יום רביעי, 1 ביולי 2009

המהפכה הסולארית - חלק ראשון

החלק הראשון של המאמר "המהפכה הסולארית" שפורסם בגליליאו
לאינדקס 

מאת ג'ודי ואריה מלמד-כץ

על הפוטנציאל של אנרגיית שמש להפוך למקור אנרגיה עיקרי במדינות שטופות אור

השמש היא מקור אנרגיה זמין ומתחדש, ואם נהיה מוכנים לייעד שטחי קרקע גדולים להצבת קולטי שמש, אזי בעיות האנרגיה של חלק ממדינות העולם צפויות להיעלם. למעשה, אנרגיית השמש, שהשימוש בה נקי לחלוטין, בלא תוצרי לוואי מזהמים, מוזכרת זה שנים כמקור אפשרי לייצור חשמל בקנה מידה גדול, במיוחד באזורים מוארים כמו ישראל. עם זאת, ההספק הכולל של החשמל המופק מאנרגיית שמש בעולם כולו עומד עתה על 5,000 מגה-ואט בלבד - רק 0.15% מהדרישה העולמית לחשמל.


אחת הסיבות לניצול כה נמוך של מקור אנרגיה כה זמין היא, שמתקן לייצור חשמל מאנרגיה סולארית הוא יקר מאוד לבנייה ולתחזוקה. כיום, מחירו הכולל של קוט"ש (קילו-ואט שעה) חשמל המיוצר בעזרת קולטי השמש היעילים ביותר עדיין גדול פי שלושה מקוט"ש חשמל שמקורו בשרפת דלקי מאובנים. מחירה של אנרגיה סולארית צפוי לרדת מאוד עם התרחבות השימוש בה, ועם השיפור ביעילות פעולתם של קולטי השמש השונים, אולם ההחלטה על מעבר מסיבי לרתימת אנרגיית השמש לתועלת האדם היא החלטה פוליטית, הנתונה בידיהם של מנהיגי המדינות השונות. החלטה זו תלויה בהבנה של עומק משבר האנרגיה העלול לפקוד אותנו, ובמודעות של מקבלי ההחלטות לחשיבות של אנרגיה חלופית הן מבחינה כלכלית הן מבחינה אקולוגית.

מדינת ישראל עצמאית לחלוטין בתחום אנרגיית השמש וההחלטה להתחיל בפיתוח מערכות לניצולה אינה תלויה בגורמים חיצוניים. ואולם, יש לזכור שהזמן דוחק והחלטה שתתקבל היום תביא למהפכה של ממש רק בעוד שני עשורים לערך. במאמר זה, השני בסדרת "האנרגיות החלופיות" (המאמר הראשון: ג'ודי ואריה מלמד-כץ, "אנרגיה כחולה", "גליליאו" 99), ננסה לברר אם ניצני המהפכה הסולארית החלו ללבלב, או שמא "אין חדש... תחת השמש".


לעולם בעקבות השמש

מתקנים לשימוש באנרגיה סולארית ניתן לסווג לפי שתי אמות מידה: גודלו של המתקן – הבחנה בין מתקן לשימוש ביתי ובין תחנת כוח; ואופי השימוש באנרגיית השמש – הבחנה בין מתקני חימום ישיר (תרמו-סולאריים) ובין תאים פוטו-וולטאיים. דוד שמש, למשל, הוא הדוגמה הפשוטה ביותר של מערכת ביתית לחימום ישיר, במקרה זה חימום ישיר של מים בעזרת קרינת השמש. דוד השמש הוא מתקן שהוכיח את יכולתו לחסוך באנרגיה, ובכל זאת לא הוא שיביא את המזור לבעיות האנרגיה העולמיות. כאשר מעוניינים ליישם את רעיון החימום הישיר במערכות גדולות יותר, כמו תחנות כוח, מתעורר הצורך לנצל את אור השמש בעזרת שטח קולטים קטן ככל האפשר, ולשם כך משתמשים בריכוז אור השמש באמצעות מראות או עדשות.

חברת סוֹלֵל הישראלית היא סיפור הצלחה בינלאומי. החברה, שנוסדה בשנת 1992 על חורבותיה של חברת לוּז, היא חברה המתכננת, מייצרת ומתקינה מתקנים תרמו-סולאריים, ועם לקוחותיה נמנות חברות גדולות להספקת חשמל ברחבי העולם. הפרויקט המרכזי של החברה, והגדול מסוגו בעולם, נמצא במדבר מואב בקליפורניה, והוא כולל כמה מתקנים תרמו-סולאריים. כל מתקן מורכב משדה של מראות מלבניות בעלות חתך פרבולי (שקתות פרבוליות), אשר מרכזות את אור השמש על פני צינור שבתוכו זורם נוזל, למשל שמן. הנוזל, המתחמם עד כדי 400 מעלות צלזיוס, משמש לחימום מים והפיכתם לקיטור. הקיטור, בתורו, מניע טורבינה המייצרת חשמל. כל המראות בשדה מחוברות למערכת הנעה הידראולית, שמטרתה לעקוב אחר תנועת השמש בשמיים ולאפשר ריכוז קרינה מקסימלי על הצינור במשך כל שעות היום.

תחנות הכוח הסולאריות שהקימה החברה בקליפורניה מספקות 354 מגה-ואט של חשמל, כמות המספיקה לחצי מיליון תושבים. קני קליינרמן, נציג החברה, שניאות לענות על שאלותינו, אומר שהיקף מכירות החשמל של סולל צפוי להגיע ל-70 מיליון דולר בשנת 2007. לפי דעתו, המכשול העיקרי העומד בפני גוף המתעתד לעבור לשימוש באנרגיה סולארית הוא ההשקעה ההתחלתית הגבוהה בעת בניית המתקן, אך מרגע שהתחנה קיימת, עלות הפקת החשמל היא ברמה תחרותית. להערכתו, עלות ההקמה של תחנות סולאריות צפויה לרדת מאוד בשנים הקרובות, עם הגדלת כמות התחנות המותקנות. מכיוון שעלות ההקמה היא, כאמור, הגורם המשמעותי ביותר בקביעת מחיר החשמל הסולארי, ייתכן שבעוד שנים אחדות המחיר ישתווה אפילו לחשמל המופק מתחנות מבוססות על פחם.

גם לגבי השוק הישראלי יש לסולל תכניות גדולות – בכוונת החברה להקים בנגב מתקן תרמו-סולארי שיספק 150 מגה-ואט כבר בשלב הראשון, ו-500 מגה-ואט לאחר הרחבתו. בתשובה לשאלתנו לגבי הפוטנציאל של מערכות תרמו-סולאריות במדינות מתפתחות כמו הודו וסין, המשוועות לכמויות אנרגיה גדולות במיוחד, ענה קליינרמן כי מערכות אלו אידאליות לכל מקום בעל רמת קרינה גבוהה, ונוסף על כך, זמן ההקמה שלהן קצר יחסית. במאמר מוסגר נעיר כי כרגע הודו וסין, ששוק האנרגיה בהן גדל בקצב גבוה, הרבה מעל התחזיות, נוטות לבחור בתחנות פחם וכורים גרעיניים, משום ששיטות אלו זולות יותר, נכון להיום.

במתקן ביתי, כמו דוד שמש, ניתן ליצור גיבוי לשעות הלילה ולימים מעוננים בצורת דוד חשמל, אבל חברה המפיקה חשמל מאנרגיה סולארית צריכה כמובן לחפש פתרון אחר. חברת סולל, למשל, מתמודדת עם הבעיה בעזרת מערכת מקבילה של יצירת קיטור על-ידי שרפת דלקים. נמצא שבעת צריכת השיא, בשעות היום, החשמל מופק מאנרגיה סולארית, ואילו בשעות הלילה ובימים מעוננים נעשה שימוש במערכת הגיבוי. מבחינה אקולוגית אין זה הפתרון האידאלי, אך ברור לכולנו שחברה שתתקשה לספק חשמל בשעות מסוימות - לא תשרוד. התקווה היא שמערכות משולבות כאלו יתבססו על סוגים שונים של אנרגיה חלופית.


קרדיט לתמונה: חברת סולל. התמונה צולמה בקליפורניה.


קרן שמש מרוכזת

שיטה אחרת לחימום ישיר נחקרת במכון ויצמן למדע. לפני כ-15 שנה הוקם במכון ויצמן מתקן ייחודי הקרוי "מגדל שמש". הרעיון היה להציב מגדל ובו מותקנים פתחים, הניצב בתוך שדה מראות. גם מראות אלה עוקבות אחר תנועת השמש במשך היום, אלא שכולן מחזירות את אור השמש לעבר אחד הפתחים של המגדל, כלומר שדה המראות כולו יוצר כתם בודד של אור שמש מרוכז על פני המגדל. מעבר לפתחי הכניסה במגדל נמצאים מתקני הניסוי. שם, הטמפרטורה יכולה להגיע לאלפי מעלות צלזיוס, ואת אנרגיית החום ניתן לרתום לייצור חשמל, למשל על-ידי חימום של אוויר דחוס שיניע טורבינה.

פרופ' יעקב קרני, ראש המרכז לחקר אנרגיית השמש במכון ויצמן, מסביר שמגדל השמש הישראלי ייחודי בכך שהוא מהווה מעבדה רב-קומתית. בכל קומה ניתן להציב ניסוי, ואת אוסף המראות מכוונים בכל פעם לקומה אחרת. מראה נוספת שהוצבה בחלקו העליון של המגדל, שגובהו 64 מטר, יכולה להחזיר את אור השמש המרוכז לתחתית המגדל ולאפשר ניסוי נוסף הממוקם למרגלותיו, ובכך מושג אפקט של מגדל גבוה יותר. למעשה, שדה המראות מתפקד כמראה מרכזת אחת גדולה. שטח השדה קובע את כמות האור המרוכז, ולכן רצוי להגדילו ככל האפשר. אולם, ככל שהשדה גדול יותר כך אורך המוקד גדול יותר, ועל מנת לנצל את החזרת האור מכל המראות שבשדה - דרוש מגדל גבוה. מראה מחזירה המחוברת למגדל, סמוך לראשו, מאפשרת ניצול טוב יותר של השדה מבלי להגביה את המגדל. כיום מוקמים כמה מגדלי שמש תעשייתיים וקדם-תעשייתיים ברחבי העולם, ואחד מהם, הנמצא בסין, אף הוקם בעזרת טכנולוגיה שפותחה במכון ויצמן.

יכולת הפקת החשמל של מגדל שמש תלויה אך ורק בגודלו של שדה המראות, שאליו ניתן להתייחס כמראה מרכזת אחת גדולה. החיסרון של שיטה זו טמון בעיקר בהסתרות – חלק מהמראות אינן פעילות בגלל ההצלה של המגדל עצמו, ונוסף על כך כל מראה עלולה להסתיר מעט את המראה השכנה. במגדל השמש של מכון ויצמן הצליחו להגיע ל-2,000 מעלות צלזיוס, ולייצר 2.5 מגה-ואט של חשמל. פרופ' קרני טוען שבשטח דומה לזה של תחנת הכוח בחדרה, ניתן יהיה לייצר בעתיד הספק גבוה פי מאה, כלומר 250 מגה-ואט, ואולי, בעזרת כמה תחנות כאלו, לספק חלק מצריכת החשמל של מדינת ישראל, הנאמדת ב-10,000 מגה-ואט בשעות השיא.

מעבדת האנרגיה במכון ויצמן עורכת ניסויים נוספים, ואחד המעניינים שבהם הוא אגירת אנרגיה באמצעות העשרת דלקים. כך, למשל, הגז הטבעי מתאן יחד עם אדי מים יכולים לעבור תגובה אנדותרמית, הדורשת השקעת אנרגיה, וליצור תערובת של מימן ופחמן חד-חמצני שתכולת האנרגיה בה גבוהה מאשר במגיבים. במילים אחרות, בעת שרפתם של התוצרים נקבל יותר אנרגיה מאשר בשרפה ישירה של גז מתאן. בעזרת מתקן כמו מגדל השמש, הטמפרטורה הגבוהה הדרושה להתרחשות התהליך האנדותרמי, שבו האנרגיה נאגרת בתוצרים, מושגת כמעט בחינם מרגע שהמתקן פעיל.

דוגמה לניסוי מעט שונה, שנמצא בשלבי תכנון, היא "מעגל מִחזור" של פחמן דו-חמצני, המהווה תוצר לוואי קבוע של שרפת דלקי מאובנים. במקרה זה, אנרגיית השמש משמשת להפיכת הפחמן הדו-חמצני לפחמן חד-חמצני תוך כדי שחרור חמצן. תגובה של פחמן חד-חמצני עם מים נותנת מתאנול, המשמש כמקור להפקת אנרגיה על-ידי שרפה. אמנם בתהליך השרפה, שבו מופקת אנרגיה, נוצר שוב פחמן דו-חמצני, אולם בסיכומו של דבר מספר המולקולות של גז חממה זה אינו משתנה.










שתי התמונות צולמו על ידי במכון ויצמן

 
לחלק השני של המאמר

לקריאה נוספת:
האתר של חברת סולל
מגדל השמש במכון ויצמן

אין תגובות: