הקמת טורבינות רוח קטנות לייצור חשמל

נכתב על ידי חנן עינב לוי

בספטמבר 2010 פירסמה הרשות לשירותים ציבוריים תעריף מיוחד לחשמל המיוצר על ידי טורבינות רוח קטנות וקהילתיות. מהן טורבינות רוח קטנות, מהי אנרגיית הרוח הקיימת בארץ, ולמי מתאים להקים טורבינה קטנה-קהילתית? על כך ננסה לענות כאן.

תוכן עניינים
משאב הרוח בארץ ובעולם
מדידת רוח - התיאוריה
אפיון הפוטנציאל – התפלגות מהירות הרוח באתר
מדידות רוח
טכנולוגיה – טורבינת הרוח המודרנית
איך עובדת טורבינת רוח?
הספק מותקן
כיוון הטורבינה אל הרוח
טורבינות קטנות וקהילתיות-בינוניות
בחירת המוצר – מה אפשרי, מה אמיתי, ואיך משווים?
רשימת שאלות ליצרן/מתקין הטורבינה
נספח – תרגיל בסיסי בחישובי רוח

 

בספטמבר 2009 פרסמה הרשות לשירותים ציבוריים תעריף מיוחד לחשמל המיוצר ע״י טורבינות רוח קטנות וקהילתיות. מהן טורבינות רוח קטנות, מהי אנרגיית הרוח הקיימת בארץ, ולמי מתאים להרים טורבינה קטנה-קהילתית? המאמר הזה יעבור על הבסיס של אנרגיית הרוח, והתשובות לשאלות האלה. אבל בלי התעשתות של משרד הפנים ופרסום תקנות המאפשרות הקמת טורבינות רוח באזורים הפתוחים בהם משאב הרוח קיים – לא נוכל לממש זאת! לחתימה על עצומה הדורשת ממשרד הפנים לפרסם תקנות עבור הקמה של טורבינות רוח קטנות וקהילתיות - http://www.atzuma.co.il/ecowind

משאב הרוח בארץ ובעולם

השמש מחממת את פני כדור הארץ באופן לא שווה.

בקו המשווה - היכן שהחימום הרב ביותר - עולה הטמפרטורה ועמה האוויר החם שמתרומם לאטמוספרה. עלייה זו של אויר חם יוצרת סירקולציה של אוויר ברמה גלובלית. בנוסף לכך, מספר תופעות מקומיות משפיעות על מהירות וכיוון הרוח – רכסים, וואדיות, וקרבה לחוף למשל.

מבט על תמונת הרוחות בעולם בגובה נמוך - דומה למפת העולם. האזורים עם כמות הרוח הכי גדולה הם מעל האוקיינוסים - בקווי הרוחב 30-60, בחצי הדרומי ובחצי הצפוני. בחצי הדרומי של כדור הארץ אפשר לראות רצועה של מהירות רוח גבוהה -  כי אין יבשות ש"מפריעות" למהלך החופשי של הרוח. עם זאת, משאב הרוח מעל היבשות ובאזורי החוף הצמודים להם חושב לאחרונה ע"י Jacobson ונמצא כעומד על 72 טרה-וואט (TW), שווה ערך לפי 5 מכל צריכת הדלקים והחשמל העולמית!

 

איור 1: מפת מהירויות הרוח הממוצעות בעולם בגובה 50 מטרים.
מקור – http://www.climate-charts.com/World-Climate-Maps.html

 

בישראל קיים פוטנציאל רב למשאב הרוח, אך לעומת הפוטנציאל מהשמש - הוא מתרכז באזורים מצומצמים יחסית של הארץ. ברמת הגולן (היכן שנמצאת חוות הרוח היחידה בארץ נכון לרגע כתיבת שורות אלה) פוטנציאל הרוח הגבוה ביותר בארץ. בנוסף לכך, בצפון הארץ בולטים  הרי הגליל, דרום הכנרת והגלבוע. באזור המרכז בולטים אזור דרום הר חברון ושיפולי השומרון. בדרום הארץ מדובר על אזור הר הנגב הגבוה במערב, ואילת ואזור הערבה הדרומית במזרח.

 

איור 2: הערכת משאב הרוח בדרום-מרכז עד צפון ישראל, בגובה 20 ו-50 מטר. מהירות רוח במטר לשניה (בסקאלת צבעים פינה שמאלית עליונה). מבוסס על נתוני השרות המטאורולוגי. עיבוד ותמונה - http://www.3tier.com/firstlook/  

המלבן הלבן על הסקאלה מיצג אותו אתר, בגבהים השונים. עוד על גובה ומהירות רוח בהמשך המסמך.
(אין ציון של ערים בישראל, כך במקור)

 

הפוטנציאל להספק המותקן בישראל מוערך ב-1200 מגאוואט על סמך מדידות חלקיות (משרד התשתיות), אולם עפ”י הערכות של אלי בן דב, המספר יכול להגיע עד ל-10,000 מגאוואט במחיר תחרותי (60 אגורות לקוט”ש) עבור חוות רוח גדולות. אין מדובר במשאב זניח, וכל מגאוואט-שעה המיוצר ע"י אנרגיית הרוח מייתר שריפה של פחם לייצור אותה כמות אנרגיה חשמלית! המשאב הנ"ל הינו הערכה לפי מהירות רוח ממוצעת, שנתית, בגובה ציר הטורבינה (מרכז הלהבים) של לפחות כ-5.9 מטרים לשנייה. המשמעות של המספר הזה תובהר למטה בחשבון כלכלי אופייני.

מדידת רוח - התיאוריה

הרוח היא תופעה מאוד לא יציבה כשמסתכלים על ההשתנות קצרת הטווח שלה. מדידת  רוח במקום מסוים לאורך כמה שניות יכולה להראות כך –

 

איור 3: שינוי מהירות הרוח לאורך 10 שניות באתר רוח אופיני

אבל, ככל שנמתין פרק זמן ארוך יותר ונביט על ההתפלגות, המדידה תראה יותר ויותר קבועה, וניתן יהיה לתאר אותה לפי התפלגות מאוד אופיינית - לפי התרשים המובא להלן:

 

איור 4: התפלגות הרוח במדידה ארוכת טווח באתר מסוים. המלבנים הכחולים מיצגים אחוז הזמן שהרוח הייתה במהירות מסוימת מתוך כל תקופת המדידה. הקו הירוק הוא התאמה של משוואה המכונה Weibull על שם ממציאה.

את נתוני הרוח נהוג לתאר לפי התפלגות על שם Weibull. התפלגות זו מתוארת לפי 2 מספרים – מהירות הרוח הממוצעת (או פרמטר סקלה) ופרמטר k בעל ערך שבין 1 ו 3. ככל שהמספר גבוה יותר, כך ההתפלגות צרה יותר סביב המהירות ממוצעת, ויש פחות אנרגיה ברוח.
לשם הדוגמה, הרוח באילת מתפלגת באופן צר יותר סביב המהירות הממוצעת, ולכן כדאי להשתמש עבורה בהתפלגות זו. הערכים עבור אילת הינם k=2.63, ומהירות ממוצעת של 5.2 מטר לשניה, בגובה מד הרוח שנמצא בגובה 5 מטרים מעל פני הקרקע.
כמו כן, כהפשטה נוספת ניתן לתאר את התפלגות נתוני הרוח גם לפי התפלגות על שם ריילי (Rayleigh)  - שהיא מקרה ספציפי בו ה k=2.

איור 5: התפלגות רוח Weibull עם פרמטר k שונה. המקרה האמצעי, בו k=2 מכונה התפלגות ריילי

אפיון הפוטנציאל – התפלגות מהירות הרוח באתר

התועלת הכלכלית של התקנת טורבינת רוח נובעת בראש ובראשונה ממדידת הרוח באתר בו מותקנת הטורבינה. הודות לשרות המטאורולוגי וגופים ממשלתיים אחרים, קיים כבר "בנק" של נתוני מדידות רוח בארץ, ולפיהם אפשר להעריך את פוטנציאל הרוח באתר מסוים - תוך התחשבות בטופוגרפיה של האזור והמרחק שלו מהתחנה. מקורות אפשריים למדידות רוח הם (ללא סדר מסוים):

1. השרות המטאורולוגי
2. משרד התשתיות
3. משרד החקלאות
4. חברת החשמל
5. איגוד ערים לאיכות סביבה
6. צה"ל
7. רשות שדות התעופה
8. קיבוצים שונים

השלב השני הוא שימוש בכלים למדידת הרוח - באופן שתלוי בגודל הטורבינה אותה אנו שוקלים להתקין. טורבינה קטנה לא מצדיקה מבחינה כלכלית הקמה של מד- רוח ומדידה של נתונים לאורך שנה שלמה - כפי שמקובל בחוות הרוח הגדולות. ניתן, אם כן, להשתמש במפת רוח ובמתקין מנוסה לשם קבלת הערכה, או לחלופין להתקין מד רוח זול שמחובר למחשב - לשם איסוף נתונים אמיתיים בהוצאה מינימאלית.
באם וכבר הותקנה טורבינה באזור קרוב ניתן להשתמש בניסיון של מתקין הטורבינה הזו.

מדידות רוח

ישנן בארץ מספר חברות שנותנות שרותי מדידת רוח, וסביר שיקומו נוספות. כפי שניתן לנחש - מדידת והערכת משאב הרוח היא הכרחית לשם הקמת טורבינת רוח.

הניסיון הבריטי מהשנים האחרונות מלמד שהקמת טורבינת רוח באזור פתוח, על סמך אנליזה מתחנת רוח קרובה שמדדה לאורך שנים מנבאת באופן מדיוק, עד כדי מספר אחוזים בודדים בלבד של הפרש בין תפוקת החשמל בפועל לבין הערכת המתקינים.
באזור עירוני לעומת זאת, בהתקנה על גגות בתים נמוכים התפוקה הייתה נמוכה מאוד, כפי שנראה בהמשך.
ה-Energy Saving Trust הבריטית שערכה את המחקר הנ"ל ממליצה על מינימום של 3 חודשים של מדידות. כאמור, אם זה לא אפשרי, יש להשתמש בנתוני רוח קרובים והערכה של אנשי מקצוע. זמן זה הוא קצר ביחס למה שמקובל בטורבינות בינוניות וגדולות. בחוות רוח גדולות מינימום זמן המדידה עומד על שנה, ולא נדיר למצוא מדידות של מספר שנים. בטורבינות בינוניות רצוי למדוד לפחות חצי שנה עד שנה.
טווח השגיאה בהערכת משאב הרוח משתנה לפי זמן המדידה. כמובן שהטופוגרפיה של האתר, והמרחק מתחנת מדידה עם נתונים רב שנתיים, הם 2 גורמים בעלי משמעות רבה שאינה תלויה בזמן המדידה. אך על מנת להקטין את השגיאה בהערכת הרוח באתר, כדאי להאריך את זמן המדידות. עבור מדידות של שנה ויותר, ושימוש בקורלציה לתחנה קרובה עם מדידות רב שנתיות, ניתן להגיע לשגיאה בתפוקת האנרגיה השנתית של פחות מ-10%! שימו לב, שמכיוון שההספק ברוח עולה כמו מהירות-הרוח בחזקה השלישית, השגיאה במדידת הרוח קטנה יותר. באופן גס, היחס בין השגיאה בהערכת מהירות הרוח הממוצעת השנתית לשגיאה בהערכת ייצור החשמל השנתי הוא בין 2-3, כלומר אם השגיאה בהערכת מהירות הרוח הממוצעת באתר היא 5%, השגיאה בהערכת כמות האנרגיה המיוצרת תנוע בין 10-15% שנתי. כלומר על מנת לקבל שגיאה של 10% בהערכת ייצור האנרגיה השנתי, צריך שגיאה של בין 3-5% בהערכת מהירות הרוח הממוצעת השנתית.

טכנולוגיה – טורבינת הרוח המודרנית

טורבינת הרוח המודרנית התפתחה לאורך השנים וכיום מירב הטורבינות המותקנות בעולם הן בעלות ציר סיבוב אופקי ו-3 להבים, ממוקמות בראש מגדל, מכילות מנגנון המכוון אותן אל הרוח, ומנגנון נוסף המפנה אותן הרחק מהרוח בסערות חזקות ומסוכנות.
ההבדל העיקרי בין טורבינות גדולות - כפי שיש בחוות הרוח ברמת הגולן - וטורבינות קטנות או קהילתיות הוא באמצעי הכיוון אל הרוח וההגנה מרוח חזקה מדי וכן בסוג הגנראטור.

איך עובדת טורבינת רוח?

אופן הפעולה של טורבינת רוח הוא פשוט מאוד - הרוח נושבת דרך הלהבים ומייצרת הפרש לחצים, וכוחות העילוי הנוצרים עקב כך דוחפים את הלהב. הלהבים מסתובבים, ומסובבים את הציר המרכזי - שמחובר ישירות  אל גנראטור. הגנראטור המסתובב מייצר חשמל. בתמונה שלמטה ניתן להתרשם ממבנה בסיסי של טורבינת רוח להפקת חשמל.

 

איור 6: פרוט רכיבים של טורבינת Endurance E-3120
טורבינה קהילתית גדולה – 45 קילוואט הספק מותקן ב-9 מטרים לשנייה בעלת קוטר להבים של 18 מטרים

הספק מותקן

המונח "הספק מותקן" מתייחס להספק של הטורבינה במהירות רוח מסוימת. כל יצרן נוקב במהירות רוח אחרת, כשמהירות אופיינית היא בין 10-12 מטרים לשנייה. וזאת מכיוון שעדיין אין סטנדרט מחייב.  הבשורה היא שבמהלך 2010 אמור להיכנס סטנדרט של האיגוד האמריקאי AWEA, בארץ מהירות הרוח שנבחרה על ידי הרשות לשירותים ציבוריים חשמל - הגוף שקבע את התעריף לטורבינות רוח קטנות - היא 9 מטרים לשנייה. זוהי מהירות המתאימה הרבה יותר לתנאי הארץ, והבחירה במהירות מסוימת תאפשר לצרכנים להשתמש בה כעוגן-מהירות להשוואה ראשונית בין טורבינות שונות.

כיוון הטורבינה אל הרוח

בטורבינות קטנות המתקן שמפנה את הלהבים את הרוח הוא זנב פסיבי (כמו בדגם -Bergey שבתמונה למטה).

איור 7: Bergey Excel 10 Kw
קוטר להבים 7 מטר, הספק מותקן כ-4.2 Kw ב-9 מטר לשניה

אפשרות נוספת לכיוון הלהבים אל הרוח בטורבינות קטנות הוא במיקום הלהבים במורד הרוח ביחס למגדל (כמו בדגם - Skystream בתמונות שלמטה), ובניית הלהבים עם הטיה היוצרת צורה של משפך.  באופן זה הלהבים מתפקדים כזנב ומטים את עצמם אל הרוח.

איור 8: SouthWest windpower Skystream
קוטר להבים 3.7 מטר, הספק מותקן 1.5 Kw ב-9 מטר לשניה
טורבינה כזו מותקנת בחוות טנא על יד שדה בוקר

בטורבינות קהילתיות בדרך כלל לא יהיה זנב, ואמצעי הכיוון אל הרוח יהיה מיקום הלהבים במורד הרוח (כמו בדגם -Endurance E-3120), או שימוש במנוע לסיבוב הלהבים אל הרוח לפי מדידה של מד כיוון רוח שיותקן מאחורי הלהבים.

איור 9: Endurance E-3120
קוטר להבים 18 מטר, הספק מותקן כ-45 Kw ב-9 מטר בשניה

טורבינות קטנות וקהילתיות-בינוניות

מהן טורבינות קטנות וקהילתיות-בינוניות אם כן?
הכוונה היא פשוט לסיווג הטורבינה לפי ההספק המותקן שלה. ההגדרות בעולם הן בדרך כלל במונחים micro wind, mini wind וכדומה. עבור ישראל אני מציע להתייחס לטורבינות קטנות וקהילתיות לפי התעריף שניתן על ידי הרשות.
טורבינות קטנות - פחות מ-15 קילוואט הספק מותקן - דבר שבא לידי ביטוי בקוטר הלהבים של פחות מ-10 מטרים (למשל ה-Bergey 10 Kw וה-Skystream ). בהתאמה, טורבינות קהילתיות-בינוניות יסווגו בין 15 ל-50 קילוואט הספק מותקן - דבר שבא לידי ביטוי בקוטר להבים של פחות מ-20 מטרים לערך (למשל ה-Endurance E-3120). כמו כן, בטורבינות קהילתיות יש בדרך כלל גיר בין הלהבים לגנראטור, דבר שלא קיים בטורבינות קטנות.

בחירת המוצר – מה אפשרי, מה אמיתי, ואיך משווים?

איך בוחרים טורבינה?
ישנם הרבה סוגים של טורבינות רוח בשוק, אך יש דרך אחת ברורה לסווג בין מוצר אמיתי לבין הבטחות שווא. כדאי להתקין טורבינה שכבר יש ניסיון איתה ואפשר לקבל נתוני ביצוע אמיתיים לאורך זמן משמעותי. אפשר להתחיל מהרשימה של טורבינות המתאימות לתמריצים בקליפורניה וניו יורק שמפרסם האיגוד האמריקאי לאנרגיית הרוח למשל (AWEA, מופיע בקישורים למטה) - היכן שנמצא השוק הכי גדול לטורבינות כאלה.
להלן שמות אופייניים של יצרנים מובילים בעולם לטורבינות בפלח הטורבינות הקטנות:

• Southwest-windpower
• Bergey
• Proven energy

 

בפלח הטורבינות הקהילתיות:

• Northern power systems
• Endurance wind power
• Entegrity wind systems
• Wind Turbine Industries Corp.

דרך נוספת לסנן בין מתקינים ובין מוצרים טובים יותר ופחות היא לשאול את היצרן מספר שאלות חשובות - כפי שמציע האיגוד האמריקאי לאנרגיית הרוח. חלק מהשאלות התאמתי לישראל, לאור העובדה שהשוק פה צעיר ואין עדיין אפשרות לראות טורבינות שהותקנו לאורך זמן כמו בארה"ב למשל.

רשימת שאלות ליצרן/מתקין הטורבינה:

• מהי תפוקת האנרגיה של הטורבינה בשנה ממוצעת עבור מהירויות רוח ממוצעות של 5-7 מטר לשנייה בגובה 10 מטר? האם זה ערך שנמדד מביצועים אמיתיים של הטורבינה בשטח (מועדף) או לפי סימולציית מחשב?
• האם אתם יכולים להפנות אותי ללקוח שבבעלותו אותו מודל שאתם מציעים לי? או להפנות למקומות בהם הותקנו הטורבינות בחו"ל?
• מהי תקופת האחריות על הטורבינה? מה האחריות מכסה? (סטנדרט בתעשייה – 5 שנים)
• מה עלויות התחזוקה ותכיפות התחזוקה השנתית? האם אתם מספקים שרות תחזוקה, ואם כן – מה העלות?
• האם הטורבינה/מגדל עברו מבחן אמינות (reliability test)? על ידי מי? מה היו התוצאות?
• כמה זמן החברה מייצרת טורבינות רוח?
• כמה זמן הדגם הנ"ל נמכר בשוק? (לא כאב טיפוס, אלא כמוצר מוגמר) ? (השאלה תהיה רלוונטית ללקוחות ברחבי העולם)
• כמה זמן נבדק אב הטיפוס? על ידי מי? בהתקנה בשטח או בתנאי מעבדה?
• כמה טורבינות מהדגם הנ"ל נמכרו? כמה מהן עדיין עובדות? (השאלה תהיה רלוונטית ללקוחות ברחבי העולם)

• איזה בעיות היו ללקוחות שלכם ואיך התמודדתם איתן? (שאלה שעדיין לא מאוד רלוונטית בשלב זה, כי חברות ההתקנה חדשות בתחום)

חשוב מאד לציין:
• האנרגיה הנמצאת ברוח הינה יחסית לשטח שהלהבים עוברים דרכו בזמן סיבוב שלם. כלומר, האנרגיה עולה לפי ערך הריבוע של קוטר הלהבים. יש להתייחס תמיד לקוטר של הלהבים ולא להספק המרבי של הטורבינה! עבור שתי טורבינות עם אותו גנראטור –  כדאי לבחור בזו עם הלהבים הארוכים יותר.
• אין חשיבות למהירות התחלת התפוקה (cut in speed - המהירות המינימאלית בה הטורבינה מתחילה לייצר חשמל). האנרגיה הגלומה ברוח נמצאת במהירויות הגבוהות. ההבדל בין ייצור החשמל של אותה טורבינה, שמתחילה לייצר במהירות רוח של 4 מטרים לשנייה, או מתחילה לייצר חשמל ב 2 מטרים לשנייה הוא לכל היותר כ-1.6%!
• אחת הדרכים הטובות להשוות מחיר טורבינה, היא לחלק את עלות הטורבינה (בלי המגדל, או עם מגדל אם אתם משווים טורבינות עם אותו גובה מגדל) בשטח של דיסקת הלהבים. למשל, טורבינה בקוטר 7 מטר – שטח הלהבים הוא
3.14*7^2/4=38.5 מ"ר
ואם היא עולה 100,000 ש"ח, העלות למ"ר היא כ-2600 ש"ח למ"ר.
השוואת טורבינות שונות לפי עלות למ"ר, כמדד ראשוני, נכונה יותר מאשר השוואה למחיר לקילוואט מותקן. הכי נכון זה להשוות את עלות האנרגיה, ש"ח לקוט"ש בשנה עבור מספר טורבינות שונות, באותו אתר, וזה ניתן לעשות עם retscreen כפי שמתואר למטה.

טורבינות על מגדלים – יותר רחוק, יותר גבוה!

ככל שעולים בגובה – יש יותר רוח. כך זה בכל מקום בארץ, ובעולם.
לכן – עליכם לכוון למגדל הגבוה ביותר שאתם יכולים להתקין באזור. ההשקעה הנוספת (במחיר) תמיד תהיה שווה את זה. לשם השוואה, מצורף הגרף הבא, המראה את העלייה בכמות האנרגיה (ציר תחתון, באחוזים) לעומת גובה הטורבינה (ציר שמאלי, במטרים).
כפי שניתן לראות, במעבר ממגדל נמוך, בגובה 10 מטרים, למגדל בגובה 20 מטרים, אותה טורבינה תפיק 41% יותר הספק חשמלי! השינוי באנרגיה השנתית יהיה דומה אך לא זהה, כי גם התפלגות הרוח עצמה משתנה מעט עם העלייה בגובה. לעומת זאת, יש מקומות בודדים, כגון תל עסניה, בהם העלייה במהירות רוח יכולה להיות משתנה, עקב תנאים טופוגרפיים, ואז גבוה יותר לא יהיה הרבה יותר טוב. מדידה בשטח תגלה לכם מה המצב.

 

איור 10: מקור - United States Department of Energy

גבהים של 18 מטרים נחשבים ממוצעים עבור טורבינות רוח קטנות בארה"ב! דוגמא לעלויות של מגדלים בגבהים שונים אפשר למצוא עבור סוגים שונים של מגדלים (מסבך עם כבלים -guyed truss tower, מסבך ללא כבלים, ו-monopole) באתר של Bergey (קישור מצורף למטה). להלן מחירים בארה"ב לעומת גובה עבור מגדל מסוג מסבך עם כבלים של חברת Bergey:

כפי שאפשר לראות, השינוי במחיר המגדל הוא כ-2750$ בין 18 ל-30 מטרים, אך כמות האנרגיה עולה ב-35%! מחירי מגדל כזה מצדיקים הקמה של מגדל גבוה ככל הניתן. בטורבינה הנ"ל, Bergey 10 Kw, שינוי כזה משמעותו - באתר ובו מהירות רוח ממוצעת של 5 מטרים לשנייה בגובה 10 מטרים (גובה סטנדרטי של מדידה) - תפוקה של כ-2500 קוט"ש נוספים בשנה, שהם כ-4200 ₪. כלומר עלות המגדל הנוסף תוחזר תוך פחות מ-3 שנים!
התקנה של טורבינת רוח על מגדל נמוך דומה להתקנה של מערכת סולארית בצל. אל תצפו לתפוקה גבוהה...

 

בחירת אתר

האם האתר שלכם מתאים להקמת טורבינת רוח?
מהו השטח המינימאלי לטורבינת רוח?
על פי ההמלצה האמריקאית מדובר בלפחות 4 דונם (AWEA). לעומת זאת הטורבינה הפופולארית של southwest windpower, ה-skystream בעלת להבים בקוטר 3.7 מטרים והספק נומינאלי של 1.6 Kw (ניתן לראות דגם כזה בחוות טנא על יד שדה בוקר/ירוחם), המתוכננת לאזורי הפרברים האמריקאיים, מיועדת להתקנה בשטח של לפחות 2 דונם. הדרישה נובעת מכמה סיבות. לדוגמא: הרמת המגדל דורשת נגישות שתלויה בשטח והטורבינה אינה מקימה רעש משמעותי רק ממרחק מינימאלי מסויים.
למעשה, השטח עצמו אינו רלוונטי כמו הגובה של הטורבינה מעל המבנים והעצים מסביבה. טורבינת רוח פועלת באופן שקט ואמין כשהרוח שמגיעה אל הלהבים שלה היא סדירה ואחידה ככל שניתן. התקנה של טורבינה על מגדל נמוך מעל גג לדוגמא, לא רק תקטין את כמות האנרגיה באופן משמעותי (ראו הניסיון הבריטי, עליו יש הרחבה בפרק נוסף למטה) אלא גם תקצר את אורך חיי הטורבינה ותחייב תחזוקה תכופה יותר. בנוסף, הטורבינה תגרום לרעש גבוה יותר מבהתקנה באזור עם רוח חלקה, כתוצאה מהזוויות בין כיוון הרוח ללהבים  - רעש הנוצר תוך כדי שהטורבינה נאבקת כדי לעקוב אחרי הרוח המערבולתית באזור בנוי.
על המגדל להיות בגובה 9 מטרים מעל כל הפרעה ברדיוס של 90 מטרים (AWEA), על מנת לאפשר לטורבינה להיחשף לרוח לא מופרעת ממכשולים. אבי זעירא  מרוחות הגולן ממליץ על 6 מטרים מעל 100 מטרים רדיוס הפרעה לכל הפחות.
ככל שהזרימה תהיה יותר חלקה ולמינארית, כך תשתפר יציבות התפוקה ויקטנו המאמצים על הלהבים, והרעש אף יקטן - ובכך יתאפשר לטורבינה לשרוד זמן רב יותר. ההשקעה במגדל גבוה מתבקשת. ניתן להעריך את הטורבולנציה באתר לפי מדידות – שני אתרים יכולים להיות עם אותה מהירות רוח ממוצעת שנתית, ואותה התפלגות, אך אחד יהיה יותר טורבולנטי מהשני.

האם זה כלכלי? הערכת תפוקת החשמל באתר

ברגע שבחרתם מקום, ובחרתם מוצר, הערכת הכלכליות נובעת קודם כל מתפוקת האנרגיה באתר. יצרן מכובד יספק לכם שני גרפים שיאפשרו חשבון כזה -
1. גרף הספק לעומת מהירות רוח

איור 11: גרף הספק לעומת מהירות רוח.

2. גרף של תפוקת אנרגיה בשנה (AEP – Annual Energy Production), בחודש או ביום בתנאי רוח שונים - בדרך כלל מהירות רוח ממוצעת שנתית לפי התפלגות ריילי.

איור 12: גרף תפוקת אנרגיה שנתית לפי מהירות רוח ממוצעת והתפלגות ריילי.

במקרה שרק הגרף הראשון מסופק, צריך לייצר את הגרף השני על ידי מכפלה של גרף ההספק (איור 8) בהתפלגות הרוח באתר (לדוגמא - אחת ההתפלגויות באיור 7).

מדד אלטרנטיבי – צפיפות האנרגיה ברוח

ניתן לכמת את האנרגיה ברוח על ידי התייחסות לצפיפות אנרגיה שנתית ממוצעת בגובה מסוים. במפות רוח בדרך כלל נתון זה יופיע גם כן – למשל באטלס ברוח של דרום הארץ והערבה (ראו קישורים למטה). צפיפות האנרגיה השנתית הממוצעת (או ממוצע הספק האנרגיה) היא כמות האנרגיה הקיימת ברוח בממוצע במשך שנה, על שטח של מטר מרובע. ולכן היחידות שלה הן בהספק – וואט – לשטח – מטר מרובע. אם תכפילו את שטח הטורבינה בערך זה, ובנצילות האופיינית של הטורבינה (שניתן לקחת מתוך איור 16 למשל), תקבלו הערכה לכמות האנרגיה שהטורבינה יכולה להפיק. תוכנות כמו Retscreen יודעות להעריך ביצועים של טורבינה לפי התפלגות רוח, או לפי צפיפות האנרגיה השנתית הממוצעת. חשבון אופייני כזה מצורף בסוף הנספח.

חישוב כלכלי אופייני

ברגע שידועה התפלגות הרוח באתר, השימוש בגרף ייצור החשמל נותן את כמות הקוט״ש בשנה. טורבינות קטנות מקבלות תעריף של 1.65 ₪ לקוט״ש, וטורבינות קהילתיות 1.29 ₪ לקוט״ש. כפי שתיווכחו בחשבון האופייני למטה (הוא מעט שמרני), ההבדלים נובעים מהתפיסה של הרשות שלא רוצה שגורם בודד ירוויח סכומים גבוהים, ועל כך שטורבינות קהילתיות-בינוניות יותר כלכליות מטורבינות קטנות.

איור 13: השפעת מהירות הרוח הממוצעת באתר על ההחזר על השקעה המהוון. חושב על ידי תוכנת www.retscreen.net  עם נתוני הטורבינה E-3120 כפי שמופיעים בגרף ההספק למעלה וההנחות המופיעות במסמך. (הערה: חשבון שמרני, ללא מס הכנסה)

איור 11 מראה את ההשפעה של מהירות הרוח הממוצעת השנתית בגובה 10 מטרים על ההחזר על השקעה המהוון של טורבינת רוח קהילתית מדגם Endurance E-3120. הנקודה הכחולה וטווח השגיאה שלה מתאימים להערכה ראשונית ללא מדידות נוספות על סמך אטלס הרוח של הנגב והערבה (מצורף קישור למטה), לפי צפיפות אנרגיה ממוצעת שנתית של 153-253 וואט למטר מרובע בגובה 25 מטרים, או 5.1-6 מטרים לשנייה (ממוצע מהירות רוח שנתי בגובה 25 מטרים לפי התפלגות ריילי) - עבור אתר כלשהוא באזור פתוח בסמיכות לתחנת המדידה באילת.
איור 12 גם כן משתמש בנתוני הרוח באילת, משימוש באטלס, ומשווה בין ייצור אופייני של טורבינה קטנה באותו אתר (אילת) עם מגדל ב-2 גבהים שונים. אני השתמשתי בתוכנת Retscreen הזמינה בחינם, ופותחה במיוחד לאפליקציות כאלה. דרושה הבנה על מנת למלא את הפרמטרים השונים, אך עבור כל פרמטר,  יצרן הטורבינות והמתקין אמורים לדעת ולספק תשובות, על מנת שאתם תוכלו לעשות חישוב מסודר של הכלכליות לפני ההשקעה.
הוצאות התחזוקה הינן מינימאליות אך יש להן משמעות בחשבון הכלכלי. אין טורבינה בלי תחזוקה בכלל, ופעם בשנה לפחות צריך להנמיך את המגדל (אם הוא מגדל על ציר, tilt up tower) או לעלות עליו ולבדוק את מצב הלהבים וכדומה. טורבינות קטנות מכילות מעט מאוד חלקים נעים – ציר הלהבים וציר הסיבוב אל הרוח בדרך כלל. עם זאת, הן עומדות בתנאי מזג אוויר קשים, והמתקין צריך לתת לכם שירות תחזוקה שנתי לפי המלצות היצרן.

איור 14: החזר על השקעה עם טווח שגיאה עבור 3 מקרים שונים. חושב על ידי תוכנת www.retscreen.net  עם נתוני הטורבינה E-3120 כפי שמופיעים בגרף ההספק למעלה, ונתוני Bergey 10 Kw כפי שמופיעים בתוכנת Retscreen וההנחות המופיעות במסמך (הערה: חשבון שמרני)

החשבון שערכתי פה הוא שמרני, ומנבא תחומי ההחזר על השקעה בינוניים, עם טווח שגיאה גדול יחסית. עם מדידה מדויקת (שעלותה נכנסה בהערכה של הטורבינה הקהילתית, אך לא בטורבינה הקטנה), ניתן לצמצם את טווח השגיאה בצורה משמעותית. בנוסף, אפשר לראות בברור את ההשפעה של גובה המגדל – מ-18 מטרים ל-37 מטרים. ההחזר על השקעה מתקצר משמעותית, וגם טווח השגיאה קטן. זה נובע כמובן מכך שככל שתעלו בגובה, הרוח מתחזקת, ולפי איור 10אפשר לראות שההחזר על השקעה משתנה לאט יותר, ולכן חוסר הוודאות אף הוא קטן יותר. תמיד שווה להשקיע במגדל גבוה יותר.
מבט נוסף על תפוקה של טורבינת רוח באזורים שונים היא דרך ה-capacity factor, מקדם התפוקה (מכונה גםpower plant factor  או form factor). מקדם התפוקה מוגדר כך:

מקדם התפוקה הוא הדרך הכי מהירה לאפיין אתר רוח.  החיסרון שלו הוא שהוא תלוי בהספק המותקן של הטורבינה.
ניקח כדוגמא עבור דגם ה-Bergey 10 Kw - טורבינת רוח בהספק מותקן של 10 קילוואט במהירות רוח של 12 מטרים לשנייה. כמו כן ניקח אתר אופייני, עם מהירות רוח ממוצעת שנתית של 5.5 מטרים לשנייה בגובה 10 מטרים, והתפלגות ריילי. על פי נתוני היצרן,  עבור מגדל בגובה 24 מטרים, הטורבינה תפיק כ-16,800 קוט"ש בשנה. נחשב:

לשם השוואה, בתחום ניצול אנרגיית השמש לייצור חשמל על ידי התקנת פאנלים פוטוולטאים, מספר אופייני עבור ייצור של מערכת בגודל 1 קילוואט הספק מותקן הוא 1600 קוט"ש. לפי אותו חשבון, נקבל מקדם תפוקה של 18.3%.
אך אליה וקוץ בה – בטורבינות רוח, ההספק המותקן אינו נקבע תמיד באותה מהירות רוח. לכן תמיד חשוב לשים לב להספק אליו מיוחס מקדם התפוקה. ניקח שוב את הדוגמא למעלה. ה-Bergey נותנת 10 קילוואט ב-12 מטרים לשנייה. לעומת זאת, ברוח של 9 מטרים לשנייה היא מספקת כ-4.2 קילוואט. אם נגדיר את ההספק המותקן לפי המספר האחרון, נקבל מספר גבוה בהרבה – מקדם תפוקה של 46%! . השימוש במקדם תפוקה יכול להיות מבלבל, ולכן חשוב להשתמש בו בזהירות ולהבין למה הכוונה. כשמשווים בין שני טורבינות זהות באתרים שונים, זהו פרמטר מאוד נח.

היתרי בניה ושכנות טובה

לאחר שהגעתם למסקנה שיש לכם אתר מתאים לטורבינת רוח, זה הזמן לספר לשכנים.
טורבינת רוח, מעצם טבעה, תראה למרחוק. למעשה – אם היא לא נראית למרחוק, סביר להניח שהיא לא תראה הרבה רוח...
לכן, כדאי לידע את השכנים מראש. טורבינות רוח הן טכנולוגיה נאותה, המפיקה חשמל ללא זיהום, ומקטינה את כמות המחלות-תלויות-זיהום-אוויר באזורים שנמצאים במורד הרוח מתחנות הכוח של חברת חשמל.
התקנת טורבינת רוח היא מעשה מוסרי מאין כמותו, מעשה שעליו צריך לברך. אך מכיוון שטורבינות רוח בולטות בנוף בסביבתן הקרובה, יש אנשים המתנגדים להם על בסיס נופי. זהו עניין מובן, שבעיקר מתייחס לטורבינות הגדולות ולחוות הרוח, ופחות לטורבינות קטנות וקהילתיות. עם זאת, הנוף המקומי ישתנה עם הקמה של טורבינת רוח קטנה או קהילתית, ולכן כדאי לידע את השכנים והקהילה, ולשתף אותם בכוונתכם לנצל אנרגיה נקייה ומתחדשת על ידי הקמת טורבינת רוח.
לאחר שהחלטתם על הקמת הטורבינה, יש להשיג היתרי בניה. אתם לא תהיו לבד בפרוצדורה הזו - המתקין ישמח לעזור לכם ולהעביר את המסמכים דרך השלבים השונים של אישור המתקן. נכון להיום שלבי האישור דומים למתקנים אחרים שיזם כלשהוא ירצה להקים, אך בימים אלו עובדים במשרד הפנים על מסלול אישור לטורבינות רוח קטנות, במרחב הכפרי והעירוני, וכולי תקווה שהם יאשרו תקנות שמאפשרות הקמה פשוטה של טורבינות רוח קטנות כמה שיותר מהר. אלו הם השלבים העיקריים כרגע בראשי פרקים:
1.הגשת בקשת בניה בשם בעל הקרקע לוועדה מקומית או עירייה.
(גרמושקה: אישור מהנדס, סכמה של האתר. עלות מוערכת: עד 7000 ש"ח.)
2.הוועדה, בהתאם לתקנות שיש במקום או על בסיס חריגה, מגבילה את הגובה המותר לבניה. (זמן – מידי או עד 3 חודשים). מגבלה של 24-16 מטרים קיימת במספר מקומות – אך אינה רלוונטית עבור מתקן הנדסי (ראו אנטנות סלולאריות של 40 מטרים לדוגמא).
3.יצירת קשר עם חברת חשמל לשם אישור חיבור הטורבינה.
4.הקמת הטורבינה.
5.מפה והלאה – כמו באנרגיה סולארית - הזמנת חברת חשמל, על מנת  לאשר או לתת הנחיות לשינוי החיבור.

לגבי התקנת טורבינות רוח על גגות בתים

על מנת שטורבינת הרוח תפיק כמות משמעותית של חשמל, היא צריכה משאב רוח משמעותי.
על גגות של בתים באזור צפוף לא תהיה כמות מספיקה של רוח.
כמו כן, התנהגות הרוח מעל מבנים היא מאוד מערבולתית (טורבולנטית) ודורשת סוג אחר של טורבינה – טורבינה עם ציר סיבוב אנכי. ישנן כאלה טורבינות בשוק, בשלבי פיתוח שונים ומעט מוצרים קיימים. כמו כן, מחירם יקר יותר בדרך כלל. בכל התקנה על גג בית יש צורך לעשות מדידה וסימולציה על מנת להעריך היכן כדאי למקם את הטורבינה. על גורדי שחקים למשל - בתל אביב או בערים אחרות בישראל - סביר מאוד שהתקנת טורבינות רוח עם ציר סיבוב אנכי תניב כמות משמעותית של חשמל ותחזיר את ההשקעה בזמן הגיוני. על בתים פרטיים בהתקנה של טורבינה עם ציר סיבוב אופקי (כמו כל הטורבינות שהוצגו במאמר הזה) על תורן נמוך (פחות מ-3 מטרים מעל הגג) אין מקום להתקנת טורבינת רוח.
ניתן ללמוד מהניסיון (המר) של הבריטים ב-3 השנים האחרונות בנושא. המדינה תמרצה באנגליה את עצם ההקמה של הטורבינות, במקום לתמרץ את ייצור החשמל, וכך הותקנו אלפי טורבינות קטנות על גגות בתים. חלק ניכר מהטורבינות הללו לא רק שלא החזיר את ההשקעה, הוא אפילו לא החזיר את כמות האנרגיה שעלה לייצר אותו!
מקדם תפוקה אופייני לטורבינות על גגות בתים נמוכים בבריטניה הינו 3%! מדובר בבדיחה במקרה הטוב.
להלן ציטוט מתוך המחקר:

"Overall the trial has painted a picture of an industry and technology that is still at development stage and is likely to make a tangible contribution to energy and carbon saving only on the most exposed sites and tallest buildings. The combination of this reality, aggressive and over-optimistic marketing by some suppliers, and the enthusiasm and credulity of the market (and regulators) has potentially led to an unfortunate outcome where the wind industry as a whole is in danger of suffering from a setback in credibility."

השפעות סביבתיות של טורבינות רוח קטנות

טורבינות רוח בולטות בשטח. את זה כבר הזכרתי למעלה, וחשוב לכן ליידע שכנים לגבי הכוונה להתקין טורבינת רוח. מה עוד חשוב לדעת לפני שמתקינים טורבינת רוח? הנה רשימה של נושאים חשובים, ונושאים שלגביהם יש תפיסה מוטעית:
(לרשימה מלאה יותר – ראו קישורים למטה לאתר AWEA, על פיו נערכה רשימה זו)

רעש

לטורבינות רוח מודרניות יש בידוד טוב יותר סביב הגנראטור, להבים עם מהירויות סיבוב איטיות יותר ולהבים יעילים יותר מהמוצרים הראשונים שיצאו לשוק, מה שהופך אותם לשקטים בצורה משמעותית. הרעש מהסביבה, עלים מרשרשים ברוח, תנועת מכוניות בכביש קרוב וכדומה יהיו מספיקים כדי למסך את הרעש הנמוך, רעש "לבן" (אחיד בכל התדרים) שטורבינות רוח קטנות מייצרות בחלק ממהירויות הרוח.  את רעש הטורבינה תשמעו היטב רק בסופות רציניות, אך במקרה זה גם רעשי הרקע יעלו בהתאם.
על מנת לקבל פרספקטיבה, איור 15 מראה השוואה של הרעש במרחק של כ-33 מטר מטורבינת רוח קטנה, בהשוואה לרעש מגורמים יומיומיים אחרים.

 

איור 15: השוואת הרעש מטורבינת רוח קטנה למקורות רעש אחרים, במרחק של כ-33 מטר ממקור הרעש
מקור –  AWEA – “in the public interest”

בדיקות רעש עבור טורבינות מסוימות ניתן למצוא בפרסומים של NREL (קישור למטה), והם מגלים בדרך כלל עוצמה של 40-65 דציבל, במרחק של 60 מטר, פחות מ-5 דציבל מעל רעש הרקע. הדבר הכי נכון לעשות כדי להבין כמה רעש עושה טורבינה הוא לנסוע לראות ולשמוע אחת. רצוי כמובן מהדגם שאתם מתכננים להתקין. עוד נקודה חשובה היא הדעיכה של עוצמת הרעש ככל שמתרחקים מהטורבינה – הרעש נופל כמו ריבוע המרחק, ולכן אם הרעש במרחק 16.5 מטר הוא 16 דציבל, הרעש במרחק 33 מטר הוא 4 דציבל (ראו איור  16).

 

איור  16: עוצמת הרעש יורדת כמו ריבוע המרחק. עבור מרחק של 33 מטר(100 רגל) העוצמה היא רבע מהעוצמה במרחק 16.5 מטר.

ציפורים

החשש העיקרי – והכי מוגזם – מטורבינות רוח הוא פגיעה בציפורים. אפילו הטורבינות הגדולות, הממוקמות בחוות רוח, אחראיות לפחות מ-0.003% ממקרי המוות של ציפורים מעשה אדם בארה"ב. חתולי בית וחלונות זכוכית לשם השוואה אחראיות ל-10,000 פעמים מקרי המוות ביחס לטורבינות רוח גדולות. השוואה עבור ארה"ב ניתנת באיור  17. גם עבור אזור הגירה של ציפורים כמו ישראל, אין סיבה לחשוש מטורבינות גדולות אם ממקמים אותן נכון. ב-1986 נעשה מחקר על ה-San Gorgonio pass בארה"ב, היכן שממוקמות חוות רוח ועוברות 69 מיליון ציפורים בשנה, ונמצאו רק 38 ציפורים מתות, המהוות 0.00006% תמותה. עבור טורבינות רוח קטנות לא נעשה מחקר כזה מקיף, אך מכיוון שהן קטנות באופן משמעותי, וממוקמות בדרך כלל כטורבינות בודדות, ניתן להניח שאחוז מקרי המוות יהיה נמוך אפילו יותר מהמספר הנמוך גם ככה בטורבינות גדולות.

 

איור  19: גורמי המוות לציפורים, כולל טורבינות רוח גדולות (בצד שמאל). מקור – Erickson et al. 2002

ריצוד צל (shadow flicker)

במקרים מסוימים קרני שמש נמוכות העוברות דרך הלהבים הסובבים יוצרים צל על מבנים ואדמה. בטורבינות רוח גדולות נושא ריצוד הצל הנוצר עקב התנועה האיטית של הלהבים יכול ליצור אפקט לא נעים (ראו למשל באיגוד הדני, windpower.org. קישור מלא מצורף בדף הקישורים). בעיה זו לא קיימת בטורבינות קטנות עקב מהירות הסיבוב הגבוהה יחסית של הלהבים, וגם בטורבינות גדולות זו בעיה הקיימת רק בקרבת הטורבינה וניתן לתכנן את מיקומה כך שאף אחד לא יושפע מהתופעה.  

סיכום

ישנם אתרים רבים בארץ בהם מהירות הרוח בגובה 10 מטרים גבוהה או שווה לזו שבאילת, הרבה מקומות בהם כדאי וראוי להקים טורבינות רוח לייצור חשמל.