פרסם אצלנו
צור קשר
יום רביעי 27.10.2021
גנראטור הממיר חום מהאוויר לאנרגיה חשמלית
07/02/2010 12:59

חשיפה ראשונה של הפטנט על 'גנראטור אוויר' שעל-פי תחשיבי בעל ההמצאה, המהנדס ישראל הר, יאפשר לייצר חשמל במחיר של פחות מ-4 סנט לקווט"ש


מאת אלכס דורון
חברה ישראלית פיתחה טכנולוגיה פורצת-דרך בתחום האנרגיה החלופית. בעוד שעיקר תשומת הלב מופנית באחרונה לחידושים ומיזמים בתחומי האנרגיה הסולארית, או אנרגיית הרוח – חברת "איירפאוור" רשמה פטנט להמרת חלק מהחום האצור באוויר לאנרגיה שימושית. לא רק חשמל, גם כמקור אנרגיה מכאנית להנעת כלי-רכב ואפילו ספינות ומטוסים.
"הרעיון שמאחורי הפטנט איננו מבוסס על קליטת קרינת השמש או אנרגיה קינטית של הרוח, אלא על עקרונות פיזיקאליים של "תורת הזרימה הדחיסה'", כך אומר מייסד חברת Airpower, מהנדס האווירונאוטיקה ישראל הר, החושף לראשונה ב-Energianews.com את פרטי המצאתו.
-לפני הכול: תסביר בבקשה מהי תורת הזרימה והדחיסה. לא רבים מבינים במה המדובר?
ישראל הר: "תורה זאת עוסקת ביחסים התרמו-דינאמיים המתקיימים בגז (כמו האוויר) זורם. הדבר בא לידי ביטוי, למשל, בתופעות אקלימיות כמו סופות הוריקן. בסופה מתרחשת המרה של אנרגיה תרמית לאנרגיה קינטית. אויר חם (כ-30 מעלות צלזיוס) ולח, המצוי בריחוק של 1000 ק"מ מעין הסערה, נע במהירות נמוכה של כ-20 קמ"ש לעבר עין-הסערה. תוך כדי האצת האוויר - הוא מתקרר, ואז מתחילים להופיע עננים. הם נעים ברוח המאיצה לכיוון עין-הסערה (בגלל הלחץ הברומטרי הנמוך השורר בעין-הסערה). ההאצה הנוספת הזאת מקררת את העננים ואלו מתפתחים ומתחילים להמטיר גשם. הפיכת אדי המים למים נוזלים (גשם) מצמצמת את נפח האוויר. כך נוצר שקע ברומטרי, הממשיך לשאוב אוויר חם ולח ממרחקים. כאשר האוויר חם והלח 'אוזל', סופת ההוריקן דועכת. תורה פיזיקאלית שלמה נבנתה על בסיס ההתרחשות הטבעית הזאת".

הר עבד 20 שנה ביצרנית מטוסים ישראלית והשתתף בתכנון מטוסים שונים. הוא גם חתום על כמה פטנטים בתחומים שונים, שאין להם שום קשר לאנרגיה או לתעופה וביניהם: יצירת רשת מכוניות להשכרה עצמית, Car-Sharing המופעלת עתה במקומות שונים בגרמניה, שוויץ וארה"ב. צרפת מכניסה אותה עכשיו לשימוש בפריס (מהלך שזכה לתהודה רבה בתקשורת הבינלאומית) בשם המותג Auto-Lib. כמו-כן רשם פטנט על מערכת אתראה מפני אפשרות שבעל כרטיס האשראי ישכח אותו בידי נותן שירות או בעת ביצוע עסקה.
-כיצד נראית המערכת, או המתקן, שפיתחת ומבצע את ההמרה של חום האצור באוויר – לאנרגיה ולחשמל?
"מעשית, יחידת הפקה 1 מגה-וואט נטו חשמל היא מתקן שצורתו גליל בקוטר 2 מטר ובאורך 7 מטרים. המתקן שואב אוויר מהסביבה, מאיץ אותו בתוכו. תוך כדי ההאצה, האוויר מתקרר ומניע טורבינה שמניעה גנראטור חשמלי. מספר יחידות שכאלו ניתן להציב, אחת על גבי השנייה במגדל, על הקרקע בשטח פתוח או על גג בניין. לפי חישוב שביצענו בחברה יכול מגדל כזה להגיע גם לגובה של 100 מטר. הוא יכיל 45 גלילים במשקל כולל של 300 טונות. אבל מגדל כזה יוכל להפיק 45 מגה וואט חשמל, 24 שעות ביממה, כשעלות ההפקה היא 4 סנט לקילו-וואט-שעה. יחידות קטנות בקוטר של 1 מטר יפיקו 200 קילו-וואט. משקל היחידה יהיה כ-2 טונה. עלותו נאמדת בכ-400 אלף דולר. יחידה זו תותקן על בסיס בגובה של כ-6 מטרים".
-האם מערכת כזאת מתאימה גם למגזר הביתי ?
"כן, בוודאי. על-פי חישוב שערכנו (פרטים ותמונה באתר החברה http://www.airpower.co.il( דירה ישראלית ממוצעת מקבלת כיום, בפאזה אחת 25 אמפר – כלומר שווה-ערך ל-6.5 קילו-וואט חשמל. גנראטור אוויר לשימוש ביתי יפיק 10 קילו-וואט חשמל. מחירו של המתקן יהיה כ-10 אלפים דולר. ניתן יהיה להציבו על גג הבית. הוא יהיה באורך של כ-2 מטר ומשקלו כ-250 ק"ג".
-ומה יהיה מחיר החשמל ממתקן ביתי כזה?
"כ-1.5 סנט לקילו-וואט-שעה. וזאת לעומת 12 סנט של עלות החשמל הנרכש מחברת החשמל".
-ציינת בתחילת דבריך שעלות הפקת החשמל תהיה 4 סנט לקווט"ש?
"כן. אבל כשמדובר ב- 1.5 סנט לקווט"ש הכוונה לכך שבעל המתקן הביתי מממן את רכישת הגנראטור. ואילו כשמדובר בחברת החשמל הרי היא זו שממנת את הקמת מתקן היצור ומוכרת והיא איננה מוכרת את החשמל במחיר עלות".
-האם הגנראטור שפיתחתם, חייב להיות מוצב אנכית או אופקית?
"עקרונית, ניתן להציבו כך וגם כך – אולם כדי לחסוך בשטח הקרקע, מתקן הגלילים מוצב האחד על גבי השני. כך ייוצר מגדל שיפיק 100-10 מגה-וואט שיעמוד על שטח קרקע של כ-30 מ"ר ולידו שטח של כ-200 מ"ר לצרכי תחזוקה. מתכונת זאת היא דרך מעשית לחסוך במשאב היקר מאד: קרקע. כך גם תוקטן הביורוקרטיה הנדרשת להקמת תחנות כוח גדולות של 1000 מגה-וואט. מגדל של 45 גנראטורים שיתנשא לגובה של כ-100 מטר - כגובה בניין בן 33 קומות – ידרוש שטח של לא יותר מ-300 מ"ר - לעומת שטח גדול פי 400 הנדרש להפקת 45 מגה-וואט חשמל מקולטים פוטו-וולטאים או מראות. בהשוואה לטורבינת רוח, כמו אלו שהוצבו ברמת הגולן, הרי שכל טורבינה צורכת שטח הגדול פי 25 מכל מגדל בהמצאה שלנו – והמגדל יפיק גם פי 15 יותר חשמל מטורבינת הרוח. אם מביאים בחשבון את הזמן "היעיל" של טורבינת רוח, שהוא כ-שביעית (1/7) הזמן בשנה, אזי ניצולת השטח לאנרגיה המופקת באמצעות המגדל של אייר-פאוואר היא פי 2600 מחוות טורבינות-רוח".
האם קיימות הגבלות היכן ניתן או לא ניתן להציב מגדלים כאלו בארץ?
"כל אזור פתוח בארץ מתאים לכך. גם בגליל, גם בנגב. מה שעוד מייחד את הטכנולוגיה הזאת מהאחרות זו גם העובדה שהמרת החום שבאוויר נעשית כל השנה, ביום וגם בלילה, כי מדובר בהפקת אנרגיה מהאוויר ולא ישירות מקרינת השמש. לכן שיטה זאת יעילה גם בלילה וגם בחורף כיוון שהבדלי הטמפרטורה של האוויר בין החורף לקיץ – יחסית לאפס המוחלט (מינוס 273 מעלות צלזיוס) קטנים והאוויר החורפי מכיל כמויות עצומות של חום".
-כללית, ועל פניה, הטכנולוגיה של אייר-פאוואר מזכירה את הרעיון של 'ארובות השרב' שהעלה פעם פרופ' דן זסלבסקי. הוא לא זכה להצלחה גדולה.
"אין כל קשר בין 'ארובות השרב' לבין המרת חום אצור באוויר - לאנרגיה. אלו הם שני תהליכים שונים בתכלית וגם הממדים של המתקנים – אחרים. ארובת השרב של זסלבסקי היא מגדל. היה מדובר בגובה של 1200 מטר ובקוטר של 400. לפי אותו רעיון, ארובת-שרב בהספק של 1000 מגה-וואט חשמל אמורה הייתה לעלות 2.3 מיליארד דולר. הבעיה היא שהיה גם צורך להשקיע 2.3 מיליארד דולר גם כדי לדעת אם החישובים נכונים. לארובת-שרב יש השפעות סביבתיות שצריך היה להביאן בחשבון, כמו רסס מלח בכמויות עצומות, פגיעה בנוף וסכנות אחרות שקשה להעריכן עקב חוסר הניסיון בבניית מבנים גבוהים כל כך".
-מה יש לעשות כדי להוכיח את היתכנות הפקת אנרגיה מהאוויר לפי שיטת אייר-פאוואר?
"כאן יש צורך בהשקעה של לא יותר מכמה מאות אלפי דולר. למעשה, ניסויים שנערכו בארה"ב, עוד בשנות הארבעים של המאה ה-20 הוכיחו שניתן להפיק אנרגיה מחום האוויר. עניין זה היה שולי בניסויים שנערכו, והמהנדסים שביצעו אותם לא כתבו על כך דבר. אולם תוצאות הניסויים שפורסמו, מוכיחות עניין זה בבירור, עבור מי שיש לו ידע בתורת הזרימה. גנראטור האוויר של אייר פאוואר מתבסס על חוק שימור האנרגיה לזרימה דחיסה כפי שנוסח בידי ברנולי כבר לפני 100 שנה. כל סופת הוריקן מדגימה את העיקרון הזה של הפקת אנרגיה קינטית מאנרגיית חום מהאוויר".
-ומהו העיקרון בארובת השרב?
"עיקרון העבודה של ארובת-שרב, שונה לחלוטין. הוא מתבסס על שאיבת מים לראש הארובה והפלתם מראש הארובה על-מנת ליצור זרם אוויר קר היורד לתחתית הארובה ומניע טורבינות. אלה הבדלים עצומים בין שתי ההמצאות".
-האם קיים כבר לפחות אב-טיפוס, דגם ישים, שמדגים את הטכנולוגיה שפיתחתם באופן מעשי?
"תכנון האב-טיפוס הושלם ממש בימים אלו. בנינו מודל ממוחשב, המתאר את התהליכים במיתקן. זהו הבסיס לתכנון הגנראטורים בכל הספק רצוי. הרצנו את המודל הממוחשב על מתקני ניסוי שערכה הועדה הלאומית האמריקנית המייעצת לנושאי אווירונאוטיקהNACA וקיבלנו התאמה מצוינת עם תוצאות הניסוי, כולל תוצאות המוכיחות הפקת אנרגיה מחום האוויר. כחודש לאחר גיוס הכסף, על-פי התוכנית הנוכחית, תסתיים הבניה של מתקן בקוטר של 50 ס"מ, באורך של כשני מטר שיספק 6 קילו-וואט חשמל נטו. הוא יראה כמו מנוע סילון קטן השואב את האוויר מצד אחד ופולט אוויר קר יותר, ב-5 מעלות צלזיוס, בצדו האחר. הפער הזה שבין טמפרטורת האוויר הנכנס לבין הטמפרטורה ביציאה - הוא האנרגיה התרמית אשר מומרת לחשמל".
-ובכמה זה מתבטא?
"כל הורדה של 1 מעלת צלזיוס עבור 1 ק"ג אוויר, היא שוות-ערך ל-1 קילו-וואט הספק אנרגיה לשניה. אם המערכת תשאב 2 ק"ג אויר בשנייה אחת ותוריד את הטמפרטורה של האוויר הנשאב ב-5 מעלות, נגיע להספק ברוטו של 10 קילו-וואט חשמל, שהם כ-6 קילו-וואט חשמל הספק נטו".
-מדוע אתה מדגיש את עניין הספק הנטו?
"כיוון שבגנראטור האוויר של 'אייר פאואר' יש להשקיע אנרגיה בשאיבת האוויר. מסיבה זאת אני מדגיש את עניין ה'נטו' .".
-גנראטור אוויר דומה במהותו לטורבינת רוח. שתי מערכות אלו מפיקות אנרגיה מהאוויר. ובכל זאת מה השוני ביניהן?

"טורבינת רוח פועלת רק כאשר יש רוח. היא ממירה אנרגיה קינטית טבעית (רוח) לחשמל. לעומתה, "גנראטור אוויר" ממיר את החום האצור באוויר לאנרגיה קינטית ואת האנרגיה הקינטית לחשמל. מאחר שהאוויר האטמוספרי חם כל השנה, הגנראטור של 'אייר פאוואר' יפעל 24 שעות ביממה. זה מגדיל את תפוקת החשמל ומוזיל מאד את עלות ייצורו, וגם מבטיח אספקת חשמל רצופה. בניגוד לשיטות הפקת החשמל מהרוח או מאנרגיית השמש שאינן מסוגלות לספק חשמל 24 שעות ביממה, 365 ימים בשנה. ועוד דבר : כשמהירות הרוח באזור בו מוצבת הטורבינה מגיעה ל-25 מטר בשנייה, עוצרים את פעולת הטורבינה. לא רבים יודעים זאת. הסיבה: כדי למנוע נזק לטורבינה. אין טעם לתכנן את כנפי הטורבינה למהירות רוח חזקה יותר, מכיוון שרוח כזו היא די נדירה. לכן לא משתלם לתכנן טורבינות-רוח עבור מהירות רוח הגבוהה מ- 25 מטר לשנייה. בעיה כזאת איננה קיימת בטכנולוגיה שלנו. צריך לזכור עוד כי האנרגיה הקינטית של 1 ק"ג אוויר הנע במהירות של 25 מטר לשנייה, שווה ל-313 וואט חשמל. לעומת זאת, החום האצור ב-1 ק"ג אוויר בטמפרטורה של 0 מעלות צלסיוס, גדולה פי 873 מהאנרגיה הקינטית הזאת. מכאן שהמאגר הגדול ביותר של אנרגיה שאותה ניתן להמיר לחשמל מצוי בחום האוויר האטמוספרי. האוויר האטמוספרי מתחמם מדי יום על-ידי השמש. זוהי אנרגיה מתחדשת במיטבה. השמש מחממת את האוויר מ-'האפס המוחלט' ועד ל-15 מעלות צלזיוס בממוצע גלובלי. זה מאגר עצום של אנרגיה שניתן להפוך אותו למקור חשמל. סופות הוריקן מנצלות מאגר זה בסוף הקיץ, כאשר מי האוקיינוס חמים ומעליהם הצטברה כמות גדולה של אוויר חם ולח".
-אתה מציג עתה את הטכנולוגיה הזאת וגם רשמת פטנט, נכון?
"הוגשו בקשות פטנט וחלקן כבר אושר. החברה קיימת מ-2008 ומוגדרת עדיין כסטארט-אפ. בנוסף לרישום פטנט אחד, הגשנו בקשות במדינות נוספות. הן נבחנות עתה ברשויות לבחינת בקשות הפטנטים בארה"ב, האיחוד האירופי, הודו, סין ויפן. אני מעריך שהסיכויים לקבלת הפטנטים – מצוינים. בפרויקט הושקעו עד כה 200 אלף דולר, ההשקעה בחברה נעשתה ממש לפני שפרץ המשבר הכלכלי בסוף 2007. לאחר מכן היו קשיים בגיוס כספים לבניית האב-טיפוס. אלא שעתה, נוכח ההתאוששות המסתמנת בשוק הפיננסי מתחדשים המגעים למציאת משקיעים. אני יכול בשלב זה רק לחשוף את העובדה שחברה תעשייתית גדולה בארץ מגלה כבר עניין רב בנושא הזה".
-נחזור לעניין השטח הקרקעי הנדרש למגדל הממירים. מבט חטוף מעלה שזה אולי היתרון הגדול ביותר שבהמצאה שלכם, בהשוואה לשדה סולארי...
"לשיטה זו כמה יתרונות חשובים יותר: עלות הפקת חשמל נמוכה, הפקת חשמל רציפה 365/24, ללא זיהום סביבתי וגם הפקת מים נקיים כתוצר לוואי. נכון שגם מושג כך חיסכון גדול בקרקע. מגדל הגנראטורים איננו בולע קרקע כמו המתקנים הפוטו-וולטאיים או מתקנים תרמוסולאריים. זו אנרגיה נקייה במאה אחוז. וכאמור היא גם יכולה להניע מכוניות".
-ומהן העלויות הכספיות?
"אני מדגיש שנית: מחיר החשמל המופק מהאנרגיה האצורה בחום האוויר הוא פחות מ-4 סנט ל-1 קווט"ש. זה המחיר הכי זול בעולם לחשמל שמיוצר מאנרגיה נקייה ומתחדשת. ההוצאות הכרוכות במערכת המייצרת אותו יהיו רק על תחזוקה. וגם כאן, מדובר בתחזוקה זולה יותר, בהשוואה לתחזוקת התאים הפוטו-וולטאיים, או המראות – שיש צורך כל הזמן לנקותם מאבק. תחזוקת המגדל פשוטה וזולה כיוון שכל יחידת הפקה היא מודולארית. כאשר היא מתקלקלת, ניתן להחליפה בתוך חצי שעה מבלי לפגוע ביצור החשמל של היחידות האחרות. מאחר ש-45 יחידות מותקנות אחת מעל השנייה, קל גם להגיע אל כולן במהירות גבוהה באמצעות מעלית תחזוקה הבנויה בצד המגדל. כך נחסך זמן רב של עובדי תחזוקה".
-ואם משווים את נושא התחזוקה מול טורבינת רוח?
"גם כאן – ההשוואה מציגה את יתרונות המגדל. כשעלותה של טורבינה המייצרת 3 מגה-וואט היא 3 מיליון דולר, או מיליון דולר לכל מגה-ואט ( ללא עלות התקנה), .גנראטור אוויר בהספק של 1 מגה-וואט יעלה כ- 2 מיליון דולר אבל ייצר כמות חשמל גדולה פי 7 וזה מה שיוזיל את הפקת החשמל לכדי שליש מעלות חשמל מטורבינת הרוח. היתרון הגדול הוא הפקה רציפה של חשמל בלי תלות ברוח. כיום, לא ניתן לבסס מערכת אספקת חשמל על רוח מכיוון שאין מצב שבו הרוח נושבת כל השנה באופן רציף. אגב, מחיר החשמל המיוצר בטכנולוגיה הפוטו-וולטאית עומד על 18 סנט לקווט"ש. אני משווה את המתקן שלנו גם מול הפרויקט הבינלאומי הגדול שיזמו הגרמנים, ה-DESERTEC – ליצור חשמל סולארי במדבר סהרה – שיגיע ליבשת אירופה. להערכתי, מחיר החשמל הזה, בגרמניה יהיה 30 סנט ל-1 קווט"ש. ואילו הטכנולוגיה שפיתחנו מדברת על 4 סנט ל-1 קווט"ש. אם המגדלים שלנו יוצבו – וזאת התוכנית - בספרד, איטליה ובאזורים אחרים ומהם נספק את החשמל לאירופה - יקוצרו דרכי הובלה החשמל ב- 1000 קילומטר וגם לא יהיה צורך במערכת הולכה מתחת לים התיכון. התוצאה תהיה שעלות החשמל שיופק בספרד , תהיה רק כ- 15 סנט בגרמניה"
-האם לטכנולוגיה הזו שימושים נוספים?
"בהחלט, ניתן להתקין במכונית משפחתית ( בגודל מאזדה 3) גנראטור אוויר קטן בהספק של 40 קילו-וואט והוא יוכל לשמש לטעינת סוללות החשמל במכונית החשמלית. התקנת גנראטורים כאלו, תקדם את השימוש ברכב חשמלי כיוון שהיא תסיר את מגבלת טווח הנסיעה ותייתר את מתקני החלפת הסוללות של בטר פלייס".

-איך זה שלא "עלו" על הטכנולוגיה הזו לפניך?
"ניסויי מעבדה שנעשו בידי ה-NACA בארה"ב בתקופת מלחמת העולם השנייה הוכיחו הפקת אנרגיה מחום האוויר. וכאמור, עורכי הדוחות לא כתבו על כך דבר. למה? אינני יודע. גם מתכנני מטוס הקרב של מלחמת העולם השנייה, המוסטנג P51 עלו על רעיון דומה שהגביר את מהירות הטיסה המרבית. העניין פורסם בשעתו בספר של הוצאת ג'יינס ( (Janes . העיקרון הפיסיקלי לא פורסם. הפוטנציאל הכלכלי לא הובן. הצגתי בשעתו עובדה זו למהנדסי התעשייה האווירית. לא אתפלא אם יפסידו הזדמנות השקעה באייר פאואר".

-הצגת את הטכנולוגיה שלך לעמיתים בקהילה המדעית וההנדסית בישראל? קיבלת תגובות?
"הראיתי את השיטה לדב רביב, אבי טיל החץ. הוא רצה להשקיע. אבל התמוטטות הבורסה מנעה זאת. נפגשתי גם עם אנשי התעשייה האווירית. שגילו עניין אך לא הגענו להסכמה על נוסח ההסכם הראשוני בינינו. באחרונה הצגתי את הטכנולוגיה לחברה גדולה בישראל והיא עשויה להיכנס לתחום".
-ומה דעתך על החברות במשק הישראלי הפועלות עתה להקמת תחנות סולאריות?
"הן השקיעו בטכנולוגיות ידועות והן חוששות שהטכנולוגיה של 'אייר פאוואר' תוריד את השקעתן לטמיון. להערכתי, חברות אלו מעוניינות בהחזר ההשקעה ע"י חתימת הסכמים עם המדינה להקמת תחנות כוח, כאשר המדינה מתחייבת למחיר רכישת החשמל באופן שיבטיח את ההחזר ההשקעה שבוצעה על ידן. נפגשתי עם מנהלי כמה מהחברות. למעשה הם רצו לדעת את המרחק להוכחת ההיתכנות ולא היו מעוניינים להשקיע ב'אייר פאוואר' כי השקעה כזו הייתה מוחקת את ההשקעה הגדולה שביצעו וגם הייתה מעמידה אותם במצב לא נעים מול המשקיעים. לדעתי מנהלים אלה טועים. אבל חובת ההוכחה מוטלת עלי".
חדשות האנרגיה מעיר:
לוחות פוטווולטאיים לא צריך לנקות מאבק,ועלות הפקת חשמל פוטווולטאיי כיום ירדה לפחות מ-10 סנט לקילוואט .


מחירי סחורות
מדדי נפט וזהב
EIA today in energy