איך מייצרים חשמל מפירות השמש בלילה?

אחת הבעיות החמורות ביותר של משק האנרגיה העולמי היא התלות הכלכלית והפוליטית בדלק מאובנים, שהמאגרים שלו הולכים ומתמעטים. בעיה חמורה אחרת קשורה לזיהום הסביבתי שיוצר דלק מאובנים. השריפה שלו פולטת לאטמוספירה גזי חממה כמו פחמן דו-חמצני, שלטענת מומחים מגבירים את תופעת התחממות כדור הארץ. שתי הבעיות הללו וכן התלות בסוחרי דלק ותרבויות טרור, מעידות על הצורך הדחוף במציאת מקורות אנרגיה חלופיים, נקיים ומתחדשים.

מקורות האנרגיה המתחדשים הידועים ביותר הם קרינה סולארית ופירות השמש כמו אנרגיית מים ושריפת צמחים. דרך נוספת לנצל את פירות השמש לייצור אנרגיה מתחדשת ונקיה היא באמצעות טכנולוגיה של "ארובות שרב". 

"ארובות שרב", שפותחו בטכניון, הן למעשה מכונות ענק לייצור רוח מלאכותית הפועלות 24 שעות ביממה. היישום שלהן רלוונטי לאזורים חמים ויבשים, כמו מדבריות למשל, משום שה"דלק" שמניע אותן הוא אוויר יבש וחם. פעולת ארובות השרב מבוססת על העיקרון לפיו אוויר מקורר על ידי ריסוס מים זורם כלפי מטה. זרימת האוויר המקורר מטה היא שגורמת להתנעת טורבינות ומהם מופק חשמל.

איך זה עובד?

ראשית יש לבנות ארובה גבוהה מאוד - כקילומטר ויותר - ושקוטרה גדול מאוד - לפחות שליש מגובהה. בפתח שבראש הארובה מתיזים טיפות מים. האוויר החם באזור בו ממוקמת הארובה גורם למים להתאדות ומקרר את האוויר. האוויר הקר כבד יותר מהאוויר החם שבסביבתו, וכתוצאה מכך הוא נע כלפי מטה אל תוך הארובה. בשל גודלה של הארובה, תנועת האוויר כלפי מטה מייצרת רוח חזקה. בבסיס הארובה מתקינים טורבינות והרוח החזקה הנושבת כלפי מטה ושואפת לצאת מהארובה מניעה אותן במהירות גבוהה ומייצרת חשמל.

מקור המים לקירור האוויר בארובה הוא לרוב מי ים. המים נשאבים מהים עוברים במערכת הולכה אל מאגר תפעולי הממוקם בקרבת הארובה. משאבות לחץ וצינורות שואבות את המים אל ראש הארובה, ומשחררות אותן בריסוס על ידי מספר גדול של מתזים המפוזרים על פני שטח החתך של הארובה. האוויר המקורר זורם כלפי מטה במהירות רבה ועובר דרך הטורבינות הממוקמות בבסיס הארובה. טורבינות אלה מחוברות לגנרטורים המייצרים חשמל מהאנרגיה הסיבובית.

בהמשך הטורבינות מותקנים דיפיוזרים, דרכם חוזר האוויר הקר אל הסביבה. מטרת הדיפיוזר היא ללכוד את שאריות האנרגיה שנותרו ברוח אחרי הטורבינות, כדי לנצל אותן עד תום. בסוף התהליך קיימת מערכת לסילוק שאריות של טיפות מים שלא התאדו בתוך הארובה. המערכת אוספת את הרסס לתוך יחידות שיקוע, והמים הנאגרים מורחקים מהמקום בצינורות בחזרה אל הים.

היתרונות

לטכנולוגיית "ארובות השרב" יתרונות רבים על פני טכנולוגיות אחרות של אנרגיה מתחדשת. הארובה אמנם משתמשת באוויר חם אולם אין לה צורך לקלוט את קרני השמש באופן ישיר. המשמעות היא שאין צורך בקולטים שמחירם גבוה ותפוקתם מוגבלת על ידי גודלם. לפיכך המערכת אינה מוגבלת לפעולה ב-6 עד 8 שעות האור בלבד, אלא למעשה היא פועלת 24 שעות ביממה. פועל יוצא מכך הוא העדר הצורך במערכת גיבוי על ידי דלק, שמוסיפה לעלויות, מורידה יעילות וממשיכה לזהם את הסביבה. היבט נוסף הוא השטח שצורכת הארובה - שבנויה לגובה וצורכת שטח הקטן פי 15 מהשטח הדרוש לתחנת לייצור אנרגיה סולארית. 

ישנן כ-40 מדינות ברחבי העולם בהן כדאי מאוד לייצר חשמל בעזרת טכנולוגית "ארובות שרב" - החל מצפונה ודרומה של אפריקה, אוסטרליה, צפון ודרום אמריקה (צ'ילה ופרו), ארצות המזרח התיכון, ארצות המפרץ הפרסי, הודו ופקיסטן. בעזרת טכנולוגיה חדישה של הולכת חשמל ניתן לשלוח את המוצר (החשמל) המיוצר בארובה למרחקים של 3,000 ק"מ ויותר, ולספק חשמל לשני שלישים או יותר מהאנושות.

עלות ייצור החשמל בטכנולוגיית "ארובות השרב" היא הזולה ביותר מבין הטכנולוגיות הקיימות. על פי תחשיבים שבוצעו בטכניון, עלות ייצור חשמל צפוי להיות בתחום שבין 1.7-6.5 סנט לקו"ש (קילווואט שעה). עלויות ייצור אלה מתחרות ברוב המקורות הקיימים לייצור חשמל - פחם, גז טבעי וכן אנרגיה ממקורות מתחדשים (סולארית, רוח, גלים).

עלויות הייצור הצפויות בארובה בממדים סטנדרטיים בדרום הערבה למשל, הן 2.5 סנט לקו"ש, או 3.9 סנט לקו"ש, (בריבית של 5 אחוזים ו-10 אחוז בהתאמה). כיום, עלות ייצורו של החשמל הזול ביותר מקרינה סולארית היא 15.5 סנט לקו"ש, וזאת רק לשליש של היממה.

יתרון נוסף של טכנולוגיית "ארובות השרב" היא היכולת של הארובה לייצר מי ים מותפלים בחצי העלות הרגילה. הטכנולוגיה נוסתה במסגרת ניסויים במודלים בקני מידה שונים. בוצע ניסוי במנהרת רוח וכן במודל של ארובה בגובה 21 מטר. היה גם ניסוי של ייצור הטיפות ואיסופן בקנה מידה של 1:1, אולם לא נבנתה ארובה בגודל הפיזי המלא. ההשקעה בכך גדולה ואנו מחפשים לכך משקיעים. 

עלות הקמת ארובה בתכנון סטנדרטי, בסביבות העיר אילת למשל, תהיה כ-850 מיליון דולר, אך כדי להשוות את העלות לזו של טכנולוגיות אחרות יש להשוות בין שיעור ההשקעה ליחידת ההספק שתופק מהארובה. עולה כי ההשקעה לקילוו-וואט ממוצע הוא כ-3,000 דולר ובארובות השרב רק כ-2,300 דולר - רק מעט יותר מאשר תחנה פחמית רגילה. ההשקעה בתחנת רוח סולארית תהיה פי 10 יותר. טכנולוגיית טורבינת רוח תניב שני שליש מההשקעה ואנרגיה סולארית המנצלת את קרני השמש תניב כעשירית מההשקעה.

מספר בעיות סביבתיות זוהו ונלקחו בחשבון, ביניהן הבעיה הנופית, שיש לציין שהיא סובייקטיבית. יש האומרים שארובה גבוהה באזורי מדבר וחוף דווקא תורמת לנוף, ויש המציעים לנצל את המבנה הגבוה גם לשימושים אחרים. ועם זאת יש לזכור כי הטכנולוגיה הזו פותרות את הבעיות הסביבתיות הכי חמורות שישנן כיום לאנושות - שחיקת מאגרי הדלק והזיהום הסביבתי, אספקת מים טריים ועד.

קיימת בעיה אחת שהייתה קשה לפיתרון והיא פגיעה בציפורים. בעיה זו קיימת בכל מבנה ארובה, גם בתחנות כוח, אולם בוצעו מספר פעולות שלהערכת המפתחים יורידו את הפגיעה כמעט לאפס.

• פרופ' דן זסלבסקי הוא לשעבר המדען הראשי במשרד האנרגיה, נציב המים ויושב ראש המועצה הלאומית למחקר ופיתוח. הוא משמש כיום כמרצה ביחידה להנדסת הסביבה מים וחקלאות בטכניון.
  

• אירועי "חכמים גם בלילה" יתקיימו ביום שני, 24 בספטמבר, בחסות משרד המדע, התרבות והספורט והאיחוד האירופי. מטרתם היא להפגיש ילדים, בני נוער ומבוגרים עם מדענים וחוקרים מתחומי המדע השונים. במסגרת האירועים יתקיימו סיורים, הדגמות, ניסויים, סדנאות והפעלות לכל המשפחה וללא תשלום, במוסדות המחקר ובמוזיאונים למדע. חוקרי הטכניון יציגו בממדעטק - המוזיאון הלאומי למדע, בחיפה, טכנולוגיות שונות בנושאי מים, סביבה ואנרגיה.
  

• לחצו כאן לעוד פרטים על פעילויות נוספות ברחבי הארץ.