיות:
- התעריפים הנמוכים של חברת
החשמל, ובמיוחד עבור תפוקה נוספת. העניין כרגע נמצא
בבית משפט ויש סיבות טובות לקוות שבקרוב חברת החשמל תעלה תעריף ל-65 סנט
לקילו-וואט מופק וגם עבור תפוקה נוספת התעריף יהיה זהה. התעריף הנוכחי 51 סנט
לקילו-וואט שעה.
- אי הוודאות בנוגע לעתידה של רמת- הגולן: במקרה של הסכם שלום עתידי עם סוריה, רמת הגולן לא תישאר בריבונותה של מדינת ישראל. במקרה כזה, השקעה ברמת הגולן לא כדאית, כי אף אחד לא יחזיר את הכסף שהושקע. כרגע תסריט כזה לא נראה באופק, אבל בהחלט צריך לקחת זאת בחשבון.
בפרוייקט זה הוחלט לא להתמקד בתיאוריה של
תחנות רוח, כי עבודות כאלו כבר נעשו בעבר. עיקר העבודה בפרוייקט זה עסקה במתן מענה
לבעיה קיימת בחוות הרוח "תל עסנניה": כשל צפוי של 4 מתוך 10 הטורבינות המוצבות בחווה.
בנוסף, אחת הדרישות בפרוייקט הייתה הגדלת
היעילות הנוכחית של חוות- הרוח "תל עסנניה". הפתרון שנבחר מעלה את
יעילות החווה ביעילות – התפוקה לאחר יישום המלצתי תעלה ב- 2000 קילו-וואט שעה,
בממוצע שנתי.
בסך הכל נסקרו שמונה אופציות לתכן הטורבינות, ונבחר פתרון אופטימלי, על בסיס כדאיות כלכלית כפי שהיא נבחנה בפרוייקט.