ניצול יעיל של אנרגיית השמש

מאז המהפכה התעשייתית גדלה צריכת האנרגיה של האנושות באופן דרסטי, בין השאר להפקת חשמל, לתחבורה ולתעשייה. כדי לספק את כל צרכינו נעשים מאמצים ניכרים לפתח הפקת אנרגיה ממקורות מתחדשים, כמו אנרגיית השמש, אך המתקנים הקיימים אינם יעילים במיוחד. טכנולוגיה חדשה שמפתחים כעת בארצות הברית עשויה להגדיל משמעותית את התפוקה של תחנות כוח סולאריות.

נכון להיום, האנושות עדיין מתבססת בעיקר על דלקי מחצבים כמו פחם, נפט וגז טבעי להפקת אנרגיה. הדלקים הללו אינם מתחדשים עם הזמן, והמלאי שלהם מוגבל. יש בקרקע עתודות דלקים שיספיקו לכמה עשרות שנים לפחות, אולם לא די בכך, וחשוב לפתח כבר עכשיו מקורות אנרגיה חלופיים ומתחדשים, שיבטיחו לנו אנרגיה בעתיד ויצמצמו את הזיהום ואת פליטת גזי החממה שיוצר השימוש בדלקי המחצבים.

שיטות חשובות, אך יעילותן נמוכה יחסית: קולטי שמש לייצור חשמל וטורבינות רוח | איור: Shutterstock

האנרגיה של הטבע

יש מקורות אנרגיה מתחדשים רבים: אפשר לנצל את אנרגיית הרוח לסיבוב טורבינות ולהפקת חשמל, להשתמש בחום הפנימי של ליבת כדור הארץ להפקת אנרגיה גיאותרמית, ולהפיק חשמל מאנרגיה הידרואלקטרית שמתבססת על סכרים ועל ניצול הזרימה בנהרות ובמפלים. בנוסף, יש אנרגיה גרעינית, שאומנם נעשה בה שימוש בחומרים לא מתחדשים כמו אורניום ותוריום, אך העתודות שלהם יספיקו לאלפי שנים אם לא מיליונים, כך שבאופן מעשי מדובר במקור אנרגיה בלתי מוגבל.

אחד המקורות הזמינים ביותר לאנרגיה הוא השמש, שצפויה לבעור למשך עוד מיליארדי שנים, ומשחררת בכל שניה כמות אנרגיה ששקולה לצריכת האנרגיה של האדם במשך כמיליון שנה. השמש היא גם המקור העקיף של רוב האנרגיה שבה אנו משתמשים כיום: כמעט כל היצורים החיים בכדור הארץ תלויים באופן ישיר או עקיף בתהליך הפוטוסינתזה, שבאמצעותו צמחים ויצורים חד-תאיים מסוימים מנצלים את אנרגיית השמש להפקת אנרגיה.

המקור לאנרגיה שאצורה בדלקי מחצבים הוא גם מיצורים חיים שהיו תלויים בשמש. למעשה, כל מקורות האנרגיה בכדור הארץ, פרט לאנרגיה גיאותרמית או גרעינית, מקורם בשמש באופן ישיר או עקיף, ואפילו הרוח וזרימת המים מושפעות ממנה.

הבעיה היא שאנרגיית השמש אינה מרוכזת וקשה לאגור אותה. הלוחות הסולאריים שמשמשים להמרת אור השמש ישירות לחשמל סובלים מנצילות נמוכה, ומאבדים את רוב האנרגיה המגיעה אליהם. בדומה להם, תחנות כוח סולאריות תרמיות, שממירות את אור השמש לחום שמנוצל להפקת חשמל, נוטות להיות יקרות לא יעילות. כמו כן, הן בולטות מאוד בסביבה ומהוות מפגע סביבתי.

גורם נוסף שמקשה על ניצול אנרגיית השמש הוא הצורך באגירה של אנרגיה: השמש לא זורחת בכל שעות היממה, ועוצמת הקרינה שמגיעה ללוחות הסולאריים משתנה בהתאם לתנאי מזג האוויר. צריכת האנרגיה לא בהכרח תואמת לתנאי ההארה של השמש, לכן יש צורך באמצעים לאגירת האנרגיה שמגיעה ממנה, וכיום מדובר בטכנולוגיה מסורבלת ובזבזנית.

נצילות נמוכה יחסית והפרעה סביבתית. תחנת כוח סולרית תרמית ליד אשלים בנגב | צילום: אורי טייכמן

עד 1,500 מעלות

לאחרונה הצליחו חוקרים מחברת ההזנק האמריקאית הליוג'ן (Heliogen) להגדיל את היעילות של ניצול אנרגיית השמש ולהגיע לטמפרטורה של אלף מעלות צלזיוס בעזרת ריכוז אור השמש במערך של מראות  – שיפור של מאות מעלות לעומת השיא הקודם במתקן מסחרי. ההישג התאפשר בזכות שימוש במצלמות ואלגוריתמים מתוחכמים שמדדו את הזווית של כל מראה והתאימו אותה יחסית לשמש כדי להגיע לטמפרטורה מרבית. בהליוג'ן שואפים להמשיך ולהתקדם עד שיגיעו ל-1,500 מעלות צלזיוס בעתיד.

מעבר לשיפור היעילות של ייצור חשמל, הטמפרטורה הגבוהה תאפשר תהליכים תעשייתיים שדורשים כיום חום משריפה של דלקי מחצבים. בעזרתה אפשר יהיה להפיק זכוכית, פלדה ובטון, ואפילו לעבד מתכות או ליצור אמוניה. אם נצליח להחליף את דלקי המחצבים באנרגיית השמש, נוכל לחסוך בדלקים ולצמצם את הזיהום הסביבתי שנגרם כתוצאה מהשימוש בהם.

השימוש הישיר בחום השמש לתהליכים תעשייתיים בלי לייצר חשמל מבטיח גם יעילות גבוהה יותר, מאחר שאין בו המרות אנרגיה מחום לחשמל ומחשמל לחום. בנוסף, ייצור החום מקל מאוד על אחסון האנרגיה – חשמל קשה לאצור, אך חום אפשר לאגור ביתר קלות.

הטמפרטורות הגבוהות מאפשרות גם לייצר מימן מפירוק מים, למשל בעזרת מעגל תגובות עם גופרית או בעזרת נחושת. מימן הוא דלק סינתטי נקי ולא מזהם, שמשמש לאחסון אנרגיה; האנרגיה שמשקיעים בהפקת המימן נאצרת בתוכו עד ששורפים אותו, ואז היא משתחררת מחדש. באופן הזה אפשר להשתמש בו במקום גז טבעי, ושריפתו אינה פולטת פחמן דו-חמצני אלא אדי מים בלבד. נכון להיום, האנרגיה לצורך ייצור מימן מגיעה מדלקי מחצבים בלבד, כך שלא משתלם להשתמש בו לאחסון אנרגיה. אם התמונה תשתנה, זה עשוי להוביל לפריצת דרך בשוק האנרגיה.

האם משמעות ההישג היא שדלקי מחצבים הפכו לנחלת העבר? רחוק מכך. האנרגיה הסולארית צריכה עדיין לעבור כברת דרך לפני שתוכל להחליף את הנפט, הפחם והגז, ולשם כך יידרשו פיתוחים טכנולוגיים רבים נוספים. בכל זאת, מדובר בצעד נוסף בכיוון הרצוי, אל עבר עתיד שבו האנושות תעבור למקורות אנרגיה מתחדשים, נקיים ומוצלחים יותר, שייטיבו עם כולנו.