אוקסידלק - Oxyfuel

85% מהאנרגיה בעולם מופקת על ידי שריפת דלקי מאובנים - בעיקר נפט, פחם וגז טבעי - ויש עם זה כמה בעיות. ראשית, לשריפת נפט ופחם יש תוצרי לוואי מזהמים שגורמים לזיהום אוויר וקרקע. מהבחינה הזו, גז טבעי נקי לחלוטין, משום שתוצרי הלוואי היחידים של שריפתו הם פחמן דו-חמצני ואדי מים. פחמן דו-חמצני ואדי מים, הנפלטים בשריפה של כל חומר אורגני, ובפרט דלקי מאובנים, אינם יוצרים זיהום אוויר, אך הם מהווים גזי חממה מרכזיים המשפיעים על עוצמת אפקט החממה. עליית ריכוז הפחמן הדו-חמצני באוויר נחשבת כגורם עיקרי להתחממות פני כדור הארץ במהלך המאה ה-20. בנוסף לכך, דלקי המאובנים הם משאב מתכלה ועל כן התבססות כמעט מוחלטת עליהם עלולה ליצור בעיה כשהמלאי שלהם יקטן. ובאותו הקשר - התלות בהם כמקור דלק עיקרי יוצרת תלות במדינות שמספקות אותם, ותלות אנרגטית כזו היא מצב לא בריא למדינה, במיוחד למדינה כמו ישראל שהיא מבודדת למדי.


אני משער שבמהלך המאה ה-21 יגבר כוחם של פתרונות אנרגיה חלופית, כמו אנרגיה הידרואלקטרית, אנרגיית רוח ואנרגיית שמש, אבל צריך לזכור שלדלקים מאובנים יש שני יתרונות עיקריים שעדיין ישאירו אותם בתמונה, גם אם חלקם היחסי יקטן. היתרון הראשון הוא צפיפות אנרגיה גדולה, או במילים אחרות - תחנות הכוח ששורפות דלקי מאובנים קטנות יחסית. היתרון השני הוא מחיר נמוך יחסית לשיטות אחרות, אבל ייתכן שהמצב ישתנה, או לפחות יתרחשו תנודות גדולות במחיר. ראינו את זה במחירי הנפט במהלך העשור הראשון של המאה ה-21.

מצד שני, הלחץ הפוליטי שנוצר באירופה ובמקומות נוספים, כולל ארצות הברית, יביא לחיפוש פתרונות ידידותיים יותר לסביבה, גם בכל הקשור לשריפת דלקי מאובנים. אוקסידלק הוא רעיון כזה, ויישום רחב שלו ברחבי העולם יכול להקטין באופן ניכר את זיהום האוויר. חלק גדול מהמזהמים הנפלטים כתוצאה מבעירת דלקי מאובנים מכילים חנקן. החנקן נמצא באוויר בכמות גדולה (כ-78% מנפח האוויר), אבל הוא לא דרוש לבעירה. לכן, שימוש בחמצן בלבד בתהליך שריפת הדלק יכול להוריד את זיהום האוויר לרמה נמוכה. בשיטת אוקסידלק מפרידים את האוויר לחנקן וחמצן (החמצן מהווה כ-21% מנפח האוויר), ומשתמשים רק בחמצן בתהליך הבעירה. התוצרים שנפלטים לאוויר הם בעיקר אדי מים ופחמן דו-חמצני, וכאמור, שני אלו אינם מהווים זיהום אוויר. הבעיה העיקרית היא שתהליך ההפרדה בין חנקן לחמצן הוא בעצמו תהליך זולל אנרגיה, וזה מקטין את היעילות הכוללת של תחנה שעובדת בשיטת אוקסידלק. בעיה נוספת היא ייצורם של מזהמים שלא מכילים חנקן, כמו גופרית דו-חמצנית, שאותם צריך לסלק לאחר שריפת הדלק.

המבנה הכללי של תחנת הכוח הגרמנית Schwarze Pumpe, הראשונה בעולם שעובדת בשיטת אוקסידלק. האוויר מופרד לחמצן וחנקן, והפחם נשרף בעזרת חמצן נקי שמוזרם לתא הבעירה. השריפה נועדה לחימום מים והפיכתם לקיטור, וזאת לטובת התעשייה המקומית. גז הפליטה עובר סינון להרחקת מזהמים, והפחמן הדו-חמצני הנותר אמור להידחס עד שיהפוך לנוזל. הנוזל יוטמן מתחת לפני הקרקע. 

אם רוצים לעשות את זה כמו שצריך, רצוי שלא לפלוט את הפחמן הדו-חמצני לאוויר על מנת שלא להגביר את אפקט החממה. ניתן לאסוף את הגז הזה ולהעביר אותו לתעשייה שזקוקה לו או להזרים אותו לחוות לגידול אצות שמהם יפיקו אחר כך ביודלק. האצות, כמו צמחים ירוקים אחרים, משתמשות בפחמן דו-חמצני בתהליך הפוטוסינתזה (הטמעה). אפשרות אחרת היא לאסוף את הפחמן הדו-חמצני, לדחוס אותו עד שיהפוך לנוזל ולקבור אותו מתחת לפני האדמה. זאת הייתה התוכנית בעת הקמת תחנת הכוח הראשונה בעולם שפועלת בשיטת אוקסידלק - שוורצה פומפה (Schwarze Pumpe) שבגרמניה. מדובר בתחנה בעלת הספק של 30 מגה ואט ששורפת פחם ומייצרת קיטור לשימוש התעשייה המקומית. התחנה הוקמה בשנים האחרונות ועובדת בצורה טובה, חוץ מבעיה אחת - נכון להיום הם לא מטמינים מתחת לפני האדמה את הפחמן הדו-חמצני שנאסף. לכן, מרבית הפחמן הדו-חמצני בכל זאת נפלט לאטמוספרה, וייקח זמן עד שיימצא הפתרון הביורוקרטי שיאפשר הטמנת פחמן דו-חמצני נוזלי במקומות המתאימים. חבל.

תחנת הכוח Schwarze Pumpe. שריפת הפחם בעזרת חמצן וללא חנקן מתבצעת במבנה (1) והרחקת מזהמים כמו גופרית דו-חמצנית מתבצעת במבנה (2). במבנה (3) עוברים אדי המים עיבוי והפחמן הדו-חמצני אמור להידחס על מנת שיהפוך לנוזל שאותו ניתן יהיה להטמין מתחת לפני הקרקע.

מקורות לתמונות: חברת האנרגיה השבדית Vattenfall שמפעילה את תחנת הכוח Schwarze Pumpe.

סידני לוב

נזכרתי בסידני לוב (Sidney Loeb), אבי שיטת האוסמוזה ההפוכה, כשקראתי מאמר אודות התפלת מים מאת עידן ישראל פייביש שהתפרסם בגיליון 136 של גליליאו (דצמבר 2009). זכיתי להכיר אותו לפני קצת יותר משלוש שנים כשאני וג'ודי התחלנו לכתוב על אנרגיה חלופית עבור גליליאו. המאמר הראשון עסק בשיטה לא כל כך מוכרת של הפקת אנרגיה על ידי ניצול הפרשי מליחות - אנרגיה כחולה.

תאור סכמטי של שיטת PRO להפקת אנרגיה

הרעיון מאחורי שיטת PRO (ראשי תיבות של Pressure retarded osmosis), אחת משתי השיטות של אנרגיה כחולה, הוא זה: נניח שיש לנו מיכל עם שני תאים המופרדים על ידי ממברנה שחדירה רק למים אך לא ליוני מלח (ממברנה חדירה למחצה). אם מכניסים לתא אחד מים מתוקים (בעלי מליחות נמוכה) ולתא השני מי ים (בעלי מליחות גבוהה), מים יעברו מהצד של המים המתוקים וימהלו את מי הים. לתופעה הזו קוראים אוסמוזה, והיא נובעת מהנטייה של תמיסות להשוות ריכוזים באמצעות פעפוע (דיפוזיה) כשהן באות במגע. הפקת האנרגיה נעשית באמצעות ניצול המים שעברו לתא השני לצורך הנעת טורבינה. מדינות עשירות במי נהרות הזורמים לים, כמו נורבגיה, חוקרות אפשרות לייצר אנרגיה בשיטה זו, וייתכן שהשיטה תהיה רלוונטית גם עבור ישראל אם תיכרה תעלת הימים ויתקיים מגע בין מי ים רגילים למי ים המלח. הפרשי המליחות הם הגורם המכריע כאן.

כשהתקדמנו בתחקיר ראינו שם אחד שחוזר שוב ושוב במאמרים המדעיים הנוגעים ליישומים השונים של מתקני אנרגיה כחולה, ולהפתעתנו גילינו שהאיש חי בארץ ועדיין עוסק במדע בגיל 89. זה היה סידני לוב: פרופסור, מהנדס כימיה וממציא מוכשר, שהגה את אחת השיטות של האנרגיה הכחולה, שכלל את השנייה, ולא פחות חשוב - הוא היה הראשון שהצליח ליישם מתקן התפלת מים באמצעות אוסמוזה הפוכה. כיום זו השיטה המועדפת בעולם להתפלת מי ים.

המשותף לאוסמוזה הפוכה ולאוסמוזה רגילה הוא שימוש באותה ממברנה חדירה למחצה, אלא שהפעם ממלאים רק תא אחד במי ים. כשמפעילים לחץ על מי הים, עוברים מים דרך הממברנה לתא השני. המים הללו הם מים מתוקים טובים לשתייה. על מנת ליצור את הלחץ צריך להשקיע הרבה אנרגיה, אבל נראה שאין ברירה - במקומות רבים בעולם, כולל ישראל, מים מותפלים הפכו למצרך הכרחי.

פרופסור סידני לוב בביתו

למזלנו, הצלחנו לקבוע פגישה עם פרופ' סידני לוב, וזכינו לשוחח עמו במשך כמה שעות. זו הייתה חווייה מעשירה ומרתקת עבורי. אני זוכר אותו כאדם צנוע, אדיב וסבלני, בעל שילוב נדיר של גישה הנדסית עם גישה מדעית. מצד אחד היה חשוב לו לספק לנו הסבר מדעי מדויק לכל שאלה ומצד שני הוא התעמק בפרטים הטכניים, שהם בעצם אלו שמאפשרים הפיכת עיקרון מדעי ליישום מוצלח.

סיפור מעניין אחד קשור להמצאה הגדולה שלו - ממברנה חדירה למחצה יעילה במיוחד. הוא ועמיתו ניסו מגוון ממברנות. אחת מהן, עשויה מצלולוז-אצטט, נתנה ביצועים מרשימים בבדיקה הראשונה, אך בבדיקה השנייה הביצועים היו עלובים. הם המשיכו לחקור וגילו ששני הצדדים שלה שונים ויש חשיבות לכיוון שבו שמים את הממברנה: הצד הדק צריך להיות מופנה כלפי התא שממנו עוברים המים לצד השני. "לפעמים אני תוהה אם היינו ממשיכים לבדוק ממברנה זו, אילו הניסוי הראשון שלה היה נכשל", אמר לנו פרופ' לוב כשפגשנו אותו.

אני מביא כאן קטע מהמאמר "אנרגיה כחולה" שהתפרסם בזמנו בגיליון 99 של גליליאו (נובמבר 2006).

את פרופ' לוֹבּ בן ה-89 אנו פוגשים בביתו ביישוב עומר, ליד באר-שבע, בו הוא מתגורר כבר למעלה משלושים שנה. לראשונה הוא הגיע לבאר-שבע בשליחות אונסק"ו, בשנת 1967, על-מנת להקים מפעל התפלה בקיבוץ יטבתה וללמד את טכנולוגיית האוסמוזה ההפוכה בישראל. ההזמנה הייתה לשלושה חודשים, אך לוֹבּ נשאר שלוש שנים, שבסיומן הוא שב לארצות-הברית רק כדי לחזור ולעלות לארץ באופן רשמי. הוא החל לחקור וללמד באוניברסיטת בן-גוריון שזה עתה נוסדה. מתקן האוסמוזה ההפוכה הראשון בישראל להתפלת מי תהום מלוחים אכן הוקם ביטבתה, אם כי בתחילה הקיבוצניקים חששו מהמים המותפלים, ובעצם, הקיבוצניקיות היו אלה שעשו את הצעד הראשון ומצאו שימוש למים הרכים - חפיפת ראש. ותיקי הקיבוץ עוד זוכרים, שכדי לשכנע אותם לנסות וללגום מהמים, הביא פרופ' לוֹבּ את ד"ר ברלין מבית החולים סורוקה, שהצליח להפחיד אותם כהוגן לגבי הנזקים בשתיית מים מלוחים.

פרופ' לוֹבּ מספר שבמשפחתו לא היו מדענים, וגם לו לא היו שאיפות בתחום. הוא סיים לימודי הנדסה כימית באוניברסיטת אילינוי והלך לעבוד בתעשייה הצבאית והאזרחית בקליפורניה. אחרי 16 שנה התעורר בו שוב חיידק הלימודים והוא נרשם ללימודי תואר שני ושלישי באוניברסיטת UCLA. יחד עם שותפו למחקר, סריניווסה סורירג'אן (Sourirajan), שאיתו הוא שומר על קשר עד היום, התוודע סידני לוֹבּ לרעיונות של פרופ' ריד (Reid) מפלורידה, לגבי האפשרות להתפיל מים בעזרת אוסמוזה הפוכה. את פרסומו העולמי קנה לוֹבּ בזכות היישום המוצלח הראשון של השיטה. זה קרה בשנת 1965, בקואלינגה (Coalinga), עיירה קטנה ושכוחת אל בקליפורניה, בה הוקם בשנה זו המפעל המסחרי הראשון להתפלת מים בשיטת האוסמוזה ההפוכה. הוא נזכר בחיוך, שלמבחן המסכם שלו בלימודי הדוקטורט, שנה קודם לכן, ביקשו ממנו הבוחנים להביא שלטים עם שאלות, משום שכבר אז הוא היה המומחה מספר אחד בעולם לאוסמוזה הפוכה.

בעקבות עליית מחירי הנפט, הגה פרופ' לוֹבּ את רעיון האנרגיה הכחולה בשנת 1973. "לקחתי תהליך התפלה שבו משקיעים אנרגיה, ופשוט הפכתי אותו", הוא מסביר. הרעיון המקורי היה להשתמש בהפרשי המליחות בין נהר הירדן לים המלח, ואם לא בישראל אז לפחות בנהר ירדן אחר – זה שנשפך לימת המלח ביוטה. כיום, עשרים שנה מאז פרישתו לגמלאות, הוא ממשיך במחקר תיאורטי של ממברנות ובתכנון מתקני אנרגיה כחולה. "כשהוא עובד על מאמר, סידני לא ישן ולא אוכל כמה ימים" – מתלוננת רעייתו בנושא זה. לפני שש שנים, כאשר ביקר בחברת Statkraft בנורבגיה, קיבל פרופ' לוֹבּ הצעה מפתה לשמש כיועץ בשכר. למרות גילו, הוא סירב להצעה, רק משום שהתבקש לחתום על הסכם סודיות. עם זאת, הוא עדיין שומר על קשר עם הנורבגים ומתעדכן לגבי התקדמות מחקר הממברנות שלהם. הוא אופטימי בקשר לאנרגיה כחולה ומעריך שתוך עשרים שנה היא תחליף שיטות אחרות במדינות חוף שופעות מי נהר.

השנה נסגר מבחינתו מעגל, עת הוענק הפרס הראשון על שמו, בכנס בצרפת. את הפרס יזמה פרופ' מרים בָּלַבַּן, עורכת כתב העת Desalination, אותו כתב-עת שבגיליון הראשון שלו פורסם המאמר המקורי של סידני לוֹבּ על אוסמוזה הפוכה, לפני למעלה מארבעים שנה.

פרופ' סידני לוב נפטר ב-12 בדצמבר 2008, בגיל 92. יהי זכרו ברוך.

אנרגיה חלופית לילדים

אנרגיה בתנועה - כתבה שהכנתי עם אשתי ג'ודי על כלי רכב המשתמשים באנרגיה חלופית. פורסם בגיליון 67 של גליליאו צעיר (אוגוסט 2009).

המהפכה הסולארית - נספחים

החלק השלישי של המאמר "המהפכה הסולארית" שפורסם בגליליאו  
לאינדקס

האפקט הפוטו-וולטאי

מוליכים-למחצה מאולחים נחלקים לשני סוגים: מוליכים-למחצה מסוג n ומוליכים-למחצה מסוג p. החלוקה היא בהתאם לחומר המאלח, הקובע את סוג נושאי המטען במוליך-למחצה. כך, למשל, אם נאלח צורן בזרחן, שיש לו נטייה לאבד אלקטרון, נקבל מוליך-למחצה מסוג n, כלומר מוליך-למחצה שיש לו עודף של אלקטרונים חופשיים. לעומת זאת, אם נאלח את הצורן בבורון, שיש לו נטייה למשוך אלקטרונים, נקבל מוליך-למחצה מסוג p, כלומר מוליך-למחצה שיש לו מחסור באלקטרונים, או בעגה המקובלת, עודף של "חורים". כדאי לשים לב שבמתכת נושאי המטען הם אלקטרונים חופשיים בלבד, ואילו במוליך-למחצה תיתכן גם "זרימה של חורים". זרימה זו מתבטאת בפועל כהתקדמות מהירה של המקום הריק לאורך החומר, התקדמות שמקורה בתנועות קצרות של אלקטרונים הממלאים בכל פעם את החור.

דיודה המשמשת כתא פוטו-וולטאי

כאשר מצמידים מוליך-למחצה מסוג n למוליך-למחצה מסוג p, אזי בקרבת מישור המגע מקבלים אזור נקי מנושאי מטען. באזור זה, הקרוי אזור הצומת, נושאי המטען משני הצדדים מנטרלים זה את זה ונותרים בו יונים בלבד, היוצרים מחסום חשמלי. ניתן לעורר זרימה דרך הצומת באמצעות מה שקרוי ממתח קדמי חיצוני, כלומר חיבור צד p לפוטנציאל (קוטב) חשמלי חיובי וחיבור צד n לפוטנציאל שלילי. המתח החשמלי המופעל מעודד את נושאי המטען בשני צדי הצומת להתגבר על המחסום החשמלי ולעבור לצד האחר בפעפוע (דיפוזיה); לזרימה זו קוראים זרימת נושאי הרוב.

קיים עוד סוג של זרימה בדיודה, זרימה כתוצאה ממשיכה חשמלית של היונים באזור הצומת. הזרימה הזאת חלשה, בדרך-כלל, משום שהיא נובעת מזרימה של "נושאי המיעוט": חורים במוליך-למחצה מסוג n ואלקטרונים חופשיים במוליך-למחצה מסוג p. זוגות של נושאי מטען (חור ואלקטרון חופשי) נוצרים באופן ספונטני בכמויות קטנות מאוד כאשר אלקטרון "בורח" מהאטום שלו, הופך לאלקטרון חופשי ומותיר מאחוריו חור. יצירה זו של זוגות היא יצירה תרמית, והיא תלויה בעיקר בטמפרטורה. דרך נוספת לגרום ליצירתם של זוגות נושאי מטען היא להאיר דיודה מתאימה באור. כך יכול אור לעורר זרם חשמלי, שאותו מספק התא הפוטו-וולטאי.

תכונות התא נקבעות בהתאם לסוג החומר המרכיב אותו, והתכונה החשובה ביותר היא רגישותו לאור. הרעיון שעומד מאחורי תא רב-צומתי (multijunction) הוא לבנות את התא מכמה שכבות של מוליכים-למחצה שונים. כל זוג שכבות צמודות יוצרות דיודה, ולכל דיודה כזו יש רגישות גבוהה לתחום אחר בספקטרום האור. בצורה זו, כל דיודה מנצלת היטב תחום תדרים מסוים באור השמש, והנצילות הכוללת של התא עולה מאוד.

תא רב-צומתי (multijunction)

אנרגיית שמש מהחלל

איסוף קרינת שמש בחלל יכול להיות אפילו פשוט יותר מאשר על פני כדור-הארץ. המרחב במערכת השמש הוא עצום, ויהיה אפשר להשתמש ברשת של לוויינים סביב כדור-הארץ, שכל אחד מהם ירכז את אור השמש בעזרת עדשה או מראה לעבר פאנל של תאים פוטו-וולטאיים. האנרגיה תומר לקרינה אלקטרומגנטית בתחום המיקרוגל, ותשוגר בצורת קרן צרה לכיוון אנטנות המיועדות לקליטתה על פני כדור-הארץ. את הרעיון הזה, שהוצע לראשונה לפני 40 שנה, בחנה נאס"א כבר בשנת 1979, ומצאה אותו יקר מדי ליישום. בשנים האחרונות שבו נאס"א, וכן סוכנויות חלל אחרות, לבחון את הרעיון, והוא נראה כעת קרוב יותר למימוש. היפנים, למשל, מתכננים לשגר בשנת 2010 לוויין ניסוי, שיצויד במערכת המסוגלת להעביר הספק של 100 קילו-ואט לעבר כדור-הארץ.

אפשרות נוספת הנבחנת בהקשר זה היא המרה של האנרגיה הנקלטת בחלל לקרן לייזר רבת-עוצמה, שתשוגר לעבר כדור-הארץ.

אמנם, שתי הטכנולוגיות עדיין רחוקות ממימוש רווחי, אך אין זה מן הנמנע שההתפתחויות הצפויות בתחום התאים הפוטו-וולטאיים ישפרו את ההיתכנות הכלכלית של שוק עתידי זה. פרק זמן של 25 שנה נראה סביר לצורך הקמת רשת של מתקנים כאלה בחלל, שכל אחד מהם יוכל לספק מאות מגה-ואט ואף למעלה מכך. יתרון בולט של הקמת מתקנים בחלל הוא היכולת לקבוע את מסלולם כך שיהיו חשופים לאור השמש במשך רוב הזמן. כך, למשל, לוויין הנמצא במסלול גאוסטציונרי ישהה בצל כדור-הארץ במשך כ-5% מהזמן בלבד (לוויין הנע במסלול גאוסטציונרי מקיף את כדור-הארץ פעם ביממה, ולכן הוא נראה נייח יחסית לנקודה על פני כדור-הארץ. המסלול הוא מעגלי ומקיף את קו המשווה במרחק של 35,786 קילומטר מעל פני כדור-הארץ). כן נחסכת בעיית ירידת ההספק בימים מעוננים, משום שמסלולם של הלוויינים הוא מחוץ לאטמוספרה.

רעיון שאפתני עוד יותר, אם כי פחות בר-יישום בשלב זה, הציע הפיזיקאי פרימן דייסון (Dyson) כבר בשנת 1959 . דייסון הציע לבנות שכבה כדורית סביב השמש, מעבר למסלול כדור-הארץ, שתקלוט את כל הקרינה האלקטרומגנטית היוצאת מהשמש. רעיון זה, המכונה "כדור דייסון" (Dyson Sphere), יביא לניצול מרבי של אנרגיית השמש, והוא אף הוצע כציון דרך עתידי בהתפתחות האנושות. בשלב זה, איננו יודעים עדיין אם מבחינה מכנית ניתן לבנות שכבה כדורית מלאה סביב השמש, אך בניית רשת צפופה של לוויינים שיחוגו סביב השמש תהיה בוודאי אפשרית, וגם אם ניצול אנרגיית השמש בעזרתה לא יהיה מלא, הרי שיהיה זה צעד משמעותי בכיוון זה.

המהפכה הסולארית - חלק שני

החלק השני של המאמר "המהפכה הסולארית" שפורסם בגליליאו
לאינדקס


חשמל ישיר

דרך נוספת להשתמש באנרגיה סולארית היא בעזרת המרה ישירה שלה לחשמל. האפקט הפוטו-וולטאי, כשמו כן הוא, פירושו ייצור של מתח חשמלי (הנמדד בוולטים) בעקבות הארה, כלומר בעקבות פגיעת פוטונים בחומר. הצורה הנוכחית של תאים פוטו-וולטאיים (תאי PV) התגבשה במעבדות חברת AT&T בארצות-הברית בשנות החמישים של המאה ה-20. תאים אלו בנויים מדיודה עשויה מוליך-למחצה, והם מפיקים מתח חשמלי כאשר מאירים אותם. ההספק שתא בודד מספק לצרכן (מכפלת המתח החשמלי בזרם החשמלי) תלוי כמובן בעוצמת ההארה, ונהוג להגדיר יעילות או נצילות של תא פוטו-וולטאי כהספק המקסימלי המיוצר חלקי ההספק של קרינת האור הפוגע.

מוליך-למחצה, כמו היסוד צורן (סיליקון), הוא חומר שאיננו מוליך חשמל במצבו הטבעי. על מנת להשתמש בו בהתקנים אלקטרוניים מוסיפים לו חומר אחר, או בשפה מקצועית - מאלחים אותו. הרכיב האלקטרוני המוכר בשם דיודה מורכב ,בעצם, משני מוליכים למחצה מאולחים המחוברים זה לזה. לדיודה יש יכולת להמיר אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית בתהליך קוונטי המתרחש בתוכה. אם כך, תא פוטו-וולטאי, שבצורתו הבסיסית בנוי מדיודה פשוטה, יודע לייצר מתח ישר (מתח DC) כאשר מקרינים עליו אור. אמנם, אפשר להשתמש במתח ישר עבור מכשירים ביתיים פשוטים, אבל כדי לספק חשמל לצרכנים, על חברת החשמל להמיר את המתח הישר למתח חילופין (מתח AC) בטרם תעביר אותו לרשת החשמל. ההמרה ממתח ישר למתח חילופין כרוכה בהפסדי הספק, וזהו אחד החסרונות של השיטה הפוטו-וולטאית.

שני גורמים קובעים את יעילות התא: סוג החומר וצורת התא. צורן הוא עדיין החומר הנפוץ ביותר בתעשייה הפוטו-וולטאית, אלא שלצורן הגבישי הוותיק הצטרף בשנות השבעים צורן אמורפי, שאין לו מבנה מסודר. מחירם של תאים עשויים מהצורה האמורפית של צורן נמוך באופן ניכר מאלו העשויים מצורן גבישי, ועל כן הם תופסים כיום נתח נכבד מהשוק, במיוחד במדינות עניות, אף שנצילותם החשמלית נמוכה למדי. בד בבד, בשנים האחרונות נכנסים לשוק הפוטו-וולטאי חומרים יקרים ויעילים, וביניהם ראוי לציין תרכובות של גליום כמו גליום ארסניד (GaAs) וגליום אינדיום פוספיד (GaInP). חומרים כאלו צפויים למצוא את מקומם במדינות מפותחות בכלל ובתחנות כוח סולאריות בפרט.

ניתן להגדיל את יעילות התא הפוטו-וולטאי באמצעות אילוח גבוה יותר של החומר המוליך-למחצה ובאמצעות פיזור אחיד יותר של האילוח בשני חלקי הדיודה. נוסף על כך, לחיבור של המוליך-למחצה לתילי המתכת הנושאים את הזרם מחוץ לדיודה יש השפעה גדולה על הנצילות הכללית.

רעיון חדש למדי, בכיוון אחר, שתפס תאוצה בשנים האחרונות, הוא בניית תא פוטו-וולטאי המורכב מכמה שכבות של מוליכים למחצה, כלומר תא רב-צומתי (multijunction), שבו כל זוג שכבות מהווה דיודה בפני עצמה. הבה נזכור שאור השמש מורכב מאורכי גל שונים. באופן כללי ניתן לומר שהספקטרום שלו כולל אור בתחום התת-אדום, בתחום הנראה, ובתחום העל-סגול. הדיודה העליונה, בתא הרב-צומתי, רגישה לאורכי גל קצרים יותר, כלומר לאור על-סגול (UV), וחלק ניכר מהפוטונים בתחום זה נבלעים שם והופכים לחשמל. השכבה הבאה רגישה לאורכי גל ארוכים יותר, ואור סגול וכחול נבלעים בה, וכן הלאה עד לשכבה התחתונה הרגישה לאור תת-אדום. בדרך זו, מצליחים להגיע לנצילות גבוהה יותר משום שיש סיכוי גדול למדי שפוטון באורך גל כלשהו יבלע בשכבה המתאימה לו.

  פאנלים של תאים פוטו-וולטאיים בבדיקה בשדה בוקר

כשאור דולק בחלונך

תאים פוטו-וולטאיים מהווים פתרון אידאלי עבור מכשירים שצריכת החשמל שלהם נמוכה, כמו מחשבונים ושעונים; ועבור מקומות מבודדים שקשה לספק להם חשמל באופן אחר. ומהו המקום המבודד ביותר אם לא החלל? למעשה, המירוץ לחלל במחצית השנייה של המאה ה-20 הוא האחראי לזינוק המשמעותי ביותר של תעשיית התאים הפוטו-וולטאיים. עקב ההספק הנמוך שהתאים יכולים להפיק, נהוג לצרף לחלליות המחקר מקור אנרגיה נוסף, כגון גנרטור תרמו-אלקטרי גרעיני (RTG), שבניגוד לתאים פוטו-וולטאיים, יש פולמוס רב סביב השימוש בו.

ובחזרה לכדור-הארץ – תאים פוטו-וולטאיים מותקנים במדחנים, בתחנות אוטובוס, במכמונות מהירות ובמתקנים נוספים שצריכת ההספק שלהם נמוכה ושחיבורם לרשת החשמל מסובך. תחום המכוניות הסולאריות נמצא גם הוא בפיתוח מואץ. בעזרת 8 מ"ר של תאים יעילים המוצבים על גבי המכונית, ניתן לייצר כיום הספק של 2 קילו-ואט, שאמנם לא די בו להנעת מכונית משפחתית, אבל הוא בכל זאת תורם אנרגיה בחינם וחוסך בזיהום האוויר. אגב, מכונית חשמלית, שההנעה שלה מבוססת על מצברים, היא כלי רכב ששילוב תאים פוטו-וולטאיים בו יהיה טבעי ופשוט. מכוניות אלה, שחלק מטעינת המצברים שלהן יתבצע בעזרת אנרגיית השמש, צפוי שיצאו לשוק כבר בשנים הקרובות. מאחר שהשימוש בתאים פוטו-וולטאיים ילך ויגבר, מעניינת מאוד השאלה לגבי העתיד הצפוי לפאנלים של תאים אשר כבר מתחילים לבצבץ פה ושם על גגות הבתים, אפילו בישראל.

כמה מדינות בעולם, ובראשן גרמניה, מעודדות את הצרכנים להתקין תאים פוטו-וולטאיים על גג ביתם על-ידי מתן תמיכה נדיבה. חברות החשמל במדינות אלו מחויבות לקנות מהצרכן את עודף החשמל שמייצרים התאים, שכמובן פעילים במשך כל שעות האור, במחיר גבוה מערכו האמיתי. מדיניות כזו אפשרית רק במדינות עשירות, וספק אם היא תחזיק מעמד לאורך זמן. מקורה של המדיניות לא רק בהתעוררות אקולוגית עולמית, אלא גם בצורך ליצור תשתית שתסייע בהתמודדות עם משבר אנרגיה עתידי. ניתוח שוק התאים הפוטו-וולטאיים לצריכה ביתית מרמז, כי במדינות מסוימות אנו נמצאים כבר ב"נקודת אל-חזור" והשימוש בתאים לא ייעלם גם אם התמיכה תיפסק. לא מן הנמנע כי בתוך שנים אחדות, כל בית חדש שייבנה במדינות המתועשות, וגם בישראל, יחויב לשאת על גגו לא רק דוד שמש, אלא גם פאנלים של תאים פוטו-וולטאיים.

יש מדינות שעבור תושביהן תאים אלו הם הרבה יותר מעוד גורם במאזן האנרגיה הביתי. מצב כזה מאפיין את מדינות העולם השלישי, שחלק ניכר מתושביהן עדיין אינם מחוברים לרשת החשמל, ועבורם אספקת חשמל היא עדיין בחזקת מותרות. מעניין במיוחד לבחון את המצב בקניה, שבשנים האחרונות מתרחשת בה מהפכה של ממש, וכבר נטבע מטבע הלשון "המודל הקנייתי". במשך 15 השנים האחרונות, מאות אלפי משפחות קנייתיות רכשו פאנלים של תאים פוטו-וולטאיים, רובם עשויים מצורן אמורפי ובעלי צומת אחד, כלומר התאים הפשוטים והזולים ביותר. פאנל אחד יכול לספק בין 12 ל-25 ואט בלבד, ומחירו נע בין 50 ל-100 דולר. מבחינת התושבים שרכשו את הפאנלים, מדובר בשינוי משמעותי ברמת החיים. במשך היום הם נוהגים לטעון בעזרת התאים מצבר מכונית פשוט, ובערב להשתמש בחשמל על מנת להאיר מנורה או שתיים ולצפות שעות אחדות בטלוויזיה. זאת אכן קפיצת מדרגה עבור תושבים שעד כה יכלו להאיר את ביתם רק בעזרת מנורות קרוסין (נפט). מעניין יהיה לעקוב אחר התפשטותו של "המודל הקנייתי" במדינות עולם שלישי נוספות, שרובן המכריע נמצא באזורי קרינה חזקה שבהם ניתן לנצל את אור השמש לצורך הפקת אנרגיה.

אולי דווקא בסיפור ההצלחה הקנייתי מתגלה גם החיסרון העיקרי של תאים פוטו-וולטאיים – תפוקת החשמל שלהם נמוכה. פאנל ביתי של תאים יכול אולי לספק את הדרישות הנמוכות של אוכלוסיית העולם השלישי, אבל בוודאי לא את הדרישות של חברת השפע המערבית המפונקת. נוסף על כך, כמות החשמל האדירה שצורך המגזר התעשייתי במדינות אלה דורשת פתרון אחר.

 פאנלים של תאים פוטו-וולטאיים בכפר מרוחק בקניה המשמשים לאספקת אנרגיה למשאבת מים. מקור: Thayer School of Engineering at Dartmouth באתר flickr.

וגם הנגב עוד יהיה זורח

ההֶספק שתא פוטו-וולטאי יכול לספק לצרכן יחסי לרמת הקרינה המגיעה אליו, והוא אינו גבוה גם בעוצמת שמש מרבית. הרעיון שעומד מאחורי תחנות כוח מבוססות תאים פוטו-וולטאיים הוא ריכוז אור השמש, כלומר הצבת לוח של תאים פוטו-וולטאיים, שגודלו האופייני 10 על 10 ס"מ, במוקד של מראת צלחת פרבולית. השימוש בעדשה במקום במראה ייתן תוצאה זהה של ריכוז אור השמש, וההחלטה לגבי האופטיקה המתאימה קשורה יותר לשאלות עלות ולחישובי פיזור חום על גבי התאים. אחד הגורמים המרכזיים במערכת כזו הוא יכולת ריכוז האור של המראה או העדשה, והמגבלה אינה הרכיב האופטי אלא התא עצמו. לכל תא פוטו-וולטאי מוגדרת עוצמת אור מרבית, שאם עוברים אותה יורדת יעילותו. כך, למשל, יעילות מרבית של תאי צורן מתקבלת כאשר מאירים עליהם בעוצמה גבוהה פי 100 מאור שמש רגיל, והיעילות המרבית של תאי גליום-ארסניד מתקבלת כאשר מאירים עליהם באור חזק פי 500 מאור שמש רגיל. צופים, שכבר בשנים הקרובות ניתן יהיה לרכז פי 1,000 את אור השמש על תאים אלו מבלי לרדת ביעילות, ולפי הערכות אופטימיות, עוצמת האור המרבית תגדל באופן ניכר עם הכנסתם לשוק של סוגי תאים חדשים הנמצאים בפיתוח ותגיע עד פי 10,000.

יש לציין, שיעילות התאים צפויה לגדול גם היא בעשור הקרוב. כיום עדיין משתמשים בתאים בעלי נצילות המרת אור לחשמל של 15%, אבל כבר עתה נבדקים בכמה מעבדות בעולם תאים בעלי נצילות של 40%. אגב, מחיר התאים קטן יחסית למחיר זכוכית המראה והברזל התומך בה, ומהווה רק עשירית ממחירו הכולל של המתקן.

רעיון זה ורעיונות נוספים נבחנים זה שנים אחדות במכון לחקר המדבר של אוניברסיטת בן-גוריון. הדרמנו לשדה בוקר על מנת לפגוש את פרופ' דוד פיימן, מנהל המרכז הלאומי לאנרגיית השמש. פיימן, שאינו מסתפק בבחינה ניסויית של מערכות פוטו-וולטאיות, אלא עוסק גם בחישובים כלכליים, טוען כי ניתן לספק את כל הצריכה של מדינת ישראל בעזרת 15 שדות של קולטים שייבנו תוך 20 שנה. הוא סבור שכבר לאחר 12 שנה של תפעול, פרויקט ענק זה, שאותו הגה יחד עם דב רביב, ממציא טיל החץ, יהיה רווחי ויחזיר את ההשקעה ההתחלתית, הכוללת הקמת מפעלים לייצור הרכיבים. לפי התכנית, כל שדה, שישתרע על שטח של 12 קמ"ר, יכלול מראות (או עדשות) שבמוקדיהן תאים פוטו-וולטאיים. תחנת כוח כזו תוכל לספק 1,500 מגה-ואט בשעות הצהריים, ובעיית חוסר הקרינה בלילה תיפתר על-ידי טעינת מצברי ונדיום. פיימן מעריך שגם אם מחירו של החשמל לצרכן יהיה רק 0.04 דולר לקוט"ש, כחצי ממחיר החשמל בישראל כיום, עדיין יישאר כסף להחליף מתקנים ישנים כל 30 שנה, זמן חייהם המשוער.

תכנון של פרויקט כזה מציב כמה אתגרים מכיוונים לא-צפויים. למשל, בעיית התחממות התאים בעוצמות קרינה כה גבוהות, או ניקוי המראות מאבק העלול להוריד באופן דרסטי את יעילות המתקן. בהקשר זה, ד"ר סרגיי בריוקוב מאוניברסיטת בן-גוריון פיתח התקן המנקה את המראות לאחר סופות האבק, השכיחות במדבריות, בעזרת שדה אלקטרומגנטי. המתקן המרכזי במעבדת הניסוי בשדה בוקר הוא מראת הצלחת הפרבולית ששטחה 400 מ"ר. הצבה של תאים שונים במוקד המראה מאפשר את בדיקתם. הייחוד במעבדה זו הוא ספקטרום אור השמש בשדה בוקר, שנמצא באופן מפתיע קרוב מאוד לספקטרום הסטנדרטי הבינלאומי לבדיקות תאים פוטו-וולטאיים. זוהי אחת הסיבות לפופולריות של המתקן בשדה בוקר בקרב יצרני תאים, הבודקים בו תאים מחומרים שונים בספקטרום סטנדרטי ובתנאי שטח.

החוקרים ואנשי התעשייה בישראל נמצאים היום בעמדת המתנה. הטכנולוגיה והידע כבר קיימים, והתכניות מחכות במגירה. אולם כדי לממשן יש לזכות בתמיכה ממשלתית, לפחות בשלב הראשון. במדינה שטופת שמש כמו ישראל חבל שלא לנצל את הפוטנציאל הגלום באנרגיה סולארית. גם אם משק האנרגיה העתידי יהיה מבוזר למדי, הרי שכל מדינה תתמחה במקור אנרגיה עיקרי, ובמצב זה האנרגיה הסולארית תתפוס בסופו של דבר נתח מרכזי בשוק האנרגיה המקומי. אם בעתיד תיבנה רשת חשמל בינלאומית, מבוססת על קווי מתח עשויים ממוליכי-על, מדינת ישראל תוכל לתרום לקהילה הבינלאומית חשמל שיופק מאנרגיה סולארית. סביר להניח שהמגמה של השקעת כספי מחקר ופיתוח עצומים באנרגיה חלופית, שמקורה באירופה, תתפשט לעולם כולו. יפן היא המובילה העולמית בהספק החשמל המיוצר מאנרגיה סולארית, גרמניה נמצאת במרחק קצר אחריה, ארצות-הברית משתרכת במקום השלישי, ואילו ישראל עדיין נמצאת הרבה מאחור. וחבל.

מראת צלחת פרבולית המרכזת את אור השמש לעבר לוח של תאים פוטו-וולטאיים המוצב במוקד המראה. צולם בשדה בוקר

לחלק הראשון של המאמר
לנספחים

לקריאה נוספת: "מכניסים את השמש למעבדה" מאת דוד פיימן

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.

תחנת כוח סולארית של חברת סולל בקליפורניה. מקור: חברת סולל

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.

 מגדל השמש במכון ויצמן

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.

שדה המראות במכון ויצמן

לחלק השני של המאמר

מאמר אודות אנרגיה סולארית

בשלושת הפוסטים הקרובים אפרסם מאמר אודות אנרגיה סולארית שכתבתי יחד עם אשתי ג'ודי עבור מגזין גליליאו.

המאמר, "המהפכה הסולארית", התפרסם בגיליון 107 של גליליאו ביולי 2007.

המאמר נערך על ידי שלומית עוזיאל-רז (העורכת) וצבי עצמון (העורך המדעי).

קישורים ישירים למאמר:
חלק ראשון
חלק שני
נספחים

הסרט Home

קיבלתי המלצה מאלעד, קורא של הבלוג ותלמיד בפרויקט ח"צ במכון ויצמן, על סרט חדש בשם Home. הסרט, שאורכו שעה וחצי, יהיה זמין לצפייה ביוטיוב למשך מספר ימים ובמקביל הוא מוקרן בבתי קולנוע במדינות רבות בעולם.

צפיתי בסרט ונהניתי, בעיקר מצילומי האוויר המרהיבים. מלבד בחירת הנושאים המעולה, גם איכות הצילום גבוהה במיוחד. הבמאי השתמש במצלמה של Cineflex מחוברת למסוק. מדובר במצלמת וידאו בעלת רזולוציה גבוהה המיוצבת בעזרת גירוסקופ נתון במערכת של גימבלים. גירוסקופ כזה, שמסתובב במהירות מספיק גבוהה, ימשיך להסתובב סביב אותו ציר גם כשבסיס המתקן המחובר למערכת הגימבלים אינו יציב. המצלמה שמחוברת לציר ממשיכה לצלם באותו כיוון גם בעת תנועה של המסוק, למשל כשהוא משנה כיוון או מסתובב במקום.

הדבר היחיד שקצת אכזב אותי הוא המלל הנלווה לסרט. הסרט מציג גישה אקולוגית שבהחלט מקובלת עלי ואני מזדהה איתה, אבל האמירות שלו פשטניות מדי בעיני. אני מתאר לעצמי שהכוונה של כותבי הטקסט הייתה להעביר מסר פשוט וברור, והם עושים זאת בהצלחה, אבל הייתי מצפה שיהיה בו קצת יותר מידע, ושהוא ילמד את הצופה הממוצע דברים חדשים שהוא טרם שמע עליהם ממקורות אחרים. אפשרות אחרת היא להסתפק בצילום מלווה במוזיקה. לדעתי המסר ברור דיו גם ללא מילים. זה למשל מה שבחרו לעשות בסרט Baraka הנהדר מ-1992.

לסיכומו של דבר נהניתי מאוד ותודה לאלעד.

עדכון: נכון לינואר 2010 עדיין ניתן לראות את הסרט המלא ביוטיוב

הטורבינה הגדולה בעולם

סרטון מעניין על הטורבינה הגדולה בעולם לייצור אנרגיית רוח. הטורבינה מיוצרת על ידי חברת Enercon הגרמנית. היא נקראת E-126 משום שקוטר הרוטור שלה הוא 126 מטרים, או במילים אחרות אורכו של כל להב מבין השלושה עומד על 63 מטר. גובהו של העמוד שבו נמצא הסטטור ושאליו מחובר הרוטור הוא 138 מטר. הטורבינה יכולה לספק כ-7 מגה-ואט ביום ממוצע וזה בערך אלפית מצריכת החשמל של ישראל ביום עמוס למדי.

מעניין האם דון קישוט היה ממשיך להילחם בטחנות רוח אם היה רואה את המפלצת הזאת :-)

אנרגיית רוח בדנמרק

דנמרק היא המובילה העולמית מבחינת ייצור חשמל בעזרת אנרגיית רוח יחסית לגודל האוכלוסייה. חמישית מייצור החשמל בדנמרק מתבצעת באמצעות טורבינות רוח - הרבה יותר מכל מדינה אחרת. ספרד, אגב, נמצאת במקום השני. הסוד של שתי המדינות הללו נעוץ בעידוד ממשלתי שנשען על דעת קהל חיובית בנוגע לאנרגיה חלופית. דעת הקהל מחייבת את הפוליטיקאים המועמדים לתמוך בפתרונות של אנרגיה חלופית, ובו בזמן עוזרת לממשלות לקבל החלטות מחייבות וארוכות טווח בכל הנוגע לסובסידיות והקלה במס בשלבי ההקמה של תחנות כוח חלופיות בכלל וחוות רוח בפרט.

חוות טורבינות רוח ימיות בדמרק

אנרגיית רוח היא פיתרון מעולה למרבית המדינות, במיוחד אם עצמת הרוחות בהן גבוהה במיוחד. דנמרק מנצלת את הפוטנציאל הזה כמעט עד תום - הן ביבשה והן בים. יש לציין שדנמרק היא מעצמה גם בכל הנוגע לייצור טורבינות - כמחצית מייצור אנרגיית הרוח בעולם מתבצעת באמצעות טורבינות של חברות דניות. נקודה מעניינת נוספת היא מעורבות הקהילות בדנמרק בהקמת הטורבינות - מרבית הטורבינות שייכות לקואופרטיבים מקומיים, כלומר לבעלי הקרקעות ולתושבי הכפרים שבסמוך להם הוקמו הטורבינות.

לייצור חשמל באמצעות אנרגיית רוח יש כמה יתרונות בולטים: זו שיטה נקייה ומתחדשת שאינה גורמת לזיהום אוויר או קרקע, והיא אינה כרוכה בפליטת פחמן דו-חמצני. שני החסרונות העיקריים הם הצורך בשטחים גדולים וחוסר זמינות בשעות של רוח חלשה. על הבעיה השנייה ניתן להתגבר על ידי אגירת אנרגיה בשעות של רוח חזקה באמצעים שונים, למשל אגירה כימית, טעינת מצברים או העלאת מים לראש הסכר בתחנה הידרואלקטרית. בסך הכל, אנרגיית רוח היא שיטה פשוטה ונוחה, שלהערכתי תשחק תפקיד משמעותי בשוק האנרגיה העתידי. אני צופה שמחיר ייצור החשמל באמצעות אנרגיית רוח יהיה אפסי כבר בעתיד הקרוב, ובמדינות רבות אנרגיית רוח תוכל בקלות להפוך לספק אנרגיה מרכזי.

בישראל התחום לא כל כך מפותח - עד היום הוקמה רק חווה אחת (ברכס חזקה שברמת הגולן), ומלבד טורבינות בודדות נוספות בכמה אתרים בארץ לא הושקעו כספים באנרגיית רוח. לדעתי יש מקום לפתח את התחום, אם כי כדאי לזכור שמשאב הטבע העיקרי שבו משופעת ארץ ישראל הוא שמש, ואנרגיית שמש מתאימה יותר כמקור ראשי לשוק האנרגיה החלופית בישראל.

טורבינות רוח מהוות ספק אנרגיה נוח ובטוח באופן יחסי, וכמעט שלא שומעים על בעיות בהן, אם כי תקלות קורות מדי פעם, ואפילו קרה לא אחת שעמוד הטורבינה קרס. רוח חזקה במיוחד עלולה להוות סכנה לטורבינה. אם עצמת הרוח עולה על סף מסוים נכנסות לפעולה שתי מערכות הגנה: מערכת הלהבים מסתובבת ב-90 מעלות על מנת שלא לעמוד עם הפנים לרוח, ואם זה לא מספיק אז מנגנון עצירה מכני עוצר את הלהבים. מה קורה אם מנגנוני ההגנה לא עובדים? את זה ניתן לראות בסרטון הבא שצולם בדנמרק לפני כשנה. נראית בו טורבינה של חברת וסטס הוותיקה והמצליחה.