התפלת מים ללא חשמל

אומנם כל הנחלים זורמים לים – אבל בישראל גם הים עצמו זורם, לברזים של כולנו. כמו שהישראלים אוהבים להתגאות, מדינתנו הקטנה היא מעצמה בכל הנוגע להתפלת מים, עם חמישה מתקני התפלה שפרוסים לאורך הים התיכון ושמפיקים כ-75 אחוז מצריכת מי השתייה במדינה, ועם התכנון להקים שניים נוספים בשנים הקרובות.

פתרון מושלם לארץ מדברית? ייתכן, אבל שום דבר לא בא בחינם: כדי להפוך את מי הים או מים מליחים לראויים לשתייה, מתקני ההתפלה בישראל צורכים חשמל רב. המצאה חדשה, שהוצגה לאחרונה בכנס הארצי הדו-שנתי לתלמידי מחקר במכון לחקר המים ע"ש גרנד בטכניון, מציעה לפתור את הבעיה האנרגטית, וייתכן שאף לחולל מהפכה בזמינות של התפלת מים ברחבי העולם. כך, חוקרי הטכניון מתפילים מים בעזרת טורבינת רוח ייחודית שפועלת ללא כל שימוש בחשמל, שהיא זולה וקלה לשימוש ולתחזוקה.

נעים להכיר – טורבינת ציר אנכי

כמות החשמל שנצרכת כיום על ידי תהליכי ההתפלה עומדת על כ-3.5 קילוואט-שעה (קוט"ש) עבור כל מטר מעוקב של מים. לשם המחשה, ב-2015, כ-4 אחוזים מכלל החשמל שהופק בישראל שימש לצרכי התפלה. בנוסף למחיר הסביבתי הכבד של צריכת האנרגיה הנרחבת, שמיוצרת בישראל ברובה על ידי שריפת דלקי מאובנים, הצורך בחשמל רב הופך את הטכנולוגיה של התפלת וטיהור מים לקשה להשגה עבור יותר ממיליארד איש ברחבי העולם שאין להם גישה למים נקיים.

במרכז ההמצאה החדשה עומד השימוש בטורבינת רוח מסוג שלא רבים מכירים – טורבינת ציר אנכי. הסיבוב בטורבינות אלה מתבצע מסביב לציר שמאונך לקרקע (כדי להבין את כיוון תנועת להבי הטורבינה, דמיינו אדם שרץ סביב עמוד חשמל) – זאת בניגוד לטורבינות הרוח המוכרות יותר, שמסתובבות סביב ציר אופקי.

למרות הדומיננטיות של טורבינות ציר אופקי, לחברותיהן אנכיות הציר יש מספר יתרונות משמעותיים – שהראשון שבהם הוא מהירות הסיבוב האיטית שלהן. "קצה הכנף של טורבינה 'רגילה' מסתובב במהירות שגבוהה בערך פי 7 ממהירות הרוח שמגיעה אליה, בעוד שהקצה של הטורבינה שלנו מסתובב בערך באותה מהירות כמו הרוח – כלומר, עד פי 7 לאט יותר מטורבינות רוח מסורתיות", מסביר דוד קייסר מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון, שעמד בראש המחקר תחת הנחיית פרופ' דוד גרינבלט, במסגרת עבודת הדוקטורט שלו בתוכנית לאנרגיה של הטכניון – GTEP. "טורבינות ציר אנכי יכולות לפעול היטב גם במהירויות רוח נמוכות, ולהיות יעילות מאוד בהפקת אנרגיה ביחס למהירות הסיבוב שלהן וגודלן". לדברי קייסר, קצב הסיבוב האיטי הופך את הטורבינה עם הציר האנכי לשקטה בהרבה מהטורבינות אופקיות הציר, ובנוסף לבטוחה לציפורים – שמסוגלות לראות את הלהבים ולא נתקלות בהם.

לפי קייסר, יתרון נוסף של הטורבינות אנכיות הציר מצוי בכך שהסיבוב מתרחש במאונך לקרקע, בעמוד שנמתח לאורך כל גובה הטורבינה – כך שאפשר למקם את הגנרטורים שבהם מיוצר החשמל או את המכשירים שמשתמשים באנרגיה הסיבובית סמוך לקרקע, ואין צורך להציב אותם בראש הטורבינה כמו באלה בעלות הציר האופקי. הדבר מקל על ההתקנה והתפעול השוטף שלהם.

יתרון משמעותי אחרון הוא שטורבינות ציר אנכי יכולות לקבל רוח מכל כיוון כדי להסתובב. טורבינות ציר אופקי פועלות בצורה אופטימלית כשחזיתן פונה בדיוק אל כיוון הרוח או בדיוק בניגוד לכיוון הרוח (בהתאם לעיצובן). אפשר לחשוב עליהן כמו על מאוורר הפוך – במקום להשתמש בחשמל כדי לסובב להבים שמביאים לייצור רוח, שנושבת לכיוון שאליו פונה חזית המאוורר – רוח שמגיעה אל החזית מביאה לסיבוב הלהבים, מה שמייצר חשמל. בניגוד לאופן הפעולה הזה, להבי הטורבינות אנכיות הציר יכולים להסתובב מרוח שמגיעה משלל כיוונים שונים.

טורבינות למערכות קטנות

עם כל היתרונות הללו, מתבקש לשאול: מדוע לא משתמשים תמיד בטורבינות ציר אנכי במקום באופקיות הציר המוכרות? "טורבינות ציר אופקי הן עדיין טובות יותר עבור ייצור של כמויות גדולות של אנרגיה, והן היעילות ביותר מבחינה כלכלית בגדלים גדולים", מסביר קייסר. בנוסף, לדבריו, הציר והמסבים (חלק שמקטין את החיכוך בעת הסיבוב) של טורבינות רוח אנכיות-ציר נוטים להתפרק ולהיהרס מהר יותר מאשר אצל מקבילותיהן בעלות הציר האופקי.

"עם זאת, הבעיה הזאת מתרחשת בעיקר כשהטורבינות אנכיות הציר גדולות", אומר קייסר. "כשהן קטנות הן עובדות טוב ולא נהרסות במהירות". לכן, כשמדובר במערכות קטנות שנועדו לשימוש במקומות נידחים, על ידי אנשים שהם לא מקצוענים בתפעולן – היתרונות של טורבינות ציר אנכי, שכאמור פעילות גם במהירויות רוח נמוכות שמגיעות מכל כיוון שהוא וקלות להתקנה ולתפעול, הופכים אותן לעדיפות על פני הטורבינות אופקיות הציר.

טורבינה קטנה יכולה לספק מים לקהילה

מטרת המחקר החדש הייתה לפתח מערכת התפלת מים פשוטה וקטנה שמונעת ישירות מאנרגיית רוח. החוקרים התמקדו בהתפלת מים מליחים, ששיעור המלחים בהם עומד על עד 1 אחוז (כששיעור המלחים במי ים עומד על מעל 3 אחוזים). "הבנו שבטורבינות רוח ציר אנכי אפשר לעשות חיבור מכני ישיר (כלומר, ללא צורך להפיק חשמל ואז להניע באמצעותו את המשאבה, י.ש.) של משאבות מים שנמצאות על הקרקע לציר הסיבוב, וכך להניע את תהליך ההתפלה", מספר קייסר. כלומר, ציר הסיבוב של להבי הטורבינה מחובר ישירות לציר משאבת המים. בשלב הראשון, החוקרים חיברו משאבת מים לטורבינת ציר אנכי שאותה הציבו במנהרת רוח (מעין צינור גדול שמאוורר פועל בפתחו, שמייצר רוח במהירות נשלטת). הם ביקשו לבדוק אם המערכת יכולה לפעול בצורה אופטימלית ללא מערכות בקרה אלקטרוניות שמתאמות את הפעילות של הטורבינה והמשאבה – שדורשות חשמל.

לצערם של החוקרים, התוצאות של הניסוי הראשון היו מאכזבות. "בערך 3 אחוזים מהאנרגיה של הרוח הפכה לכוח הידראולי (כוח שאיבת מים, י.ש.) – שזה ממש לא יעיל", מסביר קייסר. "לקח לנו זמן להבין מה השתבש: הגודל של הטורבינה היה קטן מדי עבור המשאבה, והמשאבה לא הייתה מתאימה מספיק למערכת".

פרסום

עם זאת, החוקרים לא התייאשו. בניסוי השני הם השתמשו בטורבינה ייחודית, גדולה ויעילה יותר, שפותחה במעבדתם: טורבינה בגודל מטר על 80 סנטימטר, שעושה שימוש במערבולות אוויר כדי לשפר את היעילות שלה. בנוסף, הם בנו על בסיס תוצאותיהם הקודמות מודל מתמטי שמעריך בצורה טובה יותר איזו משאבת מים נדרשת להם. הם חיברו את המשאבה למים מליחים ולמערכת התפלה באוסמוזה הפוכה – שיטת ההתפלה המרכזית שבה נעשה שימוש כיום בישראל ובעולם. בשיטה זו, מי ים או מים מליחים מועברים בלחץ גבוה דרך ממברנה מוליכה למחצה: מים יכולים לעבור בה באופן חופשי, אך כ-99 אחוז מהמלחים נחסמים על ידה. אחרי המעבר בממברנה המים נקיים כמעט לגמרי ממלחים ואפשר לשתות אותם.

הפעם, הניסוי הסתיים בהצלחה אדירה. "הצלחנו לייצר מערכת שממירה כ-17-12 אחוז מאנרגית הרוח ישירות לכוח הידראולי, עבור כמעט כל מהירות רוח ועבור טווח מליחויות רחב במיוחד", אומר קייסר. "הדבר יעיל באותה המידה – או אפילו יותר – מהפקת חשמל מרוח ואז המרה שלו לאנרגיה הידראולית במשאבה חשמלית", מספר קייסר. "כך לדוגמה, כשמהירות הרוח עומדת על חמישה מטרים לשנייה – מהירותה הממוצעת אצלנו בחיפה – המערכת מסוגלת להפיק בין 1,000-500 ליטר של מים מותפלים ביום ולהסיר כ-98.5-93 אחוז מהמלחים (כתלות במליחות המים ובלחץ שלהם)". אומנם מדובר בכמות צנועה של מים, אך יש לזכור שהניסוי כלל מערכת הדגמה קטנה בלבד. בשלב הבא, החוקרים מתכננים לבנות מערכת גדולה יותר ולבחון את הפעולה שלה בנגב או בערבה, כדי לדמות פעילות באזורים נידחים שבהם יש צורך במערכת להפקת מי שתייה מתוקים לקהילות נזקקות.

בשורה לנזקקים למים נקיים

המערכת הפשוטה שפיתחו החוקרים עשויה להוות בשורה אמיתית לאוכלוסיות עניות-אנרגטית ברחבי העולם, שאין להן גישה למים מתוקים ונקיים. לפי האו"ם, מדובר בכ-1.2 מיליארד איש כיום – ועל פי התחזיות, בכ-1.6 מיליארד איש ב-2030. "בעצם, כל המערכת שפיתחנו עובדת בלי ייצור חשמל ובלי צורך לחבר אותה לרשת חשמל או למערכת אגירת אנרגיה", אומר קייסר. "המערכת קטנה וזולה יחסית כי היא לא כוללת שום רכיבים אלקטרוניים. עקב כך שהיא מכנית, היא גם הרבה יותר קלה לתפעול ולתיקון, וגם אנשים שאין להם הכשרה רחבה יכולים להקים אותה ולטפל בה".

בימים אלה, החוקרים נמצאים בעיצומו של תהליך הוצאת פטנט, כדי שיוכלו להפוך את המערכת למסחרית. הם מקווים להציב תוך שנים בודדות מערכות ראשונות שיספקו מים מתוקים באופן רציף בשטח. לפי קייסר, התפלת מים היא לא הייעוד היחיד שיהיה למערכות הללו: "הן יוכלו לשמש גם לשיפור איכות מי השתייה באופן כללי – אפשר יהיה לחבר אותן למתקנים שיכולים לנקות זיהומים מסוגים שונים וכך לטהר את המים", הוא אומר. "הרעיון הוא לפתח מערכות שונות של שילוב טורבינות ציר אנכי עם מתקני טיהור מים, שכולן יהיו פשוטות, זולות וקלות לתפעול".