‫אנרגיה חיובית – מקורות מתחדשים / מת’יו ל’ ואלד‬

פיתוח חלופות לדלקים מחצביים הוא צורך חיוני במלחמה בשינוי האקלים ובאבטחת מקורות אנרגיה.לפניכם תמונת מצב

מאת מת’יו ל’ ואלד

איורים: דון פולי

מקורות אנרגיה מתחדשים, כמו אתאנול או חשמל מתאים פוטו-וולטאים, מספקים כיום פחות מ-7% מצריכת האנרגיה של ארצות-הברית. ואם מפחיתים מכך את תחנות הכוח ההידרואלקטריות, מדובר בפחות מ-4.5%. מקורות אנרגיה מתחדשים מספקים רק כ-3.5% מצריכת החשמל העולמית, ואף פחות מכך כשמדובר בדלק לתחבורה.

ואולם, אף על פי שהגדלת נתח המקורות החליפיים בארה”ב נחוצה לשם בקרה על פליטת גזי החממה והקטנת גירעון הייצוא והתלות בספקי אנרגיה חיצוניים, יש שלוש בעיות. ראשית, נשאלת השאלה כיצד לנצל את אנרגיית השמש, הרוח והגידולים החקלאיים באופן משתלם מבחינה כלכלית. שנית, יש לשנע את האנרגיה מן המקום שבו קל לאסוף אותה, כמו המדבר שטוף השמש או ההרים סחופי הרוח, למקומות שבהם אפשר להשתמש בה. ולבסוף, צריך להמיר אותה לצורות נוחות. בייחוד בולט הדבר בחשמל להנעת כלי רכב: יש להטעין אותו על מכוניות, על אוטובוסים ועל משאיות, באמצעות מצברים או אולי כמימן.

מכמה בחינות, התחום מתפתח במהירות רבה. במחקר שנערך לאחרונה במימון האו”ם, התגלה כי 148.4 מיליארד דולר הושקעו ב-2007 באנרגיה מתחדשת ברחבי העולם, עלייה של 60% מ-2006. אולם טורבינות הרוח והתאים הסולריים מצטרפים לתשתית הכוללת כבר תחנות כוח פחמיות שלא זו בלבד שהן פועלות כל שנה יותר שעות מבעבר, אלא אף מתרבות.

זאת ועוד, אף כי בשנים האחרונות חלה ירידה תלולה במחיר האנרגיה הסולרית ובייחוד במחיר אנרגיית הרוח, הן משתלמות רק בזכות סובסידיות או הטבות ממשלתיות. לקוח ביתי ממוצע בארה”ב משלם כ-11 סנט לקילוואט שעה (קוט”ש) על חשמל המגיע משילוב בין תחנות כוח פחמיות, תחנות המופעלות בגז, אנרגיה גרעינית ואנרגיה הידרואלקטרית. אך המקורות המתחדשים יקרים הרבה יותר. כל שיטות הפקת האנרגיה מטופלות כמובן בשיטת “המקל והגזר” על ידי ממשלות העולם – אם כדי לספק תעסוקה לכורי הפחם ואם כדי להוכיח שביקוע אטומי לא נועד רק לייצור פצצות. אך במקומות רבים למקורות האנרגיה המתחדשים יתרון בולט: מכסות. את הביקוש להם מגבירה גם העלייה במחירי הדלק הרגיל, מכיוון שעם עליית מחירי הדלק עולה גם רווחיותם של פתרונות חלופיים.

גם מס על פחמן יכול לעזור. מס של 10 דולר על פליטת טונה אחת של פחמן דו-חמצני אמנם יעלה את מחיר החשמל מתחנת כוח פחמית בכסנט אחד לקוט”ש, אבל הדבר יכול להביא לשינוי עצום, משום שמבחינת תכולת האנרגיה, היקף ייצור החשמל מפחם גדול פי 70 מייצור חשמל מרוח. הדבר נכון בקירוב גם לגבי נפט וגז טבעי.

לפניכם סקירה של מרכיביה האפשריים של מערכת ייצור אנרגיה שבה יש למקורות המתחדשים נתח גדול, וכיצד משתלבות כל השיטות זו בזו.

אנרגיה תרמו-סולרית

כדי לייצר אנרגיה תרמו-סולרית, ממקדים את קרני השמש באמצעות מראה קעורה בצורת שוקת, העוקבת אחר השמש לאורך היום, ומחממת נוזל על בסיס שמן או מים הזורם בצינור שחור. הצינור מתפתל לאורך קילומטרים עד למחליף חום היוצר קיטור להנעת טורבינה. אפשר לבנות את המערכת לצד תחנת כוח המונעת בגז טבעי, כך שהגז יוכל לשמש לייצור קיטור בימים מעוננים או בלילה. בעתיד יוחלף הנוזל בתערובת נוזלית של מלחי נתרן שתאפשר עבודה בטמפרטורות גבוהות יותר ללא עלייה בלחץ.

שיטה דומה משתמשת במגדל שמש המוקף במערך מראות עצום שיכול להגיע לרדיוס של קילומטר. המראות מחממות נוזל, מים או מלחי נתרן, המצוי בראש המגדל. את מלחי הנתרן החמים אפשר לאחסן במכל מבודד ששומר די חום כדי להפעיל את הטורבינה מסביב לשעון, או לפחות משך שעות הצריכה המוגברת.

מצב: מערכי מראות קעורות מצויים בשימוש מסחרי. יעילותם של מגדלי שמש הודגמה.

מחיר: 19.9-28.1 סנט לקוט”ש (מראות קעורות)

יתרונות: כנראה הפתרון הנוח ביותר לאחסון אנרגיה מתחדשת

חסרונות: דורש שטח מישורי, מקור האנרגיה יכול להימצא הרחק מתשתיות קיימות, גורם נזק לסביבות מדבריות בתוליות, עשוי להיזקק למערכת קירור מים – משאב נדיר במדבר שטוף השמש

אנרגיית גלי האוקיינוס

בעקבות הדאגות הסביבתיות שמעוררים סכרים אי אפשר להמשיך לפתח מקורות חשמל הידרואלקטריים. אך נתוני משרד האנרגיה האמריקני מראים שחופי צפון-מערב ארצות הברית יכולים להניב 40 עד 70 קילוואט למטר. עם זאת, הטכנולוגיה הנדרשת על מנת לרתום את אנרגיית האוקיינוס לייצור חשמל, מפגרת בהרבה אחרי השיטות לניצול אנרגיה גאותרמית, אנרגיית שמש ואנרגיית רוח, וזה מאתיים שנה ממציאים מנסים לרשום פטנט מוצלח לניצול אנרגיית הגלים.

אחת הטכניקות היא בניית תא אוויר מפלדה או מבטון. התא פתוח למי האוקיינוס בחלקו התחתון, אך סגור מלמעלה. הגלים העולים ויורדים מעלים ומורידים לסירוגין את לחץ האוויר בחלקו העליון של התא וכך אפשר להפעיל טורבינה. חברת Wavegen שבסקוטלנד, בבעלות חלקית של ענקית החשמל סימנס, חנכה לאחרונה תחנת כח של 100 קילוואט המתבססת על שיטה זו. שיטה אחרת מנצלת את האנרגיה של מצופים עולים ויורדים.

מצב: הטכנולוגיה הודגמה, אך עדיין אינה מוכנה לייצור מלא

מחיר: מוקדם לקבוע

יתרונות: אין צורך בהובלת חשמל למרחקים גדולים

חסרונות: עלותם הגבוהה של מבנים שיהיו עמידים בפני גלים חזקים

 

אנרגיית רוח

הרוח היא מקור האנרגיה המתחדש המבטיח והמתקדם ביותר, אך אולי גם הבעייתי ביותר. ב-2007 הותקנו ברחבי ארה”ב טורבינות רוח בהיקף של יותר מ-5,000 מגה-ואט, גידול של 46%. אך תרומת האנרגיה במונחי קוט”ש קטנה בהרבה משום שאפילו באתר שנבחר בקפידה, מייצרת הרוח, שאינה נושבת כל הזמן, רק כ-28% מן האנרגיה שהיה אפשר להפיק לו נשבה מסביב לשעון. כמו כן, הרוח הטובה ביותר נושבת בלילה, כשהצריכה נמוכה.

ככל שהטכנולוגיה מתפתחת, יורדות העלויות והשבשבות גדלות. טורבינות הרוח החדישות ביותר מפיקות שישה מגה-ואט, הספק המתאים להפעלת כמה מרכזי קניות בו זמנית. בטורבינה כה גדולה הלהבים מגיעים לאורך של 65 מטרים, בערך כמו מוטת הכנפיים של מטוס בואינג 747. הדגמים החדשים יעילים ביותר, ומנצלים כמחצית מאנרגיית הרוח הנושבת בהם.

מצב: בשימוש מסחרי ובצמיחה תלולה

מחיר: 6.1-8.4 סנט לקוט”ש (אך הצורך בהולכה עלול לנפח את המחיר)

יתרונות: פוטנציאל ייצור האנרגיה הגדול ביותר בארה”ב. אין צורך במי קירור

חסרונות: שעות הייצור אינן עולות בקנה אחד עם שעות העומס. מראה הטורבינות ועמודי החשמל, וכן הרעש שהם מקימים, מעוררים התנגדות בקרב גורמים שונים. סכנה לציפורים ולעטלפים. עלול לגרום להפרעות במכ”ם האווירי. אתרי ההקמה מרוחקים ממקומות יישוב.

 

אנרגיה גאותרמית

שלא כמו אנרגיה סולרית או אנרגיית שמש, אפשר לייצר אנרגיה גאותרמית לפי הצורך. “החום של האדמה מצוי שם תמיד. אפשר לסמוך על זה,” אומר סטיבן צ’ו, מנהל המעבדה הלאומית האמריקנית על שם לורנס ברקלי, ושר האנרגיה החדש בממשל אובמה. תחנות כוח גאותרמיות פועלות לרוב מסביב לשעון. לא בכל מקום אפשר למצוא מקור חום תת קרקעי, אך בהוואי רבע מצריכת החשמל מיוצר בשיטה זו, ובקליפורניה, 6%. תחנות כוח גאותרמיות רבות מנצלות מים חמים שפורצים מן האדמה בעצמם, אך לדברי התומכים בטכנולוגיה, שטחים נרחבים בארה”ב מכילים “מסלע יבש וחם” שאפשר לנצלו פשוט על ידי הזרקת מים לבאר עמוקה. ברוב השיטות משמש מחליף חום ליצירת קיטור ממים נקיים, כדי לסובב טורבינה.

מצב: בשימוש מסחרי מצומצם

מחיר: 6.2-7.6 סנט לקוט”ש

יתרונות: האספקה אמינה דיה לאספקת הביקוש הבסיסי

חסרונות: קיטור ממקור תת קרקעי עלול להכיל מרכיבים מזיקים, העלולים לפגוע במחליפי החום, ולזהם את האוויר במקרי דליפה. המיקום בלתי צפוי ועלול להיות מרוחק מקווי מתח גבוה קיימים.

 

אנרגיה סולרית: תאים פוטו-וולטאים

 

בתא פוטו-וולטאי יש שתי שכבות, הכרוכות זו על זו, של חומרים מוליכים למחצה: באחת יש עודף אלקטרונים ובשנייה עודף “חורים”. כשאור השמש פוגע בהן, עוברים האלקטרונים העודפים משכבה אחת לאחרת, וכך נוצר זרם חשמלי. תופעה זו נתגלתה כבר לפני 169 שנה, אך מדענים ומהנדסים עדיין מנסים לשפר את הטכנולוגיה. התאים הראשונים הופעלו בתכנית החלל, והם מצויים בשימוש נרחב במקומות שאליהם לא מגיעה רשת החשמל. ועם זאת מבחינה כלכלית אין הם יכולים להתחרות בשימוש בדלק מחצבי, או אפילו במקורות מתחדשים אחרים המספקים חשמל לרשת. אפשר להוסיף תאים פוטו-וולטאים למבנים חדשים, כרעפים או כחומר לציפוי החזית בעלויות נמוכות יותר.

 

מצב: בשימוש מסחרי, אך אינו תחרותי ברשת, למעט במקרים שבהם יש מכסות או סובסידיות גדולות

מחיר: 46.9-70.5 סנט לקוט”ש

יתרונות: אפשר לפרוס תאים באזורים עירוניים שבהם צריכת החשמל גבוהה כדי לחסוך את עלות התקנת קווי אספקה חדשים. שעות שיא הייצור תואמות היטב את שעות שיא הצריכה. אין צורך במי קירור

חסרונות: למען האמת, זה יקר מדי. היקף הייצור קטן מאוד

 

אחסון והובלת אנרגיה ממקורות מתחדשים

למקורות אנרגיה לא עקביים, כמו שמש ורוח, דרושה מערכת אחסון והובלת אנרגיה. יש כמה מועמדים לתפקיד.

יצרני הרכב שואפים לפתח מצבר יוני-ליתיום שיאריך 15 שנה ו-5,000 מחזורי טעינה, הרבה יותר מזמן החיים של סוללות יוני-הליתיום שאנו רגילים אליהם היום במוצרי צריכה. המטרה היא להגיע למחיר של 300 דולר לקוט”ש באחסון זמין, במצבר שיוכל להסיע מכונית למרחק של 65 קילומטר, בהנחה שהצריכה תהיה כחמישה ק”מ לקוט”ש. חברת ג’נרל מוטורס מתכננת להוציא אל השוק מכונית היברידית נטענת ב-2010. חברת פורד רוצה לעשות זאת בעוד חמש שנים.

תאי דלק

 

חשמל מכל מקור – אור השמש, רוח ואפילו פחם, יכול לשמש לפירוק מולקולות מים למרכיביהן, מימן וחמצן, בתהליך אלקטרוליזה. אחר כך יכול המימן לשמש להפקת חשמל באמצעות תא דלק. עם זאת, חסרונם הבולט של תאי דלק הוא שכל קילוואט עולה אלפי דולרים, ונצילות השימוש בזרם החשמל לפירוק המים באלקטרוליזה וקבלתו מחדש מתא הדלק נמוכה מ-50%, כלומר על כל שני קוט”ש שאנו משקיעים בו, אנחנו מקבלים רק אחד בחזרה.

 

מצברים נייחים

חברת VRB Power Systems מוונקובר שבקנדה, מוכרת “מצברי זרימה” הכוללים מכלי אחסון אלקטרוליט בקיבולת של מאות ליטרים. כשמפעילים את המערכת בכיוון אחד, היא סופגת אנרגיה בסדר גודל של מגה-ואטים לשעה. כשמפעילים אותה בכיוון האחר, היא פולטת אותה. עלות אחסון קוט”ש נעה בין 500 ל-600 דולר, ונצילות התהליך ההפיך עומדת על 65% עד 75%, כך שהמצבר מאבד 25% עד 35% מן החשמל המאוחסן בו. מערכת זו תעלה את מחיר הקוט”ש ממקורות סולריים ב-50% או יותר.

 

אוויר דחוס

קואופרטיב האנרגיה של מדינת אלבמה פתח ב-1991 מפעל לאחסון אנרגיה באמצעות אוויר דחוס. המתקן מנצל את החשמל העודף שמייצרות תחנות כוח פחמיות בלילה, כדי לדחוס אוויר אל תוך כיפת מלח חלולה בלחץ של יותר מ-70 אטמוספרות. כשצריכת החשמל עולה בשעות היום, מועבר האוויר הדחוס לטורבינת בעירה המוזנת בגז טבעי. בדרך כלל הטורבינה צריכה לדחוס את האוויר שבו היא משתמשת, ואפילו הגנרטור היעיל ביותר היום בשוק צורך יותר מ-6,000 קילוג’אול המופקים מגז טבעי כדי לייצר קוט”ש אחד. אחסון אוויר דחוס, לעומת זאת, מקטין את השימוש בגז בשליש.

הולכת חשמל

מקורות חשמל פזורים יכולים להיות פחות בעייתיים אם הם מזינים רשת חשמל גדולה יותר. אזור שבו מצויים 100 מתקני שמש ורוח המייצרים חשמל בנפרד יכול ליהנות תמיד מממוצע ייצור כלשהו, אך רשת החשמל המצויה היום בארה”ב אינה מסוגלת להתמודד עם הולכת חשמל בקנה מידה רחב למרחקים עצומים. פתרון אפשרי, שהציע משרד האנרגיה האמריקני ב-2008, הוא בניית “עמוד שדרה” של קווי מתח גבוה, בדומה לרשת הכבישים המהירים הבין-מדינתית. רשת חדשה זו של קווי מתח גבוה תימתח על פני 30,000 ק”מ, באמצעות עמודי חשמל שגובהם 40 מטר, ובעלות של 1.6 מיליון דולר לק”מ. המתח ברשת יהיה גבוה ביותר, 765,000 וולט, כדי להפחית הפסדי הולכה. אמנם אין מדובר בטכנולוגיה חדשה, אבל למערכת דרושים שני דברים שאין ביכולתה של ארה”ב להציע כרגע: מחויבות לאומית להאחדת רשת החשמל בכל צפון אמריקה, וכ-60 מיליארד דולר למימון הפרויקט.

דלק לתחבורה ממקורות מתחדשים

 

יש שלוש דרכים עיקריות לייצור דלק נוזלי לתחבורה ממקורות מתחדשים. הראשון הוא שימוש בשמן צמחי, לרוב שמן סויה או שמן דקלים, במנועי דיזל. על פי החוק בארה”ב, יש להפוך את השמן לתרכובת כימית מסוג אסטר כדי להשתמש בו. תהליך ההמרה פשוט, אך אפשר לבצעו בקנה מידה מוגבל בלבד, והעניין כולו שנוי במחלוקת, משום שגידול צמחים לדלק בא על חשבון גידול מזון.

אפשר גם להפוך סוכר לאלכוהול בעזרת שמרים, אך אף על פי שהתהליך הזה פשוט אף הוא, אפשר לבצעו בקנה מידה מוגבל בלבד. גם כאן מתעוררת התחרות בין תחנת הדלק לבין הסופרמרקט על מוצרי השדה.

עם זאת, יש לזכור כי כמויות אדירות של סוכר מצויות בתאית (צלולוזה) של צמחים, או של חלקי תבואה בלתי אכילים, כמו קש וגבעולי תירס. תאית זו מכילה סוכר רגיל, בעל שישה אטומי פחמן, אבל גם סוכרים בעלי חמישה אטומי פחמן, ששמרים מתקשים לעכל.

כמה מפעלים ניסיוניים עוסקים כעת בנסיון לפרק סוכרים אלה, בעזרת חומצה, קיטור או שניהם גם יחד. עוד אפשרות היא שימוש באנזימים מחיידקים או מפטריות שעברו הנדסה גנטית. יש שיטות שהופכות את הסוכרים לדלק נוזלי בעזרת זרזים, ואחרות משתמשות לשם כך בשמרים, לרוב לאחר הנדסה גנטית. יש המפרקות את מולקולות התאית לדלק גזי המורכב מפחמן חד-חמצני וממימן, שאותו אפשר להפוך לפחמימנים או לכהלים ולנוזלים אחרים כגון אתאנול. חומר הגלם לתגובות האלה יכול לבוא מגזם, מקליפות עצים או מאצטרובלים, מנייר ומפלסטיק, מפסולת ביתית ומפסולת חקלאית.

אף שהוכח כי כל השיטות האלה ישימות ברמת המעבדה או בקנה מידה נסיוני, טרם הגענו ליכולת ייצור מסחרית. עם זאת, בזכות עידוד ממשלתי ומכסות, הצעות רבות בתחום מתחילות להתעורר.

מצב: מאבק עקשני להשגת ייצור מסחרי

מחיר: לא ידוע. קשה לקבוע מחיר יעד, מכיוון שמחירי הדלק והסולר כה נזילים

יתרונות: סך הפליטות מכמה דלקים ביולוגיים שווה לאפס. מפחית את הצורך בייבוא דלק

חסרונות: מקצת הדלקים הביולוגיים גורמים לעליית מחירי המזון. כדי לייצר דלק מתירס יש לשרוף כמויות עצומות של דלק מחצבי, כך שהיתרון האנרגטי קטן. רוב הדלקים ביולוגיים מכילים פחות אנרגיה כימית, כך שהם פחות חסכוניים מבחינת תצרוכת דלק.

אחסון קרח

חברת אייס אנרג’י מקליפורניה מוכרת ציוד המייצר בלילה גושי קרח בנפח של כ-2,000 ליטר במרתף הבניין. קל יותר לייצר קרח בלילה משום שעל פי רוב טמפרטורת האוויר בחוץ, לשם משחרר המדחס את החום, נמוכה יותר בלילה. הקרח שיוצר בלילה משמש לקירור הבניין במשך היום. כך משמשת אנרגיה המיוצרת בלילה, כמו אנרגיית רוח, לביצוע עבודה הנדרשת בשעות היום.

 

מת’יו ל’ ואלד הוא כתב בניו יורק טיימס, המסקר את תחום האנרגיה משנת 1979. הוא כתב כתבות בנושאי זיקוק נפט, ייצור חשמל, מכוניות חשמליות והיברידיות וזיהום אוויר. ואלד מתגורר כרגע בוושינגטון, ועוסק בתחקיר בנושא בטיחות תעבורה ובנושאים אחרים. זוהי הכתבה הרביעית שלו בסיינטיפיק אמריקן.

ועוד בנושא

אתר משרד האנרגיה האמריקני: תרחיש לאספקת 20% מצורכי האנרגיה של ארה”ב על ידי אנרגיית רוח עד 2030:www1.eere.energy.gov/windandhydro

תחנת כוח היברידית המתוכננת להיבנות בקליפורניה, שתייצר אנרגיה סולרית כשהשמש מאירה ואנרגיה מגז בזמנים אחרים: www.inlandenergy.com

מידע באשר לאחסון אנרגיה בעזרת אוויר דחוס:

www.solarfeeds.com/index.php?option=com_contentview=articleid=3256:compressedair-energy-storage-further-alongcatid=80:80Itemid=173

עובדות על אתאנול מתאית באתר העמותה לדלק ממקורות מתחדשים:

www.ethanolrfa.org/resource/cellulosic

 

Facebook