ניצול אנרגיית השמש - תמונת מצב

01.06.1996
מגדל השמש (למטה: מבט כללי). ראשו לשמיים
 
 
מגדל השמש שבמכון ויצמן למדע הוא אחד מהמתקנים המתקדמים בעולם בתחום המחקר והפיתוח של שיטות לניצול אנרגיית שמש. המדענים העובדים במגדל שואפים לפתח טכנולוגיות חדשות שיאפשרו ניצול יעיל וזול יחסית של אנרגיית השמש, דבר שעשוי להפחית במידה ניכרת את השימוש בדלקים שונים ששריפתם מזהמת את הסביבה.
 
אחדים מהמחקרים שמתבצעים במגדל השמש הגיעו בימים אלה, לסופו של שלב "הדור הראשון". הטכנולוגיות שפותחו בשלב זה נמצאות בתהליך של העברה לתעשייה (במסגרת פרוייקט "קונסולר" של תוכנית מגנ"ט של משרד התעשייה והמסחר שבו משתתפת גם החברות "אורמת", "רותם תעשיות", "חץ הכסף", ומל"מ - התעשייה האווירית. בחלק מהיישומים משתתפת גם חברת "מקדונל דגלאס" מארה"ב). במקביל מתחיל בימים אלה פיתוח ה"דור השני" של טכנולוגיות ניצול אנרגיית השמש. הטכנולוגיות מהדור הזה מתאפיינות בריכוזי אור גבוהים יותר ובהפקת טמפרטורות גבוהות יותר.
 
לרגל מעבר הדורות, התקיים באחרונה במכון יום עיון בהשתתפות מדענים, תעשיינים ואנשי מימשל. ארבע קבוצות מחקר העובדות במגדל השמש, דיווחו לנאספים על מחקריהן. עיקרי הדיווחים מופיעים בהמשך (על כל הפיתוחים שמתוארים בהמשך נרשמו פטנטים).
 

לעמוד בלחץ

קולט קרינת שמש מהפכני, שפותח בידי פרופ' יעקב קרני, ד"ר אבי קריבוס ורחמים רובין עשוי לקדם את האפשרות לשימוש בטורבינות גז יעילות להפקת חשמל. מחקריו של הפרופ' קרני מבוצעים בשיתוף פעולה עם קבוצת מחקר בראשותו של דני שגיא מחברת "רותם תעשיות".
 
הקולט מורכב מכמה עשרות "סיכות" הבנויות מחומר קרמי מתקדם, והמוצבות במבנה גיאומטרי מתוחכם שמאפשר מצד אחד קליטה מרבית של קרינת השמש, ומצד שני, מונע שבירה של הסיכות הקרמיות כתוצאה מהתפשטות והתכווצות (תופעות הנובעות משינויי טמפרטורה חריפים). אוויר שזורם בין הסיכות מתחמם ומוזרם אל טורבינת הגז המפיקה חשמל. מערכת זו של סיכות קרמיות, מכונה "קיפוד".
 
כדי "להכניס" את אור השמש אל ה"קיפוד", פיתחו הפרופ' קרני ועמיתיו חלון זכוכית (קווארץ) מיוחד (קוני), שיכולתו לעמוד בלחץ גדולה פי חמש מכוח העמידה בלחץ של פלדה. יכולת זו של החלון לעמוד בלחץ מאפשרת לחוקרים להזרים במערכת אוויר בלחץ רב, הדרוש להפעלה יעילה של טורבינת הגז המפיקה חשמל.
 

אור מרוכז

רוב הטורבינות המשמשות כיום להפקת חשמל, מופעלות בקיטור. כדי להגיע ליעילות רבה מזו של טורבינות הקיטור, יש לעבור לשימוש בטורבינות גז (למשל, טורבינות המופעלות באוויר דחוס שחומם עד לטמפרטורות גבוהות מאוד, כאלף מעלות צלסיוס).
 
החוקרים שמבקשים לחמם את האוויר לטמפרטורה זו באמצעות אנרגיית השמש, צריכים לרכז לשם כך את אורה של השמש, עד לרמת ריכוז העולה פי עשרת אלפים ויותר מצפיפותו של אור השמש המגיע לכדור הארץ. כדי להגיע לריכוזי אור גבוהים כל כך פותחו ושוכללו במכון ויצמן למדע "משפכים" אופטיים בעלי מבנה גיאומטרי מיוחד. "משפכים" אלה אוספים את אור השמש ומרכזים אותו עד למידת ריכוז הקרובה מאוד למידת הריכוז המרבית האפשרית.
 
עם המעבר לשלב הפיתוח של טכנולוגיות "הדור השני", החל ד"ר אברהם קריבוס ממכון ויצמן למדע, לרכז את הפעילות שנועדה לבחון את כל ה"תחנות" האופטיות הכלולות במערכות הקליטה והריכוז של אור השמש. לאחר מכן מתכננים החוקרים לאתר ולפתוח "צווארי בקבוק" שגורמים להפחתות ביעילות הכוללת של המערכת.
 

עושים כימיה

תפיסה מקורית שפותחה על ידי חוקרי מכון ויצמן למדע עשויה לאפשר המרה של קרינת השמש לאנרגיה כימית, הניתנת לאחסנה ולהובלה. מדובר בתהליך "סגור", בלתי מזהם וידידותי לסביבה.
 
התפיסה מבוססת על שלושה שלבי פעולה עיקריים: 1. קרינת השמש המגיעה לפני השטח באזורים מדבריים, תרוכז ותבצע תהליכים כימיים תרמיים (המתבצעים רק בטמפרטורה גבוהה). 2. החומרים הכימיים שייווצרו בתהליכים האלה יאוחסנו או יובלו לאזורים שבהם נדרשת האנרגיה. 3. בשלב האחרון בשרשרת, בסמוך לאזורים שבהם נדרשת האנרגיה, יבוצע תהליך כימי הפוך, שיתבטא בין היתר בשיחרור החום שישמש לייצור קיטור תעשייתי, או להנעת טורבינות שייצרו חשמל. חלוצי התפיסה הזאת היו פרופ' ישראל דוסטרובסקי ופרופ' משה לוי.
 
במכון ויצמן למדע נבנתה והופעלה מערכת כוללת כזאת, בהיקף טרום-תעשייתי (שהספקה 500 קילו-וואט). בהתבסס על הטכנולוגיה שפותחה, הורחב השימוש בשלב הראשון של התהליך שנועד לייצור חומרים עתירי אנרגיה בסיוע קרינת השמש. טכנולוגיה זו ניתנת כיום ליישום תעשייתי בתחומים שונים.
 
תחום נוסף שבו מתמקד כיום צוות של חוקרים בראשותו של מיכאל אפשטיין ממכון ויצמן למדע, הוא תחום ההמרה של חומרים אורגניים מוצקים, דוגמת פחם ועץ, לדלק (גז או נוזל), ששריפתו לא תגרום לזיהום הסביבה. ניסויים שבוצעו במעבדה הוכיחו את ייתכנות התהליך. בימים אלה מתכננים מדעני המכון לפתח ולבנות מתקן המרה בהיקף גדול יותר.
 
שיטה אחרת לניצול אנרגיית השמש מבוססת על שימוש בחום השמש להפקת מתכות מתוך תחמוצותיהן (למשל הפקת אבץ מתחמוצת אבץ). האבץ יכול לשמש במצברי אבץ-אוויר, המאחסנים אנרגיה חשמלית תוך הפקה של תחמוצת אבץ, שחוזרת לראשית התהליך. בתהליך אחר יכול האבץ לשמש להפקת מימן ממים (המימן הוא דלק יעיל, נקי ו"ידידותי לסביבה".
 
ייתכנותו של התהליך הזה הוכחה בניסויים מעבדתיים. פרוייקט מחקר משותף למכון ויצמן למדע ולמשרד האנרגיה, עומד לצאת לדרך בשנת הפעילות הקרובה.
 

שאלה של צבע

אור השמש עשוי לשפר במידה ניכרת את היעילות שבה מבוצעים תהליכים כימיים תעשייתיים שונים. אלא שלמעשה, כל תהליך כימי עשוי להיעזר רק בחלק קטן של אור השמש - רק באור שצבעו מוגדר במדוייק.
 
כדי לאפשר שימוש תעשייתי בקרינת שמש בעלת צבע מדוייק, פיתחו הפרופ' אמנון יוגב ואנשי צוותו ממכון ויצמן למדע ברחובות, מערכת שמרכזת את אור השמש עד לגבול המעשי המרבי - כמחצית מצפיפות האור על פניה של השמש עצמה. בשלב הזה מפרידים החוקרים את הקרינה לצבעים (נתחים ספקטרליים) שונים ומדוייקים, ומפיקים ממנה אור לייזר בצבע מדוייק. לייזרים אלה עשויים לשמש מקור אנרגיה לתהליכים כימיים שונים (כאמור, כל צבע מתאים לשמש מקור אנרגיה לתהליכים כימיים מסויימים בלבד). הלייזרים בעלי הצבע המדוייק עשויים לשמש גם לתקשורת ולחישה מרחוק בחלל.
 
קולט הקרינה, ה"קיפוד". מבנה גיאומטרי מתוחכם
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם