אפיון מערכות גנרטורים

כתב: אילן מורג (2021)

מאמר זה מיועד למאפיינים העוסקים באפיון פונקציונלי וטכני של מבנים ואינו מיועד לבעלי מקצוע בתחום החשמל

גנראטור או מערך גנרטורים הוא התשובה הכי ברורה לבעיות באספקת החשמל. הגנרטור נכנס לפעולה בזמן הפסקת חשמל ומגבה את מערכות הבניין שחוברו ללוח המוזן מהגנרטור. אלא שהתקנת גנרטור הוא מהלך יקר המצריך מקום (בד"כ מקורה), רכישת גנרטור (או מספר גנרטורים), מיכל לסולר, לוחות חשמל מתאימים ותחזוקה שוטפת על כן הגדרת הצורך בגנרטור צריכה להיות זהירה ומגובה בדרישה ברורה של הצורך בשמירת הפעלת המבנה (או חלקים ממנו) בעת הפסקת חשמל. בבתי חולים, במתקני תקשורת ומתקניים צבאים רגישים נדרש להתקין גנרטורים. מפעלי תעשייה מפתחים גם הם לאורך השנים תלות הולכת וגוברת בחשמל זמין וגם במקרה זה שאלת נחיצות התקנת הגנרטור צריכה לעלות.

עבור גנרטור נדרש המאפיין להגדיר מספר פרמטרים:

1. עבור איזה צרכנים במבנה נדרש גיבוי גנרטור – יש להגדיר חדרים או מחלקות (מכלולים) שעבורם נדרש לייצר גיבוי גנראטור, לדוגמא ייתכן ונרצה במפעל לגבות את אולם מכונת ה CNC החדש והמשוכלל ואת חדר התקשורת המקושר למכונות אבל את ייתר המפעל אין צורך לגבות. מומלץ שההגדרה עבור גנרטורים תכלול אזורים שלמים או חדרים ולא מרכיבים בודדים מאחר ונדרש לגבות עם הגנרטור גם את כל השירות לאותו חדר, לדוגמא, אין טעם להגדיר שנדרש גיבוי גנרטור עבור מחשב בחדר אם מערכת המיזוג אינה מגובה ולכן לעיתים נעדיף להגדיר גיבוי גנרטור לכלל המבנה ולא להיכנס להגדרות שלא נוכל ליישם. צריך לקחת בחשבון שהפרדת צרכנים באותו מבנה לכאלו המגובים גנרטור וכאלו שלא, מייצר רשת נוספת של חלוקה (קווים ולוחות משנה) בתוך המבנה כך שלעיתיים החסכון יוצא בהפסד.

2. לכמה זמן נדרש הגיבוי – הגדרת זמן הגיבוי הוא בשעות. ככל שזמן הגיבוי יהיה ארוך יותר כך יידרש מיכל סולר גדול יותר וכפועל יוצא עלויות הקמה ותחזוקה גבוהות יותר. זמן הגיבוי הוא פונקציה של זמינות מערכת החשמל באזור, זמינות אנשי החשמל לטיפול בתקלות (לדוגמה אתר החרמון, שם בחורף עם 2 מ' גובה שלג יהיה קשה לטכנאי חברת החשמל להגיע). רגישות המערכות המותקנות במבנה לתפקוד, הנזק שיכול להיגרם מהשבתה ארוכה וכן זמינות ההגעה של משאית הסולר למילוי חוזר. מקובל להגדיר כזמן גיבוי מינימלי 6 שעות או 24 שעות שאפשרי בד"כ עם מיכל סולר אינטגרלי כחלק מהגנרטור וחוסך התקנת מיכל סולר חיצוני. הגדרת 72 שעות מקובלת באתרים רגישים או מרוחקים והגדרת של שבוע היא לאתרים קריטיים.

3. כניסה אוטומטית או ידנית – האם הגנרטור ייכנס לפעולה באופן אוטומטי בזמן הפסקת חשמל מהרשת או באופן ידני. בד"כ נרצה כניסה אוטומטית אלא שצריך לזכור שלכל דבר טוב גם חסרונות. התקנת מערכת אוטומטית לכניסת גנרטור יקרה יותר ומורכבת יותר ועל כן נכון לבחון את הדרישה לאור רגישות המערכות במבנה וזמינות ההפעלה של הגנרטור באופן ידני. לעיתים במבנים קיימים הגדרת כניסה אוטומטית של גנרטור לא תהיה אפשרית מאחר וזה אומר החלפת לוחות החשמל ושינויים מבניים יקרים בכל מערכת החשמל. כניסה ידנית מקובלת גם כאשר מגדירים באפיון גנרטור נייד המיועד למקרים של השבתות מתוכננות או במקרה קיצון כאשר הגנרטור הנייד הוא גיבוי נוסף לגנרטור קבוע.

מפסק העברה ידני לגנראטור

4. חזרה שקטה או רגילה – גנרטור מופעל באופן אוטומטי ונעשה מיתוג בלוח החשמל אחרי נפילת רשת החשמל בין הזינה מרשת חברת החשמל לבין מקור הזינה של הגנרטור. זמן המעבר גורם להפסקת המתח לכמה שניות ועד דקות תלוי בזמן ההשהיה שהוגדר במערכת. כאשר חשמל הרשת חוזר ויש זיהוי בלוח החשמל שחשמל הרשת חזר מתבצע תהליך הפוך שבו המפסק חוזר למצב זינת רשת. לחזרה הזו שתי שיטות מקובלות; שיטה אחת היא שיטה רגילה שבה המפסק עובר מצד הגנרטור לצד חברת החשמל ונגרמת קפיצת מתח בזמן המעבר. קפיצה זו הגם שהיא קצרה תורגש בהבהוב התאורה, הפסקה של מערכות המיזוג לכמה שניות (וזמן התאוששות) ונפילת ציוד מחשוב. שיטה שנייה היא שיטה של העברה שקטה שבה או שמותקן גנרטור שמסונכרן באופן קבוע עם רשת החשמל (גל הזרם החילופי מתואם – סנכרון פאזה) או שמערכת שמסונכרנת ע"י בקר ייעודי המותקן בלוח החשמל. כמובן ששיטה של חזרה אוטומטית עדיפה ותגרום לפחות נזקים אבל כמעט כמו תמיד היא יקרה יותר ליישום ודורשת הבנה טכנית בתפעול ותחזוקה שלא תמיד זמינים.

גנרטור דיזל

5. האם הגנרטור צריך להיות ממוגן כנגד תקיפה (ומה עם מיכל הסולר?) – הגדרת מיגון הגנרטור נדרש במבנים קריטיים כנגד פגיעה פיזית של מפני חימוש. מיגון כזה יקר מאד מאחר וגנרטור מבוסס דיזל דורש מעברי אוויר לטובת פעילות המנוע והוצאת גזים אל מחוץ למבנה. מעברים אלו צריכים להיות מתוכננים עם משככי הדף. לעיתים השיקול הזה מכריע כי מיקומו של הגנרטור יהיה בחוץ (בחוץ ממש או בסככה). בהגדרת הצורך אם כך צריך לבחון מספר היבטים: הקריטיות של תפקוד המבנה בעת מלחמה, מספר הזנות החשמל ממקורות שונים שמתוכננים למבנה (ככל שנגדיר יותר מהזנה אחת של חברת חשמל למבנה ומשני כוונים שונים הצורך במיגון הגנרטורים ירד). כמות מערכות הגנרטורים שהגדרנו למבנה (אם הוגדרה יותר ממערכת אחת הצורך במיגון יורד) ובסיום בחינת המתאר התקציבי הכללי של הפרויקט.

מכלי סולר יכולים להיות בהתקנה עילית או מתחת לאדמה השיקולים בהטמנת המכלים מעט שונים וקשורים גם לנזק העקיף שיכול לקרות מפגיעה במיכל הסולר כגון דליפות ואש. גם במקרה הזה השיקולים דומים לשיקולים להגנה על הגנרטור וברור שאם הוגדר גנרטור מוגן, גם מיכל הסולר צריך להיות מוגן. לעיתים נרצה להגן על מיכל הסולר גם אם הוחלט שהגנרטור לא יהיה ממוגן בעיקר באזורים מיושבים, במתקנים בהם שוהים אנשים רבים או במקומות שהאסטטיות חשובה.

לעיתים התקנה של יותר ממערך גנרטורים אחד (או הכנה לחיבור גנרטור נייד נוסף) יאפשר שלא למגן את הגנרטורים גם במבנה ממוגן בהנחה ששרידות המערכת מושגת ע"י הכמות. לפעמים זה אפילו יותר זול לרכוש גנרטור נוסף ולא למגן.

6. כמה מערכי גנרטורים נדרשים – השיקול באפיון כמות מערכי הגנרטורים הנדרשים הוא חלק מהגדרת השרידות של המבנה. הנטייה הטבעית היא כמה שיותר, יותר טוב, אבל היא כמובן עולה הרבה כסף ולא רק ברכש הגנרטור אלא בתחזוקה ובחידוש משק לאורך זמן. ההחלטה על כמות המערכות צריכה להגיע לדיון עם היזם / הלקוח תוך כדי הצגה של משמעויות לתפקוד המבנה ומשמעויות העלות ע"מ לקבל החלטה של התועלת מול העלות. בתרשימים הבאים מוצגות כמה אופציות לאפיון מערכי גנרטורים למבנה עם המלצות למתארי מבנים שונים ותקציבים שונים.

7. גנרטור מושתק – גנרטורים עושים רעש, והרבה רעש. בשנים האחרונות החלו לייצר גנרטורים מושתקים המיועדים להצבה במקומות בקרבת אנשים. הגנרטור המושתק כולל מפלט מתקדם וכיסוי מנוע עם בידוד רעשים וכמובן עולה יותר, לכן הגדירו באפיון גנרטור מושתק רק אם נדרש.

8. חיבור גנרטור יחיד לכניסה בודדת של חברת חשמל – חיבור כזה ייתן מענה לנפילת רשת החשמל אולם עדיין קיימת במבנה נקודת כשל בודדת והיא לוח החלפת הגנרטורים שבמקרה ותהיה בו תקלה המבנה יושבת, מערכת כזו היא זולה יחסית ונותנת מענה סביר במקומות שבהם מערכת החשמל אינה יציבה. מערכת כזו הגם שנותנת מענה טוב לתקלות מרשת החשמל אינה המתאימה למבנים קריטיים ולמערכות נותנות שירות קריטי כגון מערכות תקשורת מרכזיות, או מחלקות טיפול נמרץ בבתי חולים.

סכמה של חיבור יחיד של חברת חשמל וגנראטור יחיד לגיבוי

9. חיבור כפול של חברת חשמל עם גנרטור בודד, תצורת גיבוי N (כאשר N מציין את כמות הרכיבים) – חיבור שריד שנותן מענה לנקודת כשל אחת כך שגם בתקלה של לוח העברת הגנרטורים המבנה עדיין יתפקד. מערכת זו היא מערכת טובה מאד גם למבנים קריטיים רק שהיא מצריכה חיבור כפול מרשת החשמל שלא זמין בחלק מהמקרים.

סכמה של חיבור כפול חברת חשמל וגנרטור יחיד

10. חיבור כפול של חברת חשמל עם גנרטור כפול, תצורת גיבוי גנרטורים 2xN – חיבור שריד שנותן מענה מצוין למבנים קריטיים כך שגם כשל או פגיעה במערך כניסה אחד לא ישבית את המבנה

חיבור כפול של חברת חשמל עם שני גנרטורים - תצורת 2xN

11. חיבור כפול של חברת חשמל עם מערך גנרטורים כפול, תצורת גיבוי (2x(N+1– חיבור שריד שנותן מענה מצוין למבנים קריטיים ורגישים כך שגם כשל או פגיעה במערך כניסה אחד ותקלה באחד הרכיבים במערך הגנרטורים השני, המערכת תמשיך לתפקד באופן מלא. זו תצורה מאד נדירה ומאד יקרה ועל כן היא תתוקן במבנים בעלי חשיבות אסטרטגית לאומית. אפיון זה נותן תשובה להגדרת שתי תקלות.

חיבור כפול של חברת החשמל עם שני מערכי גנרטורים – (2x(N+1

כמובן שאפשר לאמץ גישות ביניים של ארבעת הדוגמאות, לדוגמא, אם אין בנמצא אספקת חשמל כפולה מרשת החשמל ניתן עדיין לייצר שני מערכי גנרטורים לשרידות 2N עם כניסת רשת אחת.

במבנים רבי קומות או מבנים גדולים ייתכן ותהיה דרישה של יועץ הבטיחות להתקנת גנרטור עבור הפעלת המעליות או אמצעי הכיבוי. גנרטור זה בד"כ קטן ומיועד רק למערכות אלו ואינו יכול לגבות את כלל מערכות המבנה. המאפיין לא נדרש להגדיר גנרטור כזה במסמכי האפיון מאחר וזו דרישה של היועצים עפ"י תקנים במהלך התכנון. כן ניתן להגדיר שילוב של מערכות אלו בגנרטור שהוגדר ע"י המאפיין ולחסוך עלויות במהלך הפרויקט.

לסיכום, אפיון מערכת הגיבוי של הגנרטורים צריך לכלול את הנושאים הבאים:

1. מיפוי צרכנים שצריכים להיות מגובים ע"י הגנרטור

2. כמה כניסות חשמל רשת נדרשות למבנה – אחת או שתיים

3. האם נדרש גנרטור – כן / לא

4. מה תצורת השרידות הנדרשת למערך הגנרטורים - N, 2xN, 2x(N+1)

5. מה זמן הגיבוי הנדרש למבנה – 6 שעות, 24 שעות, 72 שעות או שבוע

6. הפעלה אוטומטית או ידנית

7. חזרה שקטה או רגילה

8. האם הגנרטור צריך להיות ממוגן (אם כן, המיגון יהיה בהתאם למיגון יתר המבנה)

9. האם מיכל הסולר צריך להיות טמון / ממוגן

10. האם הגנרטור צריך להיות מושתק

טכנולוגיות חדשות בתחום הגנרטורים

באפן רגיל נהוג לחשוב על גנרטור ככלי גדול, רועש ומוזן בסולר מזהם קרקע ומזהם סביבה. בשנים האחרונות ישנם פיתוחים חדשים בתחום שבהחלט יכולים בעתיד להחליף את הגנרוטר הקלאסי.

אחד הפיתוחים החדשים בתחום הגנרטורים (למרות שהטכנולוגיה כבר די ותיקה) הוא שימוש בתאי דלק (למעשה סוללה גדולה מאד). תא דלק הינו מכשיר אלקטרוכימי שמשתמש בחמצן ומימן ליצור אנרגיה, ללא פליטה של חומרים מזיקים או מזהמים. תא הדלק מורכב מזוג אלקטרודות, קתודה טעונה חיובית ואנודה טעונה שלילית אשר מופרדות על ידי אלקטרוליט נוזלי. תא דלק ימשיך לייצר אנרגיה כל עוד נמשיך לספק לו דלק (מימן) וחמצן. יצור החשמל מתרחש כתוצאה מתגובה אלקטרוכימית של הגזים, וללא בערה פנימית. לכן הפליטות היחידות של התהליך הינן מים וחום. גנרטור המבוסס על תאי דלק אינו רועש (למעשה הוא שקט לחלוטין) ואינו מזהם את הסביבה ועל כן הוא יכול להתאים להתקנה באזורים שבהם התקנת גנרטור בעייתית בהיבטי רעש או מיגון הגנרטור

גנרטור של GenCell מדגם G5 – מונע בתאי דלק[1]

חברת טויטה היפנית מוכרת כבר שנים מכונית בייצור מסחרי מבוססת על הנעה של תאי דלק – מיראג' שמה וגם חברת דימלר שכוללת בין השאר את תחום המשאיות של מרצדס מוכרת כלי רכב מונעים במימן.

טויוטה מיראג'

אז אם זה כל כך טוב אז למה לא? כי לכל דבר טוב יש גם צדדים פחות טובים, ראשית גנרטור מבוסס מימן מצריך מימן, ומימן הוא חומר בעייתי בשינוע ובאחסון (הוא די נפיץ ונשמר בלחץ גבוה מאד במיכל כדי לשמור את המימן נוזלי) . בנוסף, הטכנולוגיה הגם שהיא די ותיקה לא מצליחה להגיע לנצילות גבוהה מספיק וחלק מהאנרגיה מתבזבז כחום שצריך לפנות אותו מסביבת הגנרטור. הסיבה העיקרית שבגללה נמנע בד"כ מאפיון של גנרטור מונע מימן היא השמרנות של אנשי החשמל בארגונים לחידושים והעובדה שטכנולוגיה לא בשלה היא סיכון גדול מידי ביחס עלות - תועלת.

[1] https://www.new-techonline.com/