חברת CCell וחברת Vicor משתפות פעולה לעודד צמיחת שוניות אלמוגים חדשות

מערכות חשמל חדשניות מאפשרות שיקום שוניות אלמוגים להצלת קווי החוף ולהגנת קהילות

על פי נתונים עדכניים, למעלה מ- 70% מקווי החוף בעולם הולכים ונשחקים, כאשר 200 מיליון אנשים ברחבי העולם מסתמכים על ההגנה המתאפשרת על ידי קיומן של שוניות האלמוגים. בעוד ש- 99% משוניות האלמוגים שנותרו כיום צפויות להיעלם עד שנת 2040, ישנה סכנה לאמצעי פרנסה כמו גם קהילות שלמות באזורים דוגמת מקסיקו, אינדונזיה ובתי גידול רבים באיים קטנים ברחבי העולם.

המשימה של CCell Renewables היא להיאבק בשחיקת קווי החוף ולשפר את המערכות האקולוגיות הימיות על ידי שיקום שוניות אלמוגים שניזוקו וגידול שוניות חדשות בקנה מידה נרחב. הטכניקה, שהומצאה על ידי ד”ר וולף הילברץ (Dr. Wolf Hilbertz) ומבוססת על אלקטרוליזה של מי ים, היא מהפכנית. תוך חמש שנים בלבד טכנולוגיה זו מאפשרת לייצר סלע גיר חזק במיוחד, שעד כה נדרשו מאות שנים להיווצרותו. בעוד שהילברץ גידל שוניות משוקמות קטנות, חברת CCell בונה מבנים גדולים בהרבה שצפויים להשפיע לטובה באופן רחב היקף על המערכת האקולוגית של חופי הים.

מחקרים מביעים על כך שאנרגיית הגל הכוללת צומחת ב- 0.4% בשנה כתוצאה מההתחממות מהירה של האוקיינוסים שלנו. המשמעות של היכולת לשחזר שוניות או לייצר חדשות שייתכן ויכולות להפחית את אנרגיית הגלים ב- 8% – 5% היא שייתכן וניתן יהיה לשקם את ההשפעה של גלים הפוגעים בחוף הים לרמות שהיו לפני כמעט 20 שנה. כתוצאה מכך, שחיקת קו החוף תיעצר וייתכן אף שיחול תהליך הפוך.

על מנת להשיג מטרה זו, יש ליצור את מבנה אבן הגיר שעליו גדלים האלמוגים בקנה מידה גדול, ללא זיהומים, עם מבנה מולקולרי חזק הגדל בקצב אופטימלי. תהליך האלקטרוליזה חייב להיות מדויק. הוא לא יכול להיות מהיר מדי או איטי מדי: אם הוא יהיה איטי מדי שום דבר לא יצמח, ואם הוא יהיה מהיר מדי איכות אבן הגיר לא תהיה סבירה.

דיוק ואתגרי חשמל

ישנם מספר רב של אתגרים בגידול שוניות ברות-קיימא בהיקף גדול במקומות מרוחקים וכמה מאות מטרים מהחוף. עם זאת, חברי צוות ההנדסה של CCell, המשלבים תשוקה לסביבה לצד מומחיות טכנית, פיתחו פתרונות חדשניים הנותנים מענה לאתגרים אלה.

מטרה נוספת עבור CCell היא להשתמש במקורות אנרגיה מתחדשים, כגון אנרגיה סולארית, רוח וגלים, על מנת להניע את מערכות גידול השוניות. הבחירה בגישה הטובה ביותר תלויה לרוב במרחק של השונית מקו החוף. כדי להיאבק באופן יעיל בשחיקה, גלי האוקיינוס צריכים להיחלש במרחק של כ- 300 מ’ מקו החוף.

כדי להצמיח 360 מ² של שונית אלמוגים דרוש כוח של בערך kW 2. בעוד ש”על הנייר” מכשירי אנרגיית גלי ים עשויים להיות יקרים בהשוואה לפאנלים סולאריים, ככל שמכשירים אלו ממוקמים רחוק יותר מהחוף, כך הופכים ממירי אנרגיית הגלים ליעילים יותר. במספר מהפרויקטים עליהם חברת CCell עובדת בימים אלו, הממירים ימוקמו לצד שוניות שנמצאות במרחק של יותר מ- 700 מ’ מקו החוף. בנוסף לשימוש במערכת שלה כדי לשקם שוניות קיימות, החברה מתכננת שונית באורך של 300 מ’ שתושביה יהיו במרחק של 70 מ’ בלבד מקו החוף. מערכת זו תופעל בחלקה מאנרגיה סולארית ובחלקה מאנרגיית רוח.

לכל מקורות הכוח המתחדשים הללו יש דבר אחד במשותף: הפקת הכוח שלהם יוצרת שונות רבה במתח הפלט כתוצאה מתנאי הסביבה המשתנים ללא הרף.

VA255 – Composite :1איור Paddle Light

מקור החשמל העיקרי

מחולל הכוח העיקרי של חברת CCell מבוסס על ממיר אנרגיית גל חדשני המשתמש בהנעה יציבה (sturdy paddle) כדי להניע מערכת הידראולית לייצור חשמל. מקור כוח זה מספק מתח בטווח רחב משתנה שנוצר על ידי אנרגיית הגל שלאחר מכן יש לווסת באופן מדויק כדי לגדל אלמוגים ברי-קיימא. בנוסף לצורך לנהל מתח מקור בעל שונות רבה, תהליך האלקטרוליזה נשלט על ידי הרכב מי הים, טמפרטורת המים וקצב הזרימה מעל האלקטרודות (אנודה וקתודה) הנוצרות על ידי מסגרת הפלדה. יש לנטר מקרוב, למדוד ולפקח אחר כל המשתנים הללו על מנת להבטיח שההבדל הפוטנציאלי בין האנודות לקתודות מניע זרם המחושב באופן מדויק דרך מי הים בין האלקטרודות. ישנה נחיצות להשיג את תהליך האלקטרוליזה האופטימלי על מנת לגדל מרבצי גיר (calcium carbonate) חזקים וברי קיימא ממינרלים הנמצאים במי הים.

איור 2: VA255 – CCell Biorock 3Dvision

הצמיחה מנוהלת באופן מדויק על ידי שליטה בהבדל פוטנציאלי זה (שדה חשמלי) בין האלקטרודות בתוך האזור “goldilocks zone”, שעבור המערכת של CCell נע בין V 1.2 ל- V 4, בהינתן כל התנאים הסביבתיים שהוזכרו לעיל.

הכוח של רשת אספקה (delivery network)

על מנת לגדל 360 מ² של שונית אלמוגים דרוש כוח של בערך kW 2. ממירי אנרגיית הגל היוצרים תחנת כוח הרחק מחוף הים ממוקמים במקום בו יוצאת אנרגיית הגל הטובה ביותר במרחק הקרוב ביותר לקו החוף. מתח הפלט של ממירי הגל יכול לנוע בין V35 ל- V70.

רשת אספקת הכוח (PDN) מורכבת מהמרה קדמית ושלב וויסות ולאחר מכן שלב ויסות נקודת העומס (PoL) במורד הזרם עבור ניטור ובקרת האלקטרוניקה של המערכות. הכוח מסופק באמצעות כבל ארוך למערכת האלקטרוליזה, אשר ממוקמת קרוב מאוד למסגרת הפלדה המוקמת על קרקעית האוקיאנוס במקום בו השונית עתידה להיבנות מחדש או להיווצר.

עם רמת הספק של kW 2 ו- “goldilocks zone” של V1.2 – V4 עבור ההבדל הפוטנציאלי בין האלקטרודות, מערכת האלקטרוליזה חייבת להיות מסוגלת לספק עד amps 1,666 בקצה התחתון של טווח המתח. תחת תנאים אלה, ישנם כמה אתגרים ייחודיים העומדים בפני רשת אספקת הכוח:

1. המרה וויסות של מתח קלט רחב של V36 – V70 למערכת הבקרה בחוף ומערכת האלקטרוליזה הנמצאת על השונית;
2. אספקת חשמל גבוהה (2kW) למערכת האלקטרוליזה שרחוקה מקו החוף במרחק של עד 700 מ’ מהחוף;
3. העברת זרם גבוה (עד 1700 amps בקירוב) ושמירה על ויסות מתח ברמה מבוקרת. טווח המתח הוא V2 – V4 בין אלקטרודות כלוב הפלדה, והמערכת צריכה להיות מסוגלת לשנות אספקת מתח וזרם באופן מהיר תחת תנאים המשתנים ללא הרף.

חברת Vicor המליצה על הפתרון המוכח שלה של Factorized Power Architecture (FPA), בתחושת ביטחון שהוא יוכל לתת מענה לכל צרכי אספקת החשמל ובנוסף תשיג צפיפות זרם גבוהה כדי למזער את גודל מערכת הכוח הפרוסה באוקיאנוס. ה- FPA משלב מכפיל זרם שיש לו גם fast transient response.

פתרון ה- factorized power

ממיר DC-DC רגיל מבצע שתי פונקציות – המרה וויסות, המבוצעות בהתקן יחיד. ארכיטקטורת ה- Factorized Power תוצרת Vicor כשמה כן היא, היא מבצעת factorize לפונקציית ה- DC-DC לשני מודולים נפרדים, רגולטור PRM ומכפיל זרם VTM. הארכיטקטורה והטופולוגיות של כל אחד מהמכשירים מושלמות לפתרון אתגרי אספקת החשמל עימם CCell מתמודדת.

ראשית, ה- PRM buck-boost regulator מסוגל לפעול על פני טווח קלט נרחב. בשל טופולוגיית מיתוג מתח אפס (ZVS), יש לו יעילות גבוהה מאוד וצפיפות כוח גבוהה המשתווים בקלות להספק רב יותר. אספקת הכוח לשונית המצויה כה רחוק מקו החוף שהיא מחייבת כמעט kW 2, אך המתח הגבוה יותר מאפשר הקטנת גודל הכבל וחיסכון בעלויות. ה- PRM פועל לא רק על פני טווח מתח קלט נרחב, אלא הוא גם מותאם לאספקת מתחים מוסדרים גבוהים יותר עבור VTM במורד הזרם.

ה- VTM הוא ממיר בעל תדר גבוה ומתג ביחס קבוע (שאינו מווסת) עם מתח פלט שהוא ביחס קבוע למתח הקלט שלו. יחס השינוי מכונה ה- K factor. ה- VTM פועל כמו טרנספורמר DC-DC כך שאם ה- K factor היה 1:8, הפלט יהיה 1/8^th מהקלט ומכפיל הזרם מקלט לפלט יהיה 8. שני המודולים עובדים בצורה חלקה יחד עם PRM המטפל במתח המווסת בקפידה הנחוץ לשונית, וה- VTM המטפל בהמרה ובאספקת הזרם לאלקטרודות. בהתאם לפנייה של חברת CCell, התקבלו ההחלטות שלהלן בהקשר של אספקת החשמל.

אם ניקח בחשבון את נפילות המתח הנמדדות בכבלי החשמל לשונית, ה- PRM היה מסדיר את הקלט של V36 – V70 מממיר אנרגיית הגל כדי לספק V9.6 – V32 בקלט של מודולי ה- VTM, שיש להם K factors של 1:8, כדי לספק פלט של V1.2 – V4. בהינתן שהתנאים הסביבתיים משתנים כל הזמן, ה- PRM מווסת את הקלט ל- VTM על מנת לשמר את מתח הפלט הרצוי.

תמונה 3: VA255 – Fish

וויל בייטמן (Will Bateman), מנכ”ל CCell אמר כי “זהו יישום ייחודי ומורכב בעל משתנים רבים המשתנים ללא הרף ולכן היינו צריכים מדידה ובקרה מדויקים של תהליך גידול השונית”. הו הוסיף כי “אנחנו חיפשנו פתרון ממיר DC-DC שיש לו מאפיינים פרטניים ספציפיים להמרה וויסות שבעצם מסוגלים לפעול כמו מיני מחשבים. באמצעות פתרון ה- factorized power הייחודי תוצרת Vicor יחד עם התמיכה המצוינת מהצוות הטכני של חברת Vicor, יש לנו עכשיו נוסחה מנצחת שלדעתנו תוביל לשיפורים אדירים במערכות האקולוגיות והקהילות ברחבי העולם כולו”.

תמונה 4: VA255 – PRM Module 4

חשמול מדויק של מסגרת הפלדה מניע תהליך המוציא מחצבי מינרלים טבעיים של מי ים ומאפשר לאבן גיר חזקה לצמוח סביב המסגרת. לאחר הזרעה ידנית של אלמוגים באבן הגיר, חברת CCell יכולה להאיץ את צמיחת האלמוגים על גבי סלע הגיר כך שהוא יתגבש פי שלוש יותר מהר ממה שהיה אפשרי תחת תנאים טבעיים.

חברת CCell מקדישה עצמה לגידול שוניות שמאפשרות הגנת על החוף בזכות התכונות המובנות שלהן בקנה מידה עולמי וכיום החברה יוצרת שונית חדשה במקסיקו שתתפרס בסופו של דבר על פני 200 X 6 מ’. התהליך עובד היטב באזורי מים חמים כמו הקריביים ומקסיקו מכיוון שאבן הגיר עם הסידן פחמתי שננעל בתוכה היא פחות מסיסה; אתגר עתידי יהיה להפוך את התהליך לבר מימוש גם באזורים של מים קרים יותר.