מקורות אנרגיה: אנרגיה מתחדשת

ישנה כיום מגמה בעולם של פיתוח אנרגיה ממקורות מתחדשים. כסף ומאמץ רבים נשפכים בכיוון של ניצול משאבים אלו, כשלא ברור אם לאנרגיה כזו יש הצדקה כלכלית. בנוסף, קיימת יוזמה שנקראת "Generation IV nuclear reactor initiative", במסגרתה מפותחים כורים גרעיניים מסוגים שונים שאמורים לפעול בצורה משולבת על מנת לתת פיתרון מקיף לבעיית מקורות האנרגיה, מייצור חשמל ועד הנעת רכבים.

בסדרת מאמרים זו נסקור את מקורות האנרגיה השונים, יתרונותיהם וחסרונותיהם, הכדאיות הכלכלית שלהם, וננסה לבנות תמונה כיצד עשויים להראות מקורות האנרגיה בעוד 50 שנה תוך שימת לב לנושא האנרגיה המתחדשת ויוזמת הדור הרביעי של כורים גרעיניים. מאמר זה הוא הראשון בסדרה, ובו נסקור את סוגי מקורות האנרגיה הקיימים, ונבחן מקורות שונים של אנרגיה מתחדשת תוך שימת לב לפן הכלכלי.


נפתח קודם כל בהסבר קצר על סוגי מקורות האנרגיה. בגדול, ניתן לחלק מקורות האנרגיה לשלושה סוגים:
 
  1. אנרגיה מתחדשת: מקורות אנרגיה שכל הזמן נוצרים מחדש. ניתן לאסוף אותם, ולאחר מכן הם יווצרו מחדש וניתן יהיה לאסוף אותם שוב. ישנם שני מקורות ראשוניים לאנרגיה מתחדשת: השמש והירח. השמש מעבירה לכדור הארץ את מה שנקרא "אנרגיה סולארית", והירח גורם לגאות ושפל. ניתן לנצל ישירות מקורות אנרגיה אלו, אך הבעיה העיקרית היא באיסוף שלהם, אלו מקורות מאוד מפוזרים שיש צורך בשטחים גדולים מאוד כדי לקבל מהם כמות מהותית של אנרגיה. דרך יעילה יותר לאיסוף מקורות אלו היא על ידי ניצול הנגזרים שלהם: זרמי ים, גלים, רוח, זרימה של מים ("אנרגיה הידרואלקטרית") וכולי. עם זאת, בדרך כלל גם המקורות הנגזרים הם די מפוזרים ולכן נדרש מאמץ גדול גם לאיסוף שלהם.
  2. אנרגיה פוסילית: אנרגיה שמקורה בתוצרי פירוק של אורגניזמים שנאספו לאורך זמן רב. שתי הדוגמאות המוכרות ביותר הן פחם ונפט, כשישנם גם מקורות נוספים, כמו גז טבעי או פצלי שמן. את מקורות האנרגיה האלו צריך להוציא מהאדמה על מנת להשתמש בהם, והם הולכים ומתכלים עם הזמן.
  3. אנרגיה גרעינית: ניתן להשתמש בראקציות גרעיניות בצורה מבוקרת על מנת להפיק אנרגיה מחומרים מסויימים בצורה יחסית יעילה וזולה. גם מקורות האנרגיה הגרעינית הם מקורות מתכלים, אך כמו שנראה בהמשך, ניתן לשלוט בקצב ההתכלות שלהם בצורה טובה מאוד.


המקור המרוכז ביותר של אנרגיה מתחדשת הוא זרימה של נהרות. ניתן לסכור נהר כך שכל המים יעברו בתוך צינורות יחסית צרים, ובהפרש גבהים גדול. הפעולה היא יחסית פשוטה, ושימוש בתחנות הידרואלקטריות החל כבר לפני למעלה מ-130 שנה. אנרגיה הידרואלקטרית מהווה מקור אנרגיה נוח, זול יחסית לפיתוח, התחנות דורשות תחזוקה מועטה וכמעט ולא נוצר זיהום כתוצאה מהשימוש בתחנות אלו. עם זאת ישנן שתי בעיות עם ניצול מקור אנרגיה זה- הבעיה הקטנה היא סביבתית. באזור הקמת התחנה הסביבה עוברת שינוי מהותי ביותר. מספיק רק להיזכר באזור הגדול שהוצף בעקבות הקמת סכר אסוואן, ופרוייקט ההצלה של העתיקות שם. הבעיה השניה, והמהותית יותר, היא שפשוט אין מספיק מקורות הידרואלקטרים שנית לנצל, כמעט כולם כבר מנוצלים עד תום.

שאר מקורות האנרגיה המתחדשים מפוזרים מאוד, ובנוסף האיסוף שלהם דורש הקמה של מערכים לוגיסטים מסובכים ומעלה בעיות טכניות רבות. איסוף אנרגיה מגלים מצריכה שטחים גדולים יחסית קרובים לחוף, מערכות טכניות מסובכות, ומציגה בעיות רבות בתחום התחזוקה השוטפת היות ודברים ששרויים בים נוטים להחליד ולהשחק. פיתוח של מערכות לאיסוף אנרגיה מגלים מצריך השקעה רבה, זמן ארוך, והוא מסובך מאוד מבחינה הנדסית כשלא ברור אם התוצאות יוכלו אי פעם להצדיק את ההשקעה גם אם הפיתוחים יהיו מוצלחים. אנרגית גאות ושפל מפוזרת אף יותר וישנם רק מקומות מעטים שאפשר לאסוף אותה בהם, כשבכל מקרה נדרשים שטחים אדירים לאורך החוף על מנת לנצל אותה. טורבינות רוח הן אחד ממקורות האנרגיה המתחדשת הטובים ביותר, ולעיתים אף מוצדקים כלכלית, אך הבעיה היא שישנם מעט מאוד מקומות שבהם איסוף רוח מוצדק כלכלית בקנה מידה מסחרי.

האנרגיה המתחדשת שעליה מדובר בארץ הכי הרבה, היא אנרגיה סולארית ישירה. מה לעשות- בארץ אין רוחות חזקות, הגאות בים התיכון היא זניחה, אין נהרות גדולים בארץ שאפשר להפיק מהם כמות גדולה של אנרגיה, ומצב הגלים בארץ לא מזהיר- תאמינו לי, יש לי גולשים במשפחה.
 

מה כן יש לנו? הרבה נגב שטוף שמש.

ובכן, הבה נבדוק את את האנרגיה הסולארית כמקור לאנרגיה מתחדשת. ניתן להמיר את אור או חום השמש לאנרגיה חשמלית במגוון שיטות. השיטה היעילה ביותר היא שימוש בתאים פוטוולטאים שעוקבים אחרי השמש ומשיגים בכך נצילות יחסית גבוהה. תאים פוטוולטאים ממירים פגיעה של אור, או פוטונים, למתח חשמלי בעזרת מה שקרוי "האפקט הפוטוולטאי". אפקט זה הוא אפקט ניגזר של "האפקט הפוטואלקטרי", שעל גילויות קיבל איינשטין את פרס נובל. מה שמאפיין אפקט זה הוא שהוא הסתברותי- לפוטון שפוקע במשטח מתכתי יש סיכוי לגרום לשחרור של אלקטרון, כשהסיכוי תלוי באנרגיית הפוטון ובסוג האטום הנפגע. לכן, היות ואור השמש הוא בספקטרום תדרים רחב, יש חסם פיסיקאלי מקסימאלי לא גבוה במיוחד להמרת אור לחשמל. על מנת לקבל תא פוטוולטאי יעיל, צריך שהאור יפגע במשטח עם הרכב חומרים אידאלי להמרת האור לחשמל.

במקום שטוף שמש במיוחד, תועבר לכל מטר מרובע של קרקע אנרגיה של 9 קילוואט שעה במהלך יום בהיר שלם, או הספק ממוצע של 375 וואט. כמובן שבלילה ההספק הוא אפס, וביום יכול להגיע למעל ל-1000 וואט למטר.

נניח שניתן לנצל לכל היותר שליש מהאנרגיה הזו (זו הנחה מתירנית ביותר, במציאות  המספר נמוך בהרבה). נקבל אם כך, שבחישוב הפשטני והמתירני ביותר, על כל מטר קרקע נקבל הספק ממוצע של 125W, או סך הכל 3 קילוואט שעה ליום. אם כך, תחת התנאים האידאלים ביותר, על מנת לספק את כל צרכי החשמל של מדינת ישראל (כ-10GW), יהיה צורך בשטח של 80 קילומטרים רבועים. מדובר בשטח עצום, וזה עוד בתנאים מאוד מתירניים. במציאות יהיה צורך בשטח גדול פי כמה, בסדר גודל של לפחות כמה מאות קילומטרים רבועים.


עלות של שטחים כל כך נרחבים היא עצומה, כשבנוסף, למערכת שמתפרשת על פני שטח כל כך גדול יהיו עלויות תחזוקה גבוהות. מערכות סולאריות מתקדמות הן מערכות יקרות ביותר, אך ניתן להשתמש במערכות זולות יותר על חשבון ניצול השמש- אך יהיה צורך בשטח גדול פי כמה. השטח שעליו מוקמת תחנת כח סולארית הוא שטח שניתן להתייחס אליו כשטח מושמד- לא ניתן להשתמש בו לשום דבר אחר, וגם עבור בעלי החיים, הסביבה תעבור שינוי קיצוני מאוד. בנוסף, החומרים שבהם משתמשים לצורך ייצור התאים הם חומרים מזהמים מאוד בחלקם, כשתהליך הייצור עצמו גם דורש אנרגיה רבה. מכאן, שימוש נרחב באנרגיה סולארית הוא לא כלכלי (מה שהופך אנרגיה סולארית לכדאית זה סיבסוד נדיב), כשבנוסף גם מבחינה סביבתית התועלת מפוקפקת.

עד כאן החלק הראשון בסדרת הכתבות על מקורות האנרגיה. בהמשך נבדוק מקורות אנרגיה פוסיליים, ולאחר מכן נעלה את נושא האנרגיה הגרעינית, ויוזמות העתידיות לשימוש בכורים מתקדמים שיתנו מענה רחב לצרכי האנרגיה של האנושות.

מאמרים נוספים שכתבתי
צור קשר