עמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים > אנרגיהעמוד הבית > מדעים > אקולוגיה ואיכות הסביבה > אנרגיות חלופיות
ירוק כחול לבן : ביטאון פורום המשק והכלכלה למען איכות הסביבה


תקציר
מידע על פריצת דרך ישראלית בניצול אנרגיית השמש: מדענים במכון וייצמן פיתחו קולט שמש מהפכני המסוגל לייצר חום בטמפרטורה של 1200 מעלות. הקולט יפעיל תחנת-כוח נסיונית, שתייצר חשמל סולארי זול ונקי.



שמש שימושית
מחבר: ד"ר אבי קרייבוס


פריצת דרך ישראלית בניצול אנרגיית השמש: מדענים במכון וייצמן פיתחו קולט שמש מהפכני המסוגל לייצר חום בטמפרטורה של 1200 מעלות. דגם גדול יותר של הקולט יפעיל בקרוב תחנת-כוח נסיונית, שתייצר חשמל סולארי זול ונקי, ובתוך ארבע שנים צפוי דגם מסחרי ראשון

אנרגיית שמש מצויה בשפע, בחינם, וניצולה הוא תהליך 'ירוק' שאינו פוגע באיכות הסביבה, בניגוד לשריפת דלקים רגילים. השימוש במקור אנרגיה זה הוא חלום עתיק יומין של המין האנושי. כבר לפני למעלה מ- 2000 הבין המדען היווני ארכימדס את הפוטנציאל הגלום בקרינת השמש: כאשר הותקפה עירו על-ידי הצי הרומי, הוא בנה מראות אשר ריכזו את אור השמש אל ספינות האוייב ושרפו אותן.

היישום הראשון של מקור האנרגיה הידידותי לאדם היה, אם כן, למטרות צבאיות. מאוחר יותר, בתקופת ההתעוררות המדעית שאחרי ימי הביניים ניטשו ויכוחים עזים בין המלומדים בשאלה האם ניתן להצית אש בעזרת קרינת השמש, ורבים ניסו לשחזר את הפלא העתיק.
אחד מהם היה הצרפתי אנטואן לבוזיאה (1794-1743), שנחשב אבי הכימיה המודרנית. הוא בנה עדשה גדולה וחלולה, אשר ריכזה את אור השמש כאשר מולאה בנוזל שקוף. את הניסוי עשה לבואזיה לא במים, כי אם בנוזל אציל יותר - יין.

במהלך ההיסטוריה האנושית נעשו ניסיונות רבים, אם כן, לנצל את אנרניית השמש לצרכי האדם. משרדי הפטנטים מלאים וגדושים בהמצאות בתחום זה. אולם חרף המאמצים הרבים, השפעת מקור אנרגיה זה על התרבות האנושית בכלל, ועל הקידמה הטכנולוגית בסוף המאה העשרים בפרט, עודנה שולית.

מספר שימושים של אנרגיית השמש אכן הצליחו להתקבל כמוצרים יום-יומיים:
לדוגמא, "דוד שמש" לחימום מים לשימוש ביתי, ותאים פוטו-וולטאיים לייצור חשמל. אבל הצלחות אלו אינן משפיעות על צרכני האנרגיה הגדולים בחברה המודרנית:
תחנות-כוח, מפעלי תעשייה וכלי-רכב ממונעים. חימום מים לבתים מהווה רק אחוזים ספורים מצריכת האנרגיה במדינות מפותחות, והחשמל המיוצר מתאים פוטווולטאיים מיועד בעיקר למקומות מרוחקים שאינם מחוברים לרשת הארצית.

בתמונה: "מגדל השמש" במכון ויצמן.

המקרה היחיד שבו נרשמה הצלחה (אם כי חלקית) היה זה של חברת "לוז" הישראלית, שבשנות ה80- הקימה שמונה תחנות-כוח סולאריות גדולות בקליפורניה. למרבה הצער, "לוז" פשטה את הרגל לאחר עשר שנות פעילות למרות ההצלחה הטכנולוגית, מפני שלא הצליחה להתחרות כלכלית בתחנות-הכוח הרגילות. כיום, אין מערכת מסחרית כלשהי לאספקת אנרגיה סולארית בקנה-מידה גדול, לתעשייה ולתחנות-כוח. לפני כעשר שנים הוקם במכון וייצמן ברחובות מיתקן מחקר חדש וייחודי, ושמו "מגדל השמש". מספר קבוצות מחקר פועלות ב"מגדל השמש", במאמץ מתואם לתקוף את שתי הבעיות העיקריות המונעות שימוש כלכלי ונרחב באנרגיית השמש:

  1. יעילות ההמרה (המרת קרינת השמש לאנרגיה זמינה): פיתוח תהליכי המרה ביעילות גבוהה, יאפשר הקטנת שטח איסוף קרני השמש והוזלת מחיר המערכת.


  2. אגירה: פיתוח אמצעים לאגירת אנרגיה יציבה, יאפשר שימוש רציף באנרגיית שמש גם בלילה, וללא תלות במצב העננות בשעות היום.
    על-פי העקרונות התרמודינאמיים הבסיסיים, כדי להגביר את היעילות בתהליך תרמי או כימי יש להעלות את הטמפרטורה. כדי לבצע את התהליך בעזרת אנרגיית שמש, נדרש לרכז את קרינת השמש לשטף גבוה. שדה המראות הניצב מול "מגדל השמש" מבצע את שלב הריכוז, על-ידי איסוף קרינה משטח קרקע גדול והכוונתה למטרה קטנה על מגדל.
    כך ניתן להגיע לריכוזים של פי אלף בערך, יחסית לקרינת שמש רגילה. במקרים מסויימים, ניתן להעלות את הריכוז עוד יותר בעזרת 'משפכים' אופטיים המוצבים על המגדל ומרכזים את הקרינה עד פי עשרת אלפים ויותר. האור המרוכז היוצא מהמערכת האופטית נכנס אל הקולט, שבו מבוצעת ההמרה מקרינה לאנרגיה תרמית או כימית.


אחד החידושים העיקריים שפותחו במכון וייצמן במהלך השנים האחרונות הוא קולט מהפכני, אשר מסוגל לחמם גז לטמפרטורות של 1200 מעלות ויותר, בלחץ של 25 אטמוספרות. ניסיונות אחרים שנעשו בעולם לפיתוח קולט כזה, נעצרו בטמפרטורות ובלחצים נמוכים בהרבה.
יתרונו של הקולט הישראלי הוא בשני רכיבים ייחודיים: ה"קיפוד" והחלון. הקיפוד הוא לוח עשוי קרמיקה המשמש בסיס ועליו מותקנים 'קוצים', גם הם מחומר קרמי עמיד בטמפרטורה גבוהה. הקיפוד בולע את קרינת השמש המרוכזת ומעביר את החום אל זרם הגז.

מיבנה הקוצים מאפשר בליעה של כל הקרינה, ללא הפסדי החזרה, ושטח מגע רב בין הקיפוד החם לבין הגז. עיקרון זה דומה לפעולת המצנן (רדיאטור) במכונית, שגם בו מותקנים צינורות ולוחיות היוצרות שטח פנים רחב להחלפת חום עם האויר.
החלון המותקן בפתח הקולט בנוי בצורת חרוט, וצורה זו מאפשרת לו לעמוד בלחץ הגבוה השורר בפנים. הקולט הניסיוני הופעל ב"מגדל השמש" וסיפק כ- 50 קילוואט של אנרגיית חום בטמפרטורות ובלחצים גבוהים. פיתוח הקולט נעשה בשיתוף עם חברת "רותם תעשיות" ובתמיכת משרד האנרגיה (כיום משרד התשתיות הלאומיות).

הגז החם הנוצר בקולט יכול להניע טורבינת גז חדישה לייצור חשמל ביעילות גבוהה, כדוגמת הטורבינות המותקנות היום על-ידי חברת החשמל, ורבות אחרות הצוברות פופולריות בכל העולם.
הסיבות לאימוץ טורבינות הגז כטכנולוגיה מובילה, הן מחירן הנמוך יחסית לטורבינות קיטור, והיעילות הגבוהה המתקבלת כאשר הן מופעלות בשיטה הנקראת "מעגל משולב". קולט השמש מותקן במעגל המשולב יחד עם מבער, אשר משמש גיבוי לשעות שבהן אנרגיה ישירה מן השמש אינה זמינה.

בתמונה: קולט השמש עם ה'קיפוד'. הקוצים בולעים את כל הקרינה.

השלב הבא בפיתוח הקולט החדש הוא בניית דגם גדול יותר וחיבורו לטורבינה. שלב זה מתבצע כעת בשיתוף חברות מישראל ("אורמת טורבינות" ו"רותם תעשיות") ומארצות-הברית ("מקדונלדגלאס"), ובתמיכת משרדי התעשייה והמסחר של שתי המדינות.
לפי התוכנית, תיבנה במהלך ארבע השנים הבאות תחנת-כוח ניסיונית קטנה (כ- 250 קילוואט), תוך התבססות על תשתית "מגדל השמש" במכון. תחנה כזו תהיה מסוגלת לספק את כל צריכת האנרגיה של מפעל תעשייתי, קניון, או שכונת מגורים.

בדיקת הכדאיות הכלכלית הראתה, כי מחיר החשמל שייוצר בתחנת-כוח כזו יהיה נמוך בכ- 25% מאשר בטכנולוגיות סולאריות אחרות, ויתקרב לתחרותיות כלכלית בחשמל 'קונבנציונלי' בנתחי שוק מסויימים. כבר היום יש התעניינות בטכנולוגיה זו וציפיה לדגם המסחרי, אשר ישווק לאחר סיום שלב הניסוי.
מעבר לשימוש באנרגיית שמש, תוך הינתקות מהתלות בדלק קונבנציונלי, מחייב פיתוח יכולת אגירה של אנרגיה, כדי שניתן יהיה להשתמש בה גם בשעות הלילה וללא תלות במזג האוויר. תהליך שפותח והודגם במכון וייצמן בקנה-מידה גדול יחסית (כ- 300 קילוואט), מאפשר אגירה בלתי מוגבלת על-ידי תהליך כימי המשתמש בגז מתאן במעגל סגור, ללא השפעות סביבתיות. למרות שהתהליך אפשרי טכנולוגית, יכולת האגירה הסגולית (כמות אנרגיה ליחידת חומר אגירה) אינה גבוהה מספיק, וכיום הפעילות מתרכזת בשני כיוונים מבטיחים יותר.

כיוון אחד הוא הסבת התהליך שפותח למשימה חדשה: הפקה בעזרת אנרגיית השמש של דלקים קלים ועתירי אנרגיה מחומרי-גלם כגון שאריות זיקוק נפט, פחם, ואפילו חומרי פסולת (אשפה עירונית וחקלאית), וכך לאגור את אנרגיית השמש כדלק המשתלב בקלות במערך הטכנולוגי הקיים היום.
כיוון אחר, אף הוא כימי: פירוק תחמוצות של מתכות (כלומר, חלודה) בעזרת אנרגיית השמש, ואגירתה בצורת המתכת הטהורה. כאשר נדרש לקבל את האנרגיה חזרה, ניתן להפיק דלק מימני מן המתכת, או להפיק חשמל ישירות בעזרת מערכת הנקראת "תא דלק".

שימוש מעניין בשיטה זו הוא לכלי-רכב:
בעתיד, נוכל לעצור בתחנת הדלק ולמלא את המכל בגרגרי ברזל או אבץ (במקום דלק נוזלי) ולהשאיר בתחנה מכל מלא בגרגרי חלודה למיחזור. במידה מסויימת, הפקת חשמל בעזרת חלודה, או דלק נקי מפסולת, תיחשב כהגשמת חלומם של האלכימאים ליצור זהב מברזל.
פיתוח הקולט החדשני, תחנת-הכוח הסולארית ותהליכי אגירה עתידניים, הם רק חלק ממיגוון פעילויות המחקר המתבצעות ב"מגדל השמש". הפעילות כוללת מחקר בסיסי ויישומי, וכן שיתוף פעולה עם גורמים נוספים באקדמיה ובתעשייה (לדוגמא, עם התעשייה האוירית וחברת "חץ הכסף", השותפות עם "אורמת" ו"רותם" בתאגיד "קונסולר" לפיתוח טכנולוגיות סולאריות).

המטרה המשותפת: יצירת הבסיס המדעי והטכנולוגי אשר יאפשר החלפת הדלקים המסורתיים והמזהמים באנרגיית שמש 'ירוקה' וידידותית לסביבה. בחלק מכיווני המחקר, כדוגמת הקולט החדש ותחנת-הכוח המתבססת עליו, כבר נוצר לא רק הבסיס אלא גם 'חלון הזדמנויות', אשר יאפשר פריצה משמעותית לשוק המסחרי תוך כארבע שנים עם מוצר תחרותי.
יש, על-כן, מקום לתקווה ואופטימיות שהפוטנציאל עומד להתגשם: השמש כמקור אנרגיה מתחדש, אמין וידידותי לאנושות.



אל האסופה ישראל - האדם והמרחב : נושאים נבחרים בגיאוגרפיה3

ביבליוגרפיה:
כותר: שמש שימושית
מחבר: קרייבוס, אבי (ד"ר)
תאריך: אפריל-מאי 1997 , גליון 13
שם כתב העת: ירוק כחול לבן : ביטאון פורום המשק והכלכלה למען איכות הסביבה
הוצאה לאור: ביטאון פורום המשק והכלכלה למען איכות הסביבה בישראל
הערות לפריט זה: * ד''ר אבי קריבוס מכון וייצמן למדע
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית