מאמר

‫תכנון וניהול טכנו‪-‬כלכלי של מערכת מיקרו גריד‬
‫ד"ר דוד ברלה‪ ,‬ירון חיים‪ ,‬עוז קלימיאן‬
‫אפקה המכללה האקדמית להנדסה בתל‪-‬אביב‬
‫תקציר‬
‫צרכני אנרגיה חשמלית בסדר גודל בינוני של מספר ‪ MW‬כדוגמת יישוב קהילתי‪ ,‬מתחם תעשייה‪,‬‬
‫קמפוס אוניברסיטאי‪ ,‬קומפלקס בניינים‪ ,‬מחנה צבאי וכדומה‪ ,‬עלויות האנרגיה החשמלית שלהם‬
‫גדולות ומשמעותיות‪ .‬במטרה עיקרית לצמצם עלויות אלה‪ ,‬צרכן כזה‪ ,‬יכול לבחון הקמת מערכת מיקרו‬
‫גריד המשלבת מתקני ייצור אנרגיה חשמלית פרטיים‪ ,‬מערכות אגירה וחיבוריות לרשת החשמל‬
‫הציבורית (חברת החשמל לישראל – חח"י)‪ .‬בנוסף‪ ,‬שילוב של מתקני ייצור אנרגיה מבוססי אנרגיה‬
‫מתחדשת מאפשרים להשיג הפחתה בזיהום האוויר וגזי חממה‪.‬‬
‫המאמר מציג מודל גנרי לתכנון וניהול אופטימלי טכנו‪-‬כלכלי של מערכת מיקרו גריד למתחם הכולל‬
‫מספר צרכנים שהספקם המצרפי מספר ‪ .MW‬המודל כולל שני מרכיבים המקושרים זה בזה‪.‬‬
‫הראשון‪ ,‬הינו קביעת תמהיל מתקני ייצור אנרגיה פרטיים אופציונליים (מבוססי אנרגיה מתחדשת‬
‫ודלקים פוסיליים) בהינתן התנהגותם הזמנית האופיינית המצרפית של כלל הצרכנים במתחם‪ ,‬נתוני‬
‫סביבה גיאוגרפיים ואקלימיים‪ ,‬ממדי שטחים פנויים במתחם (המיועדים למתקני ייצור מבוססי אנרגיה‬
‫מתחדשת)‪ ,‬עלויות ונתונים תמחיריים‪ ,‬תעריפי עומס וזמן (תעו"ז)‪ .‬קביעת מתקני הייצור שיותקנו‬
‫בפועל במערכת המיקרו גריד מבוסס על ניתוח השוואתי של חישובי ‪Levelized Cost of Energy‬‬
‫)‪ (LCOE‬בהשוואה לעלויות קילוואט‪-‬שעה (קוט"ש) המסופק ע"י הרשת הציבורית‪.‬‬
‫המרכיב השני במודל מציג תהליך לניהול ובקרת התפעול הדינמי של כלל מתקני הייצור הפרטיים‬
‫בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית‪ ,‬על מנת לספק את הדרישות האנרגטיות‬
‫של כלל העומסים במתחם‪ ,‬המשתנות בזמן‪ ,‬וזאת בגישה טכנו‪-‬כלכלית‪.‬‬
‫המודל מאפשר לבחון את הכדאיות הכלכלית של הקמת ותפעול מערכת מיקרו גריד‪ .‬ליישום המודל‬
‫פותח אלגוריתם המיושם באמצעות שימוש בתוכנת ‪ MATLAB‬הכולל ממשק משתמש‪.‬‬
‫מבוא‬
‫מערכת מיקרו גריד היא מערכת אנרגיה חשמלית קטנה יחסית המסוגלת לקיים איזון של משאבי‬
‫היצע וביקוש שמטרתה לשמור על שירות יציב ואמין בתוך גבולות מוגדרים‪ .‬מערכת זו יכולה לשרת‬
‫צרכני אנרגיה בסדר גודל של מספר ‪ MW‬כדוגמת יישוב קהילתי‪ ,‬מתחם תעשייה‪ ,‬קמפוס‬
‫אוניברסיטאי‪ ,‬קומפלקס בניינים‪ ,‬בית חולים‪ ,‬מחנה צבאי וכדומה‪ .‬מבנה אופייני של מערכת מיקרו‬
‫גריד כולל מספר מתקני ייצור אנרגיה (מבוזרים על פי רוב)‪ ,‬צרכנים‪ ,‬מערכות אגירה ומערכת בקרה‬
‫וניהול כמתואר באיור ‪.1‬‬
‫איור ‪ :1‬מבנה עקרוני של מערכת מיקרו גריד‬
‫‪1‬‬
‫מטרתה של מערכת המיקרו גריד הוא לייעל טכנו‪-‬כלכלית את ייצור ואספקת האנרגיה החשמלית‬
‫למתחם נתון‪ ,‬באופן המבטיח מענה לדרישות האנרגיה‪ ,‬עמידות‪ ,‬אמינות וקיימות‪.‬‬
‫מערכת מיקרו גריד יכולה לפעול כמערכת סגורה המתפקדת עצמאית כאי חשמלי או לחילופין‬
‫כמערכת המשלבת בין ייצור עצמי וצריכת אנרגיה (וגם החזרת אנרגיה) מרשת החשמל הציבורית‪.‬‬
‫ניתן לראות במערכת מיקרו גריד כיחידת עומס מבוקרת אחת מול הרשת הציבורית בפרט בהתייחס‬
‫למערכת רשת חכמה‪.‬‬
‫מערכת מיקרו גריד אופיינית יכולה לכלול קשת של מתקני ייצור אנרגיה חשמלית מקומיים כגון‪:‬‬
‫גנרטורים (דיזל‪/‬גז)‪ ,‬מיקרו טורבינות‪ ,‬תאי דלק‪ ,‬טורבינות רוח‪ ,‬מערכות פוטו וולטאיות‪ ,‬ביו‪-‬מסה‪,‬‬
‫מערכות הידרו קטנות‪ ,‬מערכות אגירת אנרגיה‪.‬‬
‫השיקולים בתכנון‪ ,‬תפעול וכדאיות מערכת מיקרו גריד כוללים היבטים רבים המשתנים ממקום‬
‫למקום‪ ,‬כאשר המרכזיים בהם‪:‬‬
‫‪ ‬מאפייני העומסים לרבות דרישתם לאיכות‪ ,‬אמינות‪ ,‬גמישות וברות קיימא‬
‫‪ ‬נתוני סביבה גיאוגרפיים ואקלימיים‬
‫‪ ‬ממדי שטחים פנויים במתחם (המיועדים למתקני ייצור מבוססי אנרגיה מתחדשת)‬
‫‪ ‬רגולציה רלבנטית‬
‫‪ ‬מאפייני מתקני ייצור אנרגיה לרבות היבטי אספקת דלקים ומדיניות‬
‫‪ ‬שיקולים מימוניים ותמחיריים ‪ ,‬חוזיים וניהול סיכונים‬
‫‪ ‬תעריפי עומס וזמן (תעו"ז)‬
‫‪ ‬היבטי פריסת רשת לרבות אמינות‪ ,‬אבטחה ושרידות‬
‫‪ ‬טכנולוגיים וניהוליים‬
‫המאמר מציג מודל גנרי לתכנון וניהול אופטימלי טכנו‪-‬כלכלי של מערכת מיקרו גריד למתחם‬
‫שהספקו המצרפי מספר ‪ .MW‬המודל כולל שני מרכיבים שהראשון בהם מתאר את שלב ההקמה בו‬
‫נקבעים מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים (מבוססי דלקים פוסיליים אנרגיה מתחדשת) במערכת‪.‬‬
‫תהליך קביעת מתקני הייצור מתבסס על השיקולים הבאים‪ :‬התנהגותם הזמנית האופיינית המצרפית‬
‫של כלל הצרכנים במתחם‪ ,‬נתוני סביבה גיאוגרפיים ואקלימיים‪ ,‬ממדי שטחים פנויים במתחם‬
‫(המיועדים למתקני ייצור מבוססי אנרגיה מתחדשת)‪ ,‬עלויות ונתונים תמחיריים‪ ,‬תעריפי עומס וזמן‬
‫(תעו"ז)‪ .‬קביעת מתקני הייצור שיותקנו במערכת המיקרו גריד מבוסס על ניתוח השוואתי של חישובי‬
‫)‪ Levelized Cost of Energy (LCOE‬של המתקנים בהשוואה לעלויות קילוואט‪-‬שעה (קוט"ש)‬
‫כאשר האנרגיה מסופקת ע"י הרשת הציבורית‪.‬‬
‫המרכיב השני במודל מתאר את תהליך הניהול ובקרת התפעול הדינמי של מערך מתקני הייצור‬
‫הפרטיים (בהעדפת מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת)‪ ,‬בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה‬
‫מהרשת הציבורית‪ ,‬כך שיענה לדרישות האנרגטיות של כלל העומסים במתחם המשתנות בזמן‪.‬‬
‫תהליך הניהול מתקיים בגישה של יעילות טכנו‪-‬כלכלית‪.‬‬
‫המודל מאפשר לבחון את הכדאיות הכלכלית של הקמת ותפעול מערכת מיקרו גריד‪ .‬ליישום המודל‬
‫פותח אלגוריתם המיושם באמצעות שימוש בתוכנת ‪ MATLAB‬הכולל ממשק משתמש‪.‬‬
‫הצגת המודל‬
‫כאמור‪ ,‬המודל כולל שני מרכיבים שהראשון בהם מתאר את שלב ההקמה בו נקבעים מרחב מתקני‬
‫ייצור האנרגיה הפרטיים הפוטנציאליים מתוך מרחב מקורות המוגדר מראש‪ .‬המרכיב השני מתאר‬
‫את תהליך הניהול ובקרת התפעול הדינמי של מערכת המיקרו גריד‪ :‬מערך מתקני הייצור הפרטיים‬
‫(בהעדפת מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת) בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה מהרשת‬
‫הציבורית בהתאם לנדרש‪ .‬מערכת הניהול מנטרת ושולטת באופן רציף על כל מרכיבי המערכת‬
‫כתלות בצריכת האנרגיה הרגעית‪ ,‬כמות האנרגיה הזמינה‪ ,‬שעות היממה ותנאי הסביבה‪ .‬באיור ‪2‬‬
‫מתואר תרשים זרימה עקרוני של אלגוריתם המודל על שני מרכיביו‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫)‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫(‪:‬‬
‫‪.‬‬
‫)‬
‫‪LCOE‬‬
‫‪LCOE‬‬
‫" (‬
‫‪LCOE‬‬
‫"‬
‫‪LCOE -‬‬
‫איור ‪ : 2‬תרשים זרימה עקרוני של אלגוריתם המודל‬
‫המודל פותח תחת ההנחות הבאות‪:‬‬
‫‪ .1‬שינויי צריכת האנרגיה החשמלית של המתחם יכולים להיות מהירים‪ .‬האלגוריתם אינו מתוכנן‬
‫לתת מענה לשינויי צריכה נקודתיים מהירים‪.‬‬
‫‪ .2‬זמני הכניסה ויציאה מפעולה של מתקני ייצור אנרגיה חשמלית הם קצרים יחסית לפעולתם‬
‫המתמשכת ולכן הם מוזנחים‪.‬‬
‫‪ .3‬הדלק בשימוש במודל הינו מסוג גז טבעי‪ .‬העלויות המחושבות עבורו הן עלויות הולכה‬
‫וחלוקה‪ .‬עלויות הקמת תשתית לגז טבעי בלחץ נמוך אינם מחושבות‪.‬‬
‫‪ .4‬מחירי מתקני הייצור הפוסיליים הינם עבור הספק מותקן‪.‬‬
‫‪ .5‬שיקולי קוגנרציה ומכירת חום שיורי לצורך שיפור ביעילות ובעלויות לא נכללו‪.‬‬
‫‪ .6‬להדגמת ביצוע האלגוריתם שפותח נבחרים ‪ 4‬מתקני ייצור אנרגיה חשמלית מבוססי דלקים‬
‫פוסיליים מתוך המגוון של מקורות ייצור אנרגיה חשמלית המוזנים למערכת‪.‬‬
‫‪ .7‬ריבית בנקאית נומינאלית שנתית ‪5%‬‬
‫‪ .8‬זמן חיי פרויקט ‪ 25‬שנה‬
‫מרכיב ההקמה‬
‫א‪ .‬קליטת הנתונים‬
‫‪ .1‬לקביעת מאפייני הפעולה ותמהיל מתקני הייצור של מערכת המיקרו גריד נדרש לקלוט נתונים‬
‫בסיסיים הנחלקים לשתי קבוצות‪ .‬קבוצה ראשונה הם נתונים קבועים שקליטתם לתוכנת הניהול‬
‫הינה כבסיסי נתונים קבועים (ולא דרך ממשק המשתמש)‪ .‬בסיסי הנתונים כוללים‪:‬‬
‫‪ .2‬עקום צריכה ממוצע יומי אופייני (מוגדר כמערך של ‪ 48‬ערכי הספק חשמלי המייצגים את‬
‫הצריכה לאורך יממה בהפרשים של חצי שעה)‬
‫‪ .3‬ריבית בנקאית נומינאלית שנתית‬
‫‪ .4‬מחזור חיים‬
‫‪3‬‬
‫‪ .5‬הספקים חשמליים נקובים של מתקני ייצור פוסיליים ומתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת רלבנטיים‬
‫ביחידות של ‪kW‬‬
‫‪ .6‬עלויות רכישה והתקנת מתקני ייצור מבוססי האנרגיה פוסילית ואנרגיה מתחדשת – ביחידות של‬
‫שקלים לקילוואט וכן נתונים רלבנטיים נוספים‪.‬‬
‫‪ .7‬עלויות תפעול ואחזקה (‪ )O&M‬של מתקני ייצור מבוססי אנרגיה פוסילית ואנרגיה מתחדשת‬
‫ביחידות של שקלים לקילוואט‪-‬שעה‬
‫קבוצת הנתונים השנייה מתארת פרמטרים שונים הנקבעים על ידי המשתמש וברי שינוי‪ ,‬המוזנים‬
‫באמצעות ממשק המשתמש‪:‬‬
‫‪ .8‬הספק שיא של המתקן בקילוואט )‪(Maximum Facility Power‬‬
‫‪ .9‬אזור ההתקנה בישראל ‪ -‬צפון‪/‬דרום )‪(Region‬‬
‫‪ .11‬אופי מתקן הצריכה ‪ -‬מגורים‪/‬תעשייה )‪(Consumer Type‬‬
‫‪ .11‬ימי צריכה מאפיינים בשנה )‪(Typical Days‬‬
‫‪ .12‬סוג ושטחים מוקצים להתקנת יחידות ‪ PV‬ביחידות מטר ריבועי (‪(Area for PV Land/Roof‬‬
‫‪ .13‬ממדי אורך ורוחב שדה מוקצים להתקנת טורבינות רוח ביחידות מטר ‪(Wind Turbine Field‬‬
‫)‪Length & Wind Turbine Field Width‬‬
‫‪ .14‬תעריפי הרשת הציבורית (חח"י) לפי תעו"ז ביחידות של שקלים לקילוואט‪-‬שעה (‪(IEC Cost‬‬
‫‪ .15‬מהירות הרוח אופיינית ביחידות מטר לשניה‬
‫‪ .16‬זמני התחלת הפסקת חשמל ביום נתון‬
‫‪ .17‬עונת השנה‬
‫ב‪ .‬קביעת מתקני ייצור האנרגיה‬
‫מרחב מתקני ייצור האנרגיה הפוסיליים‬
‫מתוך מצאי מתקני ייצור האנרגיה הפוסיליים המוזנים בשלב קליטת הנתונים ( דיזל גנרטורים‪ ,‬מיקרו‬
‫טורבינות)‪ ,‬נקבעים מתקני הייצור שיהוו את המרחב הפוסילי הרלבנטי במודל‪ .‬שלב זה מבוצע תחת‬
‫הנחה של כיסוי אנרגטי נדרש על ידי מתקני ייצור אנרגיה פוסיליים בלבד‪ .‬הקביעה מתבצעת על פי‬
‫קריטריון הערכה השוואתית של כמות האנרגיה שכל מתקן ייצור יכול לייצר‪ ,‬במגבלות עקום הצריכה‬
‫היומי האופייני‪.‬‬
‫באיור ‪ 3‬מתואר גרף צריכת הספק חשמלי אופייני של המתחם לאורך יממה (מיוצר כאמור על בסיס‬
‫נתוני הקליטה) ובהתאמה מתווי הספקי מתקני הייצור עבור כל מתקן ייצור אנרגיה מתוך מצאי‬
‫המתקנים שנקלטו בשלב קליטת הנתונים‪ .‬מתבצעת בדיקה של מספר השעות שיכול כל מתקן לעבוד‬
‫בתוך גבולות שטח הצריכה תחת התניה שחייב לעבוד לפחות ‪ 3‬שעות ברצף‪ .‬התניה זו נועדה‬
‫לאפשר רצף של עבודה למניעת כיבויים והדלקות מרובים אשר מקצרים את חיי המחוללים‪ .‬מתקן‬
‫הייצור שיכול לייצר את האנרגיה המרבית (קרי בעל השטח מרבי ב‪ )kWh -‬הוא המקור הנבחר‪.‬‬
‫על מנת לאפשר גידול עתידי בצריכת האנרגיה‪ ,‬הוגדר קו חוסם שהוא ‪( 11%‬מייצג גידול של ‪2%‬‬
‫בשנה על פני ‪ 5‬שנים) מעל קו הצריכה האופייני‪ .‬קו זה מכונה ‪.Graph Consumption Limit‬‬
‫לקביעת מתקן ייצור האנרגיה הראשון‪ ,‬מחושבים האנרגיות לכלל מצאי מתקני הייצור בהינתן הספק‬
‫צריכה מרבי של כ – ‪ , 5MW‬כמתואר באיור ‪ 3‬שלב ‪:1‬‬
‫]‪E450 = 450 ∙ 24 = 10800[KWh‬‬
‫]‪E700 = 700 ∙ 24 = 16800[KWh‬‬
‫]‪E1200 = 1200 ∙ 23 = 27600[KWh‬‬
‫]‪E2500 = 2500 ∙ 15.5 = 38750[KWh‬‬
‫]‪E3000 = 3000 ∙ 7.5 + 3000 ∙ 4 = 34500[KWh‬‬
‫]‪E3500 = 3500 ∙ 6 = 21000[KWh‬‬
‫‪4‬‬
‫שלב ‪4‬‬
‫שלב ‪1‬‬
‫שלב ‪2‬‬
‫איור ‪ :3‬תיאור מתווים של הספק המתחם ומתקני הייצור הפוסיליים בתהליך‬
‫קביעת מתקנים נבחרים בשלבים ‪ 2 , 1‬ו‪4-‬‬
‫מתקיים‪:‬‬
‫‪max(E450 , E700 , E1200 , E2500 , E3000 , E3500 ) = E2500‬‬
‫האנרגיה המרבית מתקבלת ע"י מתקן ייצור בהספק של ‪ 2500kW‬ולכן מתקן הייצור הראשון שיבחר‬
‫הוא ‪ 2500kW‬המסומן כ ‪.PGEN1 -‬‬
‫לבחירת מתקן ייצור שני‪ ,‬מיוצר גרף צריכה חדש המהווה גרף הפרשי המאפיין את הצריכה הנותרת‬
‫לאחר בחירת מתקן ייצור ראשון ‪ PGEN1‬כמתואר באיור ‪ 3‬שלב ‪ ,2‬כך שמתקיים‪:‬‬
‫‪Graph_consumption2 = Graph_consumption1 − PGEN1‬‬
‫‪Graph_consumption2 Limit = Graph_consumption1 Limit − PGEN1‬‬
‫בתהליך דומה מותווים הספקי מתקני הייצור הרלבנטיים‪ ,‬מחושבים האנרגיות בהתאמה ונקבע מתקן‬
‫ייצור האנרגיה ‪.PGEN2‬‬
‫התהליך חוזר על עצמו עד לכיסוי אנרגטי מרבי של גרף צריכת ההספק האופייני של המתחם לאורך‬
‫יממה‪ .‬באיור ‪ 4‬מתוארים המתווים של הספק צריכה אופייני למתחם ביממה ו‪ 4 -‬מתקני ייצור אנרגיה‬
‫פוסיליים אופציונאליים נבחרים בהינתן הספק צריכה מרבי של כ – ‪.5MW‬‬
‫איור ‪ :4‬מתווים של הספק הצריכה האופייני של המתחם ואפשרויות ייצור אנרגיה ממקורות פוסיליים‬
‫מרחב מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת‬
‫המודל המוצג במאמר מתייחס לשני סוגים של מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת‪ :‬טורבינות רוח ומערך‬
‫פוטו וולטאי‪ .‬המרחב הרלבנטי במודל של מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת נקבעים בהתבסס על נתוני‬
‫מצאי של מתקנים אלה בשלב קליטת בסיסי הנתונים‪ .‬קביעת ההספק נקבעת בהתאם לאילוצי נתוני‬
‫סביבה ושטח התקנה מיועד הנקלטים באמצעות ממשק המשתמש וברי שינוי‪.‬‬
‫הספק טורבינת הרוח תלוי במספר פרמטרים כאשר העיקריים בהם‪ :‬צפיפות האוויר‪ ,‬קוטר הלהבים‪,‬‬
‫מקדם יעילות הטורבינה ומהירות הרוח‪ .‬הספק מוצא חשמלי של טורבינת רוח באלגוריתם זה מבוסס‬
‫‪5‬‬
‫על טבלת המרה של הספק כפונקציה של מהירות רוח נתונה ע"פ נתוני יצרן‪ .‬בתכנון חוות טורבינות‬
‫נהוגים כללי אצבע לסידור מערך הטורבינות‪ :‬בין ‪ 3-5‬קטרים בין טורבינות באותה שורה‪ ,‬ו‪5-9 -‬‬
‫קטרים מרחק בין שורות‪ .‬באלגוריתם המוצג במאמר המרחקים שנקבעו הם ‪ 4‬קטרים בין הטורבינות‬
‫ו‪ 7 -‬קטרים בין שורות‪ .‬מינימום אורך שדה מיועד להתקנת טורבינה בודדת הוא כגודל שני קטרים של‬
‫הרוטור ואילו מינימום רוחב שדה להתקנת טורבינה בודדת הוא כגודל קוטר של הרוטור‪.‬‬
‫הספק המתקן הפוטו וולטאי תלוי במספר פרמטרים עיקריים‪ :‬קרינת השמש‪ ,‬שטח המתקן ונצילות‬
‫המערכת‪ .‬הספק מוצא חשמלי של המתקנים הפוטו וולטאיים (בהתקנה על קרקע או גג) באלגוריתם‬
‫זה‪ ,‬מבוסס על נתוני ממוצעי הקרינה ממדידות לווין לאזורים הנבחרים כתלות בשעות היממה ‪,‬‬
‫נצילויות המערכת הפוטו וולטאית מנתוני יצרן בהתאם לסוג המתקן (קרקעי ‪ /‬גג מבנה) ושטח פריסת‬
‫הפנלים הנגזר משטח מוקצה למתקן‪.‬‬
‫מתקני הייצור הפוטנציאליים להפעלה‬
‫כאמור‪ ,‬המודל מבוסס על שיקולים טכנו‪-‬כלכליים ועל כן בשלב הראשון קביעת מרחב מתקני הייצור‬
‫מאנרגיה פוסילית נעשה על בסיס שיקולים אנרגטיים‪ .‬קביעת מתקני הייצור הפוטנציאליים הפוסיליים‬
‫שמהם ייקבע מי ומתי יופעלו בפועל‪ ,‬נעשה על פי שיקול כלכלי המבוסס על מדד של עלות לקוט"ש‬
‫של ייצור אנרגיה על ידי כל מתקן פרטי בהשוואה לתעריף רכישת האנרגיה מהרשת הציבורית‪.‬‬
‫חישוב עלות לקוט"ש עבור מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים מבוסס על חישוב הפרמטר ‪Levelized‬‬
‫)‪ Cost Of Energy (LCOE‬לכל מתקן ייצור‪ ,‬הנתון עי‪:‬‬
‫‪₪‬‬
‫]‪[ ⁄𝑘𝑊ℎ‬‬
‫𝑡𝑠𝑜𝐶_𝑙𝑎𝑢𝑛𝑛𝐴‬
‫𝑦𝑔𝑟𝑒𝑛𝐸_ 𝑙𝑎𝑢𝑛𝑛𝐴‬
‫= ‪LCOE‬‬
‫חישוב ההוצאה השנתית ‪ Annual_Cost‬ב‪ ₪ -‬נתון ע"י‪:‬‬
‫𝑡𝑠𝑜𝐶_𝑒𝑙𝑢𝐹 ‪𝐴𝑛𝑛𝑢𝑎𝑙_𝐶𝑜𝑠𝑡 = 𝐶𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎𝑙_𝐶𝑜𝑠𝑡 ∙ 𝐶𝑅𝐹 + 𝑂&𝑀_𝐶𝑜𝑠𝑡 +‬‬
‫כאשר‪:‬‬
‫‪ - Capital_Cost‬עלות מתקן ייצור האנרגיה ב‪₪ -‬‬
‫‪ - [Operation & Management Cost] O&M_Cost‬הוצאות ב‪ ₪ -‬לתפעול ואחזקה שנתית‬
‫‪ – Fule_Cost‬עלויות הדלק (דיזל‪/‬גז) השנתיות ב‪( ₪ -‬מחושב רק למתקני ייצור מאנרגיה פוסילית)‬
‫‪ - CRF‬מקדם החזר ההון ‪ Capital Recovery Factor‬הנתון ע"י‪:‬‬
‫‪i (1  i ) n‬‬
‫‪CRF ‬‬
‫‪(1  i ) n  1‬‬
‫כאשר‪:‬‬
‫‪ – i‬ריבית נומינלית בנקאית שנתית‬
‫‪ – n‬אורך חיי מערכת המיקרו גריד בשנים (בהנחת אורך חיים זהה של מתקן ייצור האנרגיה)‬
‫האנרגיה השנתית ]‪ Annual _Energy [kWh‬מחושבת בהתבסס על הספק מתקן הייצור (בפועל‬
‫בהתחשב בנצילויות הרלבנטיות) לאורך שעות עבודה צפויות ביממה אופיינית המוכפל ב‪ 365 -‬ימים‬
‫בשנה‪.‬‬
‫באופן דומה‪ ,‬מחושב הפרמטר ‪ LCOE‬עבור מתקני הייצור מאנרגיה מתחדשת כאשר במקרה זה‬
‫מתקיים‪:‬‬
‫𝑡𝑠𝑜𝐶_𝑀&𝑂 ‪𝐴𝑛𝑛𝑢𝑎𝑙_𝐶𝑜𝑠𝑡 = 𝐶𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎𝑙_𝐶𝑜𝑠𝑡 ∙ 𝐶𝑅𝐹 +‬‬
‫‪6‬‬
‫תהליך הניהול ובקרת התפעול הדינמי של מערכת המיקרו גריד‬
‫המרכיב השני במודל מתאר את תהליך ניהול ובקרת התפעול הדינמי של מערכת המיקרו גריד‪:‬‬
‫מערך מתקני הייצור הפרטיים בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית בהתאם‪.‬‬
‫מערכת הניהול מנטרת ושולטת באופן רציף על כל מרכיבי המערכת כתלות בצריכת האנרגיה‬
‫הרגעית‪ ,‬כמות האנרגיה הזמינה‪ ,‬שעות היממה‪ ,‬תנאי הסביבה ושיקולים כלכליים‪.‬‬
‫בתהליך הניהול קיימת העדפה להפעיל את מתקני הייצור מאנרגיה מתחדשת באם קיימים‪ .‬ההחלטה‬
‫הכלכלית להפעיל את מתקני הייצור הפוסיליים או לצרוך אנרגיה מהרשת הציבורית‪ ,‬נקבעת על פי‬
‫קריטריון ‪ LCOE‬ניהולי‪ ,‬בהנחת קיום מענה אנרגטי לדרישות הצרכן‪ .‬המערכת בוחנת את עלויות‬
‫ייצור האנרגיה החשמלית על ידי המתקנים הפרטיים מול תעריפי הרכישה מהרשת הציבורית (חח"י )‬
‫לפי תעריפי תעו"ז‪ .‬לפיכך‪ ,‬בשלב ראשון לכל מתקן ייצור אנרגיה פוטנציאלי בהספק נתון‪ ,‬מחושבים‬
‫שלושה ‪ ,LCOE‬כאשר כל אחד מהם מחושב לפי מקבצי שעות הביקוש (מש"ב) לשפל גבע ופסגה‪.‬‬
‫העיקרון של חישוב ה‪ LCOE -‬הניהולי לכל מש"ב דומה למוצג מעלה במאמר בהתאמה למקבץ‬
‫השעות ביממה‪.‬‬
‫באיור ‪ 5‬מתואר תרשים ניהול פונקציונאלי שתוכנית הניהול של מערכת המיקרו גריד מבצעת‪.‬‬
‫התרשים מתאר מספר מצבי פעולה מרכזיים בהם המערכת יכולה להימצא (תלוי במספר מתקני‬
‫ייצור האנרגיה וסוגיהם) ותנאי המעבר בניהם (כניסה ויציאה ממצב פעולה)‪ .‬תנאי המעבר נקבעים‬
‫בהתאם לשיקולים אנרגטיים ושיקוליי ‪ COE‬ניהוליים‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪Pconsume>Prenuable‬‬
‫‪Pconsume<Prenuable‬‬
‫‪IEC Out‬‬
‫‪‬‬
‫"‬
‫"‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫)‬
‫"(‬
‫‪‬‬
‫)‪LCOE(Fossil) < KWh(EC‬‬
‫‪AND‬‬
‫)‪Pconsume > (Prenuable+fossil Power‬‬
‫‪Grid alive‬‬
‫‪AND‬‬
‫‪One Fossil is active‬‬
‫)‪LCOE(Fossil) > KWh(IEC‬‬
‫‪OR‬‬
‫)‪Pconsume<(Prenuable+fossil Power‬‬
‫‪IEC Out‬‬
‫)‪LCOE(Fossil) < KWh(IEC‬‬
‫‪AND‬‬
‫)‪Pconsume > (Prenuable+fossil Power‬‬
‫‪Grid alive‬‬
‫‪AND‬‬
‫‪Two Fossil are active‬‬
‫)‪LCOE(Fossil) > KWh(IEC‬‬
‫‪OR‬‬
‫)‪Pconsume<(Prenuable+fossil Power‬‬
‫‪IEC Out‬‬
‫)‪LCOE(Fossil) > KWh(IEC‬‬
‫‪OR‬‬
‫)‪Pconsume<(Prenuable+fossil Power‬‬
‫)‪LCOE(Fossil) < KWh(IEC‬‬
‫‪AND‬‬
‫)‪Pconsume > (Prenuable+fossil Power‬‬
‫‪IEC Out‬‬
‫‪Grid alive‬‬
‫‪AND‬‬
‫‪All Fossil are active‬‬
‫איור ‪ :5‬תרשים ניהול פונקציונאלי של מערכת המיקרו גריד‬
‫‪7‬‬
‫שלב ניהול המערכת מתקיים באופן שוטף על בסיס יומי‪ ,‬בהתאם לתכנית צריכה יומית המוגדרת יום‬
‫קודם‪ ,‬ובהתאם לאנרגיה המסופקת ממקורות אנרגיה מתחדשת ‪ .‬האלגוריתם מנהל את פעולת‬
‫(הפעלה והפסקה) של מקורות ייצור אנרגיה מבוססי אנרגיה פוסילית‪ .‬תכנון הניהול היומי מבוסס על‬
‫תוכנית צריכה יומית חצי שעתית המוגשת מבעוד מועד (יום לפני) המפרטת את סך הצריכה‬
‫המצרפית של כלל הצרכנים‪ ,‬החל משעה ‪ 11:11‬ועד לשעה ‪ ,24:11‬כנקבע בספר אמות המידה‪.‬‬
‫במצב הפסקת חשמל של הרשת הציבורית כל מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים אשר פעלו טרם‬
‫ההפסקה ימשיכו לעבוד‪ .‬במידה והיו מתקני ייצור אנרגיה כבויים מערכת הניהול מפעילה אותם לצורך‬
‫עמידה בדרישות צריכת האנרגיה של המתחם‪ .‬באם המערכת הגריד לא תוכל לענות על דרישות‬
‫האנרגיה תבוצע השלה של צרכנים פחות חיוניים ויופעלו מתקני ייצור בהתאמה לדרישות האנרגיה‬
‫החדשות‪ .‬יציאה ממצב זה עם חזרת קיום האפשרות לצרוך אנרגיה מהרשת הציבורית‪.‬‬
‫ממשק משתמש‬
‫כאמור נתונים קבועים למודל נקלטים מקבצי בסיסי נתונים שערוכים מראש לאחר איסוף נתונים‬
‫רלבנטיים (נתונים על מתקני הייצור מאנרגיה פוסילית ואנרגיה מתחדשת ועוד)‪ .‬הנתונים ברי השינוי‬
‫נקלטים באמצעות ממשק המשתמש הכוללים נתוני צריכה מרביים ‪ ,‬אזור גיאוגרפי ונתוני סביבה של‬
‫המתחם שעבורו מתוכנן המיקרו גריד‪ ,‬סוג הצרכן של המתחם וכן תעריפים‪ .‬באיור ‪ 6‬מתואר מסך‬
‫ממשק המשתמש‪.‬‬
‫אזור הזנת הנתונים בממשק מסומן כתחום ה‪ Input Parameters -‬הכולל את השדות הבאים‪:‬‬
‫‪ – Region ‬בחירת אזור בארץ דרום או צפון‪ .‬משפיע על עלויות חלוקת הגז ובהתאם על עלויות‬
‫ייצור האנרגיה ממתקני הייצור הפוסיליים הפרטיים‪.‬‬
‫‪ – Consumer Type ‬בחירה בין סוגי צרכנים שונים המשפיע על גרף הצריכה האופייני‪.‬‬
‫‪ – Days Select ‬בחירת ימים שונים לצורך הדגמת אופן עבודה של ניהול האנרגיה‪( .‬אינו משפיע‬
‫על שלב ההקמה אך כן משפיע על גרף הצריכה בזמן ריצת ניהול האנרגיה)‬
‫‪ – IEC Cost ‬תעריפי צריכת החשמל כפי שנקבעו ע"י הרשות לשירותים ציבוריים חשמל‬
‫‪ – Environmental Data ‬נתוני סביבה כגון מהירות הרוח בגובה הציר של טורבינת הרוח‬
‫‪ – IEC Blackout ‬הגדרת הפסקת חשמל ושעת התחלת הפסקת החשמל‬
‫אזור הצגת התוצאות בממשק מסומן כתחום ה‪ Results -‬המתאר את התוצאות המחושבות אחר‬
‫הרצה‪ ,‬כולל את השדות הבאים‪:‬‬
‫‪ – Installed Facility ‬סוג מתקן הייצור מאנרגיה פוסילית והספקו‬
‫‪ – Working Hours Allocation ‬פירוט פעולה בשעות פסגה ‪ ,‬גבע ושפל וסה"כ השעות שכל‬
‫מתקן ייצור מאנרגיה פוסילית פועל ביממה‬
‫‪ – Renewable Results ‬נתוני הספק של המתקן הפוטו וולטאי וטורבינות רוח שמותקנות‬
‫לחיצה על לחצן ‪ Run‬בממשק מפעילה את הרצת הקוד תוך כדי התחשבות בנתוני הכניסה בממשק‬
‫ובנתוני הסקר המקדים אשר הוזנו כבסיס נתונים ל ‪.MATLAB‬‬
‫כמו כן מוצגות תוצאות החישוב הבאות‪:‬‬
‫‪ -Daily Energy Cost from IEC ‬עלות הצריכה הנדרשת למתחם והמסופקת מרשת החשמל‬
‫הציבורית בלבד (בהינתן שמערכת הגריד לא מותקנת)‪.‬‬
‫‪ - Daily Energy Cost from IEC&Micro-Grid ‬עלות הייצור הכוללת במערכת המיקרו גריד‬
‫ועלות שילוב הצריכה מרשת החשמל הציבורית‪.‬‬
‫‪ - Daily Energy Cost Saving ‬החיסכון היומי מציג את הסכום שנחסך בכל יום כתוצאה‬
‫משימוש במערכת המיקרו גריד‪ .‬החיסכון מחושב ע"י ההפרש בין עלות הצריכה כאשר המתחם‬
‫צורך את מלוא האנרגיה מרשת החשמל הציבורית‪ ,‬לבין עלות הצריכה כאשר מערכת המיקרו‬
‫גריד פעילה בשילוב צריכה מהרשת הציבורית על פי הנדרש‪.‬‬
‫‪8‬‬
‫איור ‪ :6‬מסך ממשק משתמש‬
‫הצגה וניתוח תרחיש דוגמא‬
‫התרחיש הבא מתאר ניתוח טכנו‪-‬כלכלי של מערכת מיקרו גריד להספק מרבי של ‪ 5MW‬שתותקן‬
‫במתחם תעשייתי באזור צפון ישראל‪ .‬כאמור‪ ,‬בשלב הראשון נדרש להזין למערכת ההקמה בסיסי‬
‫נתונים על מתקני ייצור האנרגיה החשמלית הרלבנטיים (נתונים טכניים ותמחיריים)‪ ,‬התנהגות צריכה‬
‫אופיינית עונתית של המתחם‪ ,‬נתונים פיננסיים ונתוני סביבה וזאת על פי סקר מקדים‪.‬‬
‫טורבינת הרוח שנבחרה היא מדגם ‪ ATB500‬של החברה האירופאית ‪ .ATB WIND‬נתוני הטורבינה‬
‫הם‪ :‬קוטר הרוטור ‪ 54‬מטר‪ 3 ,‬להבים‪ ,‬גובה הטורבינה ‪ 51‬או ‪ 71‬מטר‪ ,‬הספק נקוב ‪.500KW‬‬
‫המערכת מוזנת בטבלה הכוללת נתוני ההמרה של מהירות רוח (בגובה מרכז הרוטור) להספק‬
‫המוצא החשמלי‪ ,‬המסופקת ע"י היצרן‪.‬‬
‫הוגדרו שני סוגים של מתקנים סולאריים‪ ,‬אחד קרקעי ואחד על גגות‪ ,‬כאשר לכל אחד מהם אופיינו‬
‫פרמטרי נצילויות תלויי קרינה ומיקום לאחר ביצוע סקר על נתוני מספר חברות מובילות בתחום‪.‬‬
‫נבחרו מיקרו טורבינות בהספקים של ‪450kW , 700kW , 1200kW :‬‬
‫נבחרו דיזל גנרטורים בהספקים של ‪2500kW , 3000kW , 3500kW :‬‬
‫יתר הנתונים הוזנו בממשק המשתמש כמתואר באיור ‪.7‬‬
‫איור ‪ :7‬נתונים שהוזנו בתרחיש במסך ממשק משתמש‬
‫יובהר כי עלויות צריכת אנרגיה חשמלית מהרשת הציבורית בתקופת עונת המעבר נמוכות יותר‬
‫מצריכה זהה בעונת הקיץ או החורף (המוגדרות בספר אמות המידה)‪ .‬לפיכך‪ ,‬לבחינת הכדאיות‬
‫הכלכלית בתפעול מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים בהשוואה לרכישת האנרגיה מהרשת הציבורית‬
‫נבחרו תעריפי עונת המעבר‪.‬‬
‫‪9‬‬
‫בהרצת האלגוריתם בממשק המשתמש התקבלו הגרפים שבאיור ‪ 8‬המתארים את בחירת מתקני‬
‫ייצור האנרגיה בשלב ההקמה וכן את הניהול של מתקני הייצור הפרטיים וצריכת האנרגיה מהרשת‬
‫הציבורית לאורך יממה אופיינית נבחרת‪.‬‬
‫שלב ההקמה‬
‫שלב הניהול‬
‫איור ‪ :8‬תיאור מתקני ייצור האנרגיה נבחרים בשלב ההקמה והניהול היומי של מתקני הייצור‬
‫בשלב ההקמה נבחרו מתקני ייצור אנרגיה מבוססי פוסילים‪ :‬דיזל גנרטור בהספק מותקן של‬
‫‪ 3000kW‬ושתי יחידות של מיקרו טורבינות בהספקים של ‪ 700kW‬ו ‪ .450kW‬כמו‪-‬כן המערכת‬
‫שילבה מתקן ייצור אנרגיה מתחדשת מסוג פוטו וולטאי‪ ,‬כאשר המתקן הקרקעי בהספק של‬
‫‪ 1626kW‬ומתקן הגגות בהספק של ‪ .337.5kW‬עבור מתקן ייצור אנרגיה מאנרגיית רוח‪ ,‬המודל בדק‬
‫ומצא שאין כדאיות כלכלית להקמת מערך שכזה‪.‬‬
‫בשלב ניהול מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים שנבחרו (מהפוטנציאליים הנבחרים) המערכת שילבה‬
‫את המתקן הפוטו וולטאי לכל אורך זמן קרינה רלבנטי‪ .‬המערכת זיהתה תחומי זמן אשר בהם נדרש‬
‫השלמת חוסרי אנרגיה על ידי רשת החשמל הארצית‪ .‬משכי הפעולה האופטימליים של מתקני ייצור‬
‫האנרגיה הפרטיים וכן שילוב על פי הצורך של צריכת אנרגיה מהרשת הציבורית התבצע על פי‬
‫שיקולי הנדסיים ושיקולי ‪ LCOE‬ניהוליים‪.‬‬
‫ממצאי הניהול היומי לתרחיש הנתון הכוללים פירוט מתקני הייצור הפרטיים הנבחרים והספקם‪,‬‬
‫פעולתם במש"ב ‪ ,‬סה"כ שעות פעולתם ביממה ועלויות התפעול של מערכת המיקרו גריד ועלות‬
‫צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית מתוארים בממשק המשתמש שבאיור ‪ .9‬החיסכון היומי למקרה‬
‫זה הוא ‪ 12,521‬ש"ח‪.‬‬
‫איור ‪ :9‬נתוני תוצאות הרצת התרחיש בממשק המשתמש‬
‫סיכום‬
‫המאמר מציג מודל גנרי לתכנון וניהול אופטימלי טכנו‪-‬כלכלי של מערכת מיקרו גריד למתחם הכולל‬
‫מספר צרכנים שהספקם המצרפי מספר ‪ .MW‬המודל כאמור כולל שני מרכיבים שהראשון הינו‬
‫קביעת תמהיל מתקני ייצור אנרגיה חשמלית פרטיים (מבוססי אנרגיה מתחדשת ודלקים פוסיליים)‬
‫בהתייחס לצריכת ההספק האופייני היומי של הצרכנים במתחם‪ ,‬נתוני סביבה גיאוגרפיים ואקלימיים‪,‬‬
‫עליות ונתונים תמחיריים‪ ,‬תעריפי עומס וזמן (תעו"ז) ‪ .‬קביעת מתקני הייצור שיותקנו בפועל במערכת‬
‫‪11‬‬
‫המיקרו גריד מבוסס על ניתוח השוואתי של חישובי )‪ Levelized Cost of Energy (LCOE‬בהשוואה‬
‫לעלויות קילוואט‪ -‬שעה (קוט"ש) המסופק ע"י הרשת הציבורית‪.‬‬
‫המרכיב השני במודל מציג תהליך לניהול ובקרת התפעול הדינמי היומי של כלל מתקני הייצור‬
‫הפרטיים בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית‪ ,‬על מנת לספק את הדרישות‬
‫האנרגטיות של כלל העומסים במתחם‪ ,‬המשתנות בזמן וזאת בגישה טכנו‪-‬כלכלית בהתבסס גם על‬
‫חישובי ‪ LCOE‬ניהוליים‪.‬‬
‫בהרצת תרחישים רבים ניתן להצביע כי‪:‬‬
‫‪ .1‬שילוב מתקני ייצור אנרגיה פרטיים עם האפשרות לצריכת אנרגיה מהרשת הציבורית במרבית‬
‫המקרים מוזילה את עלויות צריכת האנרגיה של המתחם‪.‬‬
‫‪ .2‬מתקני הייצור הפרטיים משתלבים בעיקר במקבצי שעות של פסגה שבהם תעריף החשמל‬
‫במערכת הציבורית גבוהה‪.‬‬
‫‪ .3‬ככל שהספק הצריכה במתחם גדל‪ ,‬ניתן לראות השתלבויות של מתקני הייצור הפרטיים גם‬
‫במקבצי שעות ביקוש של שפל וגבע‪ .‬הדבר נובע מכך שככל שמשך שעות העבודה גדל‪ ,‬ה‪-‬‬
‫‪ LCOE‬הניהולי של המקורות הפרטיים קטן‪.‬‬
‫‪ .4‬שילוב אנרגיה מטורבינות הרוח שנבחרו יכולה להתקיים במידה ולטורבינות קיים ‪Capacity‬‬
‫‪ Factor‬הגבוה מ‪ .35% -‬מתחת לזה עלויות הייצור גבוהות ביחס לתעריפי הרשת הציבורית‬
‫בישראל‪.‬‬
‫‪ .5‬מתקני ייצור האנרגיה הפוטו וולטאי מייצרים את מירב האנרגיה בשעות פיסגה‪.‬‬
‫ניתוח רב שנתי לאורך חיי המערכת‪ ,‬מאפשר באמצעות המודל לבחון את הכדאיות הכלכלית של‬
‫ההשקעה במערכת המיקרו גריד בכלל‪ .‬ניתוח זה מתבסס על חישובי )‪,Net Present Value (NPV‬‬
‫לשם השוואה בין שתי חלופות ‪ :‬בניית ותפעול מערכת מיקרו גריד המשלבת מתקני ייצור אנרגיה‬
‫פרטיים עם השלמת אנרגיה חשמלית מהרשת הציבורית כנגד החלופה של הזנת המתחם מהרשת‬
‫הציבורית בלבד‪.‬‬
‫‪11‬‬