אנרגיית גאות ושפל

אנרגיית גאות ושפל היא סוג של אנרגיה הידרואלקטרית, הממירה את האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית של תנועת המים מתחת לפני הים לאנרגיה מכנית, כאשר הלהבים מסתובבים האנרגיה המכנית בציר ההנעה מומרת לאנרגיה חשמלית באמצעות גנרטור. בצורה זו ניתן ליצור אנרגיה ירוקה ומתחדשת. גאות ושפל נוצרים על ידי השפעת הירח והשמש על כוח הכובד הגורם לתנועה המחזורית של הים. טווח הגאות הוא רחב ויכול להשתנות (4.5–12.4) מאתר לאתר. על מנת להשתמש באנרגיה זו יש צורך בהפרשים של 7 מטרים לפחות. הצפיפות של המים הרבה יותר גבוהה מזו של אוויר (פי 800), ולכן אנרגיית גאות ושפל יכולה לספק אנרגיה חזקה יותר מאנרגיית רוח. בניגוד לרוח, גאות ושפל הם תהליכים צפויים ויציבים. ולכן שימוש בטכנולוגיה הידרואלקטרית זו מספקת אנרגיה חשמלית יציבה ואמינה. אנרגיית הגאות היא אחת הצורות העתיקות ביותר של אנרגיה בה משתמשים בני האדם. טחנות מים שחלקן השתמשו באנרגיית הגאות החלו לפעול עוד בשנת 787 לספירה בחופי ספרד, צרפת ובריטניה, וכללו בריכת אחסון ושלוחה להעברת המים בעזרת גלגל. בתהליך זה השתמשו בתנועה המים לסיבוב הגלגל (אנרגיה מכנית), אנרגיה זו נוצלה לטחינת התבואה. במאה ה-19 התחילו בארצות הברית ובאירופה להשתמש בטחנות גאות וטורבינות ליצור חשמל. קיימות בעולם מספר תחנות כוח המפיקות חשמל על ידי שימוש בכוח הגאות. הראשונה שהוקמה היא תחנת הכוח "לה ראנס" בצרפת בשנת 1966, שהייתה תחנת הכוח הגדולה ביותר עד שנפתחה תחנת הכוח באגם סיווה (אנ') בקוריאה הדרומית בשנת 2011. בארצות כמו סין, צרפת, אנגליה, קנדה ורוסיה קיימים רווחי גאות גדולים ולכן פוטנציאל למימוש אנרגיה זו הוא גדול. בים התיכון תופעת הגאות חלשה יחסית (עשרות סנטימטרים בלבד), ולכן אין היתכנות טכנולוגית וכלכלית בישראל לשימוש באנרגיית גאות ושפל. על מנת לספק אנרגיה לגנרטורים, רוב הפרויקטים של גאות ושפל מסתמכים על טורבינות. הזרמים החזקים של המים (אנרגיה קינטית) מניעים את להבי הטורבינה, ותנועת להבי הטורבינה יוצרת אנרגיה מכנית, שהופכת לאנרגיה חשמלית כאשר היא מגיעה לגנרטור. הסוגים הפופולריים ביותר הם טורבינות בעלות ציר אופקי וטורבינות עם ציר אנכי. להבים בודדים מוגדרים כלהבים קבועים או מתכווננים שיכולים להתיישר עם זרמי הגאות בזמן שהם נעים. טורבינות עשויות להשתמש באמצעים אקטיביים או פסיביים כדי לסנן או להרחיב את כיוון הזרימה. פעילות הטורבינה יעילה יותר במים רדודים המייצרים יותר אנרגיה, להבי טורבינה שנעים לאט, מורידים את הסיכוי לפגיעה באורגניזמים החיים במערכת. האנרגיה הפוטנציאלית מגאות נשמרת באמצעות הצבה אסטרטגית של סכרים מיוחדים, מטח זהו סוג של סכר גדול ומיוחד הבנוי מבטון לרוחב טווח הגאות ובצורה זו מאפשר פיקוח ושליטה בתנועת זרמי הגאות על ידי מהנדסים, דבר המאפשר שליטה בכמות האנרגיה המופקת. המטחים ממוקמים בדרך כלל במעברי כניסה למפרצים שיוצאים מהאוקיינוס, נהרות ושפכי נהרות. שערי המטח נפתחים עם עליית הגאות, ונסגרים בשעות השפל, בתוך המאגר מפלס המים נשאר גבוה ומחוצה לו המפלס נמוך. המאגר לא מושפע משעות הגאות והשפל. בעת הצורך באנרגיה חשמלית, המים משוחררים דרך טורבינות המטח ומייצרות אנרגיה על ידי שימוש בהפרשי גובה המים (אנרגיה פוטנציאלית כובדת המומרת לאנרגיה קינטית של זרימת המים) הנמצאים בתוך המבנה ומחוצה לו. אנרגיה זו מומרת לאחר מכן לאנרגיה מכנית כאשר המים משוחררים דרך טורבינות גדולות היוצרות אנרגיה חשמלית באמצעות שימוש בגנרטורים. בדרך כלל נדרש גובה מינימלי של 5 מטרים כדי להצדיק בניית מטחי גאות, ולכן קיימים רק 40 מטחים פעילים ברחבי העולם. איור- תחנת "לה ראנס" במבט על פירוט מבנה תחנת מטח גאות לגונות הן גופי מים בנויים המוקפים באוקיינוס באופן חלקי על ידי מחסום טבעי (אבן) או מלאכותי, ניתן לבנות לגונה גם בשפכי נהרות, המכילות מים מתוקים המתרוקנים לתוכן. הלגונה מתפקדת כשובר גלים בזמן שפל ושוקעת בזמן גאות. בעלי חיים יכולים לשחות סביב המבנה ואורגניזמים קטנים יותר יכולים לחיות בתוכו. הלגונות מתפקדות באופן זהה למטחים, אך בשונה ממטחים הן ממקומות בתוך האוקיינוסים או הנחלים ויכולות לייצר אנרגיה חשמלית באופן רציף, ללא התערבות מהנדסים ולא בהתאם לדרישה, המאגר מושפע ישירות משינוי הגאות. הטורבינות פעילות כאשר הלגונה מתמלאת ומתרוקנת. באמצעות הצבה אסטרטגית של סכרים מיוחדים ניתן להשתמש באנרגיה האגורה על ידי שינוי הגובה ותנועת זרימת המים. בזמן גאות כאשר מפלס המים עולה, המים מועברים לאגן גדול מאחורי הסכר, כך נאגרת כמות גדולה של אנרגיה פוטנציאלית. כאשר הגאות נסוגה, אנרגיה זו מומרת לאנרגיה מכנית כאשר המים משוחררים דרך טורבינות גדולות היוצרות חשמל באמצעות שימוש בגנרטורים. אנרגיית גאות ושפל היא משאב פוטנציאלי של אנרגיה מתחדשת נקייה. אנרגיה זמינה, ניתנת לחיזוי מדויק דבר המהווה יתרון משמעותי. מבחינה טכנולוגית, קיים דמיון בשיטת הפקת האנרגיה בין טורבינת גאות לבין טורבינת רוח, אך רוח אינה ניתנת לחיזוי ברוב המקרים. בנוסף, יעילות ייצור האנרגיה בטורבינת גאות גדולה יותר מזו של טורבינת רוח כיוון שטורבינות הגאות מנצלות את האנרגיה הקינטית של זרימת המים אשר צפיפותם גבוהה פי 800 מצפיפות האוויר, וכתוצאה מכך הטורבינות מקבלות אנרגיה מכנית גדולה שמספקת אנרגיית חשמלית גדולה יותר כתוצאה מכך. טכנולוגיית ייצור אנרגיה מגאות ושפל עדיין ממשיכה להתפתח, אך אין ערובה לכך שהשקעה בבניית מערכות אלו ואחזקתן תניב רווחים כלכליים משמעותיים לחברות האנרגיה או תועיל לצרכנים. מהנדסים פועלים לשיפור הטכנולוגיה של מחוללי אנרגיה גאות ושפל כדי להגדיל את כמות האנרגיה שהם מייצרים, להקטין את השפעתם על הסביבה ולהגדיל את הרווחים שלחברות אנרגיה. מסיבה זו יזמים אינם ממהרים להשקיע בתחנות כוח המבוססות על אנרגיית הגאות וקיימים בעולם מספר קטן יחסית של אתרים בהם ניתן לייצר אנרגיית גאות במחיר סביר. לרוב, האתרים המתאימים למשימה זו מרוחקים מאוד מאזורים מיושבים ומשתמשים פוטנציאלים, עובדה המעמיסה עלויות גבוהות מאוד בהקמת תחנת כוח מסוג זה ובהעברת החשמל המיוצר לצרכנים. בנוסף, קיים חשש שניצול אנרגיית המים באוקיינוס ובניית תחנות כוח גדולות עלול לפגוע באקולוגיה ובסביבת החיים העשירה באוקיינוסים, שיקולים אלו מעכבים ומונעים פיתוח של תחנות כוח נוספות מסוג זה . הצבת טורבינות באתרים שונים באוקיינוס עלולים ליצור פגיעה סביבתית קשה, כפונקציה של גודל הטורבינה והאתר בו היא ממוקמת. הצבת טורבינות בהם קיימים מטחים או לגונות גאות ושפל היא מורכבת, מכיוון שהמכונות גדולות ומשבשות את הגאות שהן מנסות לרתום. הדאגה הסביבתית העיקרית היא התנגשות בין להבי טורבינות לבין אורגניזמים ימיים עקב תנועות של בעלי חיים טבעיים, קיים גם חשש שרעש הטורבינות יכול להשפיע על התקשורת בין בעלי חיים הימיים, אינטראקציה חברתית, טרף והתחמקות. כמו בכל ייצור החשמל, קיים חשש ששדות אלקטרומגנטיים הנוצרים על ידי כבלי חשמל וחלקים נעים של הטורבינות עשויים להשפיע על בעלי חיים המשתמשים בשדה המגנטי הטבעי של כדור הארץ לצורך כיוון, ניווט וציד. כמו כן, יש סכנה לזיהום מכימיקלים כגון צבע נגד קורוזיה וכמויות קטנות של שמן. אמנם חלק מעיצובי הטורבינה אינם דורשים שימון עדיין קיימות השפעות שליליות על איכות המים. שינויים גדולים של גאות ושפל בזרימה עלולים לשבש מערכות פיזיות טבעיות ולגרום להידרדרות באיכות המים או לשינויים בהובלת משקעים, ועלולים להשפיע על תהליכים חשובים במערכת האקולוגית. ההשפעה הסביבתית של מערכת מטח יכולה להיות משמעותית למדי. הקרקע הנמצאת בטווח הגאות מופרת לחלוטין. הטורבינות נעות במהירות במטחים אלה (יותר בהשוואה לטורבינה הממוקמת בלגונה), וחיות ימיות יכולות להיתפס בלהבים. מבחינה כלכלית, מטח הוא מחולל אנרגיה יקר, אף על פי שאין עלויות דלק, התקנת מטחים כוללת יותר בנייה, מכונות ותחזוקה. בניגוד לטורבינות בודדות, מטחים דורשים גם מערכות בקרה ופיקוח מתמיד על מנת להתאים את תפוקת הכוח. בלגונת גאות ושפל, השינוי בגובה המים עלול לפגוע בחיי הצומח ובעלי החיים. בנוסף התכונות הכימיות של המים, ובעיקר המליחות בתוך לגונת הגאות נמוכה יותר מאשר בסביבה הימית המקיפה אותה, דבר שמשנה את תנאי המחיה ועשוי להשפיע על האורגניזמים החיים בה. בסכרים המוקמים בשפכי נהרות, דגים ובעלי חיים אחרים עלולים להיחסם בכניסה אל תוך לגונת הגאות או ביציאה ממנה. מדיה וקבצים בנושא אנרגיית גאות ושפל בוויקישיתוף אנרגיית גאות ושפל, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) Capturing energy from tidal fluctuations, Tethys Tidal Energy, Ocean Energy Council, ‏2018 (באנגלית אמריקאית) Mark Crawford, 6 Ways to Capture Tidal Energy, The American Society of Mechanical Engineers, ‏Oct 23, 2019 (באנגלית אמריקאית) National Geographic Society, tidal energy, National Geographic Society, ‏2011-06-14 (באנגלית) אנרגיה הידרואלקטרית | אנרגיית מים | מגלים | גאות ושפל, באתר הגן הסולארי, ‏2010-05-16 אנרגית גאות ושפל - אנרגיה מתנודות וזרמים, באתר אלקטריק