חכם בלילה

מה הדבר הראשון שעולה בראשכם כאשר אתם שומעים על אנרגיה סולארית? סביר להניח שדוד השמש, אותו חבר ידידותי לסביבה שמספק לנו את המים החמים. הידעתם שעל פי החוק הישראלי, כל בית חדש שנבנה מחויב להיות מצויד בקולטי שמש (פרט למגדלים)? דודי השמש חוסכים בין שלושה לארבעה אחוזים מצריכת החשמל של ישראל. אם כך, מדוע מפעלי התעשייה לא מחממים את המים בעזרת האנרגיה הסולארית, ומעדיפים להמשיך להשתמש במזוט? מדוע מדינת ישראל ומדינות אחרות בעולם לא עוברות לניצול אנרגיה ידידותית לסביבה?

"אנרגיה סולארית היא פשוט אנרגיה שמקורה בקרינת השמש", מספר רונן יוגב, סטודנט לתואר שני בהנדסת חשמל ומכונות במעבדה לאנרגיה סולארית של פרופ' אבי קריבוס. "כשמדברים על טכנולוגיות בתחום האנרגיה הסולארית, מתייחסים לרוב לייצור חשמל או הפקה של חום מקרינת השמש. דוד השמש היא דוגמה למערכת פשוטה וזולה יחסית. במערכות מתוחכמות וגדולות יותר ניתן לרכז את קרינת השמש בעזרת מראות או עדשות כדי להגיע אף לטמפרטורות של כ-1000 מעלות צלזיוס. לצרכן הביתי אמנם אין מה לעשות עם מערכת כזאת, ולא משנה כמה חמה הוא אוהב את המקלחת שלו, אבל הן יכולות לשמש בתעשיות שונות כדי להחליף תנורים שפועלים על דלק. תנורים כאלה נמצאים בתעשיות המזון, המלט והמתכת, אך גם תחנות כח הן סוג של מפעל ששורף דלק כדי להפיק חשמל, כך שניתן להשתמש באנרגיה סולארית לצורך הפקת חשמל".

אז לנו יש דוד שמש על הגג. מה קורה בתעשייה?
"כיום הרוב המוחלט של החשמל בארץ ובעולם מופק משריפה של דלק כזה או אחר. שריפת הדלקים לא רק מזהמת, וככל הנראה תורמת גם לשינוי האקלים, התחממות גלובלית ושאר צרות מהסוג הזה, היא גם שמה אותנו על זמן שאול. רוב המחקרים בנושא מראים שהדלקים הקונבנציונלים שהתרגלנו לעבוד איתם במאתיים השנים האחרונות הולכים ואוזלים. הטענה היא שאם נמשיך בקצב הנוכחי, תוך פחות מחמישים שנה נהיה ב'ברוך רציני', כמו שסבתא שלי הייתה מנסחת את זה. השמש לעומת זאת, פשוט נמצאת שם. בין אם נשתמש בכל האנרגיה שהיא מספקת לנו או לא, זה לא ישנה אותה, וסביר שהיא לא תיגמר בזמן הקרוב".

אם כך, מדוע אין תחנות כח סולאריות בכל מקום?
"יש הרבה סיבות אבל הייתי אומר שיש שתיים עיקריות. הראשונה היא כמובן כסף: נכון להיום חשמל סולארי יקר יותר מהטכנולגיות הקיימות. הפער אמנם הולך ומצטמצם הודות למאמץ אדיר במחקר בתחום האנרגיה הסולארית מצד אחד ועליית מחירי הדלק מצד שני, אבל הוא בהחלט קיים. המצב הכלכלי באירופה ובארה"ב לא משאיר הרבה תקציבים פנויים למעבר לשימוש באנרגיה סולארית, שדורש השקעה כספית די גדולה.

"הסיבה השנייה די טריוויאלית – השמש לא זורחת בלילה. אז אמנם בלילה אנשים ישנים ולא צורכים חשמל, אבל חצי מהשנה היא גם לא זורחת בשעות אחר-הצהריים ובערב, ואלו שעות של צריכת חשמל גבוהה. אז לפני שנוכל לעבור לשימוש באנרגיה סולארית בקנה מידה גדול, חייבים למצוא דרך יעילה לאגור חלק קטן מאנרגיית השמש שזמינה בשעות היום על מנת לספק חשמל גם בשעות האלו. בזה עוסק המחקר שלי; אנחנו מחפשים אחר הדרך היעילה והזולה לאגור את אנרגית השמש, כך שנוכל לנצל אותה גם כאשר השמש לא זורחת. לדוגמה, ניתן לעשות זאת באמצעות אגירה של חלק מהחום המופק בחומר שעובר שינוי מצב צבירה. במהלך שעות האור מחממים את חומר האגירה בעזרת קרינת השמש ומתיכים אותו, ובערב נותנים לו להתמצק, ותוך כדי הוא פולט חום שניתן לנצל על מנת להמשיך את פעולת תחנת הכח. העקרון הזה מזכיר קרחונים ששמים בצידנית: מקפיאים את הקרחונים בפריזר, ואחר כך החומר בקרחון ניתך לאט לאט ושומר את הטמפרטורה בצידנית נמוכה למשך זמן מאוד ארוך. זה אפשרי הודות לתהליך שינוי מצב הצבירה, ש"סופג" המון אנרגיה. הבעיה היא שהחומרים שמשתמשים בהם לאגירה בטמפרטורות הגבוהות שמעניינות אותנו הם מוליכי-חום גרועים, מה שמאוד מקשה על ביצוע החימום והקירור באופן יעיל – לצורך הדוגמה, אם ננסה לחמם מצד אחד גוש עץ בעובי של 10 ס"מ, יעברו שעות עד שיורגש משהו בקצה השני. מצד שני, אם אותו ניסוי יבוצע על לוח עץ בעובי 1 ס"מ, ייקח הרבה פחות זמן להרגיש את החום. מה שאנחנו מציעים זו דרך לחלק את הגוש הגדול שמשמש לאגירת האנרגיה ללוחות דקים יחסית, ואיסוף החום מכל לוח בנפרד בחזרה למערכת. המחקר אמנם עדיין בשלב של ניתוח תיאורטי וטרם ביצענו ניסויים, אבל כל החישובים והסימולציות שעשינו מראים שהגישה הזאת באמת יכולה להביא לתוצאות לא רעות בכלל".

כשהשמש הייתה רק בתיאוריה

את תחילת הדרך למחקר באנרגיה סולארית החלו לסלול עוד בסוף המאה-18 ותחילת המאה ה-19, כאשר כמה מדענים השתעשעו ברעיונות של שימוש באנרגיית השמש כדי להדליק אש. הראשון שבנה משהו קצת יותר פרקטי היה צרפתי בשם אוגוסטין מושו, שלקראת סוף המאה ה-19 המציא מנוע קיטור שמונע ע"י קרינת השמש. פחות או יותר באותה תקופה מדען צרפתי אחר בשם בקרל גילה את האפקט הפוטו-וולטאי, שעליו מושתת עיקרון הפעולה של התאים הפוטו-וולטאיים, שניתן לראות כיום מותקנים על גגות של מבני חקלאות ותעשיה ברחבי הארץ. בתקופה ההיא איש לא היה מוטרד מדברים שוליים כמו "התחממות גלובלית" או "הידלדלות המשאבים בכדור הארץ", כך שהנושא לא זכה להמון מאמץ מחקרי או השקעה מצד התעשיה. רק בשנות החמישים של המאה העשרים נפרץ הסכר כאשר בוצעה השקעה אדירה בתחום התאים הפוטו-וולטאיים בארצות-הברית וברית-המועצות, שזיהו בטכנולוגיה זו דרך לספק חשמל לחלליות ולוויינים למשך, למעשה, זמן בלתי מוגבל. באותן השנים נעשתה גם התקדמות כחול-לבן, כאשר פרופ' צבי תבור מהאוניבסיטה העברית הוביל לפיתוח דוד השמש כפי שאנו מכירים אותו היום. עם זאת, רק בשנות השבעים משבר האנרגיה העולמי הוביל חוקרים ופוליטיקאים לחשוב על שימוש באנרגיה סולארית כחלופה רצינית לצורך הפקת חשמל, בשנות ה-80 הופיע גל הקמות של תחנות כח – אך הנושא שוב נדחק לשוליים עם ההתייצבות של אספקת הנפט.

כיום, יש מספר קבוצות בארץ החוקרות את התחום. קבוצת המחקר שבה חוקר רונן יוגב מובלת ע"י פרופ' קריבוס, מבכירי החוקרים בתחום בישראל. הקבוצה מורכבת מסטודנטים לתארים ראשון, שני ושלישי בהנדסת מכונות וחשמל. תחומי המחקר מגוונים, וכוללים: פיתוח של קולט שמש בטמפרטורות גבוהות לחימום אוויר, שילוב אנרגיה סולארית בתחנות כח קונבנציונליות, בחינת חומרים לציפוי קולטי שמש בטמפרטורות גבוהות, והמרת אנרגיה פוטו-תרמיונית, שהיא שיטה חדשה יחסית להפקת חשמל מאנרגיית השמש, ומתבססת על עקרון שונה מכל מה שהוזכר עד כה.

"חלק מהמחקרים נמצאים בשלב בסיסי של חישובים וסימולציות ממוחשבות, ומחקרים אחרים נמצאים בשלב מתקדם יותר של ביצוע ניסויים, ומתבצעים במעבדה או באחד משני מתקני ניסוי סולאריים שאנחנו מחזיקים על גג הפקולטה להנדסה", מספר רונן. "יש מחקרים עליהם עובד סטודנט אחד, ויש כאלו שעובדים עליהם כמה במקביל. משעשע להודות, אבל האמת היא שחלק גדול מההתקדמות במחקר הושגה במהלך הפסקות קפה ושיחות עם שאר החברים בקבוצה. אז גם אם פורמלית העבודה מתבצעת לבד, עצם העובדה שמדובר בחממה של סטודנטים שעוסקים בנושאים דומים, עוזרת לקיים צורה מסוימת של עזרה ועבודת צוות".