אנרגיית גלים (נקראת גם כוח גל), היא סוג של אנרגיה מתחדשת, המשמשת לביצוע סוגים שונים של עבודה, בין היתר ייצור חשמל.
זוהי אנרגיה מתחדשת, אשר מקורה ברוחות על פני גופי המים, אשר בתורן מקורן בחום השמש.
תחת השם כלולות מאות טכנולוגיות שונות, אשר נבדלות בהיקף ייצור האנרגיה שלהן, במיקום ובאופן הפקת האנרגיה.
גלי הים נוצרים כתוצאה מהרוחות המנשבות מעל פני הים. כאשר הרוח נושבת על פני מי האוקיינוס, חלק מהאנרגיה הקינטית האצורה ברוח עובר למים ונוצרים גלים. בגלים אצורה אנרגיה פוטנציאלית, המתבטאת בהפרש הגובה בין שיא הגל לתחתיתו. גודלה של האנרגיה תלוי בשני גורמים עיקריים: עוצמת הרוחות ומרחק הרוח מקו החוף. תלות זו גורמת לכך שהאנרגיה הפוטנציאלית האצורה בגלי הים משתנה כתלות באקלים ועונות השנה, ובמיקום הגאוגרפי. הגלים משמשים כנשא לאנרגיה על פני שטח האוקיינוס, כאשר האנרגיה היא שנעה לאורך פני שטח האוקיינוס ולא המים עצמם. מכיוון שהאנרגיה שנושא הגל היא אנרגיה מכנית, ההפיכה שלה לאנרגיה חשמלית מבוצעת על ידי שימוש במכשור מתקדם הממוקם על פני שטח האוקיינוס, קולט את האנרגיה הנפלטת מהתנועות המחזוריות של הגלים (בעליית וירידתם)[1] והופך אותן לאנרגיה חשמלית.
היסטוריה
לאורך ההיסטוריה, הפוטנציאל הגלום בגלי הים היה מוכר. העדויות המוקדמות ביותר לרתימת אנרגיית הגלים הן כבר מהמאה ה-13 מסין, להנעת טחנות.[2]
בשנת 1799 המציאו פייר-סימון ג'רארד (אנ'), מהנדס מכונות צרפתי, ובנו סימון פטנט להפקת אנרגיה מגלי הים של האוקיינוס. הם ייצרו מכונה הלוכדת את האנרגיה המיוצרת על ידי גלי הים והשתמשו באנרגיה זו לצורך תפעול מכונות שונות על גבי ספינות. הרעיון התבסס על חיבור קורות לספינות מלחמה וניצול תנודות הספינה על פני מי האוקיינוס להנעת קורות אלו שתפקדו כמנופים. באמצעות תנועת המנוף ניתן היה לספק אנרגיה, אשר שימשה לתפעולן של מכונות רבות על סיפון האוניה עצמה.
בין השנים 1940 ל-1950 פיתח יושיו מסודה, מפקד חיל הים היפני לשעבר מספר טכנולוגיות שמטרתן הייתה ללכוד את אנרגיית הגלים. יושידו נחשב ל"אבי אנרגיית הגלים המודרנית" [3]
משבר הנפט בשנות השבעים היה נקודת מפנה עבור ענף האנרגיה באופן כללי, אז החלו מומחים לחפש מקורות אנרגיה חלופיים, אשר יאפשרו להימנע מלהסתמך על הפקת אנרגיה מתעשיית הנפט בלבד. בין הטכנולוגיות שנחקרו היה גם השימוש באנרגיית גלי האוקיינוס. בין החוקרים הבולטים בתחום בשנים אלו היה פרופסור להנדסה בשם סטיבן סאלטר (אנ') מאוניברסיטת אדינבורו. סאלטר המציא מתקן הידוע בשם "הברווז המהנהן" או "ברווז אדינבורו" (אנ') שמטרתו הייתה להמיר אנרגיית גלים לחשמל.[4]
לקראת שנות השמונים ותום משבר הנפט, דעך הביקוש והעניין המחקרי באנרגיית הגלים. מבחינה טכנולוגית התקלות המערכתיות גבו מחיר כלכלי גבוה, הטכנולוגיה לא הייתה בשלה ולכן הפקת אנרגיה בדרך זו הייתה פחות יעילה. מתקנים שהומצאו באותה עת לא הוכיחו את עצמם כיעילים מספיק.[5]
הצורך במציאת מקורות אנרגיה חלופיים וחדשניים לא נעלם, ולפיכך בשנות התשעים החלו מחקרים משמעותיים ובוצעו מספר פרויקטים מעשיים בפועל. מספר הפטנטים שפורסמו בתחום אנרגיית הגלים בין השנים 2009–2013 עמד על כ-150.[6]
טכנולוגיות עיקריות
קיימות מספר טכנולוגיות מתאימות להפקת אנרגיה, אשר ניתן לחלק על-פי 2 קטגוריות כלליות: מיקום ועקרון הפעולה. בשוק פותחו מאות טכנולוגיות, אשר משלבות בין מיקומים שונים ועקרונות פעולה שונים, אך המפורטות כאן הן העיקריות והנפוצות כיום.
מיקום
צמודי חוף (On-shore), לעיתים משולב בסכר או על צוק. הובלת האנרגיה קלה והתחזוקה נוחה עקב קרבה ליבשה, אך עוצמת הגלים פחותה.
בקרבת החוף (Near-shore). במרחק מאות מטרים מהחוף, היכן שהעומק המים בינוני.
הרחק מהחוף (Off-shore). עוצמת הגלים גבוהה, אך תחזוקת המתקנים והובלת האנרגיה מסובכת יותר ויקרה יותר, ההובלה יקרה ומסובכת. התנאים הפיזיים בהם על המתקנים לעמוד קשים יותר.
עקרון הפעולה
מנחת (Attenuator)
מתקנים מסוג זה מוצבים באופן מקביל לכיוון הגל ולרוב ארוכים מאורך הגל. שמם נובע מכך שהם מנחיתים את משרעת (אמפליטודת) הגל בעת ספיגת האנרגיה. מתקנים אלו בנויים מסדרה של צילינדרים נעים המחוברים במחברים גמישים המאפשרים לכל צילינדר לנוע בנפרד מהאחרים.
שובר גלים (Terminator)
מתקנים מסוג זה מוצבים באופן ניצב לכיוון הגל וצפים על פני המים. במתקנים אלו האנרגיה הקינטית האצורה בגל מגיעה אל המתקן, ומשמשת להנעת בוכנה כאשר ישנו חלק מקובע. אחד המתקנים הידועים יותר הוא ה"ברווז" שפותח על ידי החוקר הבריטי פרופ' סטפן סולטר. תחת סוג זה נמצאים גם מתקני Overtopping, בהם מי הגלים מועברים דרך מאגר הנמצא מעל פני המים ומוזנים בחזרה לים דרך טורבינות.
שיטה נוספת היא (Oscillating Water Column). אחת השיטות הוותיקות (משנות ה-40), בה המתקן ממוקם בחלקו מתחת למים, כאשר הפקת האנרגיה מתבצעת כאשר מים נכנסים לתא, ודוחקים החוצה כמות אוויר שווה אשר גורמת לסיבוב טורבינה.
סופג נקודתי (Point Absorber)
במתקנים מסוג זה כיוון הגל אינו חשוב. גודלם קטן יחסית לאורך הגל והם נעים מעלה ומטה על פני המים או בעומק המים על-ידי לחץ המים. תחת תת-קטגוריה זו נמצאים ממירי אפקט ארכימדס. מתקנים אלו ממוקמים קרוב לחוף ומקובעים לקרקעית, כאשר האנרגיה מופקת על ידי ניצול הפרשי הלחצים בין פסגת ושפל הגל. כאשר פסגת הגל מעל המתקן הוא נע מטה וכאשר שפל הגל מעליו הוא שב למעלה.
מתקנים מסוג אלו ניצבים לתנועת הגלים. במתקן זרוע אשר מחוברת בציר למתקן מקובע לקרקעית הים. תנועת הגלים גורמת ל"נדנוד" חוזר של הזרוע אשר מחוברת לבוכנה.
השלכות סביבתיות
מתקני אנרגיית גלים אינם פולטים מזהמים כחלק מתהליך ייצור האנרגיה, בגזים, בנוזלים או במוצקים ואינם נחשבים לפיכך למתקנים מזהמים. עם זאת, לפריסה של חוות אנרגיית גלים יכולה להיות השפעה על הסביבה. השפעות אלה יכולות להיות מתונות יותר במתקנים צפים שלא על החוף לעומת מתקנים מבוססים על החוף.
השלכות עיקריות:
מתקנים כבתי גידול מלאכותיים: באינטראקציה שבין המתקנים לסביבה הימית, יש לקחת בחשבון כי המתקנים עצמם עשויים להיות מצע להתפתחות חיים ויציעו בתי גידול חדשים לסביבתם. מתקני גז ונפט בסביבה הימית מספקי משטחי הצמדות למגוון של אצות וחסרי חוליות. גם מתקני הפקת אנרגיה מגלים צפויה להתאכלס באורגניזמים נצמדים (צִמְדָּה). אכלוס זה יהיה מושפע ממיקום האתר, מרחק מהחוף, עומק המים ושקיפות/עכירות, מזג האוויר השולט, מיקום ביחס לזרמים חופיים ומהירות הזרמים הללו ועוד. ייתכן שתידרש נקיטת פעולה נגד הצמדות כאמור בגלל השפעתה על פעולת המתקן (סתימות, קורוזיה וכו') וגם לפעילות זו עלולה להיות השפעה סביבתית (צבעים מונעי הצמדות, טיפול בכלור או במחטאים אחרים). מתקנים מלאכותיים יכולים לשמש מקומות מסתור והתקבצות אפקטיביים לדגים של הים הפתוח, מקום נחיתה לעופות ים ומקור משיכה ליונקים ימיים. לפעילות זו יכולה להיות תועלת כלכלית מתיירות.
תום השימוש: יש להתייחס לטיפול במתקני המרת אנרגיית גלים לאחר תום פעולתם. נטישתם של מתקנים לבלייה על ידי כוחות הים או גריסתם לשקיעה על קרקעית הים משנה לתמיד את הרכב הקרקעית. גרוטאות של מתקנים יכולים בפועל להפוך לשוניות מלאכותיות, אבל קשה לחזות את הרכב האוכלוסייה שיהנה או יפגע משונית שכזו. עלול להיווצר גם שינוי בדפוס הדיג באזור שונית מלאכותית שכזו.
רעש: חלק מהמתקנים צפויים להיות רועשים, בפרט בתנאי ים קשים. רעש עובר למרחקים גדולים בסביבה מימית, וצפויה להיות לו השפעה במיוחד על יכולות ניווט של בע"ח מסוימים (במיוחד כלבי ים ויונקים ימיים). תיתכן הפרעה לנתיבי נדידה או שטחי רבייה. מידת ההשפעה תקבע לפי גודל המתקן, וסביר שתהיה בעייתית בפריסה בקווים ארוכים (עשרות קילומטרים). במתקנים בקרבת החוף, עלולים להיווצר מטרדי רעש לשימושים בחוף עצמו. עם זאת, בהפעלה השגרתית רעש זה צפוי להיות ממוסך על ידי רעשי הרקע של הרוח והגלים, בהינתן שננקטו אמצעים להשקטה.
שימור והעברת אנרגיה: נדרשים קווי הולכת חשמל ממקום יצור החשמל למקום הצריכה שלו. כבלים מונחים על קרקעית הים, ואף על פי שיכולים בתנאים מסוימים להיות מוטמנים מתחת לפני הקרקע, באזורים אחרים זה לא אפשרי – ויש צפי לקווים עיליים באזורי החוף. לכך יכולה להיות השפעה באזורים בערכיות נופית גבוהה. באזורי חוף מסוימים יש אוכלוסיות של עופות מים, וקווי מתח עיליים יכולים להעלות סיכוני תמותה, ובפרט במינים נודדים וגדולים המתקשים בתמרון. רוב הקונפליקטים עם קווי מתח עיליים מתרחשים באזורי שבין שטחי הקינון לשטחי שיחור המזון.
אפקט ויזואלי: מתקנים בקרבת החוף עשויים להראות מכיוון החוף, ולגרום להשפעה נופית על שימושי חוף ובפרט פנאי ונופש.
אנרגיית גלי הים בעולם
מפת פוטנציאל אנרגיית הגלים העולמית. האזורים המסומנים בצבעים צהובים-אדומים הם האזורים בעלי הפוטנציאל הגבוה ביותר להפקת אנרגיה. אזורים אלו פזורים לאורך חופים שונים ברחבי העולם.
בחופים המערביים של ארצות הברית, אירופה, יפן וניו זילנד יש אתרים בעלי פוטנציאל גבוה להפקת אנרגיה של גלי ים. בסוכנות האנרגיה הבינלאומית, מעריכים כי הפוטנציאל העולמי של אנרגיית הגלים גדול פי 8 מצריכת האנרגיה הממוצעת השנתית של גרמניה. הפוטנציאל האנרגטי השנתי התאורטי של גלים בחופי ארצות הברית מוערך בכ-2.64 טריליון קילוואט-שעה, שהם שווי ערך לכ-64% מייצור החשמל האמריקני בשנת 2019.
דוגמה בולטת לשימוש בטכנולוגיה היא בארצות הברית, שם רבים ממוקדי האנרגיה הרלוונטיים נמצאים בקרבה יחסית לחוף. קרבה זו מאפשרת חיבור קל יחסית למתקנים בהם ממירים את האנרגיה החשמלית ממקור ההזנה אל הצרכן. הקרבה אל החוף מאפשרת יישום פשוט יחסית, ולכן ארצות הברית מקדמת ומפתחת ענף זה בקצב מתמיד. נכון לשנת 2020, מספקת אנרגיית גלי הים בארצות הברית כשישה אחוזים[1] מהצריכה של כל אוכלוסיית המדינה. [7]
מערכת קיימת להפקת חשמל מגלי הים פועלת באמצעות מערכת של מצופים ועזרים נוספים, הממירות את אנרגיית הגלים לחשמל.[10] מספר כוחות שונים פועל על המצופים: כוח גלי הים, השינויים במפלס ובזרימת המים, אפקט נעילת האוויר ואפקטים נוספים. כל הנ"ל תורמים לתהליך המרת האנרגיה.
מערכת חיישנים מנטרת באופן קבוע את הפעילות של תת-המערכות השונות, כמו גם את תנאי הסביבה והאוקיינוס. כתוצאה מכך, בכל עת ובזמן אמת המידע שנאסף מגיע אל מערכות הבקרה ביבשה. למערכות החיישנים יש את היכולת לחוש בסופה מתקרבת, ולשנות את גובה המצופים באופן ממוכן (השקעתם במים או העלאתם מעל גובה פני המים), לשם הגנה עליהם מנזקי הסופה.
אנרגיית תנועת המצופים מומרת ביבשה ללחץ הידראולי, אשר מפעיל גנרטור, המייצר אנרגיית חשמל.
לצורך שמירה על אמינות המערכת - רק רכיבים חיוניים שלה ממוקמים במים. אלה הם המצופים ובוכנות הידראוליות. יתר הרכיבים של המערכת ממוקמים ביבשה.
יתרונות אנרגיית גלי הים
אנרגיית הגלים היא משאב אין-סופי, היא מתקיימת באופן טבעי ללא התערבות, דבר המאפשר ניצול שלה בכל זמן נתון, והופך אותה ליעילה ואמינה. ניצול של אנרגיה הגלים אינו פוגע בגלים עצמם, ולכן המשאב אינו מידלדל.
דפוס התנהגות וההופעה של גלי הים צפוי וניתן לחזוי.
הגלים נוצרים ונעים ביום ובלילה באופן מחזורי ונושאים איתם אנרגיה הניתנת לניצול. לאנרגיות מתחדשות אחרות כגון אנרגיה סולרית ואנרגיית רוח הן צפויות פחות, משום שקרינת השמש תלויה במידת העננות, ואילו אנרגיית הרוח תלויה במהירותן המשתנה של הרוחות במהלך היום, ועשויה לדעוך לרמה שאינה מאפשרת הפקת אנרגיה.
אנרגיית הגלים היא מקור אנרגיה נקי לחלוטין, והיא אינה גורמת לזיהום סביבתי מכל סוג או לפליטת גזי חממה לאטמוספירה בתהליך הפקתה.
הפיזור הגאוגרפי של הפוטנציאל להפקת אנרגיה מגלי הים מהווה מקור פוטנציאלי לצמיחה כלכלית באזורים מרוחקים ומבודדים ברחבי העולם. יישום של טכנולוגיות מתקדמות אלו באזורים מרוחקים עשוי ליצור הזדמנויות לאוכלוסיות באזורים אלו להשתלב בענפים מתפתחים על מנת למנף את הכלכלה.[11]
חסרונות אנרגיית גלי הים
תחזוקת הציוד והטכנולוגיה הנדרשת להפקת אנרגיית גלי הים יקרות מאוד, מאחר שהטכנולוגיה עדיין לא מפותחת ורחוקה מלהגיע לשיאה. בשלב זה עדיין קשה להעריך את העלות הכלכלית הנדרשת לפיתוח ענף זה.[12]
גודל הגלים תלוי בגובה הגל וברוחבו, והוא אינו צפוי במקרים בהם ממדי הגל גדולים משמעותית מהממוצע. מקרים כאלו עלולים להביא לפגיעה חמורה בציוד המותקן, כגון הרס ושבירה של טורבינות. הנזק הנגרם לציוד עשוי להיות יקר לתיקון, ובנוסף לו נגרם נזק כלכלי נוסף עקב עיכוב/עצירה באספקת החשמל לתחנת הייצור. [13]
בתהליך ההקמה של פרויקט הפקת אנרגיית גלי ים נעשה שימוש במערכות של כבלים, טורבינות ועוד. הציוד כולו ממוקם על פני ומתחת לפני הים. ציוד זה עלול לגרום לנזק, לזיהום ימי ולפגיעה בסביבה האקולוגית הימית, במקרה של תקלות או דליפה של חומרים מזהמים אל הסביבה הימית.[8]
בישראל
מצופים של חברת eco wave power
Eco wave power היא חברה ישראלית שנוסדה בתל אביב בשנת 2011.[14] החברה פיתחה טכנולוגיה חדשנית ומתקדמת להפקת אנרגיה מגלי ים ויש לה 17 פטנטים ופטנטים ברישום. בשנת 2014 הקימה את פרויקט המו"פ הראשון שלה בנמל יפו. בספטמבר 2015 הוכר הפרויקט כ"מתקן חלוץ" על ידי המדענית הראשית של משרד התשתיות הלאומיות, האנרגיה ומשאבי המים. בשנת 2016, הקימה החברה את תחנת הכוח הראשונה שלה שמחוברת לרשת החשמל בגיברלטר. התחנה הוקמה במימון חלקי של האיחוד האירופי. בשנת 2018 זכתה החברה במענק של משרד האנרגיה לצורך הקמת תחנה חדשה בנמל יפו, בהספק מותקן של 100 קילוואט, ולחיבורה לרשת החשמל הארצית. בדצמבר 2024 דווח על השקת התחנה בנמל יפו.[15]
לקריאה נוספת
Pecher, A., & Kofoed, J. P., Handbook of Ocean Wave Energy, Springer Open, 2017
Thorpe, T. W. (1999). A brief review of wave energy. Harwell Laboratory, Energy Technology Support Unit.
Antonio, F. D. O. (2010). Wave energy utilization: A review of the technologies. Renewable and sustainable energy reviews, 14(3), 899-918
Cada, G., Ahlgrimm, J., Bahleda, M., Bigford, T., Stavrakas, S. D., Hall, D. & Sale, M. (2007). Potential impacts of hydrokinetic and wave energy conversion technologies on aquatic environments. Fisheries, 32(4), 174-181
Drew, B., Plummer, A. R., & Sahinkaya, M. N. (2009). A review of wave energy converter technology.
Langhamer, O., Haikonen, K., & Sundberg, J. (2010). Wave power—sustainable energy or environmentally costly? A review with special emphasis on linear wave energy converters. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(4), 1329-1335.
