ניתוח של ביצועי חום ויעילות כלכלית של כבל תת-ימי XLPE בהתבסס על סימולציה מקושרת של חשמל–חום–הידרוליקה

שמירה על בטיחות קווי חשמל תת-ימיים

עם התרחבות שדות הרוח הימיים, יותר ויותר חשמל צריך לעבור לחוף דרך כבלים עבים שקבורים בקרקעית הים. אם כבלים תת-ימיים מתחממים מדי, הבידוד הפלסטי שמוודא שהחשמל נשאר כלוא עלול להזדקן במהירות, לקצר את חיי הכבל ולהעלות עלויות. המחקר שואל שאלה שנראית פשוטה אך בעלת השלכות מעשיות גדולות: כיצד מאפייני קרקעית הים ודרך קבורת הכבל משנים את טמפרטורת הכבל וכפועל יוצא את הכלכלה של העברת חשמל נקי ליבשה?

מדוע קרקעית הים חשובה

כבלי תת-ים לפרויקטי רוח ימיים משתמשים בדרך כלל בפלסטיק קשוח הנקרא פוליאתילן מקושר (XLPE) כבידוד ומתוכננים כך שהליבות המתכתיות יישארו מתחת לכ־90 מעלות צלזיוס. החום הנוצר בהם חייב להיספג בקרקעית הים ובמי הים הסובבים. אך סוגי קרקעית אינם אחידים. חלקם חוליים ומוליכים חום היטב; אחרים עשירים בחימר ובעלי יכולת בידוד גבוהה יותר. בנוסף, המים הכלואים בנקבוביות בין חלקיקי המשקע יכולים לנוע כאשר הם מתחממים ולשאת חום עמם. תנאים מקומיים אלה קובעים עד כמה בקלות כבל יכול לפלוט חום, מה שמשפיע על העומס הזרם המותר ועל יעילות הפרויקט מבחינה כלכלית לאורך עשרות שנות שירות.

סימולציה של בעיית חום מורכבת

המחברים התמקדו בסוג כבל AC נפוץ בעל שלוש ליבות ובחוזק של 220 קילו־וולט ובנו מודל מחשב מפורט של חתך דרך קרקעית הים שבו כבל כזה קבור. במקום לטפל בכבל כמחולל חום פשוט, הם סימנו במפורש את השדות האלקטרומגנטיים שיוצרים חום בתוך המוליכים המתכתיים ושכבות אחרות. חום זה מתפשט לאחר מכן לקרקע שמסביב, שם הוא יכול לנוע גם על ידי הולכה פשוטה וגם על ידי תנועה של מי הנקבוביות המונעת על ידי ציפה, בדומה לזרימת הסעה טבעית איטית מאוד. על ידי קישור התנהגות חשמלית, תרמית וזרימת נוזלים במסגרת אחת, הם יכלו לראות כיצד שינויים בעומק הקבורה, בטמפרטורת הרקע, במוליכות התרמית של הקרקע ובפרמביליות שלה מתקשרים כדי לקבוע את טמפרטורת ההפעלה היציבה של הכבל ואת הזרם המותר לו. הם גם בדקו שהמודל תואם היטב לתקן הנדסי מקובל, ומצאו רק הבדל קטן בתחזית קיבולת הזרם.

מה קובע את טמפרטורת הכבל

הסימולציות מראות מגמות ברורות ולעתים מפתיעות. קבורת הכבל בעומק רב מעלה בעקביות את טמפרטורת המוליך, וההשפעה מתחזקת ככל שהעומק גדול יותר, כיוון שהחום צריך לעבור מרחק גדול יותר עד שהוא מגיע להשפעת הקירור של מי הים שמעל. טמפרטורת רקע חמה יותר מזיזה פשוט את כל המערכת כלפי מעלה: בעומס חשמלי זהה, כמה מעלות חום נוספות ברקע יכולות לדחוף את הכבל מעבר למגבלת הבטיחות. מוליכות החום של הקרקע — עד כמה החום עובר בקלות דרך המשקע — משחקת תפקיד מכריע. בקרקעות שמוליכות חום בצורה גרועה, הטמפרטורה יורדת במהירות עם המרחק והכבל פועל חם יותר, מה שמגביל בחומרה את הזרם שהוא יכול לשאת. בקרקעות מוליכות יותר, החום מתפזר מהר, ומאפשר זרם גבוה יותר ללא חריגה מהמגבלה התרמית.

עזרה חביון מתנועת מי נקבוביות

גורם מרכזי נוסף הוא הפרמביליות, שמתארת עד כמה בקלות מים יכולים לנוע דרך נקבוביות הקרקע. בקרקעות צפופות מאוד, אופייניות לחמרים, המודל מראה ששינוי בפרמביליות על פני כמה רמות סדר גודל משפיע במידה מועטה בלבד על טמפרטורת הכבל, כיוון שמי הנקבוביות כמעט לא נעים וההולכה שולטת. ברגע שהפרמביליות עוברת סף של כ־10⁻¹¹ מטרים רבועים — יותר דומה לטין גס או חול — זרימה מונעת ציפה הופכת לחשובה. מי נקבוביות חמים וקלים יותר עולים ומי קרירים שוקעים, ויוצרים מסלולי זרימה מעגליים המגבירים את הסרת החום. באזור זה, פרמביליות גבוהה יותר מובילה לטמפרטורות כבל נמוכות בולטות יותר, כאשר החום מתפזר בתבניות מוארכות המשקפות את הזרימות הפנימיות אלה.

מובן מה זה אומר להוצאות הפרויקט

מאחר שעלות כבל אינה רק רכישת החומר והתקנתו, המחברים קישרו את תוצאות החום שלהם למודל כלכלי פשוט. הם שילבו הוצאות ציוד והתקנה עם שווי האנרגיה שאבדה כחום לאורך תקופת חיים של 30 שנים, וכן תחזוקה שוטפת, כדי לחשב מדד השקעה: הסכום הכולל חלקי קיבולת הזרם של הכבל. מדד נמוך יותר משמעותו יותר וואטים מועברים לעומת כל דולר מושקע. הניתוח מראה שקבורה רדודה יותר, מוליכות תרמית של קרקע גבוהה יותר ופרמביליות מספקת כל אלה מורידים את המדד הזה והופכים פרויקטים ליעילים יותר כלכלית. עם זאת, קבורה רדודה מדי עלולה לחשוף את הכבלים לעוגנים, ציוד דיג וגלים, ולכן מהנדסים חייבים לאזן את היתרונות התרמיים והכלכליים מול הסיכון המכנשי ודרישות רגולטוריות.

מסקנה לאנרגיה ימית

למתעניינים בעתיד רוח ימית, מסר המחקר ברור: קרקעית הים אינה רק רקע פסיבי. טמפרטורתה, גודל גרגריה ונתיבי המים שבה משפיעים מאוד עד כמה נוכל לדחוף בבטחה את הכבלים שמקשרים טורבינות ימיות אל הרשת, וכמה יעלה החיבור הזה במהלך חייו. באמצעות מודל מקושר של חשמל–חום–זרימה, המחברים מראים שברירת שכבות משקע קרירות יותר, מוליכות חום טובה יותר ובעלות פרמביליות מספקת — והימנעות מקבורה לעומק מיותר — יכולים לאפשר העברת כוח גבוהה יותר ותשואה טובה יותר על ההשקעה, בתנאי ששמירה על הגנה מפני נזק פיזי נשמרת.

ציטוט: Ye, M., Zhang, Y., Wu, H. et al. Analysis on the thermal performance and economic efficiency of XLPE submarine cable based on electric–thermal–hydraulic coupling simulation. Sci Rep 16, 9467 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40092-7

מילות מפתח: כבלי חשמל תת-מימיים, רוח ימית, משקעים בקרקעית הים, העברת חום, אמינות הכבל