עמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים > אנרגיהעמוד הבית > מדינת ישראל > מים ותשתיות > חשמל
ירוק כחול לבן : ביטאון פורום המשק והכלכלה למען איכות הסביבה


תקציר
בימים אלה משלימה חברת חשמל את הקמתה של יחידת הכוח רמת חובב.
מדובר בפיתוח המתבסס על שימוש משולב בסולר ובגז טבעי. מדובר בתחנת כוח ראשונה מסוגה שמאפשרת ניצול טוב יותר של חומרי הבעירה וצמצום תוצרי הלוואי.



גז טבעי וקיטור - השילוב המחשמל
מחברים: אלה קוטלר; שלום אנקרי


חברת החשמל משלימה באתר תחנת הכוח "רמת חובב" את הקמתה של יחידת מחזור משולב, לה יתרונות סביבתיים וכלכליים ניכרים.

האנרגיה החשמלית המגיעה לצרכנים (מפעלים, מרכזי עסקים, בתי מגורים) היא השלב הסופי של תהליך המרת האנרגיה האצורה בדלק (אנרגיה פוטנציאלית).

בדלקים הפוסיליים (פחם, מזוט, סולר, גז טבעי), השונים זה מזה בהרכבם הכימי ובערך ההיסק שלהם (האנרגיה האצורה ביחידת משקל של הדלק), האנרגיה האצורה היא אנרגיה כימית.

מספר השלבים בהמרת האנרגיה עד לייצור החשמל, תלוי בסוג המחזור התרמי עליו מבוססת יחידת ייצור החשמל. ביחידות קיטוריות קיימים שני מחזורים תרמיים מקבילים. במחזור הראשון, הדלק והאוויר נשרפים ועל ידי כך מומרת האנרגיה הכימית לאנרגיה של חום. החום הנפלט בתהליך השריפה משמש לחמום מים וקיטור במחזור המקביל השני, ליצירת קיטור בלחץ ובטמפרטורה גבוהים במיוחד.

הקיטור מוזרם דרך טורבינה ומניע אותה (המרה של אנרגיית החום לאנרגיה מכנית) יחד עם גנרטור צמוד אליה. האנרגיה המכנית באמצעות הגנרטור, הופכת לאנרגיה חשמלית (או לחילופין, לחשמל במתח גבוה).

בטורבינת גז קיים מחזור תרמי אחד בלבד. תוצרי השריפה (גזי השריפה) של תערובת הדלק והאוויר מוזרמים בעצמם דרך הטורבינה, העמידה לטמפרטורות גבוהות במיוחד, ומניעים אותה ביחד עם הגנרטור. כלומר, התווך הזורם בטורבינת גז הם גזי השריפה עצמם, לעומת טורבינת קיטור בה התווך הזורם הוא קיטור.

המחזור המשולב כולל אף הוא שני מחזורים תרמיים בדומה ליחידה קיטורית, אולם בשונה ממנה, כל אחד מהמחזורים מייצר חשמל באופן עצמאי (כפי שיוסבר בהמשך).

למותר לציין שכל תהליך המרת אנרגיה ממצב אחד למשנהו, כרוך באיבוד אנרגיה. מרבית המאמצים בפיתוח תהליכים תרמיים מושקעים בהקטנת איבודי האנרגיה וכך להגדלת יעילות המחזור. היעילות הכוללת נמדדת לפי היחס בין כמות האנרגיה החשמלית המתקבלת (התוצר הסופי) - לבין כמות האנרגיה הכימית שבדלק (האנרגיה הפוטנציאלית).

פריצת-דרך רבת משמעות בהגדלת יעילות המחזור התרמי, באה לידי ביטוי במחזור המשולב, אשר לו יוחדה כתבה זו.


 

טורבינת גז במחזור משולב


ייצור חשמל באמצעות טורבינות גז סילוניות, החל בעולם מספר שנים לאחר פיתוח וייצור מנועי הסילון הראשונים. הסיבה לשימוש בטורבינות הגז הסילוניות למטרה הנ"ל, היתה קלות ההפעלה ומהירות המעבר ממצב קר לייצור חשמל (מספר דקות), בהשוואה ליחידות ייצור קיטוריות (לפחות יממה). יחד עם זאת, עקב הנצילות הנמוכה של יחידות הייצור הסילוניות (כ-20%), הווה אומר מחיר ייצור חשמל גבוה ובנוסף, בלאי מהיר של היחידות - הוגבל השימוש בהן לעיתות חירום ולמצבי דחק של מערכת החשמל. מכל מקום, את עיקר נטל ייצור החשמל נשאו בעבר וגם כיום, היחידות הקיטוריות, הגדולות בהרבה ביכולת היצור שלהן והמסוגלת לעמוד בעבודה רציפה רוב ימות השנה.

לפני כ-20 שנה הוחל בפיתוח ובייצור של טורבינות גז תעשייתיות, אשר נבנו מלכתחילה לעבודה מאומצת במשך רוב ימות השנה, בעיקר עבור מדינות בהן מצוי גז טבעי המשמש דלק זול, וכן על רקע שיפור הנצילות של טורבינת הגז. במלים אחרות, טורבינות גז תעשייתיות המוסקות בגז טבעי החלו לשמש כיחידות לייצור חשמל ברוב ימות השנה, בדומה ליחידות הקיטוריות.

לפני כ-15 שנה הוחל בפיתוחם המואץ של המחזורים המשולבים, המשלבים טורבינות גז תעשייתיות וטורבינות קיטור (אם כי המחזור המשולב היה ידוע זה כבר עשרות שנים ואף השתמשו בו באופן מוגבל).

בתחנת-הכוח במחזור משולב מועברים גזי הפליטה החמים של טורבינת גז תעשייתית (כ-550 מעלות צלזיוס) דרך מחליף חום ליצירת קיטור, וכך החום השיורי מנוצל להפקת קיטור ללא תוספת דלק. הקיטור מניע טורבינה קיטורית המחוברת לגנרטור לייצור חשמל, אשר מפיק אנרגיה חשמלית נוספת.

בדרך כלל, גזי הפליטה של זוג טורבינות גז משמשים לייצור קיטור עבור טורבינה קיטורית אחת.

נצילות המחזור המשולב מגיעה כיום לכ-56% היינו, חיסכון של כ-30% בצריכת הדלק בהשוואה ליחידות ייצור קיטוריות.



 

מחזור משולב ברמת חובב


בשנים האחרונות, עיקר הפיתוח בעולם מתבסס על תחנות-כוח במחזור משולב, אשר משתמשות בגז טבעי. אף שאין עדיין בישראל גז טבעי, ולמרות מחירו הגבוה של הסולר, החליטה חברת החשמל להקים ברמת חובב, תחנת-כוח ראשונה מסוגה בארץ במחזור משולב. כיום פועלות באתר תחנת-הכוח רמת חובב ארבע טורבינות גז תעשייתיות, המוסקות בסולר בהספק כולל של 460 מגאוואט.

בשלב ראשון, עד אשר יהיה גז טבעי בארץ, ישתמשו בסולר לשריפה. להקמת המחזור המשולב באתר תחנת-הכוח רמת חובב, קדם תסקיר השפעה על הסביבה כבר בשלב התכנון, הכולל ניתוח השפעות סביבתיות בנושאי זיהום אוויר, טיפול בשפכים, רעש, השתלבות בנוף, מניעת זיהום מי תהום ועוד.

הקמת התחנה המשולבת מתבצעת באמצעות הוספת שני דוודי קיטור (מחליפי חום) לזוג טורבינות הגז הקיימות וכן, טורבינה קיטורית וגנרטור משותפים לשני הדוודים.

תוספת האנרגיה החשמלית המתקבלת ללא תוספת דלק של טורבינת הגז, משמעותה הקטנת צריכת החום של יחידות הייצור, הגדלת הנצילות והקטנת פליטת המזהמים הסגולית ליחידת אנרגיה חשמלית מיוצרת (גרם מזהם לקילוואט שעה) של כלל המזהמים, שהנם תוצרי שריפה.

לצורך המחשה, הקטנת צריכת הדלק הסגולית של כלל המערכת באתר טורבינות הגז ברמת חובב, ביחס להפעלתה ללא מחזור משולב, תביא להפחתה בפליטה הסגולית של כלל המזהמים בכ-36%. ביניהם, גופרית דו-חמצנית (SO2), תחמוצות חנקן (NOx), חלקיקים, פחמן דו-חמצני (CO2), פחמן חד-חמצני (CO) ופחממנים שונים (HC). ייצור החשמל בנצילות גבוהה יותר, תוך ניצול החום השיורי של טורבינות הגז להפקת אנרגיה בצורת קיטור, גורם לירידת טמפרטורת גזי הפליטה (מכ-550 לכ-125 מעלות צלזיוס) וכן לירידה במהירות גזי הפליטה ביציאה מהארובה. כתוצאה מירידת טמפרטורת הגזים מתרחשת ירידה בגובה האפקטיבי של התימרה (תוצרי השריפה העולים מהארובה) הנפלטת מהארובות. תופעה זו עלולה לגרום להרעה בתנאי פיזור המזהמים בקרבת האתר, ולעלייה בריכוז המזהמים על פני הקרקע. על-מנת למנוע תופעה זו, מקימה חברת החשמל באתר שתי ארובות חדשות בגובה 60 מטר כל אחת, במקום הארובות הקיימות שגובהן 30 מטר בלבד.



 

יתרונות המחזור המשולב


אחד ההבדלים המהותיים בין טורבינת הגז (או המחזור המשולב) לבין יחידת הייצור הקיטורית, הוא ההכרח להשתמש בטורבינת גז בדלקים נקיים, כגון סולר, גז טבעי או מזוט שעבר טיפול מתאים, על-מנת שלא לפגוע בכפות הטורבינה, לעומת האפשרות של שרפת הפחם ביחידות, ייצור קיטוריות. בכך אומנם מתייקרת מאוד עלות הפעלתה של טורבינת הגז ביחס ליחידה קיטורית, אך היתרון הסביבתי משמעותי ביותר.

סולר מהווה דלק איכותי המביא לצמצום מיידי בפליטת חומר חלקיקי וגופרית דו-חמצנית מגזי הפליטה, ללא צורך בהשקעות נוספות. בנוסף, בשנה האחרונה סיימה חברת החשמל להתקין במרבית אתרי טורבינות הגז התעשייתיות, מערכות [DLN [Dry Low Nox להפחתה של פליטת תחמוצות החנקן. התקנת מערכות DLN, כוללת שינויים במבנה תא השריפה, במטרה להקטין במידה ניכרת את החום המרבי הנוצר בתהליך, על-ידי ביצוע תהליך השריפה בשני שלבים במקום שלב אחד. הורדת טמפרטורת השריפה מקטינה באופן ישיר את כמות תחמוצות החנקן.

חשוב לציין, כי המעבר לשרפת גז טבעי יביא לשיפור מיידי נוסף באיכות האוויר, כתוצאה מהפחתה משמעותית נוספת בפליטות מזהמים לאוויר כגון: SO2 NOx CO2 וחלקיקים.

עלות ייצור חשמל בתחנות-כוח המופעלות על-ידי טורבינות גז מוסקות סולר, גבוהה פי שניים ויותר מעלות ייצור החשמל בתחנה המוסקת במזוט או פחם. מעבר לכך, הוצאות ההפעלה של טורבינת גז רגישות מאוד לשינויים במחירי הדלקים. לפיכך, טורבינות הגז בארץ משמשות בעיקר במצבים קיצוניים של צריכת שיא (חורף וקיץ), או במצבי חירום אחרים.

הוספת מחזור משולב בתחנת-כוח טורבינת גז משפרת אמנם את הכדאיות הכלכלית של הפעלת טורבינת גז. ואולם, כל עוד אין אפשרות להבטיח אספקה שוטפת של גז טבעי, עדיין קיימת כדאיות כלכלית ברורה להפעלת היחידות הקיטוריות.

בנוסף ליתרונות הסביבתיים, מקנה המחזור הפשוט של טורבינת גז תעשייתית ושל המחזור המשולב, מספר יתרונות בולטים:

  • מהירות התנעה והגעה לייצור בזמן קצר בהרבה מיחידה קיטורית.

  • זמן תכנון והקמה של כשנתיים וארבע שנים, לעומת שמונה שנים ליחידה קיטורית.

  • מחיר התקנה נמוך של מחזור משולב ביחס למחירה של יחידה קיטורית (כ-750 דולר לקילוואט לעומת 1200 עד 1500 דולר לקילוואט).

  • נצילות גבוהה של המחזור המשולב – כ-56% לעומת 42% ביחידה קיטורית - שמשמעותו חיסכון של כ-30% בדלק ובפליטת, מזהמים ליחידת חשמל מיוצר.

  • כוח-אדם תפעולי ותחזוקתי מצומצם בהרבה, כמו גם תחזוקה שוטפת זולה יותר.


יתרונות נוספים וחשובים למחזור הפשוט של טורבינת גז, וכן למחזור המשולב בהשוואה ליחידות ייצור קיטוריות הן היכולת להקים את התחנות באתרים פנים-ארציים ובשטח קטן משמעותית. במלים אחרות פגיעה מינימלית בנוף הסביבתי ושחרור רצועות חוף ארוכות.

למותר לציין כי במדינות בהן קיים גז טבעי, כמות ההתקנות של מחזורים משולבים היא כה רבה, עד כי הפסקה מוחלטת של התקנת יחידות ייצור קיטוריות חדשות, ואף צמצום הפעלת יחידות קיימות.


הקמת תחנות-כוח המוסקות בגז טבעי בארץ, תלויה ביכולת להבטיח את אספקתו ממקור אמין וכלכלי. במדינת ישראל, לצערנו, לא קיים גז טבעי בכמות הנדרשת לייצור חשמל, ויש גם קשיים פוליטיים ואחרים בהשגתו.

מן הראוי לציין כי המעבר לשרפת גז טבעי במקום סולר, אינו מחייב ביצוע השקעות במערך השריפה, אלא שינויים במערך הדלק והאספקה בלבד.

טורבינות גז במחזור משולב מהווה, אפוא, פתרון לשיפור הכדאיות הכלכלית של הפעלת טורבינות הגז, בצד תועלת סביבתית. באופן זה מתאפשר לשמור על גמישות תפעולית בייצור החשמל, תוך העלאת הנצילות התרמודינמית, מטרה בפני עצמה, אשר הנה כיום צו השעה.



 

סיכום


התועלת הכלכלית והסביבתית המוכחת של טורבינת גז במחזור משולב, גרמו להתקנה מואצת של יחידות ייצור מסוג זה בכל יבשות העולם, ובעיקר במדינות בהן גז טבעי קיים או ניתן להשגה בקלות. עקב כך, התקנת יחידות קיטוריות קונבנציונליות חדשות נבלמה כמעט לחלוטין במדינות רבות בעולם.

במדינת ישראל, עקב הקשיים הגדולים בהשגת גז טבעי, הפעלת המחזור המשולב באמצעות סולר עדיין אינה כלכלית וגורמת להמשך התבססות ייצור החשמל על יחידות קיטוריות מוזנות בפחם.


* אלה קוטלר הנה עובדת המחלקה לאיכות הסביבה בחברת החשמל.
*שלום אנקרי הוא עובד אגף הייצור בחברה.

ביבליוגרפיה:
כותר: גז טבעי וקיטור - השילוב המחשמל
מחברים: קוטלר, אלה ; אנקרי, שלום
תאריך: יוני-יולי 1998 , גליון 20
שם כתב העת: ירוק כחול לבן : ביטאון פורום המשק והכלכלה למען איכות הסביבה
הוצאה לאור: ביטאון פורום המשק והכלכלה למען איכות הסביבה בישראל
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית