ראשי > אז מה עושים שם באוניברסיטה? > אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 6: בודד במערכה – על פתרון אופטימלי של מערכות הספק

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 6: בודד במערכה – על פתרון אופטימלי של מערכות הספק

נפגשתי עם יואש לברון כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

יואש מתגורר עם אשתו ושני ילדיו במושב עין-עירון שבאזור פרדס-חנה כרכור. את לימודיו בתחום הנדסת החשמל החל כעתודאי בטכניון. לאחר מכן, במשך עשר שנים, עסק בצבא בפיתוח מעגלים חשמליים ביחידה נחשבת. כיום הוא לאחר סיום עבודת הדוקטורט בנושא מערכות הספק תחת הנחייתו של דר' דורון שמילוביץ בפקולטה להנדסת חשמל באוניברסיטת תל-אביב.

יואש, אז מה אתם עושים שם?

אני עוסק במחקר של מערכות הספק שזה נושא רחב הכולל בתוכו ייצור אנרגיה, הולכת אנרגיה, רשת החשמל הארצית, גנרטורים וכדומה. מדובר בתחום שבו קרה משהו מאוד מוזר במשך השנים. למרות חשיבותם הרבה של הנושאים, הם אינם פופולאריים היום כנושאי מחקר.

תמונה 1: תחנת הכוח "אורות רבין" בחדרה. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

האם זה גרם לכך שיהיו רק מעט חוקרים בתחום?

כן. למעשה, תחום המחקר הזה כמעט שאינו פעיל בשנים האחרונות.

נשמע מוזר. תוכל להסביר?

כן, אבל כדי לקבל מעט רקע, בוא ניקח אתנחתא היסטורית קצרה. משנות ה-40 עד שנות ה-70 הפקולטות להנדסה התבססו על מחקר במערכות הספק. למשל בטכניון היו כ-15 חברי סגל שחקרו בנושאים אלה. בשנות ה-70 וה-80 החלה המהפכה הדיגיטלית ומהפיכת התקשורת העולמית בד בבד עם המצאת הטרנזיסטור. התחומים של מחשוב וטכנולוגיות מידע החלו להתפתח במהירות וקרנו של מחקר מערכות ההספק ירדה פלאים. למעשה, הלך הרוח הוא שנושאים אלה הם הנדסיים לחלוטין וכבר אינם מכילים אתגר מחקרי.

אז אולי הם צודקים, ואין מה לחקור?

ההפך הוא הנכון. בעקבות המהפכה העולמית הירוקה, נולד ביקוש עצום לתחום. מכיוון שישנה בעיה של דלדול מקורות האנרגיה העולמית, כולם רוצים לפתח מערכות המרת אנרגיה. דבר זה מזרים בשנים האחרונות כסף למשל למלגות מחקר, ובאופן טבעי לעליה מחודשת ברמת ההתעניינות בתחום.

במקביל עלה פרויקט עולמי מדובר מאוד וחשוב שנקרא 'smart grid' – רשת חכמה.

במה מדובר?

ראשית יש להבין שצורת אספקת החשמל שבה משתמשים היום היא כבר בת מאה שנים! רשת החשמל מורכבת מכמה תחנות ייצור חשמל ריכוזיות ועצומות שמהן זורם החשמל ישירות לצרכנים. אך בעולם השואף להגדיל את השימוש באנרגיה מתחדשת, למשל אנרגיה סולארית, המצב כבר שונה. רשת החשמל צריכה להיות מוכנה לקבל חשמל מיצרנים קטנים ומרובים, שהרכיבו בעידודה של המדינה פאנל סולרי על הגג.

מטרתו של פרויקט הרשת החכמה היא לשדרג את רשת החשמל מרשת ריכוזית לרשת שיכולה להיות מבוזרת. רשת זאת צריכה לכלול מערכות בקרה מתוחכמות שינהלו בצורה יעילה את המופע, כמו מנצח על תזמורת.

כמו כן, ישנה נכונות גבוהה כיום בעולם בכלל ובארה"ב בפרט להשקיע כסף בפרויקטים או סטרטאפים שעוסקים בתחום.

תמונה 2: פאנל סולרי המשמש כמקור החשמל העיקרי לחווה אקולוגית, סמוך למודיעין-מכבים-רעות. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

למה אנחנו צריכים את כל הבקרה הזאת?

היעד הראשון של רשת חכמה הוא לתרום ליציבות של המערכת. צריך להבין שכיום חברת חשמל יודעת בכל רגע נתון מה הדרישה של החשמל וכמה היא צריכה לספק. אך ברשת העתידית שבה חלק נכבד מהחשמל מיוצר על ידי ספקים קטנים ומפוזרים, השליטה על כמות החשמל המיוצרת והמסופקת בכל רגע נתון היא הרבה יותר נמוכה. לא ניתן למשל לבקש מאדם עם פאנל סולארי על הגג לייצר פחות חשמל לתקופה, מכיוון שהוא מפסיד מזה כסף.

היעד השני הוא שימוש וניהול של מאגרים אנרגטיים. בשימוש באנרגיה מתחדשת יש צורך בטכניקות אגירה של חשמל כי ייצור החשמל אינו תמיד אפשרי, למשל תאים סולריים בלילה. לכן יש צורך לנהל אותם בצורה יעילה.

ספר לי על מה עבדת.

באחד הפרויקטים שעבדתי עליהם הראיתי כיצד ניתן לשאוב רעיונות מניהול רשת העברת מידע ולהשתמש בהם בהצלחה בניהול רשת חשמל. גישה זאת עזרה לי לפתח כלי יעיל לניתוח מערכות הספק ענקיות שמכילות אלפי יצרני חשמל מסוגים שונים ומיליוני צרכנים.

מה הבעיה שאתה מנסה לפתור בעזרת אותו כלי חישובי שפיתחת?

השם הרשמי של הבעיה הוא בעיית ה-power flow – זרימת ההספק, והיא נחקרת פחות או יותר משנות ה-20 של המאה הקודמת. השאלה היא מה הם הזרם והמתח החשמלי בכל נקודה ברשת חשמל מסוימת. אם אוכל לחשב את הפתרון לבעיה זאת אוכל לנתב את כמות החשמל הדרושה מכל יצרן בצורה יעילה יותר, בהינתן רשת חשמל קיימת. כמו כן, היכולת לפתור ביעילות את הבעיה יתרום גם לתכנון יעיל של הרשת. נוכל לענות ביתר קלות על שאלות כגון: האם הקמה של קו חדש בין יקנעם לטבריה תועיל לרשת או לא.

כיום הבקרה על הרשת נעשית על ידי קביעת ההספק היוצא מכל אחת מתחנות הכוח הגדולות בזמן נתון. מכיוון שיש מעט נקודות ייצור, עדיין קל יחסית היום לשלוט על הרשת. אך כאשר הרשת תהיה מורכבת ממספר רב של צרכנים ויצרנים קטנים, השליטה ביציבות של הרשת תהיה קשה הרבה יותר. אני רוצה את האפשרות לשלוט ביעילות על רשת עם מעל ל-1000 גנרטורים ולא רק 5 כמו היום.

היכן הקושי בפתרון?

הקושי הוא למצוא פתרון אופטימלי עבור מספר עצום של משוואות ומספר אסטרונומי של משתנים.

אז מה עושים?

מה שאני הראיתי הוא שבמקום לנסות ולפתור את המשוואות במלואן בשיטות סטנדרטיות, עדיף לנסות להתחכם. כפי שציינתי קודם, השיטה שלי שואבת השראה מפתרון של רשת זרימת מידע והיא מתבססת על גישה המכונה תכנות דינאמי.

אנסה לתת אינטואיציה לשיטה מתחום אחר קצת יותר מוכר. נניח שאנו רוצים לחשב את הדרך הקצרה ביותר בין המושב הקטן עין-עירון לעיר הגדולה תל-אביב. ישנן אינספור דרכים ולכן לא נוכל להשוות בין כולן כדי למצוא את הדרך הקצרה ביותר. אך אם נניח שאנו יודעים את המרחק בין כפר-סבא, רמת-השרון ונתניה לתל-אביב, כל שנותר לנו הוא לפתור מה הדרך הקצרה ביותר להגיע לכל אחת מהערים האלה, אז נוכל לחשב בקלות לאיזה מהן עדיף להגיע כדי להמשיך לתל-אביב. כך נוכל להמשיך ולפרק את הבעיה בצורה רקורסיבית לבעיות קטנות וקלות יותר עד למציאת הפתרון שהוא הדרך הקצרה ביותר.


איור 3: תיאור סכמטי של הצעד הראשון במציאת הדרך הקצרה ממושב עין-עירון לתל-אביב. א) העיגול המודגשים עם סימן השאלה מסמלים את הדרך הקצרה ביותר בין הישוב מימינו לישוב משמאלו, אותה יש למצוא. ב) פרקנו את הבעיה המקורית לשלוש בעיות קטנות יותר.

ואם נחזור לבעיית זרימת ההספק?

אז תוך יישום של צורת החשיבה הזאת פיתחתי שיטת חישוב שתמיד תניב את הפתרון האופטימלי עבור כל רשת חשמל, ובזמן קצר בהרבה מהדרך המקובלת.

בוא נחשוב על ההספק הזורם בקווים כמו על המכוניות הנוסעות בכביש. השאלה הנשאלת היא כיצד "לנתב את התנועה" בצורה היעילה ביותר. איך נעביר הספק בין תחנת הכוח בחדרה, לצרכן בירושלים? אני טוען שצורת מחשבה כזו מאפשרת פתרון יעיל יותר של הרשת  מאשר חיפוש נומרי "אגרסיבי".

התקווה שלי היא שהשיטה הזאת תחולל מהפיכה בתחום של פתרון רשתות הספק ותקדם אותו אל המאה העשרים ואחת.

————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו :-)

מודעות פרסומת
  1. G
    12/08/2012 בשעה 4:37 am

    מחקר מעניין וכתבה כתובה היטב.
    תודה

  2. 12/08/2012 בשעה 9:16 am

    תודה לך 🙂

  3. 23/11/2012 בשעה 8:38 pm

    זה ממש נשמע מעניין. אני חושב שזה חשוב שאנשים יידעו במה מתעסקים באקדמיה ואיך כל הדברים האלו בסופו של דבר משפיעים על החיים שלנו כחברה וכיחידים. יואש הוא דוגמה מצויינת לייחודיות שיש במדינה הזו ולכמה אנשים מוכשרים יש לנו כאן, ואנחנו ממש חייבים לשמור עליהם שלא יזלגו לחו"ל.

  4. 23/11/2012 בשעה 10:56 pm

    תודה על הפידבק

  1. No trackbacks yet.

כתיבת תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: