אנרגיה מתחדשת במערכות מים
חוקרים בדקו כיצד אפשר לתכנן מערכות מים כך שיפעלו על בסיס אנרגיה מתחדשת, ומצאו כי הטמעת סוללה שאוגרת אנרגיה במערכת מים שמוקמת מחדש, מפחיתה את עלות החשמל ואף תורמת לרווחים
אוניברסיטת חיפה|ראש החוג לניהול משאבי טבע וסביבה
החיים עצמם:
פרופ' משהור חוש, נשוי + שלושה, מתגורר בכפר מנדא. בעל דוקטורט בהידרודינמיקה והנדסת משאבי מים מהטכניון ופוסט-דוקטורט מהמחלקה להנדסה אזרחית וסביבתית באוניברסיטת אילינוי. בזמנו הפנוי חוקר דרכי הוראת מתמטיקה לילדים ונהנה לחשוב על בעיות מתמטיות ולפתור אותן.
בעשורים האחרונים הנגישות של אוכלוסיות רבות בעולם למשאבי מים הופכת קשה יותר ויותר. בישראל, מאזן המים היה שלילי מאז ומתמיד. כלומר, השימוש במים גדול יותר מכמות הגשם הממוצעת לשנה. פרופ’ משהור חוש, ראש החוג לניהול משאבי טבע וסביבה באוניברסיטת חיפה, חוקר ניהול מערכות משאבי מים ומערכות סביבתיות ותשתיות נוספות, ומפתח מודלים מתמטיים שמסייעים לקבלת החלטות במערכות אלו. כך למשל הוא מפתח ובוחן שיטות התראה (כגון רשתות חיישנים) במערכות מים עירוניות שמטרתן להתריע למשל על זיהום או על מתקפת סייבר (רוב מערכות המים בארץ ובעולם מחוברות למערכת בקרה ומופעלות מרחוק ובעבר חלקן הותקפו על ידי האקרים). בתוך המודלים המתמטיים הוא גם יכול להטמיע משתני אי-ודאות וכך לגלות מבחינה הסתברותית מה עשוי לקרות למערכות המים בעת שינויי אקלים לדוגמה.
“מערכת מים מורכבת ממקורות מים, תחנות שאיבה, רשתות הולכת מים וחשמל, בריכת איגום (כגון מגדלי מים) וצנרת שמספקת את המים לצרכנים. את כל המשתנים הללו ניתן להכניס למשוואות מתמטיות שמתארות את זרימת המים – מבחינת אנרגיה, ספיקה, יעילות המשאבה ועוד. כך הן מסייעות לי לקבל את ההחלטות הטובות ביותר לתפעול מערכת המים, לאפיין את הפיזיקה שלה, את התנהגות המים האמיתית ואת השימוש של הצרכן בכל רגע נתון. בנוסף כך ניתן ללמוד לנהל את המערכת במינימום עלות, לחסוך באנרגיה ולהפחית פליטת גזי חממה (ובעיקר פחמן דו-חמצני) שתורמים להתחממות האטמוספרה. כלומר, להפחית נזק סביבתי ולתרום לאיכות הסביבה”, מסביר פרופ’ חוש.
מה השאלה?
כיצד אפשר להתאים את מערכות אספקת המים למשק החשמל החדש?
כיום השימוש ברשת ההולכה החשמלית של מערכות המים מתבסס על מחיר החשמל שמשתנה לפי שעות היום; במהלך היום, כשצריכת החשמל מוגברת, מחירו יקר יותר. בשעות הלילה מחירו פוחת ולכן לרוב במהלכן מופעלות המשאבות שמזרימות את המים לבריכות האיגום. המים נאגרים בהן וכך מסופקים לצרכנים בכל שעות היממה, תוך חיסכון באנרגיה והפחתת עלויות.
עם זאת, בשנים האחרונות הולך וגובר השימוש באנרגיה מתחדשת, מה שמשפיע גם על רשת החשמל הארצית וניהולה. מקורה של אנרגיה זו הוא בתהליכים טבעיים מתמשכים, שאינם מתכלים. מקורות אנרגיה אלה כוללים למשל אנרגיית מים, אנרגיית רוח, אנרגיה סולארית, אנרגיה מתהליכים ביולוגיים ואנרגיה גאותרמית שמקורה במאגר החום הפנימי של כדור הארץ.
“האנרגיה המתחדשת שינתה את שוק האנרגיה, בעיקר באירופה וארה”ב (וישראל בדרך לשם). כיום יש שוק חשמל שהוא בורסה לכל דבר; מחיר החשמל דינמי ומשתנה בכל רגע בהתאם לכמות האנרגיה המתחדשת שמסופקת לרשת החשמל. אם היא גבוהה – מחיר החשמל יורד, ולהפך. ככל שנתח האנרגיה המתחדשת גדול יותר בתוך רשת החשמל, ניתן להוזיל את מחיר החשמל. לכן אנחנו חייבים לבחון מחדש את תפעול מערכות המים, כך שיהיה רלוונטי לשוק החשמל החדש. התפיסה שלפיה צריך להפעיל את משאבות המים לפי שעות היום – כבר מיושנת”, מסביר פרופ’ חוש.
לפיכך, במחקרם הנוכחי, שזכה במענק מהקרן הלאומית למדע, ביקשו פרופ’ חוש וחברי קבוצתו, לבדוק כיצד לתכנן מערכות מים כך שיפעלו על בסיס אנרגיה מתחדשת. לצורך כך בנו מודל מתמטי שהורכב מנתונים על חוות סולריות שכוללות מערכות מים, אשר אספו מהספרות המדעית בתחום. למשל, עלויות של צינורות ושל סוללות לאגירת חשמל (שנטענות גם באמצעות אנרגיית השמש) בגדלים שונים ושל תחזוקתם. לאחר מכן הטמיעו את המודל בסימולציות ממוחשבות כדי להבין מהם הגדלים האופטימליים של הרכיבים השונים לצורך תפעול יעיל, חסכוני ואף רווחי של מערכות מים, גם אם התנאים ישתנו (למשל שינויי אקלים שיגבירו או יפחיתו את קרינת השמש).
מערכת אספקת מים עם מקור אנרגיה מתחדשת וסוללה
לדברי פרופ’ חוש, “אנחנו צריכים להתאים את עצמנו לשוק החשמל החדש ולהפוך לשחקנים דומיננטיים בו. אם נדע לבנות חווה סולארית עם רכיבים (כגון משאבות, סוללות, בריכות וצינורות) בגדלים אופטימליים, נוכל לא רק להתייעל אנרגטית ולחסוך בחשמל אלא אף למכור אותו”.
בהתבסס על המודל והסימולציות נמצא כי הטמעת סוללה שאוגרת אנרגיה בתוך מערכת מים שמוקמת מחדש, מפחיתה את עלות החשמל ואף תורמת לרווחים. זאת בניגוד לגישה הרווחת שלפיה רשת החשמל ומערכת המים צריכות להיות מתוכננות ומתופעלות בנפרד. “התגלה כי תכנון ותפעול של רשת החשמל ומערכת המים בו-זמנית יכולים להפחית את עלויות משק החשמל והאנרגיה. כלומר, החיבור ביניהן חיוני לתכנון ותפעול של מערכות המים העתידיות ומתאים לשוק החשמל החדש והדינמי”, מסכם פרופ’ חוש.