אנרגיה סולארית
אנרגיה סולארית היא מקור של אנרגיה חלופית ומתחדשת שמקורה בקרינת השמש. מתקני אנרגיה סולארית ממירים את הקרינה האלקטרומגנטית שמגיעה מהשמש לאנרגיה תרמית או לחשמל. עקב ההספק הגבוה של קרינת השמש על פני כדור הארץ יש לשיטה זו פוטנציאל להפוך למרכיב משמעותי בשוק האנרגיה העולמי.
השימושים של אנרגיה שמקורה בשמש הם מגוונים. ניתן להשתמש באנרגיה זו באופן ישיר למטרות חימום, אידוי וייבוש מזון, כמו למשל בישול בעזרת תנור שמש, בריכות אידוי להפקת מלחים וייבוש כביסה. באופן דומה, דודי שמש משמשים לחימום מים לצריכה ביתית. ריכוז קרינת השמש באמצעות מראות או עדשות מאפשר לעתים לנצל אותה טוב יותר, במיוחד לצרכים שבהם נדרשת טמפרטורה גבוהה. הגדלת הנצילות מתאפשרת גם באמצעות מתקני עקיבה, שעוקבים אחר תנועת השמש בשמים בשעות היום.
שימוש נרחב של אנרגיית השמש לצרכים תעשייתיים או לצורך יצירת חשמל ייתכן באחת משתי דרכים:
- אנרגיה תרמו-סולארית - חימום נוזל לצורך הפעלת מנוע חום שמייצר חשמל או עבודה מכנית.
- אנרגיה פוטו-וולטאית (אנרגיה פוטו-חשמלית) - שימוש בתאים פוטו-וולטאיים לצורך המרת אור לאנרגיה חשמלית באופן ישיר.
את האנרגיה הסולארית ניתן לנצל ישירות, או לאגור באמצעים פוטוכימיים בחומרים שונים, ולהפיק את האנרגיה מאוחר יותר במידת הצורך. באופן עקיף, אנרגיית השמש אחראית למגוון תהליכים שמביאים ליצירת מקורות אנרגיה שונים שנמצאים כיום בשימוש, כמו אנרגיית רוח, אנרגיה הידרואלקטרית ועוד. באופן דומה, אור השמש אפשר את חייהם של יצורים קדומים, שבמשך הזמן הפכו לנפט. דלק מאובנים זה משמש כיום את האנושות כמקור אנרגיה עיקרי.
תוכן עניינים |
[עריכה] אנרגיה תרמו-סולארית
[עריכה] דודי שמש
 |
ערך מורחב – דוד שמש |
דוד שמש הוא פיתוח ישראלי של פרופ' צבי תבור המבוסס על קולטי שמש ההופכים אנרגיית שמש לאנרגיית חום. בארץ נעשה באנרגיה סולרית שימוש רב באמצעות דודי השמש לחימום מים (כ-95% מבתי האב), שחוסכים כ-3%-4% מתצרוכת החשמל של ישראל. על פי החוק הישראלי כל בית חדש שנבנה (למעט מגדלים) חייב להיות מצויד בקולטי שמש. מאידך מפעלי תעשייה אינם מחויבים לחמם מים באמצעות קולטי שמש ומעדיפים את הפתרון הנוח יותר של שימוש במזוט. המערכת התרמוסיפונית הינה המערכת השכיחה במדינת ישראל. "עקרון התרמוסיפון" – הכוח הגורם למים שיתחממו בקולט, לזרום אל הדוד במערכת, הוא ההפרש במשקל הסגולי בין המים החמים והקרים, ללא צורך במשאבה או גורם מניע אחר.
[עריכה] תחנת כוח תרמו-סולארית
|
|
ערך מורחב – תחנת כוח תרמו-סולארית |
בשיטה הסולארית-תרמית ראשית הופכים בעזרת קולטי שמש את האנרגיה הנקלטת לחום, ואחר כך בעזרתו מייצרים קיטור אשר מניע טורבינה המייצרת חשמל. כיום רוב תחנות הכוח הסולאריות הגדולות עובדות בשיטה זו.
קיימות מספר טכנולוגיות סולאריות-תרמיות :
- שקתות פרבוליות (Parabolic Trough): נוזל תרמי (או לחלופין קיטור או מלח נוזלי) זורם בצינור הנמצא בפוקוס של מראה בצורת פרבולה העוקבת אחרי השמש בציר אחד. הנוזל נכנס למחליף חום או קיטור נכנס ישירות לטורבינת קיטור המניעה גנרטור.
- בצורה דומה משתמשים במראות שטוחות לפי עקרון פרנל (Fresnel), מתקן מסחרי מסוג זה הוקם באוסטרליה לחימום מוקדם של קיטור.
- מגדל שמש המכונה לעתים מתקן מסוג קולט מרכזי (Power Tower Systems): הליוסטטים העוקבים אחרי השמש בשני צירים ומרכזים את האור לקולט מטרה הנמצאה על מגדל. תחנות נבנו בשיטה זו בצרפת, ארצות הברית, ובמכון ויצמן בישראל. עוד בשנות השמונים השתמשו בקולט שמש שחימם מים או מלח מומס. תחנה מסחרית שהוקמה בספרד PS10 ליד סביליה משתמשת בקולט המחמם אויר, והאוויר מחמם קיטור לטמפרטורות של כ-460 מעלות צלזיוס. תחנה נוספת כזו PS20 נמצאת בהקמה והכוונה להקים תשע תחנות מסוג זה שיספקו את רוב צריכת החשמל של העיר סביליה. חברת ברייט סורס (לשעבר לוז 2) מבקשת להקים תחנות כוח בטכנולוגיה זו בקליפורניה. הטכנולוגיה החדישה בתחום היא שימוש בטורבינת גז וקולט המחמם אוויר דחוס, בשיטה זו ניתן להגיע לנצילויות גבוהות ביותר, מתקן הדגמה מסוג זה הוקם במכון ויצמן והודגמו בו טמפרטורות אוויר של כ-1,200 מעלות צלזיוס.
באלמריה שבספרד הוקם בשנת 2003 מתקן שעבד כתחנת כוח לכל דבר כאשר חברת אורמת סיפקה את יחידת הכוח, ובשנת 2005 הושגו טמפרטורות של מעל 1,000 מעלות צלזיוס במערך קולטים בפעולה עם טורבינת הגז של אורמת OST3 שסיפקה כ-250KW חשמל. חברת אדיג מיבנה הקימה מתקן הדגמה דומה בהספק של 100KW בסין. טכנולוגיה זו מאפשרת ייצור חשמל בנצילות גבוהה ונראה כי ניתן להגיע לעלויות נמוכות משמעותית מבעבר. - צלחת פרבולית (Parabolic Dish Systems) - צלחת העוקבת אחרי השמש בשני צירים באמצעות חיישנים. מהחום מופק חשמל בדרך כלל על ידי מנוע סטירלינג (Stirling) או טורבינת גז קטנה. ניתן לקבל נצילויות גבוהות בהקפי ייצור חשמל של עשרות ומאות קילוואט בלבד, או תחנת כוח מסחרית עם עשרות או מאות יחידות מודולריות.
[עריכה] אנרגיה פוטו-וולטאית
|
|
ערך מורחב – תא פוטו-וולטאי |
המרה ישירה של אנרגיית השמש לחשמל נעשית באמצעות תא פוטו-וולטאי (תא שמש), שעשוי לרוב מסיליקון בטכנולוגיה של עשיית שבבים, בנוי מסרט מוליך למחצה הנתון בין שתי אלקטרודות. בעת החשיפה לאור, ניתקים האלקטרונים ממקומם ויוצרים תנועה חשמלית. הניצולת של תא כזה היא נמוכה (כ-15 אחוז) ומחירו יקר, בשל טכנולוגיית הייצור המורכבת.
במרכז הלאומי לאנרגיית השמש באוניברסיטת בן-גוריון, נערכים מחקרים בתחום הסולרי-תרמי והפוטו-ולטאי, העוסקים בין השאר בתא פוטו-וולטאי מבוסס פחמן, ובייצור חשמל פוטו-וולטאי באמצעות שימוש במראה מרכזת גדולה. הציפיות הן שמחקרים אלו יבשילו בעשור הבא לכדי מערכות זולות והמוניות לייצור חשמל מאנרגיית השמש.
טכנולוגיה חדשנית הנמצאת בשלבי מחקר מנצלת שימוש בלוחות OLED המבוססים על חומרים אורגניים, לניצול אור שמש לשם הפקת אנרגיה חשמלית. כיום משתמשים בתהליך ההפוך של פליטת אור באמצעות זרם חשמלי לייצור צגים דקים לטלפונים סלולריים וטלויזיות העשויים להחליף בעתיד את מסכי ה-LCD. יתרונה של השיטה בייצור אנרגיה סולרית, היא בעלות ייצור נמוכה, נצילות אנרגטית גבוהה ושימוש בחומרים אורגניים מתכלים.
תחנת כוח פוטו-וולטאית גדולה קמה בהפארק הסולארי בסקסוניה, גרמניה.
[עריכה] יעילות הפקת חשמל מאנרגיית השמש
שטף האנרגיה הנקלט בכדור הארץ מן השמש הוא 1366 וואט למ"ר בתנאים המיטביים. כלומר בקו המשווה, בצהרי היום וללא עננות. היעילות של תא פוטו-וולטאי היא כ-10%. מקובל שלאורך היממה ועונות השנה ניתן להפיק 20 עד 30 וואט בממוצע לכל מ"ר[1]. לשם המחשה: שדה של 1 דונם יפיק כ-9 קוט"ש בממוצע לאורך היממה ועונות השנה.
[עריכה] אנרגיה סולארית בישראל
אף שבישראל ישנו מחקר ופיתוח ער ומתקדם, היישום של שימוש במקורות אנרגיה סולארים, למעט השימוש בדודי שמש, הוא עדיין מועט, אם כי לאחרונה חל שינוי בתחום - בעיקר בנושא התקנות מערכות פוטו-וולטאיות.[2]
[עריכה] סולארי תרמי לחימום
מערכות תרמוסיפוניות, המוכרות כדודי השמש, הנם פטנט ישראלי, שהצליח בקנה מידה גדול עם חקיקה מחייבת בישראל שחלה עם משבר האנרגיה של שנות ה-70. כיום חוסכים דודי השמש הפרטיים והמסחריים כארבעה אחוזים מצריכת החשמל של מדינת ישראל.
פרויקט לדוגמה בו נעשה שימוש באנרגיה סולארית לחימום מים בעזרת קולטים בשנת 2008 על ידי חברת 'כרומגן' הינו מלון PRIMA MUSIC בחוף אלמוג באילת, הכולל: 140 חדרים ומטבח מרכזי. הותקנו כ-105 מ"ר קולטים החוסכים כ-18 טון CO2 בשנה. החיסכון בגז נאמד בכ-95,000 קילוואט לשנה והחזר ההשקעה הינו כ-4.5 שנים. בית מלון נוסף באילת שהתפרסם כמלון המפיק בעצמו את צריכת החשמל שלו בעזרת לוחות סולריים הוא מלון אורכידאה.
[עריכה] סולארי תרמי להפקת חשמל
בעבר פעלה בסמוך לים המלח תחנת כוח סולארית קטנה מסוג בריכת שמש, שהקימה חברת סולמת (מקבוצת אורמת), אך הממשלה הפסיקה את מימון הפעלתה בשל חוסר כדאיות כלכלית.
חברת לוז מירושלים הקימה בשנות ה-80 של המאה ה-20 בקליפורניה תשעה מתקנים בטכנולוגיה התרמית של שקתות פרבוליות, בשלוש תחנות כוח ובהיקף כולל של 354MW (כולל התחנה הסולארית הגדולה בעולם בהספק נקוב של 160MW והשנייה בגודלה בעולם בהספק 150MW). אף שהחברה פשטה רגל, התחנות עדיין עובדות כיום ומופעלות על ידי חברת Florida Power & Light ואף מייצרות חשמל מעבר להספק הנקוב הודות לשיפורים טכנולוגיים הכוללים קולט חדש שפותח ומיוצר על ידי חברת סולל מבית שמש. לאחרונה הוקמה חברת הזנק בשם לוז 2 (נקראת כיום "ברייטסורס תעשיות ישראל"), אשר עובדת על פיתוחים נוספים בתחום. החברה מחזיקה בתחנת כוח ניסויית במישור רותם בהספק של 4MW.
חברות סולרג'ניקס ואורמת מיבנה הקימו תחנת כוח סולרית באריזונה עם טורבינה אורגנית (ORC) מתוצרת אורמת, כמו כן הוקמו בשנתיים האחרונות תחנות בנבאדה (64MW) ומספר תחנות בגודל 50MW בספרד. כיום יש תחנות נוספות בהליכי אישור והקמה בספרד וקליפורניה בהשתתפות חברת סולל (כיום סימנס).
בשנת 2001 הכריז שר התשתיות הלאומיות דאז, אביגדור ליברמן, על הקמת תחנת כוח סולארית באזור דימונה. תוכנית זו לא יצאה לפועל. בתחילת 2004 הכריזה המועצה הארצית לתכנון ובניה על תוכנית מתאר להקמת תחנה סולארית, במסגרתה נבחר מתחם אשלים, בסמוך לישוב אשלים שבשטח המועצה האזורית רמת הנגב. במרץ 2008 פרסם משרד התשתיות את השלב המקדים של מכרז למיון מציעים להקמת שתי תחנות סולאריות במתחם, אשר יתפרסו על שטח של כ-4,000 דונם ויספקו יחד כ-250 מגה-וואט חשמל, בהשקעה של כ-650 מיליון דולר.[3]
בנוסף לתחנת כוח סולרית, הוצע על ידי פרופ' דן זסלבסקי מהטכניון להקים ארובת שרב בערבה. מדינת ישראל החלה להקצות שטח לעניין. נכון לסוף שנת 2007 לא נמצאו מקורות מימון להקמת הפרויקט.
[עריכה] מערכות פוטו-וולטאיות
ביוני 2008 אישרה רשות החשמל תקנות העוסקות בייצור חשמל על ידי מתקנים פוטו-וולטאים. התקנות מיועדות לעידוד התקנת מערכות סולאריות ביתיות וקובעות כי יינתן תעריף מיוחד לחשמל עודף שימכר לחברת החשמל בגובה של 2.04 שקל לקוט"ש.[4] מכיוון שהחשמל נמכר לצרכנים במחיר של כחצי ש"ח לקוט"ש, מדובר בסיבסוד של כ-1.5 ש"ח לקוט"ש. בינתיים ירד התעריף ל- 1.51 ש"ח לקוט"ש (סיבסוד של 1 ש"ח לקוט"ש). בקיץ 2011 הרשות לחשמל אישרה הקצאת 200MW לתחנות סולאריות תרמיות גדולות, ו- 260MW עבור תחנות סולאריות פוטו-וולטאיות גדולות בתעריף 98 אג' לקוט"ש[5].
נכון לתחילת 2011 הותקנו בארץ יותר מ-100MW של מערכות פוטו-וולטאיות פרטיות ומסחריות קטנות וחלה התקדמות בכיוון פריסת מערכות בינוניות על גגות גדולים וקרקעות,[2] עבורן אושרה מכסה נפרדת של 350MW. סך כל ההסדרות מאפשרות שילוב של כ-1,020 מגוואט של מתקנים סולאריים לרשת החשמל. בשנה יש 8,544 שעות ולכן 1MW לאורך שנה שווה ל-8,544,000 קוט"ש.
[עריכה] מרכזי מחקר בתחום הסולארי
בארץ פועלים שני מרכזי חקר בתחום האנרגיה הסולארית, האחד הוא המרכז לחקר אנרגית השמש בשדה בוקר, במרכז בלאונשטיין לחקר המדבר של אוניברסיטת בן גוריון; והשני הינו מרכז אימות לבחינת התכנותן של טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת בקטורה שבערבה, אשר הוקם ב- 2010.[6]
באוגוסט 2008 אישרה הממשלה את ההצעה בדבר מחקר, פיתוח טכנולוגיות וייצור חשמל בתחום אנרגיה סולארית בישראל. במסגרת התוכנית יקים משרד התמ"ת באמצעות לשכת המדען הראשי מרכז טכנולוגי לאנרגיה מתחדשת בנגב בהשקעה של 70 מיליון ₪ על פני 5 שנים. [7]
[עריכה] יתרונות וחסרונות
היתרונות העיקריים של האנרגיה הסולרית:
- עצמאות בהפקת חשמל, חוסר תלות במקורות דלק מתכלים ובמדינות המפיקות אותם, כמו התלות בעליית מחירי הדלקים.
- הפקת אנרגיה נקיה שאיננה פוגעת בסביבה.
- בעיקר לגבי הטכנולוגיה הפוטו-וולטאית, אפשרות להתקנה על גגות ובכך לחסוך משאבי קרקע.
- אנרגיית השמש אינה מתכלה כמו מקורות אנרגיה המתבססים על דלק.
- התאמה טובה לעקומת הביקוש לחשמל.
- תחנה תרמית סולרית יכולה לכלול גם גיבוי בדלק אחר, ולא נדרשת הקמת תחנת כוח נוספת לגיבוי כמו בטחנות רוח למשל.
- בתחנה תרמית סולרית אין ירידה משמעותית בביצועי התחנה לאורך שנים (זאת בניגוד לתחנות פוטו-וולטאיות).
החסרונות העיקריים של האנרגיה הסולרית כיום:
- השקעה ראשונית גבוהה המתבטאת בעלות גבוהה לקוט"ש בהשוואה לתחנות כוח קונבנציונליות.
- הפקת אנרגיה לא סדירה בימים מעוננים ובלילה בתחנות כוח ללא אגירה או מקור אנרגיה נוסף.
- תפיסת שטח רב יחסית להפקת חשמל בשיטה הקונבנציונליות בפחם, דלק נוזלי או גז.
במטרה להתגבר על החסרונות ישנן הצעות להקים תחנות משולבות שתספקנה הן אנרגיה סולארית והן אנרגיית רוח, במטרה לנצל את השטח גם בלילה. שנית, במוסדות מחקר רבים, כדוגמת המרכז לננוטכנולוגיה באוניברסיטת בר-אילן, מנסים לפתח קולטי שמש ששטח הפנים שלהם יהיה גדול יותר, באמצעות שימוש ברכיבים ננוטכנולוגיים, וכך להגדיל את יכולת הפקת האנרגיה מכל מ"ר.
עשרות גופי מחקר ברחבי העולם מנסים לשפר את יעילותם ולהוזיל את מחירם של התאים הפוטווולטאיים. בשנת 2007, לדוגמא, הושקעו 500 מיליון דולר במחקר ופיתוח זה רק מהשקעה ציבורית[8]. ההשקעה הולכת וגוברת מדי שנה וגם גופים מסחריים עוסקים בכך. למרות המחקר הנרחב וההשקעה העצומה, ולמרות תחזיות כאלה ואחרות בפועל עדיין לא הושגה פריצת דרך ביעילות תא פוטו וולטאי. לצרכים מעשיים מקובל לחשב לפי עד 10% נצילות. יש גם להביא בחשבון שישנם חסמים תאורתיים ליעילות הפקת חשמל מאנרגית השמש: 22% לתאים פוטו וולטאיים [9] ו-40% למערכות טרמיות (בהתאם ל-חוק קרנו).
[עריכה] ראו גם
[עריכה] לקריאה נוספת
- ג'ודי ואריה מלמד-כץ, "המהפכה הסולארית", גליליאו 107, יולי 2007.
- ג'ורג' ג'ונסון, הכוח העולה של השמש - הזינוק המאוחר במרוץ הלוהט אחר מקר האנרגיה הזול והזמין ביותר, נשיונל ג'יאוגרפיק, גיליון 136, ספטמבר 2009
- הראלה סטוצ'י-באר, אם יש לנו שמש - האם ישראל תמצא שוב את היתרון שלה בתחום הסולרי, נשיונל ג'יאוגרפיק, גיליון 136, ספטמבר 2009
[עריכה] קישורים חיצוניים
- אשכול אנרגיית השמש, באתר הידען
- על פיתוח אנרגיה סולארית בישראל מאת עמי אלעזרי (2000)
- ארכיון הידע לאנרגיה סולארית בישראל
- פורטל האנרגיה הסולארית בישראל
- פרוטוקול ועדת המדע והטכנולוגיה, בנושא הדרכים לקידום האנרגיה הסולארית בישראל 21.6.2004
- חשמל נקי: התעוררות האנרגיה המתחדשת, 8.12.06 סיינטיפיק אמריקן, אתר ynet
- אודות אפשרויות ניצול אנרגיה סולארית בארץ והפתרון של דוד פיימן, הארץ, 8 באוגוסט 2007
- אתר בינלאומי לאנרגיה סולרית (באנגלית)
- גיליון מיוחד של המגזין לאנרגיה סולרית מוקדש לאנרגיה סולרית בישראל (באנגלית)
- תחנות כוח סולריות בארצות הברית (באנגלית)
- דו"ח מקיף על אנרגיה סולרית 2003 (באנגלית)
[עריכה] הערות שוליים
- ^ ראה/י אתר מחשבון מערכות סולאריות http://www.solar-israel.co.il/solar_systems_calculator
- ^ 2.0 2.1 קרברסקי, ל. כדאיות כלכלית של מתקנים פוטו-וולטאים על פי תכנית התמריצים 2011. פורטל הנדסה אזרחית וסביבה. ספטמבר 2011. [1]
- ^ אבי בר-אלי ומוטי בסוק, שתי תחנות כוח סולאריות יוקמו בנגב ב-650 מיליון דולר, באתר הארץ, 6 במרץ 2008
- ^ תקנות רשות החשמל הנוגעות להסדרת ייצור חשמל מבוזר לצריכה עצמית והעברת עודפים לרשת, באמצעות מיתקנים קטנים בטכנולוגיה פוטו-וולטאית 2.6.2008
- ^ [2]
- ^ [3]
- ^ הודעת דובר משרד התשתיות: לגבי אישור הצעת מחקר פיתוח טכנולוגיות וייצור חשמל בתחום האנרגיה המתחדשת, 4.8.2008
- ^ ראה/י http://www.iea.org/papers/2010/pv_roadmap.pdf
- ^ ראה/י http://solarcellcentral.com/limits_page.html
