הדחיפות לפתח בו בזמן מקורות אנרגיה מן השמש ומן הגז הטבעי

תקציר

איור 1. פרס נובל לפיסיקה  ניתן לאיינשטיין ב-1921

איור 1. פרס נובל לפיסיקה ניתן לאיינשטיין ב-1921

מקורות אמינים קובעים כי מתבצעת מהפכה בתחום הפקת אנרגיה נקייה ולא מזהמת מן השמש באמצעות תאי שמש. כיום, כ-1% מן האנרגיה בעולם מקורה מן השמש, והיא יכולה לעלות לכמעט 99% הודות למאמצי הפיתוח ב-15 השנים הקרובות. אפילו תחזיות שמרניות צופות כי כ-25% מן האנרגיה בעולם תתקבל מן השמש בעוד כעשר שנים. כיום שולטות אנרגיות שמקורן מפחם, מנפט ומהגז הטבעי, שהן הרבה יותר זולות מאנרגיה ירוקה מן השמש. אנרגיה מפחם ונפט מאוד מזהמות ומזיקות לאיכות הסביבה ולבריאות. אנרגיה מגז טבעי מזהמת פחות, אבל בעתיד יעדיפו את האנרגיה הנקייה של השמש, שהינה בלתי מוגבלת בכמות ובזמן, זאת בתנאי שעלות אנרגיה מן השמש תהיה נמוכה בהרבה מעלותה כיום. כיום מחיר ייצור אנרגיה מקרינת השמש הינו גבוה ועומד על כ-76$ לקילוואט-שעה. הצפי הוא שבעוד כ-15 שנה ירד המחיר לכ-0.05$ לקילוואט-שעה, וכתוצאה לא יהיה כמעט צורך בנפט ובגז טבעי שיהיו יקרים יותר. אפילו ערב הסעודית, שמעסיקה באוניברסיטות שלה את מיטב המדענים מארה”ב ומהעולם, הגבירה את תפוקת הנפט למקסימום ומעדיפה למכור אותו בזול מאשר להשאירו בעתיד ללא שימוש וכמטרה נוספת להאט את הפיתוח של אנרגיות חלופיות מתחרות. בו בזמן ערב הסעודית משקיעה כיום סכומים גדולים, כ-$110, לפיתוח מקורות אנרגיה מן השמש אשר ישמשו אותה בעתיד. לכן, בישראל, עלינו לפתח ולנצל בדחיפות את אוצרות הגז הטבעי, זאת כתחליף לשימוש בפחם ובנפט המאוד מזהמים. כיום יש עדיין צורך עולמי גדול בגז טבעי וניתן להפיק ממנו רווחים נאים לשימוש פנימי ולייצוא, אבל בעוד כ-15 שנה יפחת במידה ניכרת או יתבטל הצורך בו. בנוסף, חשוב להשקיע כבר עכשיו בפיתוח השימוש באנרגיות ירוקות בעיקר מן השמש, שארצנו ברוכה בה בשפע. הובלה במחקר, פיתוח וייצור אנרגיה מן השמש, תביא תועלת ורווחה גם בתחומים רבים כגון התפלת מי-ים, בריאות, מקומות עבודה נוספים ועוד.

איור 2. שינויים במחיר תאי שמש PV מסיליקון ($ לואט) ב-35 השנים האחרונות

איור 2. שינויים במחיר תאי שמש PV מסיליקון ($ לואט) ב-35 השנים האחרונות

בשבוע שעבר קראתי את הכתבה המרתקת:
The Greatest Leap of Mankind” Unlimited Free Energy” מאת Dr Kent Moors, או בעברית “הניתור הגדול ביותר של האנושות: אנרגיה חופשית בלתי מוגבלת”.  הכוונה לאנרגיה מן השמש שמומרת לאנרגיה חשמלית בעיקר באמצעות תאי שמש (פוטו-חשמליים). אבל המחיר של תאי השמש עדיין מאוד גבוה והנצילות שלהם נמוכה גם בגלל הפסדים באטמוספרה של כדור הארץ, עננות, גשם ושעות החושך. נעשים כיום מחקרים להפקת תאי שמש מגרגירי סיליקון (חול), שכמותם בלתי מוגבלת ומחירם אפסי, בנוסף יפתחו מערכות עקיבה ובקרה המגדילות את זמן וכמות קליטת אנרגית השמש ע”י תאי השמש, ייצרו סוללות זולות ויעילות, לאגור אנרגיה חשמלית לשעות החושך או העננות, יעבירו אנרגיה מן השמש לכדור הארץ מלוויינים באמצאות מיקרו-גל או לייזר, יפעילו רכבים באנרגיה חשמלית לא מזהמת. אולם עד שיתממשו סופית המחקרים והיישומים הנ”ל יידרשו עוד כחמש עשרה שנים.
המסקנה העיקרית לפי דברי המחבר כי בעוד כ-15 שנים, מחיר אנרגיה של קילוואט שעה מן השמש ירד מכ- $ 76, כיום, לכ- $ 0.05. המחיר יהיה כה נמוך, האמינות כה גדולה וזיהום האוויר אפסי ביחס לרוב סוגי האנרגיות ממקורות אחרים, כך שמרבית האנרגיה הנדרשת לאנושות תהיה מאנרגית השמש, בעיקר הודות לתאי השמש העתידיים. לא יהיה עוד צורך באנרגיות מזהמות מאוד של פחם ונפט. גם לאנרגיה מגז טבעי, שהיא פחות מזהמת ביחס לקודמותיה, לא יהיה כמעט צורך [1].
המסקנות נראות פנטסטיות, על גבול המדע הבדיוני, אבל עקבתי בגוגל אחרי זהות המחבר, Dr Kent Moors. התברר כי המחבר הינו פרופסור באוניברסיטת DUQUESNE המוערכת בארה”ב, בעל רקע במדעי ההנדסה, הכלכלה ומדעי המדינה. המחבר יועץ לסוכנות ההגנה DARPA ולעוד עשרות סוכנויות ומוסדות בארה”ב ובעולם, ואף קיבל אותות הצטיינות משלושה נשיאים בארה”ב [2]. המחבר גם מקבל גיבוי מן הסוכנות לתקינת אנרגיה בארה”ב FERC וסוכנויות אחרות. לכן יש להתחשב בדבריו ויש צורך להפיץ אותם.

בישראל יש צורך להשקיע יותר ויותר משאבים בפיתוח אנרגיה מן השמש, כדי להיות בין המובילות בתחום ולהפיק את מירב התועלת מן הרווח והפריחה הענקית הצפויות בעתיד, במיוחד בארצנו ברוכת השמש. בינתיים יש להשקיע בדחיפות את מירב המאמצים בפיתוח משאבי גז של תמר, לוויתן והאחרים, תוך שמירה על איכות הסביבה. הצורך בדחיפות נובע מדבריו של Dr Kent Moors כי ערכם של מקורות האנרגיה המזהמים, כולל הגז הטבעי, יפחתו במידה ניכרת בזכות הפיתוח העצום וירידת העלויות הצפויות של האנרגיה מן השמש. לפי העיתון DEMARKER מתאריך 3/12/2015 [4] חזה סטנלי פישר ביוני 2013 את ההכנסות ממיסים בזכות הגז הטבעי ל-B ש”ח ובדצמבר 2015 חזתה קרנית פלוג רק ל-270B ש”ח. אפילו

איור 5. מערכת לייצור אנרגיה מן השמש בשיטת CSP

איור 5. מערכת לייצור אנרגיה מן השמש בשיטת CSP

ערב הסעודית, שמעסיקה באוניברסיטאות שלה מיטב המדענים מארה”ב ומהעולם, הגבירה את תפוקת הנפט למקסימום ומעדיפה למכור אותו בזיל הזול, מאשר להשאירו בעתיד ללא שימוש באדמה, וכך מנסה לעכב את פיתוח אנרגית השמש בעולם מבחינה כלכלית ולגרום כעת לפשיטת רגל של מספר ניכר של חברות בתחום האנרגיה גם מן השמש. אבל כיום ערב הסעודית בעצמה כבר משקיעה סכומים גדולים, כ-$ 110B, לפיתוח בעתיד מקורות אנרגיה מן השמש. אבל לטווח ארוך יותר (בעוד כ-15 שנה), בזכות הורדה גדולה במחיר אנרגיה שמקורה מן השמש והפיתוחים הצפויים, ההכנסות ממכירת סוגי דלק מזהמים, ואפילו מהגז טבעי, יהפכו ללא משמעותיות עד שאולי לא יהיה כמעט צורך בהן.
השמש הינו מקור האנרגיה העצום ביותר בכדור הארץ לעוד מאות אלפים שנים. יותר מ-170000TJ אנרגיה מן השמש מגיעים לכדור הארץ בכל שנייה. 40 דקות של קליטת אנרגיה של השמש על פני כדור הארץ יכולה לספק למשך שנה שלמה את האנרגיה הדרושה לאנושות כיום. כבר בשנת 1905 איינשטיין, חתן פרס הנובל ראה איור 1, מצא את היחס בין כמות המסה לאנרגיה המתקבלת ממנה. הנוסחה שפיתח, E=mc^2
(=אנרגיה, m=מסה, c=מהירות האור) הסבירה גם את מהות האנרגיה הנפלטת מן השמש וגם אפשרה לו לחזות כי חלקיקי אנרגיה שמקורם בשמש יוכלו לספק את האנרגיה הדרושה בכל כדור הארץ ל-36000 השנים הבאות ואף ליותר. אבל זו הייתה רק תיאוריה שהקדימה בהרבה את זמנה. רק בשנת 1954 פותחו תאי השמש הראשונים במעבדות חברת בל בארה”ב, אבל המחיר היה מאוד גבוה והנצילות מאוד נמוכה. מאז ועד היום נעשו שיפורים רבים בייצור ובנצילות תאי השמש, שהובילו גם להורדת המחיר. למשל קראתי כי בנובמבר 2015, קבוצת מדענים מאוניברסיטת STANFORD מצאה דרך להקטין את ההפסדים במוליכים המחברים בין תאי השמש, שתרמה להגדלת נצילות ההמרה לאנרגית חשמל מ-20% ל-22%. התהליך העתידי של העברת רוב האנרגיה הנצרכת בעולם לירוקה מן השמש (מכ-1% כיום לכ-99% בעוד כ-15 שנה) קשורה למחיר ואמינות של תאי השמש: לפני 10 שנים מחיר קילוואט שעה היה כ- $ 3600, כיום כ- $ 76 (עדיין מאוד יקר ביחס לגז טבעי), ובעוד כ-15 שנה צפוי לרדת לכ-0.05$, כפי שכותב המחבר. הירידה החדה בעלות ב-$ ל-W של תאי שמש מסיליקון ב-35 השנים האחרונות מוצגת באיור 2. השוק העולמי של הפקת אנרגיה חשמלית מן השמש עומד כיום על כ-$60 ובעוד 15 שנה צופים שיעלה לכ-$ [1], כלומר, פי 800 יותר.  באופק צפויה התקדמות עצומה בכלי רכב חשמליים גם עם נהיגה אוטומטית. פיתוח עתידי של מצברי ליתיום, הנקראים כיום הדלק המתכתי (METAL OIL), יגרום כי רוב המכוניות יהיו חשמליות ולא מזהמות, ויוכלו לנסוע מרחקים גדולים ללא צורך בטעינה חוזרת. הליתיום הינו המתכת הקלה ביותר, ושימוש במצברי ליתיום יאפשר לחיסכון ניכר במשקל ובמחיר המכונית. לאחרונה חברת TESLA הקימה בנבדה מפעל חדשני למצברים בהשקעה של $5 בקרבת מחצבות ליתיום. הליתיום יופק בעתיד גם ממי ים (יתכן מים המלח). יותר ויותר תאגידים מובילים כגוןGOOGLE, FB, GM, TOYOTA, TESLA משקיעים בפיתוח כלי רכב חשמליים. כלי הרכב הבלתי מזהמים האלה, שאולי יכללו גם תאי שמש

איור 6. מערכת עתידנית להפקת אנרגיה מיקרוגל מקרינת השמש בלוויין נייח והעברתה לתחנה  על פני כדור הארץ

איור 6. מערכת עתידנית להפקת אנרגיה מיקרוגל מקרינת השמש בלוויין נייח והעברתה לתחנה על פני כדור הארץ

עתידיים על גגות כלי הרכב, כפי שמוצג באיור 3, יהוו שוק אמין וריווחי.
בימים אלו מתרבים המשקיעים בפיתוח אנרגיה מן השמש והמפורסמים ביניהם: Warren Buffet, Bill Gates, Masayoshi Son, Victor Vekselberg ובנוסף לתאגידים שהוזכרו לעיל גם חברות כגון YINGLI SOLAR סין, SOLAR CITY ,SOLAR FIRST, EDISON SUN ארה”ב, HANWHA QCELL דרום קוריאה וגרמניה ו-SOLAR CANADIAN. קיימות שתי שיטות עיקריות לייצר חשמל מאנרגית שמש: הראשונה, שיטת Photo Voltaic (), באמצעות לוחות תאי שמש, שהופכות באופן ישיר את אנרגית השמש לחשמלית, כפי שמוצג באיור 4. השנייה, שיטת () Concentrated Solar Power, באמצעות מראות המרכזות את אנרגית השמש לחימום מרוכז של מים לאדי קיטור, המפעילים טורבינות ליצירת אנרגיה חשמלית, כפי שמוצג באיור 5. כיום יותר מ- 90% של המערכות להמרת אנרגית השמש בעולם הינן מסוג PV, הפשוטה והזולה יותר, למרות שנצילות ההמרה שלהן כ-20% נמוכה מהנצילות בשיטת ה-CSP. עשר המדינות המובילות בניצול אנרגית השמש ליצור חשמל בשנת 2014 לפי הדרוג [8]: גרמניה, סין, איטליה, יפן, ארה”ב, ספרד, צרפת, אוסטרליה, בלגיה, בריטניה. לאחרונה המאמץ וההשקעות בפיתוח אנרגיה חשמלית מן השמש גוברים בסין, בארה”ב ובאוסטרליה הברוכות במרחבים עם הרבה שמש. ספרד הייתה במקום שני בעולם בשנת 2010 והקימה מפעלים גדולים להפקת אנרגיה מן השמש גם בשיתוף חברה ישראלית אבל ירדה למקום השישי בעיקר מסיבות כלכליות. לאחרונה גם גרמניה נמצאת בתהליך של ירידה לעומת ארה”ב וסין, שתפסה את המקום הראשון ב-2015.
כיום התחנה הגדולה ביותר ליצירת אנרגיה חשמלית מ-PV בעולם, של MW 579, הוקמה ע”י חברת SOLAR STAR בקליפורניה, ומכילה 1.7 מליון לוחות שמש והופעלה ביוני 2015. תחנות רבות אחרות בשלבי הקמה בסין, הודו, גרמניה ובהרבה ארצות אחרות. התחנה הגדולה ביותר ליצירת אנרגיה מ-CSP של 370 הוקמה בסיוע החברה הישראלית סולל ונמצאת במדבר MOJAVE. מספר תחנות CSP יותר קטנות הוקמו בקליפורניה, בספרד ובאמירויות המפרץ, סין, הודו ובגרמניה.
לגרמניה תוכנית להקמת מפעל גדול להפקת אנרגיה מן השמש בדרום מדבר סהרה, הנדיב ביותר בשעות שמש. הבעיה היא כיצד להעביר חלק עיקרי של האנרגיה לגרמניה ממדבר סהרה, בכבלים חשמליים או באלחוט? המדען TESLA, בראשית המאה העשרים, ניסה להעביר אנרגיה חשמלית באמצאות אלחוט. בניסיונו זה כשל כיוון שהטכנולוגיה לא הייתה בשלה עדיין. במשך זמן פיתחו משדרים מאוד יעילים גם בתחומי המיקרו-גל. בשנות השישים של המאה שעברה, פיתח המדען W. BROWN בארה”ב RECTENNA (מיישר-אנטנה), שיכולה להמיר הספק מיקרו-גל לזרם ישר בנצילות המרה של יותר מ-80%. בתוספת של אנטנות שידור יעילות ובקרה מדויקת, התאפשרו העברת הספק ואנרגיה למרחקים עם נצילויות העברה גבוהות שיכול להתקרב ל-100% במידה ושטח האנטנות גדול מספיק. בתקופת האמברגו של מדינות ערב על מכירת נפט בשנות השבעים של המאה שעברה, הגה העתידן האמריקאי GLASER P. העברת כמויות גדולות של אנרגיה מן השמש שמומרת בלוויין נייח, בגובה של כ-36000 ק”מ ובמסלול מסביב לקו המשווה,למיקרו גל לתחנה על פני כדור הארץ, כפי שמוצג באיור 6. היתרונות בהפקת אנרגיה מן השמש בלוויין נייח נובעים מכך שעוצמת השמש מחוץ לאטמוספרה היא כ-144% מן העוצמה הגבוהה ביותר שניתן לקבל על פני כדור הארץ, ובנוסף, כ-99% מן הזמן הלוויין הנייח מואר ע”י השמש לעומת פחות מ-50% על פני כדור הארץ. למרות שהרעיון היה בתחום המדע הבידיוני, הוציא P. GLASER פטנט על רעיונו זה. כיום מספר מכונים, בעיקר ביפאן ובארה”ב, ומספר ארגונים בין לאומיים, עובדים ומשקיעים כספים רבים באפשרות זאת. כיום, עדיין ישנן מגבלות של סיכוני בריאות והפרעות למערכות תקשורת אלחוט, אבל מקווים לפתח מערכות אנרגיה מן השמש אמינות לא מזהמות ובטוחות באמצעות לוויינים נייחים. הצפי הוא שפיתוח כזה ידרוש עבודה מאומצת של כ-30 שנה. בשלב הראשון יצליחו להקים מערכות להעברת אנרגיה באמצאות מיקרו-גל או לייזר בהספקים נמוכים יותר ולמרחקים יותר קצרים, למשל לספק אנרגיה למטוסים ללא טייס (מל”טים) או להחליף כבלים באלחוט להעברת אנרגיה חשמלית ממקום למקום לפי הרעיון של TESLA.
ישראל הייתה בין החלוצות בפיתוח אנרגיה מן השמש בשיטת CSP. דודי השמש הראשונים שנמצאים כיום על בתים רבים בישראל פותחו ע”י יסער לוי וצבי תבור. מדענים מן המובילים בעולם בתחום פיתוח אנרגיה מן השמש פועלים בישראל. מצטיינים בתחום מחקר זה הם המרכז הלאומי למחקר באנרגית השמש בערבה ברוכת השמש של אוניברסיטת בן גוריון בהנהלת דוד כרמון, מכון ויצמן ועוד מכוני מדע. אבל ישראל מוציאה את רוב ההמצאות של מדעניה לחו”ל ואיננה משקיעה מספיק בפיתוח ובהקמת מתקנים ליצור חשמל. לכן כיום ישראל איננה אפילו בין 20 המדינות המובילות בעולם בתחום פיתוח האנרגיה הירוקה מן השמש. בשנת 2010 פעלו בישראל כ-130 חברות בתחומי הפיתוח של אנרגיה מן השמש וכיום, בשנת 2016, קיימות רק כ-60 חברות, בעיקר בגלל הצפייה לפיתוח הגז הטבעי [16]. נכון להיום, בישראל פחות מ-2% מן האנרגיה הנצרכת מקורה מן השמש, כאשר בגרמניה, הדלה בשמש, קרוב ל-20% מן האנרגיה הנצרכת מקורה מן השמש. ניתן לשנות נתון זה במידה ויגדלו במידה נכרת: התקציבים למחקר ופיתוח באנרגיה מן השמש, ההשקעות בהקמת תחנות לייצור חשמל מן השמש ובנוסף אם פחות חברות ישראליות ימכרו ויעברו לחו”ל (אקזית). קיימים בארץ מספר הישגים נאים במפעלים בתחום ניצול אנרגית השמש. למשל קיבוץ קטורה בערבה הקים מערכת הכוללת 18500 לוחות PV על שטח של 20 דונם לייצור 4.95 הספק חשמלי. קיבוץ שמר חלוץ בתחום ההיבריד, כאשר ברוב שעות היום פועלת המערכת מאנרגית השמש ובשאר הזמן בגז טבעי. רצוי בעתיד לפתח מערכות יעילות לאגירת אנרגיה כדי שהמערכת מאנרגית השמש תעבוד רצוף
ב-24 שעות 7 ימים בשבוע.

לסיכום
בהסתמך על מספר מקורות ובמיוחד על הכתבה מאת Dr Kent Moors
[1] והמציאות הקיימת, תוארה ההתפתחות העצומה והיתרונות בתחום הפקת אנרגיה מן השמש והפרמטרים החשובים בהמרת האנרגיה לחשמל. הוסברה התועלת הרבה, שתצמח לאנושות ולמדינת ישראל, מהחלפת האנרגיות המזהמות (הנפט והפחם) באנרגיה הירוקה שמקורה בעיקר מן השמש.  בשנים האחרונות עולה השימוש בגז הטבעי שפחות מזהם ומתחרה במקורות האנרגיה המזהמים. ישראל נמצאת בשלבי פיתוח ראשוניים של מקורות נכבדים של אנרגיית גז טבעי וראוי להשקיע את מירב האמצעים לפני שהפיתוח המואץ העולמי של אנרגיה מן השמש יגרום לאי כדאיות השימוש באנרגיות מזהמות, כולל הגז הטבעי.
בטווח הקצר, של מספר שנים, המקורות העיקריים של אנרגיה בעולם יהיו עדיין הפחם והנפט המזהמים והמסוכנים לבריאות. בטווח בינוני, עד כ-15 שנה, יש להניח כי מקורות האנרגיה העיקריים יהיו הנפט והגז הטבעי, והפחם המזהם מאוד יעלם לגמרי בייצור אנרגיה. בטווח הארוך (מעל כ-15 שנה), אנו מקווים למען הדורות הבאים, כי מקורות האנרגיה העיקריים יהיו ירוקים, ובעיקר מהשמש. כתוצאה מכך, השימוש בנפט ובגז טבע ירד בצורה דרסטית. נקווה שמדינת ישראל תהיה בין המובילות בשימוש באנרגיה ירוקה, ובעיקר בשימוש באנרגיית השמש, שהיא ברוכה בו. הובלה במחקר, פיתוח וייצור אנרגיה מן השמש, תביא תועלת ורווחה גם בתחומים רבים כגון התפלת מי-ים, בריאות, מקומות עבודה נוספים ועוד.

References
1. K. Moors, ‘The greatest leap of mankind: unlimited free energy”. website
2. The future of Solar Energy. MIT Study 2015.
3. M. Shwartz, V.Narasimhan; “Recent development in solar cells” Stanford Report 25 Nov. 2015.
4. Y.Zhou, et all; ” Room temperature crystallization of hybrid Perovskite thin films via solvent extraction for high performance solar cells” Journal of materials chemistry. March 2015.
5. UK Energy statistics. Department of energy and climate change 24 Sept. 2015.
6. S. Kaan GTM Research Nov. 2015.
7. S. Davis, ” Stanford engineers offer plan to convert USA to100% clean renewable energy by 2050″ The power plant; June 2015.
8. “Top 10 countries using solar power* 15 September 2014(5),Wikipedia.
9. IEEE Spectrum.
10. B.V. Lundin; “A look back: Who lead world renewable in 2015?” Newsletter Smart grid news.com 12.1.2016.
11. B.V. Lundin; “Sun, water, wind. A global blue print for 100% clean energy”, Newsletter Smart grid news .com 23.11.2015.
12. S.Deathrage; “Solar spurring growth of the US economy”, Newsletter Smart grid news.com 28.03 2012.
13. S .Sasaki, K. Tanaka, K. Maki: “Microwaves Power Transmission Technology for Solar Power Satellites”; Proceedings of the IEEE; March 2013 pp 1-10.
14. J. Gavan, S..Tapuchi; “Microwaves Wireless Power Transmission to High Altitude Platforms Systems”; Radio Science Bulletin; N 334 Sept.2010 pp25-42.
15. R.R. Vaganov; I.P Korshunov, E.N. Korshunova, A.D. Shatrov; ” On a Technology for Supplying Power to Global Radio Relay for High Altitude Platforms by Means of Microwave Beams”; Radio Science Bulletin N 338 Sept. 2011. pp 25-31.
16. D .Wainer, A. Hirtenstein; “Israel 300 days of sun no help as offshore gas eclipses solar”; Blomberg Business 10.9.2015 .
17. Wikipedia “Solar Energy”

פרופסור יעקב גוון וד"ר מיכל יעקובוביץ גוון

תגובות סגורות