1. הקדמה
על רקע התמקדות עולמית בפיתוח כלכלה דלת-פחמן והיעד המוצע של "פחמן כפול- של סין, אנרגיית הרוח, כמקור אנרגיה מתחדשת נקי ובר-קיימא, הפכה למוקד עבור ממשלות וענקיות אנרגיה ברחבי העולם. עם בנייה מתמשכת של חוות רוח יבשתיות, טכנולוגיה שהולכת ומתבגרת וירידה בעלויות, כוח הרוח היבשתי התפתח במהירות, כאשר קיבולת כוח הרוח היבשתית שהותקנה לאחרונה הגיעה ל-61.8 GW בשנת 2019 בלבד. עם זאת, מוגבלת על ידי קרקע הניתנת לניצול ביבשה ומשאבי אנרגיית רוח, אנרגיית רוח ימית הפכה בהדרגה למגמת פיתוח. בפרט, אזורי החוף הדרום-מזרחיים של סין מפותחים כלכלית, בעלי רשת חשמל מבוססת- ומשאבי אנרגיית רוח ימית בשפע, מה שהופך אותם למתאימים מאוד לפיתוח-בקנה מידה גדול וחיבור לרשת של אנרגיית רוח ימית.
2. המצב הנוכחי של תעשיית כוח הרוח הימי
בשנת 2020, קיבולת כוח הרוח הימית שחוברה לאחרונה עלתה על 6 GW, בערך כמו בשנת 2019. עשר שנים קודם לכן, ב-2010, קיבולת כוח הרוח הימית שהותקנה לאחרונה הייתה פחות מ-1 GW. בינתיים, חלקה של אנרגיית הרוח הימית בקיבולת כוח הרוח העולמית שהותקנה לאחרונה עלה אף היא מ-2.5% ב-2010 ל-7%.
2.1 מצב נוכחי ומגמות של תעשיית כוח הרוח הימית בחו"ל
במונחים של דירוג המדינות לפי קיבולת חדשה שהותקנה, חמשת שווקי כוח הרוח הימיים המובילים בעולם בשנת 2020 היו סין, הולנד, בלגיה, בריטניה וגרמניה. מומחי תעשייה צופים כי שוק כוח הרוח הימי העולמי יחווה קצב צמיחה שנתי ממוצע של למעלה מ-30% בין 2020 ל-2025. הערכה זו מבוססת על הסיבות הבאות:
01
הירידה המהירה בעלויות אנרגיית הרוח הימית נובעת מהגדלת גודלן של טורבינות רוח ימיות (ראה איור 2-1), שיכולות לחסוך משמעותית בהשקעה מראש ובעלויות תפעול ותחזוקה שלאחר מכן.
איור 2-1 מגמות התפתחות גלובליות של טורבינות רוח ימיות
מקור נתונים: GWEC Market Data Platform, אוגוסט 2020
02
עם ממשלות ברחבי העולם שמעלות את יעדיהן לפיתוח אנרגיית רוח ימית, השווקים באסיה של סין, וייטנאם, יפן ודרום קוריאה צפויים לראות צמיחה מהירה. בשוק האירופי, בנוסף למדינות מערב אירופה שימשיכו לפתח במרץ את אנרגיית הרוח הימית, יתחילו גם מדינות מזרח אירופה בבניית מתקני אנרגיית רוח ימית. יתר על כן, חוות הרוח הימית הגדולה-בקנה מידה גדול בארצות הברית תחובר לרשת ב-2023.
03
לתיעוש של כוח רוח צף (ראה איור 2-2) יהיה מגוון רחב יותר של יישומים מכיוון שמבנה היסוד הצף מתאים לאזורי ים עמוקים עם עומק מים של 50 עד 200 מטר. על פי דו"ח האנרגיה העולמית, הקיבולת המותקנת העולמית של אנרגיית רוח צפה תגיע ל-8 עד 10 GW עד 2030.
איור 2-2 תרשים סכמטי של חוות רוח ימית צפה
2.2 המצב הנוכחי של תעשיית כוח הרוח הימית של סין
תעשיית כוח הרוח הימית של סין התחילה מאוחר יחסית, אך התפתחותה בשנים האחרונות הייתה מהירה ביותר. מאז 2018, קיבולת כוח הרוח הימית שהותקנה לאחרונה בסין הובילה בעקביות מדינות אחרות. בפרט, בשנת 2020, קיבולת הרשת המחוברת החדשה של סין עלתה על 3GW בפעם הראשונה. בהתבסס על קיבולת מותקנת מצטברת, סין עברה את גרמניה והפכה לשוק כוח הרוח הימי השני-בגודלו בעולם עד סוף 2020. על פי הערכות המבוססות על שיעורי הצמיחה של אנרגיית רוח ימית במדינות שונות, סין החליפה את בריטניה כשוק כוח הרוח הימי הגדול בעולם בשנת 2021.
2.2.1 היקף הקיבולת המותקנת וחיבור הרשת ממשיך לגדול.
פרויקט כוח הרוח הימי של גשר Shanghai Donghai, פרויקט כוח הרוח הימי הגדול-הראשון של סין, שהחל ב-2006 והחל בבנייתו ב-2008, הותקן בהצלחה 34 יחידות טורבינות רוח ימיות של 3MW בייצור מקומי, עם הספק מותקן כולל של 102MW, ובכך פתח את ההקדמה לפיתוח של כוח רוח ימי בסין.
בשנת 2016, מינהל האנרגיה הלאומי פרסם את תוכנית החומש ה-13- לפיתוח כוח רוח והציג סדרה של מדיניות חיובית מרכזית לעידוד הפיתוח של אנרגיית רוח ימית, מה שאומר גם שפיתוח כוח הרוח הימי בסין עבר מ"הדגמת פרויקט" למסלול המהיר של "פיתוח מהיר".
בשנת 2020, פרויקטי כוח רוח ימיים נכנסו לתקופה קריטית של התקנת עומס. על פי הסטטיסטיקה, במחצית הראשונה של השנה היו 30 פרויקטים בהקמה במקביל, בהספק מותקן של 12,972,800 קילוואט, כולל 11 פרויקטים חדשים שהחלו ו-3 פרויקטים שהיו מחוברים במלואם לרשת.
2.2.2 קיבולת היחידה היחידה של טורבינות רוח גדלה משנה לשנה.
על פי נתונים מסוף 2019, במונחים של קיבולת יחידה בודדת, ליחידות של 4MW יש את ההספק המותקן המצטבר הגדול ביותר, בעוד ש-5MW הפכו למודל המיינסטרים עבור פרויקטים של אנרגיית רוח ימית (ראה איור 2-3).
ב-12 ביולי 2020, טורבינת הרוח הראשונה של 10MW בסין חוברה בהצלחה לרשת וייצרה חשמל בחוות הרוח הימית Xinghua Bay במחוז פוג'יאן, וקבעה שיא חדש בקיבולת של טורבינת רוח ימית יחידה בסין. מנקודת המבט של תוכניות הפיתוח של יצרני טורבינות הרוח, 8MW הפכה לנקודת התחלה חדשה, וטורבינות רוח ימיות גדולות בקנה מידה- של 10MW ומעלה נרשמו כמודלי פיתוח מרכזיים.
איור 2-3 אחוז קיבולת טורבינת הרוח הימית בסין בסוף 2019
2.2.3 בניית אנרגיית רוח ימית עוברת בהדרגה ממים רדודים קרובים לחוף לאזורי -ים עמוקים ומים- עמוקים.
עד סוף 2019, קיבולת כוח הרוח הימית המאושרת הכוללת בסין הגיעה ל-35 מיליון קילוואט. ביניהם, ג'יאנגסו וגואנגדונג אישרו קיבולות העולה על 10 מיליון קילוואט, בעוד שפוג'יאן וג'ג'יאנג אישרו קיבולות העולה על 3 מיליון קילוואט. המשאבים הזמינים ליד-לחוף לפיתוח עתידי מוגבלים, בעוד לסין יש אזור עצום של מימי ים עמוקים-ניתנים לניצול, שצפויים להפוך למוקד פיתוח אנרגיית רוח ימית בעתיד.
3. דרישות חומרה למתגי Ethernet תעשייתיים בחוות רוח ימיות
טורבינות רוח ימיות ותחנות משנה בנויות במרחק של עשרות קילומטרים מהיבשה, בסביבות קשות ביותר. זה מציב דרישות גבוהות מאוד לציוד, במיוחד לציוד תקשורת ליבה, בעיקר בנוגע לאמינות, עמידות בפני התזת מלח, טמפרטורות גבוהות ונמוכות והפרעות אלקטרומגנטיות. יתר על כן, תחזוקת ציוד ימית מוגבלת על ידי מזג האוויר, תקנות ימיות ופריסה של כלי שיט, מה שהופך את תחזוקה חירום ותחזוקה שוטפת לקשים במיוחד, עם תזמון בלתי צפוי ביותר. זה מציב דרישות גבוהות במיוחד לפעולה יציבה ואמינה של מתגי Ethernet.
3.1 דרישות מהימנות
מספר אינדיקטורים מרכזיים לאמינות הציוד:
1) זמן ממוצע לכשל (MTTF)
2) זמן ממוצע בין כשלים (MTBF)
3) זמן ממוצע לתיקון (MTTR)
3.1.1 מחוון MTBF
אחד מחווני הביצועים החשובים ביותר עבור מתגי Ethernet תעשייתיים הוא Mean Time Between Failures (MTBF). התקנים המקובלים והסמכותיים ביותר הם MIL-HDBK-217, GJB/Z299B ו-Bellcore. רוב המותגים הזרים של מתגים תעשייתיים משתמשים ב-MIL-HDBK 217F האמריקאי כתקן ייחוס ומשתמשים במבחני HALT (High-Accelerated Life Test) ו-HASS (High-Accelerated Stress Screening) במהלך בדיקות מו"פ וייצור כדי לוודא אם ה-MTBF של המוצר עומד בדרישות התכנון. ה-MTBF של רוב מתגי ה-Ethernet התעשייתי הוא למעלה מ-20 שנה, וחלקם אף עולה על 50 שנה.
HALT (Highly Accelerated Life Testing) משמש בעיקר בשלב מחקר ופיתוח המוצר. היא יעילה בחשיפת פגמים פוטנציאליים במוצרים ומהווה שיטת בדיקה חשובה למהנדסי תכנון לשיפור אמינות המוצר.
HASS (Highly Accelerated Stress Screening) הוא תהליך-מואץ גבוה של בדיקת מתח המתבצע בקו הייצור לאחר שהמוצרים עברו את מבחן HALT כדי לקבוע את גבולות התפעול או ההרס שלהם. 100% מהמוצרים נדרשים להשתתף בסריקה. מטרתה להבטיח שהמוצרים המיוצרים נקיים מכל פגמים סמויים, או לכל הפחות לזהות ולפתור פגמים אלו לפני יציאת המוצרים מהמפעל. HASS משתמשת בלחץ מואץ כדי למצוא מוצרים פגומים תוך זמן קצר, לקצר את מחזור הפעולה המתקנת ולזהות מוצרים עם אותן בעיות.
3.1.2 מחוון MTTR
הדרישות האופייניות לאתרי חוות רוח ימיות הן: Mean Time To Repair (MTTR) המסופק על ידי היצרן, שהוא בדרך כלל 0.5 עד 1 שעה כאשר לא נלקחים בחשבון זמן התמיכה של ההנהלה וזמן האספקה; והזמן לאבחון (או בדיקה) ועדכון תקעים פגומים צריך להיות פחות מ-30 דקות.
אם מתג תעשייתי חווה כשל בחומרה, ואם לא מתחשבים בזמן תמיכת ההנהלה וזמן אספקה, ויש צורך בהחלפה פשוטה בלבד, ברוב המקרים, ניתן להחליף את מוצר המתג התעשייתי תוך שעה, תוך עמידה בדרישות ה-MTTR של הלקוח.
3.2 דרישות עמידות בפני קורוזיה
מאפיין מרכזי של סביבת הפעולה הימית הוא רמת תרסיס המלח הגבוהה. מוצרי מתג Ethernet תעשייתי חייבים לספק עיצוב ציפוי מגן על לוח מעגלים כדי להשיג רמת הגנה G3 ולעמוד במלואו בדרישות של ISA-S71.04-1985 (סיווג G3- Hash Group A) ו-EN60068-2-60 Method 4 על מנת לפעול ביציבות ובאמינות לאורך זמן בסביבה הימית הקשה.
חוות רוח ימיות מוקדמות חוו מספר רב של כשלים במתגים. עם פתיחת מארזי המתג, נמצאו סימני צריבה גלויים על לוחות המעגלים. אחת הסיבות לכך הייתה שמתגים אלו חסרו ציפוי מגן.
3.3 דרישות טמפרטורה גבוהה ונמוכה
מכיוון שחוות רוח ימיות שונות ממוקמות בקווי רוחב שונים, תנאי האקלים שלהן משתנים מאוד. לדוגמה, בחורף, הטמפרטורה הנמוכה ביותר בחוות הרוח הימית Zhuanghe בדאליאן יכולה להגיע ל-15 מעלות צלזיוס, בעוד שבקיץ, הטמפרטורה הגבוהה ביותר בחוות הרוח הימית Xuwen בז'אנג'יאנג יכולה להגיע ל-38 מעלות צלזיוס. הטמפרטורה בתוך מגדלי טורבינת הרוח עשויה להיות אפילו גבוהה יותר מהטמפרטורה החיצונית. לכן, דרישות גבוהות מאוד מונחות לטמפרטורת הפעולה הרגילה של מתגים תעשייתיים.
למרות שרוב יצרני המתגים התעשייתיים בשוק מציינים את טמפרטורות ההפעלה של המתגים שלהם כ--40 מעלות עד +70 מעלות, או אפילו -40 מעלות עד +85 מעלות, נתונים אלה נגזרים מבדיקות מעבדה- קצרות טווח. לדוגמה, דרישות הבדיקה של מוסד בדיקות ביתי מכובד קובעות שבסביבות{12}}טמפרטורות גבוהות, המתג, כשהוא מופעל, צריך להיות ממוקם במרכז תא בדיקה סביבתי, ויש להעלות את הטמפרטורה ל-70 מעלות ולשמור עליה למשך שעתיים. המכשיר אמור לתפקד כרגיל ב-+70 מעלות, ושיעור האחסון וההעברה אמור להגיע ל-100%. אם דרישה זו מתקיימת, המתג נחשב ל合格 (מוסמך/מקובל).
הדרישות הטכניות עבור אותה סביבת טמפרטורה-נמוכה הן כדלקמן: המתג, בזמן שהוא מופעל, ממוקם במרכז תא בדיקה סביבתי, והטמפרטורה יורדת ל--40 מעלות ולאחר מכן נשמרת בטמפרטורה זו למשך שעתיים. המכשיר אמור לפעול כרגיל ב--40 מעלות, עם קצב אחסון והעברה של 100%; זה גם אמור להיות מסוגל להתחיל כרגיל ב-40 מעלות. אם דרישות אלה מתקיימות, זה נחשב ל合格 (מוסמך/מקובל). לכן, הבדיקה מוודאת רק אם הוא יכול לפעול ביציבות במשך שעתיים בטמפרטורה קיצונית זו.
בעוד שמתגים תעשייתיים בחוות רוח ימיות אינם צריכים לעמוד בטמפרטורות קיצוניות כאלה, הם חייבים לפעול ברציפות לתקופות ממושכות בסביבות טמפרטורה קשות, ואף עלולים להיות נתונים להשפעות שליליות נוספות מסביבות חיצוניות אחרות. ניתן לומר שרק מתגים תעשייתיים שעמדו במבחן הזמן עומדים בדרישות הטמפרטורה הגבוהה והנמוכה של חוות רוח ימיות.
(המשך)