רעיונות נועזים – התכנית הסולרית הגדולה

עד 2050 תוכל האנרגיה הסולרית לשים קץ לתלות האמריקנית בדלק מיובא ולהפחית את פליטת גזי החממה לאוויר

מאת קן צוויבל, ג'יימס מייסון ווסיליס פתנאקיס

מחירי הדלק לתחבורה ולחימום גבוהים היום, והם יישארו גבוהים גם בעתיד. ארצות הברית שקועה במלחמה במזרח התיכון, בין השאר כדי להגן על האינטרסים שלה בתחום יבוא הנפט. וכשהדרישה לדלק מחצבי בסין, בהודו ובמדינות אחרות עולה במהירות, הסכנה למלחמות עתידיות על מקורות אנרגיה גדולה מתמיד. בינתיים מכוניות ותחנות כוח בכל העולם שורפות פחם, נפט וגז טבעי וממשיכות להזרים לאטמוספרה מיליוני טונות של מזהמים וגזי חממה המאיימים על כדור הארץ.

מדענים, מהנדסים, כלכלנים ופוליטיקאים בעלי כוונות טובות הציעו מגוון צעדים לצמצום קל של השימוש בדלקים מחצביים ושל פליטות הגזים. אבל אין די בצעדים אלו. ארצות הברית חייבת לנקוט צעד נועז כדי לשחרר את עצמה מדלקים מחצביים. הניתוח שעשינו שכנע אותנו שהפתרון ההגיוני הוא מעבר גורף לאנרגיה סולרית.

אין מתחרה לפוטנציאל הטמון באנרגיה סולרית. כמות האנרגיה המגיעה מן השמש לכדור הארץ במשך 40 דקות שווה לצריכה השנתית של העולם כולו. התמזל מזלה של ארצות הברית והיא קיבלה משאב טבע כביר: לפחות 650,000 קילומטרים רבועים של קרקע בדרום-מערבה של המדינה מתאימים לבניית תחנות כוח סולריות. השמש מאירה את השטח הזה בקרינה השווה ל-4,500 קוודריליון (4,500×1015­) יחידות תרמיות בריטיות (BTU) בכל שנה. לו היו ממירים רק 2.5% מן הקרינה הזאת בחשמל היה די בו כדי לספק את כל האנרגיה שצרכה ארצות הברית ב-2006.

כדי שכל ארצות הברית תצרך חשמל סולרי יש לכסות חלקות קרקע עצומות בלוחות פוטו-וולטאיים ובמראות חימום קעורות. נוסף על כך, יש להקים תשתית תמסורת של זרם ישר (DC) כדי להעביר את החשמל ביעילות בכל רחבי המדינה.

הטכנולוגיה כבר מוכנה. בעמודים הבאים נציג תכנית אב לאספקת 69% מן החשמל של ארצות הברית ו-35% מן האנרגיה הכללית שלה (ובכללה האנרגיה הדרושה לתחבורה) באמצעות אנרגיית השמש עד 2050. אנו חוזים שהאנרגיה הזאת תימכר לצרכנים במחירים השקולים למחירי החשמל בארצות הברית היום, כחמישה סנטים לקילוואט-שעה (קוט”ש). אם יפותחו מקורות אנרגיה נוספים, כמו רוח, ביומסה ואנרגיה ביותרמית, יוכלו מקורות האנרגיה המתחדשים האלה לספק את כל החשמל של ארצות הברית ו-90% מן האנרגיה הכוללת שלה עד 2100.

הממשל הפדרלי יצטרך להשקיע יותר מ-400 מיליארד דולר ב-40 השנים הבאות כדי להשלים את התכנית עד 2050. זוהי השקעה ניכרת, אבל הגמול גדול עוד יותר. תחנות כוח סולריות צורכות מעט מאוד דלק, אם בכלל, וחוסכות מיליארדי דולרים במשך שנים רבות. התשתית החדשה תחליף 300 תחנות פחם, 300 תחנות גז טבעי ואת כל הדלקים שהן צורכות. התכנית תחסל למעשה את כל יבוא הדלק לארצות הברית, תקצץ את הגירעון המסחרי שלה קיצוץ יסודי ותפיג את המתח הפוליטי במזרח התיכון ובמקומות אחרים. הטכנולוגיות הסולריות כמעט אינן מזהמות, ולכן התכנית גם תפחית את גזי החממה הנפלטים מתחנות כוח ב-1.7 מיליארד טונות בשנה. כמו כן תיחסך פליטה של עוד 1.9 מיליארד טונות של גזי חממה בשנה בשל המעבר ממכוניות בעלות מנועי בנזין למכוניות היברידיות נטענות, שהחשמל לטעינתן יגיע מרשת החשמל הסולרי. בשנת 2050 תפלוט ארצות הברית רק 62% מכמות הפחמן הדו-חמצני שפלטה ב-2005, וכך תצטמצם במידה ניכרת ההתחממות הגלובלית.

חוות פוטו-וולטאיות

בשנים האחרונות ירד מחירם של התאים הפוטו-וולטאיים ושל היחידות הסולריות ירידה ניכרת והדבר סולל את הדרך לפריסה בהיקף רחב. יש סוגים רבים של תאים, אבל היחידות הזולות ביותר היום בנויות משכבות דקות של קדמיום טֶלוּריד. כדי להגיע לאספקת חשמל במחיר של 6 סנטים לקילוואט-שעה עד 2020, יצטרכו יחידות הקדמיום טלוריד להמיר אנרגיה ביעילות של 14%, ומחיר המערכות יהיה חייב לרדת ל-1.20 דולר לכל וואט. כיום עומדת היעילות על 10% ומחיר היחידה הוא 4 דולרים לוואט. אין ספק שדרושה עוד התקדמות, אבל הטכנולוגיה מתפתחת במהירות. רק בשנה האחרונה עלתה יעילות המתקנים המסחריים מ-9% ל-10%. חשוב להזכיר שככל שהיחידות משתפרות, נעשים התאים הפוטו-וולטאים המותקנים על גגות הבתים משתלמים יותר לבעלי הבית ומורידים את הדרישה לחשמל בשעות היום.

לפי תכניתנו, הטכנולוגיה הפוטו-וולטאית תספק כמעט 3,000 ג'יגה-ואט (GW) של חשמל, שיופקו במערכים פוטו-וולטאיים שייפרסו עד אז בשטח של כ-80,000 קילומטרים רבועים. אף על פי שהשטח הזה נשמע עצום בגודלו, ממתקנים הפועלים כבר היום אפשר להיווכח שהשטח הדרוש להספק כזה של חשמל סולרי בדרום-מערב ארצות הברית קטן משטחה של תחנת פחם, אם מביאים בחשבון גם את שטחי המכרות. מחקרים שעשתה המעבדה הלאומית האמריקנית לאנרגיה מתחדשת בגולדן שבקולורדו מראים שיש די והותר שטחים פנויים בדרום-מערב ארצות הברית ולא יהיה צורך להשתמש בשטחים רגישים מבחינה סביבתית, במרכזי אוכלוסין או באזורים בעלי פני שטח קשים. ג'ק לאוול, דובר המחלקה לשימור מים של מדינת אריזונה, אמר שיותר מ-80% משטחי המדינה אינם בבעלות פרטית, ושאריזונה מעוניינת מאוד בפיתוח הפוטנציאל הסולרי שלה. האופי המתון של המתקנים הפוטו-וולטאיים (ובכלל זה אי-צריכת מים) ממזער את הדאגות הסביבתיות.

ההתקדמות הטכנולוגית החשובה ביותר שעדיין יש להשיגה היא הגדלת יעילות היחידות הפוטו-וולטאיות ל-14%. אף על פי שהיעילות של יחידות מסחריות לעולם לא תשתווה ליעילותם של תאים סולריים מעבדתיים, במעבדה הלאומית האמריקנית לאנרגיה מתחדשת כבר הגיעו תאי קדמיום טלוריד ליעילות של 16.5%, והם הולכים ומשתפרים. לפחות יצרנית אחת, חברת First Solar מפריסבורג שבאוהיו, הצליחה להגדיל את יעילות היחידות שלה מ-6% ב-2005 ל-10% ב-2007, והיא שואפת להגיע ליעילות של 11.5% עד 2010.

מערות לחץ

המגבלה העיקרית של אנרגיית השמש היא מיעוט החשמל שאפשר להפיק ממנה כשהשמים מעוננים והיעדר היכולת להפיק חשמל בלילה. על כן בשעות שטופות שמש יהיו חייבים לייצר חשמל עודף, לאגור אותו ולהשתמש בו בשעות החשכה. רוב אמצעי אחסון האנרגיה, כמו סוללות לדוגמה, יקרים ובלתי יעילים.

האנרגיה האצורה באוויר דחוס היא חלופה מוצלחת. החשמל המופק בתחנות הפוטו-וולטאיות ישמש לדחיסת אוויר ולהחדרתו למערות תת-קרקעיות, למכרות נטושים, לאקוויפרים ולבארות גז טבעי ריקות. בעת הצורך ישחררו את האוויר הדחוס וישתמשו בו להנעת טורבינות לייצור חשמל. הדבר דורש תוספת אנרגיה המתקבלת משריפת כמות קטנה של גז טבעי. מתקנים לאחסון אנרגיה באמצעות אוויר דחוס כבר פועלים ביעילות בהנטורף שבגרמניה מ-1978 ובמקינטוש שבאלבמה מ-1991. הטורבינות שורפות רק 40% מן הגז הטבעי שהיה נדרש לו היו פועלות רק באמצעותו, וטכנולוגיות משופרות לשמירת חום יוכלו להוריד את הכמות ל-30%.

מחקרים שעשה המכון לחקר האנרגיה החשמלית בפּאלו אלטו שבקליפורניה מראים שהמחיר העכשווי של אנרגיה הנאגרת באמצעות אוויר דחוס הוא בערך מחצית ממחיר האנרגיה האצורה בסוללות עופרת-חומצה. עוד מצא המחקר שהמתקנים האלה יעלו את מחירו של קוט”ש המיוצר באמצעות תאים פוטו-וולטאיים בשלושה או בארבעה סנטים, ולכן מחירו ב-2020 יהיה שמונה או תשעה סנטים.

החשמל שיופק בחוות הסולריות בדרום-מערב ארצות הברית יישלח בקווי מתח גבוה בזרם ישר אל מתקני דחיסת האוויר ברחבי המדינה, ובהם יופק חשמל באמצעות טורבינות במהלך השנה כולה. המפתח להצלחת התכנית הוא מציאת אתרים המתאימים לכך. מחקר מיפוי שעשו תעשיית הגז הטבעי והמכון לחקר האנרגיה החשמלית מראה שתצורות גאולוגיות מתאימות פרוסות על פני 75% משטחה של ארצות הברית, רבות מהן בקרבת אזורי מטרופולין. מתקני אחסון האנרגיה באמצעות אוויר דחוס ייראו דומים מאוד למערכות אחסון הגז הטבעי של ארצות הברית. התעשייה הזאת אוגרת היום 230 מיליארד מטרים מעוקבים של גז ב-400 מאגרים תת-קרקעיים. עד 2050 תדרוש התכנית שלנו 15 מיליארד מטרים מעוקבים של אוויר דחוס בלחץ של 75 אטמוספרות. אף שהפיתוח יהיה מאתגר, יש שפע של מקומות אחסון זמינים, וסביר להניח שתעשיית הגז הטבעי תמצא לנכון להשקיע ברשת מאגרים כזאת.

מלח חם

טכנולוגיה אחרת שעשויה אולי לספק חמישית מן האנרגיה הסולרית בחזון שלנו ידועה בשם אנרגיה סולרית מרוכזת. על פי השיטה הזאת, מראות מתכת ארוכות ממקדות את אור השמש בצינור מלא נוזל ומחממות אותו כאילו היו זכוכית מגדלת ענקית. הנוזל החם מוזרם דרך מחליף חום שמייצר קיטור המסובב טורבינה.

כדי לשמור על האנרגיה עוברים הצינורות בתוך מכל מבודד מלא מלח מותך, השומר על החום ביעילות. החום הזה נשאב במהלך הלילה ליצירת קיטור. אך על אף יעילותו, המלח המותך מתקרר לאטו, ולכן חייבים להשתמש באנרגיה האגורה בתוך יום אחד.

תשע תחנות של אנרגיית שמש מרוכזת בתפוקה של 354 מגה-ואט מייצרות חשמל באופן אמין כבר שנים בארצות הברית. תחנת כוח חדשה בתפוקה של 64 מגה-ואט הופעלה בנוואדה במארס 2007. אבל בתחנות אלה אין מתקן לאחסון חום. כעת נבנית בספרד תחנת הכוח המסחרית הראשונה שתכלול מתקן כזה. תפוקתה תהיה 50 מגה-ואט, והיא תוכל לאגור את החום במשך שבע שעות באמצעות מלח מותך. תחנות נוספות כאלה מתוכננות ברחבי העולם. לתכנית שלנו יידרש אחסון חום במשך 16 שעות כדי לספק חשמל במשך 24 שעות ביממה.

המתקנים הקיימים מוכיחים שהפקת חשמל באמצעות ריכוז אנרגיית השמש היא אפשרות מעשית אם ירדו העלויות. הגדלת המתקנים והמשך המחקר יעזרו בכך. דוח של “כוח המשימה הסולרי” של איגוד מושלי מדינות מערב ארצות הברית קבע ב-2006 שעד 2015 יוכלו תחנות כוח להפיק חשמל באמצעות ריכוז אנרגיית השמש במחיר של עשרה סנטים לקוט”ש או פחות, בתנאי שיוקמו תחנות שתפוקת כל אחת מהן תהיה 4 ג'יגה-ואט. יעילות ההפקה תשתפר גם אם יימצאו דרכים להעלות את הטמפרטורה של הנוזלים המשמשים להמרת החום. מהנדסים חוקרים כיצד יהיה אפשר להשתמש במלח המותך עצמו כנוזל להמרת חום, ולצמצם בדרך זו את איבודי החום ואת ההון המושקע. ואולם מלח הוא חומר משתך (גורם קורוזיה), וכדי להשתמש בו נחוצה מערכת צינורות עמידה יותר.

הפקת חשמל באמצעות ריכוז קרינת השמש והפקתו באמצעות תאים פוטו-וולטאיים הן שתי דרכים טכנולוגיות שונות. אף לא אחת מהן מפותחת דיה, ולכן התכנית שלנו דוגלת בפריסה מלאה של שתי השיטות עד 2020 כדי לאפשר להן להגיע לבשלות. נוסף על כך, שילובים שונים של טכנולוגיות סולריות עשויים להתפתח כדי לענות על דרישות כלכליות. ככל שהמתקנים יגדלו, יוכלו המהנדסים ורואי החשבון להעריך מחדש את היתרונות ואת החסרונות של כל שיטה, והמשקיעים יוכלו לבחור באיזו טכנולוגיה להשקיע יותר.

זרם ישר – גם הוא בעיה

הפריסה הגאוגרפית של אנרגיית השמש שונה כמובן ממתווה אספקת החשמל בארצות הברית. תחנות הכוח הפועלות היום באמצעות פחם, נפט, גז טבעי ואנרגיה גרעינית מנקדות את הנוף, והן קרובות יחסית למקומות שבהם זקוקים לחשמל. לעומת זאת רוב ייצור החשמל הסולרי יתבצע בדרום-מערב ארצות הברית. מערכת קווי התמסורת בזרם חילופין (AC), הפועלת עתה, אינה איתנה דייה להעברת חשמל לצרכנים על פני מרחקים כאלה בשל איבוד אנרגיה רב מדי.

מחקרים שנעשו במעבדה הלאומית האמריקנית אוק רידג' מראים שקווי מתח גבוה בזרם ישר מאבדים הרבה פחות אנרגיה מזו שמאבדים קווי זרם חילופין בעלי אותו אורך. לפיכך יהיה צורך להקים תשתית תמסורת חדשה של קווי מתח גבוה בזרם ישר (HVDC). התשתית תתפרס לכל עבר מדרום-מערב ארצות הברית ועד גבולותיה. הקווים יסתיימו בתחנות המרה בזרם חילופין, והוא יגיע לצרכנים באמצעות קווי התמסורת האזוריים הישנים.

כבר היום קיבולת המערכת של זרם החילופין אינה עומדת בדרישות. מחסור בחשמל מורגש בקליפורניה ובאזורים אחרים. קווי זרם ישר זולים יותר להקמה ודורשים פחות שטח מקווי זרם חילופין דומים. בארצות הברית פרוסים היום 800 ק”מ של קווי מתח גבוה בזרם ישר, והם הוכיחו את מהימנותם ואת יעילותם. על כן לא נראה שיש צורך בהתקדמות טכנולוגית ניכרת בתחום זה, אם כי ניסיון הפעלה עשיר יותר יוכל לשפר את השירות. “מאגר החשמל הדרום-מערבי של טקסס” מתכנן להקים מערכת תמסורת משולבת של זרם ישר וזרם חילופין כדי לאפשר את הקמתה של תחנת כוח שתפיק חשמל מן הרוח בהספק של עשרה ג'יגה-ואט במערב טקסס. חברת טרנס-קנדה מתכננת לפרוס קווי מתח גבוה בזרם ישר באורך של 3,500 ק”מ, שיעבירו חשמל מטחנות רוח במונטנה ובוויומינג דרומה ללאס וגאס ואף רחוק יותר.

שלב א: מהיום ועד 2020

השקענו מחשבה מרובה בדרך הפעלת התכנית הסולרית הגדולה שלנו. אנו צופים שני שלבים ברורים. הראשון, מעכשיו ועד 2020, חייב להביא את מחיר האנרגיה הסולרית לרמה תחרותית בייצור המוני. השלב הזה ידרוש מן הממשל האמריקני להתחייב להלוואה של 30 שנה, להסכים לרכוש חשמל ולסבסד אותו. חבילת הסיוע השנתית תעלה בהדרגה מ-2011 עד 2020. עד אז יעמדו הטכנולוגיות הסולריות בכוחות עצמן. הסובסידיה המצטברת תגיע לסכום כולל של 420 מיליארד דולר (בהמשך נסביר איך לשלם את החשבון הזה).

עד 2020 יוקמו תחנות כוח שיפיקו 84 ג'יגה-ואט חשמל באמצעות תאים פוטו-וולטאיים ובאמצעות ריכוז קרינת השמש. בה בעת תיפרס תשתית התמסורת בזרם ישר. המערכת תוקם לאורך מסדרונות קרקע בצדי הכבישים המהירים הבין-מדינתיים שבהם כבר היום יש זכות שימוש, תוך מזעור הצורך ברכישת קרקע ובהתמודדות עם מכשלות חוקיות אחרות. התשתית תגיע אל השווקים הגדולים של בערים הגדולות במערב ארצות הברית ובמזרחה.

בניית יכולת תפוקה של 1.5 ג'יגה-ואט של חשמל באמצעות תאים פוטו-וולטאיים ועוד 1.5 ג'יגה-ואט של חשמל באמצעות ריכוז קרינת השמש בכל שנה מחמש השנים הראשונות תוכל להמריץ יצרניות רבות להגדיל את המתקנים שהן בונות. בחמש השנים הבאות יעלה קצב ההקמה ל-5 ג'יגה-ואט לשנה בכל טכנולוגיה, וכך יוכלו החברות לייעל את קווי הייצור שלהן. לפיכך ירד מחיר החשמל הסולרי ויתקרב לשישה סנטים לקוט”ש. לוח הזמנים הזה ליישום התכנית הוא לוח זמנים מעשי. תחנות כוח גרעיניות המפיקות יותר מ-5 ג'יגה-ואט בשנה הוקמו בארצות הברית בכל שנה מ-1972 עד 1987. יתר על כן, אפשר להקים מערכות סולריות מהר יותר מתחנות כוח רגילות, מפני שתכנונן פשוט ויש בהקמתן פחות סיבוכים סביבתיים ובטיחותיים.

שלב ב: 2020 עד 2050

חשוב ביותר שתמריצים כלכליים גדולים ימשיכו ללוות את התהליך עד 2020 כדי להכשיר את הקרקע לצמיחה בת-קיימא אחרי כן. הרחבת המודל שלנו עד 2050 נעשתה אפוא בגישה שמרנית. לא כללנו שיפורים טכנולוגיים או ירידת עלויות לאחר 2020. כמו כן הנחנו שדרישת האנרגיה בארצות הברית תמשיך לעלות בשיעור של אחוז אחד בשנה. על פי התרחיש הזה, ב-2050 יספקו תחנות הכוח הסולריות 69% מן החשמל שיצרכו 344 מיליוני כלי הרכב ההיברידיים הנטענים, שיחליפו עד אז את דומיהם המונעים בדלק. הדבר יהיה כלי מרכזי להפחתת התלות ביבוא דלק ולצמצום פליטת גזי החממה. התעשייה הזאת תיצור כ-3 מיליון משרות, בעיקר בייצור רכיבים סולריים, מספר גדול פי כמה ממספר המשרות שיאבדו בארצות הברית בשל צמצום תעשיית הדלק.

הצמצום הניכר של יבוא הנפט יצמצם את תשלומי המאזן המסחרי ב-300 מיליארד דולר בשנה, בהנחה שמחיר חבית נפט גולמי הוא 60 דולר (המחיר הממוצע ב-2007 היה גבוה ממחיר זה). לאחר בניית המתקנים הסולריים יהיה צורך לתחזק ולתקן אותם, אבל אור השמש יישאר חינם לעד, ולכן החיסכון בדלק יוכפל מדי שנה בשנה. ההשקעה באנרגיה סולרית תגדיל את הביטחון הלאומי של ארצות הברית בתחום האנרגיה, תקטין את העול הכספי של הצבא, ותקטין מאוד את המחיר החברתי שגובים הזיהום וההתחממות הגלובלית, מבעיות בריאות ועד הרס חופים ואדמות חקלאיות.

במפתיע, התכנית הסולרית הגדולה תצמצם את צריכת האנרגיה. אפילו אם נביא בחשבון עלייה של אחוז אחד בשנה בדרישת החשמל, תפחת הצריכה השנתית מ-100 קוודריליון BTU ב-2006 ל-93 קוודריליון BTU ב-2050. הסיבה לכך היא שאנרגיה רבה נצרכת היום להפקה ולעיבוד של דלקים מחצביים ואנרגיה נוספת אובדת בשריפתם ובוויסות פליטות הגז.

כדי לעמוד בתחזית הזאת עד 2050 יהיה צורך ב-120,000 קמ”ר של קרקע להקמת מתקני הכוח הסולריים. זהו שטח גדול, אבל הוא רק 19% מן הקרקע המתאימה בדרום-מערב ארצות הברית. רוב השטח הזה הוא אדמת בור, אין לו ערך לשימוש מתחרה, והוא לא יזוהם. הנחנו שרק 10% מן התפוקה הסולרית יגיעו ממתקנים פוטו-וולטאיים מבוזרים שיוצבו למשל על גגות בתים או מבני תעשייה ברחבי המדינה. אבל ככל שהמחירים ירדו יהיה נתח התחום הזה גדול יותר.

אחרי 2050

אף על פי שאי-אפשר לחזות בדיוק מה יקרה בעוד יותר מ-50 שנה, המשכנו את התרחיש שלנו עד 2100 כדי להדגים את הפוטנציאל הטמון באנרגיה סולרית. עד אז, על סמך התכנית שלנו, תעמוד הדרישה השנתית לאנרגיה (ובכללה הדרישה לאנרגיה בתחום התחבורה) על 140 קוודריליון BTU, ותפוקת ייצור החשמל תהיה גדולה פי שבעה מן הייצור היום.

שוב נקטנו גישה שמרנית: הערכנו מה תהיה התפוקה הנדרשת מתחנות כוח סולריות בתנאי הקרינה הגרועים ביותר, כפי שנמדדה בדרום-מערב ארצות הברית בחורף 1983-1982 ובשנים 1992 ו-1993 שלאחר התפרצות הר הגעש פינטובו. את הנתונים לקחנו ממאגר הנתונים האמריקני של קרינת השמש מ-1961 עד 2005. גם כאן לא הבאנו בחשבון שיפורים טכנולוגיים או ירידת מחיר לאחר 2020, אף על פי שסביר להניח כי 80 שנות מחקר מתמשך יביאו לידי ייעול, שיפור שיטות האחסון של האנרגיה הסולרית וירידת המחיר.

על פי ההנחות האלה, דרישות האנרגיה של ארצות הברית ימולאו כך: 2.9 טרה-ואט של אנרגיה פוטו-וולטאית ממערכת החשמל, 7.5 טרה-ואט שיאוחסנו באמצעות אוויר דחוס, 2.3 טרה-ואט מתחנות כוח שירכזו את אור השמש ו-1.3 טרה-ואט ממערכות פוטו-וולטאיות מבוזרות. אספקת החשמל תכלול גם טרה-ואט אחד של חשמל מטחנות רוח, 0.2 טרה-ואט מתחנות כוח גאותרמיות ו-0.25 טרה-ואט מייצור דלקים מביו-מסה. המודל כולל גם 0.5 טרה-ואט של אנרגיה תרמית שתשמש לחימום ולקירור ישירים של בניינים. המערכות הסולריות ישתרעו על שטח של 430,000 קמ”ר, שהוא קטן מן השטח המתאים לכך בדרום-מערב ארצות הברית.

המערך הזה של אנרגיה מתחדשת יוכל לייצר את כל החשמל של ארצות הברית ב-2100 ויותר מ-90% מן האנרגיה הכוללת שלה. באביב ובקיץ תייצר התשתית הסולרית די מימן כדי להניע יותר מ-90% מכלי הרכב וכדי להחליף את תחנות הכוח הקטנות שישרפו גז טבעי לסיוע בדחיסת האוויר לטורבינות. עוד 180 מיליארד ליטרים של ביו-דלק ישלימו את דרישות התחבורה. פליטת הפחמן הדו-חמצני הקשורה בייצור אנרגיה תהיה נמוכה ב-92% מפליטת הפחמן הדו-חמצני הקשורה בייצור אנרגיה ב-2005.

מי ישלם?

המודל שלנו אינו תכנית צנע. הוא מביא בחשבון עלייה בשיעור של אחוז אחד בשנה בדרישה לאנרגיה, שיאפשר לשמור על רמת החיים של היום, לצד ייעול צפוי בייצור האנרגיה ובשימוש בה. אולי השאלה הגדולה ביותר היא מאין לוקחים 420 מיליארד דולר לשיפוץ כללי של תשתית האנרגיה בארצות הברית. אחד הרעיונות הנפוצים ביותר הוא מס פחמן. סוכנות האנרגיה הבין-לאומית מציעה מס של 40 עד 90 דולר לטונת פחם כדי לעודד את יצרני החשמל לאמץ מערכות ללכידה ולאגירה של פחמן דו-חמצני וכך לצמצם את פליטתו. משמעות המס הזה היא העלאת מחיר החשמל בסנט אחד או שניים לקוט”ש. התכנית שלנו זולה יותר. אפשר לגייס את 420 מיליארדי הדולרים באמצעות מס פחמן של חצי סנט לקוט”ש. כיום מחיר קוט”ש עומד על שישה עד עשרה סנטים (המחיר בישראל שווה ל-12 סנטים – העורכים), ולכן תוספת של חצי סנט היא תוספת סבירה.

הקונגרס האמריקני יכול ליצור תמריצים כלכליים אם יאמץ תכנית לאומית לאנרגיה מתחדשת. כדאי להשוות זאת למדיניות הסבסוד החקלאי הנקוטה בארצות הברית מנימוקים של ביטחון לאומי. תכנית לתמיכה באנרגיה סולרית תבטיח את עתיד האנרגיה של האומה, והיא חיונית לבריאות המדינה בטווח הארוך. המלוות ייפרסו בהדרגה מ-2011 עד 2020. התמיכה תסתיים בין 2041 ל-2050, לאחר תקופת פירעון מקובלת של 30 שנה. לא יהיה צורך לסבסד את חברות התמסורת מפני שהן יוכלו לממן את הקמת קווי המתח הגבוה בזרם ישר ואת הקמת תחנות ההמרה בדיוק באותו האופן שהן מממנות היום את פריסת קווי החשמל בזרם חילופין: גביית תשלום על העברת החשמל.

אף על פי ש-420 מיליארד דולר הם סכום ניכר, ההוצאה השנתית תהיה נמוכה מעלותה של מדיניות הסבסוד החקלאי הנקוטה היום. היא תהיה נמוכה גם מן המס המוטל כדי לממן את בניית תשתית התקשורת המהירה של ארצות הברית ב-35 השנים האחרונות. נוסף על כך, השקעה זו תשחרר את ארצות הברית מן הנטל המדיני והתקציבי שהיא נאלצת לשאת בשל מאבקי אנרגיה בין-לאומיים.

ללא סבסוד ממשלתי התכנית הסולרית הגדולה אינה אפשרית. גם מדינות אחרות הגיעו למסקנות דומות: יפן כבר בונה תשתית סולרית גדולה ומסובסדת וגם גרמניה חנכה תכנית לאומית דומה. ההוצאה אמנם גדולה, אך, כאמור, יש לזכור שמקור האנרגיה, אור השמש, אינו עולה דבר. מלבד זאת אין הוצאות שנתיות על דלק או על בקרת זיהום כפי שיש בשימוש בפחם, בנפט או בכוח גרעיני. יש רק הוצאה קטנה על גז טבעי בתחנות לדחיסת אוויר, ומימן או ביו-דלק יוכלו להחליף אותו בעתיד. אם מביאים בחשבון את החיסכון בדלק, מחיר האנרגיה הסולרית בעשורים הבאים יהיה מחיר מציאה ממש. אבל איננו יכולים להרשות לעצמנו להמתין עד אז כדי להתחיל בתהליך השדרוג.

מבקרים העלו חששות נוספים. למשל, שמחסור בחומרי הגלם יוכל למנוע הקמת מתקנים גדולים. אמנם מחסור זמני כזה אפשרי בהקמה מהירה, אבל יש היום כמה סוגי תאים המשתמשים בשילובים שונים של חומרים. שיטות עיבוד ומִחזור טובות יותר מפחיתות אף הן את כמויות חומרי הגלם הדרושות. יתר על כן, בטווח הארוך יהיה אפשר למחזר תאים סולריים ישנים כדי לייצר תאים חדשים. הדבר ישנה את התמונה של אספקת האנרגיה: ממצב של תלות בדלק למצב שבו ישתמשו בחומרים ממוחזרים.

ואולם המכשול הגדול ביותר ליישום מערכת לאנרגיה מתחדשת בארצות הברית אינו טכנולוגי או כלכלי. המכשול הוא למעשה היעדר המודעות של הציבור לכך שאנרגיה סולרית היא חלופה מעשית שיכולה גם להניע את התחבורה. הוגי דעות מרחיקי ראות חייבים לנסות לחשוף את אזרחי ארצות הברית ואת מנהיגיה ומדעניה לפוטנציאל הגלום באנרגיית השמש. אנו סבורים כי כשהאמריקנים יכירו בכך, השאיפה לעצמאות אנרגטית והצורך לצמצם את פליטת הפחמן הדו-חמצני יניעו אותם לאמץ תכנית סולרית לאומית.

מושגי מפתח מעבר רחב היקף מתחנות כוח הפועלות באמצעות פחם, נפט או גז טבעי ומכורים גרעיניים לתחנות כוח סולריות יוכל לספק 69% מן החשמל של ארצות הברית ו-35% מן האנרגיה הכוללת שלה עד 2050 .

יהיה צורך להקצות אזור נרחב בדרום-מערב ארצות הברית כדי להקים בו מערכים פוטו-וולטאיים. עודפי האנרגיה שיופקו במהלך היום ייאגרו מתחת לאדמה באמצעות דחיסת אוויר וינוצלו בשעות הלילה. כמו כן ייבנו תחנות כוח גדולות שיפעלו באמצעות ריכוז אנרגיית השמש. תשתית תמסורת חדשה שתפעל בזרם ישר תזרים את החשמל הסולרי ברחבי המדינה. ואולם יהיה צורך בסיוע ממשלתי בסך 420 מיליארד דולר מ-2011 עד 2050 כדי לממן את הקמת התשתית וכדי להביא את מחיר החשמל לרמה תחרותית.

תאים פוטו-וולטאיים

ב-2050 יכסו חוות פוטו-וולטאיות כ-80,000 קילומטרים רבועים של אדמות בור בדרום-מערב ארצות הברית. הן ידמו לחווה של חברת החשמל של טוסון בספירנגרוויל שבאריזונה, שהוקמה בשנת 2000. בחוות כאלה תאים פוטו-וולטאיים רבים מחוברים אלו לאלו ליצירת תת-יחידה אחת, והתת-יחידות מחווטות יחד ליצירת מערך. הזרם הישיר מכל מערך זורם לשנאי, והוא מעביר אותו לקווי המתח הגבוה המובילים לרשת הארצית. בתא חשמלי הפועל באמצעות שכבה דקה האנרגיה של הפוטונים המגיעים מן השמש משחררת אלקטרונים משכבה של קדמיום-טלורי. האלקטרונים חוצים צומת, זורמים לשכבת ההולכה העליונה וזורמים לשכבת ההולכה האחורית, וכך נוצר הזרם החשמלי.

משאבים שופעים
קרינת השמש נפוצה בארצות הברית, בייחוד באזורים הדרום-מערביים שלה. יש כמה אפשרויות לפזר את 120,000 הקילומטרים הרבועים של קולטי השמש (מעגלים לבנים) הדרושים לתכנית הסולרית הגדולה. אחת מהן מוצגת כאן בקנה מידה.

על המחברים

מאת קן צוויבל, ג'יימס מייסון ווסיליס פְתֶנַאקיס

קן צוויבל (Zweibel), ג'יימס מייסון (Mason) וּוסיליס פְתֶנַאקיס (Fthenakis) נפגשו לפני עשר שנים במחקר משותף על מחזור החיים של תאים פוטו-וולטאיים. צוויבל הוא נשיא חברת “פרימסטאר סולר” מגולדן שבקולורדו. במשך 15 שנים הוא ניהל את השותפות לחקר תאים פוטו-וולטאיים של שכבה דקה במעבדה הלאומית האמריקנית לאנרגיה מתחדשת. מייסון מנהל את המאבק למען אנרגיה סולרית ואת המכון לחקר המימן בפרמינגדייל שבמדינת ניו יורק. פְתֶנאקיס עומד בראש מרכז המחקר הסביבתי של תאים פוטו-וולטאיים במעבדה הלאומית האמריקנית ברוקהייבן ומכהן כפרופסור וכמנהל המכון לניתוח מחזורי חיים באוניברסיטת קולומביה.

אחסון תת-קרקעי

עודף האנרגיה שיופק במהלך היום בחוות הפוטו-וולטאיות יוכל להישלח בקווי החשמל לאתרים קרובים לעיר שבהם תאוחסן האנרגיה באמצעות אוויר דחוס. בלילות יפיקו האתרים האלה חשמל לצרכנים. הטכנולוגיה הזאת זמינה כבר היום: המפעל השיתופיPowerSouth Energy בעיירה מקינטוש שבאלבמה פועל מ-1991 (הצינור הלבן מזרים אוויר אל מתחת לפני הקרקע). החשמל המגיע למפעל מניע מנועים ומדחסים, והם דוחסים אוויר ומזרימים אותו למערות תת-קרקעיות, למכרות או לאקוויפרים. כשהאוויר משתחרר, מחממים אותו באמצעות שרפת כמויות קטנות של גז טבעי. האדים החמים מתפשטים ומסובבים טורבינות לייצור חשמל.

תחנות כוח גדולות הפועלות באמצעות ריכוז אנרגיית השמש ישלימו את החוות הפוטו-וולטאיות בדרום-מערב ארצות הברית. תחנת הכוח בקריימר ג'נקשן שבמדבר מוהבי בקליפורניה פועלת מאז 1989 באמצעות טכנולוגיה של חברת “סולל” הישראלית מבית שמש. מראות מתכת פַּרַבּוֹליוֹת ממקדות את אור השמש בצינור ומחממות נוזל הזורם בו, כמו למשל אתילן גליקול. המראות המסתובבות עוקבות אחרי השמש. הנוזל החם זורם בצינורות, ובתוך מחליף חום מצויה לולאה המכילה מים. המים הופכים לקיטור שמניע טורבינה. תחנות כוח עתידיות יוכלו להזרים את הנוזל החם למכל אגירה שבו יחמם מלח מותך. המאגר הזה יוכל לשמור על החום להפקת חשמל במחליף החום בשעות הלילה.

ועוד בנושא

The Terawatt Challenge for Thin Film Photovoltaic. Ken Zweibel in Thin Film Solar Cells: Fabrication, Characterization and Applications. Edited by Jef Poortmans and Vladimir Arkhipov. John Wiley & Sons, 2006.
Energy Autonomy: The Economic, Social and Technological Case for Renewable Energy. Hermann Scheer. Earthscan Publications, 2007.
Center for Life Cycle Analysis, Columbia University: www.clca.columbia.edu
The National Solar Radiation Data Base. National Renewable Energy Laboratory, 2007. http://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb
The U.S. Department of Energy Solar America Initiative: www1.eere.energy.gov/solar/solar_america

תכנית סולרית גדולה – גם לישראל

במהלך גלי הקור שפקדו אותנו בחודשי ינואר ופברואר 2008 למדנו שצריכת החשמל שוב הגיעה קרוב מאוד לקו האדום של יכולת הייצור המרבית של חברת החשמל: 10,600 מגה-וואט (בהנחה שאין תקלות בייצור). מותר להניח שהתמונה תחזור גם בימי הקיץ החמים. ככל הנראה, לטווח הקרוב לא תהיה ברירה לחברת החשמל אלא להקים תחנת כוח פחמית נוספת, קרוב לוודאי באשקלון. אפשר להסתכן ולהניח שחברת החשמל והממשלה יתקשו להעביר את ההחלטה והן יתקלו בהתנגדות נמרצת של ארגוני הסביבה, במחאות ובהפגנות של “הירוקים”, בפניות לבג”צ וכדומה.

ואולם, עם כל הנזק לאיכות הסביבה והגדלת חלקנו בפליטת גזי חממה, לא יהיה מנוס מכך אם רוצים למנוע “החשכת” אזורים שלמים בארצנו בשעות שיא הצריכה. כיום לחברת החשמל יש עתודת ייצור שאינה עולה על 5%-4% בלבד. שיעור הגידול בצריכת החשמל הוא 3.5% -4% בשנה, כלומר כבר ב-2009 תרד העתודה לאפס, ובשנים 2010- 2011 יעלה הביקוש באופן ניכר על הייצור דבר שיגרום נזק לחברה ולכלכלתה של ישראל. המצב הקשה שהגענו אליו בכושר ייצור החשמל בולט ביתר שאת אם משווים אותו לארצות אחרות המבודדות כמונו מבחינת הספקת חשמל, כמו אירלנד, ניו זילנד ואיסלנד שבהן עתודת ייצור חשמל עומדת על 30%-25%. בקרב מרבית המדינות במסגרת OECD, שאינן מבודדות (כלומר יכולות לקבל חשמל מארצות שכנות), העתודה עומדת על כ-15%.

על רקע זה יש לנו עניין מיוחד במאמרם של קן צוויבל, ג'יימס מייסון וּוסיליס פְתֶנַאקיס בכותרת “התכנית הסולרית הגדולה”, המתפרסם בגיליון זה. התכנית שעוררה הדים נרחבים, לרוב חיוביים, בארה”ב ,מציעה לראשונה תכנית-אב מקיפה לטווח ארוך, המבוססת כולה על טכנולוגיות זמינות כיום. מטרתה לבסס את מרבית משק האנרגיה הענקי של ארה”ב על אנרגיה מתחדשת לא מזהמת, בעיקר אנרגיה סולרית. המחברים מדגישים כי הגשמת התכנית תתרום גם להפחתת הפליטה של גזי חממה, שיש בה כדי לבלום במידה ניכרת את ההתחממות הגלובלית.

בעיה חשובה שיש לבחון בקפדנות בתכנית גדולה כזאת, בעיה שתעמוד גם לפנינו, אם וכאשר נרצה להגשים תכנית דומה במהותה (לא בהיקפה) בישראל, היא גודל השטח המדברי הדרוש למיקום המערכות הסולריות להפקת האנרגיה בכמות הדרושה. על פי התכנית, יופק החשמל בעיקר ממערכים פוטו-וולטאיים. בטכנולוגיה הזמינה כיום. להפקת 3,000 ג'יגה-ואט של חשמל, שיהיה צורך לספק, לפי הערכתם, למשק האנרגיה של ארה”ב עד שנת 2050, יידרש שטח של כ-80,000 קמ”ר. המחברים מראים כי אין קושי באיתור שטח בגודל כזה במדבריות של דרום-מערב ארה”ב.

האם תעמוד לפנינו בעיית איתור שטח מתאים לצרכים שלנו במדבר הנגב? אין נתונים על ייצור חשמל שיידרש לישראל עד שנת 2050, אולם על פי תכנית משרד התשתיות הלאומיות, הכוונה היא להעמיד את ייצור החשמל על 20,000 מגה-ואט עד שנת 2020. לכאורה נראה שאין כל קושי לאתר שטחים בנגב למיקום המערכות הסולריות. שטחו של הנגב הוא 12,500 קמ”ר (כ-60% משטח ישראל), אך בחלקו הגדול הוא משמש לשטחי אימון של צה”ל, לשמורות טבע, לתכניות מתאר ליישובים. במצב דברים זה, אנרגיה סולרית תוכל להיות רק אחד הפתרונות מתוך סל מקורות האנרגיה של ישראל בעתיד.

ממשלות ישראל יעמדו בעתיד לפני הכרעות לא פשוטות בשילובה של המדינה במשק עולמי של אנרגיה נקייה. אפילו שכנותינו עתירות הנפט החלו לאחרונה לפנות לכיוון מחקר ופיתוח של אנרגיות חלופיות. ממשלת אבו דאבי, למשל החליטה להשקיע 15 מיליארד דולר במיזם המכונה “מסדר” שבמסגרתו תוקם העיר “הירוקה ביותר בעולם”.

לקראת יישום תכנית סולרית גדולה בישראל יהיה צורך לבחון בקפדנות את כל ההיבטים ואת כל האפשרויות, ובכלל זה גיבוש דרכים ואמצעים לחיסכון באנרגיה, בתעשייה, במבני ציבור, במוסדות חינוך ובצריכה הפרטית. ביצוע תכנית סולרית גדולה בישראל אפשרי ומוטב שעה אחת קודם.