חשמל נקי: התעוררות האנרגיה המתחדשת

    תאים סולריים, טורבינות רוח ודלקים ביולוגיים עומדים על סף הפיכתם למקורות אנרגיה של ממש. קביעת מדיניות חדשה תוכל להאיץ את התפתחותם באופן דרמתי. כתבה ראשונה בסדרה

    דניאל קמֵן, סיינטיפיק אמריקן
    ןעוט...
    צילום: אורן יהודה

    אי אפשר לתכנן תכנית להפחתה ניכרת של פליטות גזי חממה בהסתמך רק על הגברת יעילותה של האנרגיה. מכיוון שהצמיחה הכלכלית מוסיפה להגביר את הדרישה לאנרגיה - יותר פחם להפעלת מפעלים חדשים, יותר נפט להנעת מכוניות חדשות ויותר גז טבעי להסקת בתים חדשים - שיעור פליטת הפחמן הדו-חמצני ימשיך לעלות על אף שהמכוניות, הבניינים ומכשירי החשמל המיוצרים כיום יעילים יותר מבחינת ניצול האנרגיה. אם ברצונה של ארצות הברית לתת מענה למגמת ההתחממות הגלובלית המדאיגה, עליה להתחייב ברצינות לפתח מקורות אנרגיה מתחדשת המשחררים מעט תרכובות פחמן או אפילו כלל לא.

     

    טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת נכנסו פתאום לאופנה לזמן קצר לפני שלושים שנה, כתגובה על חרם הנפט של שנות ה-70, אך העניין והתמיכה בהם לא האריכו ימים. עם זאת, בשנים האחרונות חל שיפור דרמתי בביצועים ובכדאיות הכלכלית של תאים סולריים, טורבינות רוח ודלקים ביולוגיים - אתאנול ודלקים נוספים המגיעים מן הצומח - וסללו את הדרך למסחורם ההמוני. בנוסף ליתרונות הסביבתיים, מבטיחים מקורות האנרגיה המתחדשים להגביר את ביטחון האנרגיה של ארה"ב, בכך שיפחיתו את תלותה בדלק מחצבי מארצות אחרות. קרנן של החלופות המתחדשות עלתה גם כתוצאה מעליית מחירי הנפט והגז הטבעי ומאי יציבותם בעליל של מחירים אלה.

     

    כיום יש הזדמנויות חסרות תקדים בתחום האנרגיה המתחדשת, כך שזוהי תקופה אידאלית לפיתוח אנרגיה נקייה למען הדורות הבאים. אך כדי לעמוד באתגר, תידרש השקעת משאבים מדעיים, כלכליים ומדיניים. על קובעי המדיניות ועל האזרחים לדרוש צעדים בכיוון, ולתבוע אלה מאלה להאיץ את המעבר.

     

    תנו לשמש יד

    תאים סולריים, הידועים גם בשם תאים פוטו-וולטאים, ממירים את אור השמש לזרם חשמלי בעזרת חומרים מוליכים למחצה. כיום הם מספקים רק פלח קטנטן מן החשמל בעולם: כושר הייצור העולמי שלהם עומד על 5,000 מגה-ואט, שהם 0.15% בלבד מכושר הייצור של סך כל המקורות. אך אור השמש היה יכול לספק פי 5,000 מן התצרוכת העולמית כיום. בזכות שיפורים טכנולוגיים, ירידה בעלויות ומדיניות אוהדת של מדינות רבות בעולם, עלה הייצור השנתי של תאים סולריים ביותר מ-25% לשנה בעשור האחרון, ובשיעור מרשים של 45% בשנת 2005 לבדה. יצרני התאים הוסיפו ב-2005 1,727 מגה-ואט לכושר ייצור החשמל העולמי, מתוכם 833 יוצרו ביפן, 353 בגרמניה ו-153 מגה-ואט בארה"ב.

     

    כיום אפשר לייצר תאים סולריים ממגוון חומרים, החל מi הפרוסות המסורתיות של סיליקון רב-גבישי, שעדיין שולטות בשוק, וכלה בתאים משכבות סיליקון דקות ומכשירים המורכבים ממוליכים למחצה פלסטיים או אורגניים. תאי שכבות דקות זולים לייצור יותר מאשר תאי סיליקון גבישי, אך הם גם פחות יעילים בהפיכת אור לחשמל.

     

    בניסיונות מעבדה השיגו התאים הגבישיים יעילות של 30% ויותר. יעילותם של תאים מסחריים מסוג זה נעה כיום בין 15% ל-20%. יעילותם של כל סוגי התאים הסולריים, הן בשוק והן במעבדה, עולה בהתמדה בשנים האחרונות, והדבר מראה שהרחבת המאמץ המחקרי תוכל לשפר אף יותר את ביצועי התאים הסולריים המצויים כיום בשוק.

     

    תאים סולריים קלים במיוחד לשימוש, משום שאפשר להתקינם במקומות רבים: על גגות, על קירות הבתים ועל בנייני המשרדים או במערכים נרחבים במדבר. אפשר אפילו לתפור אותם אל תוך הבגדים ולהפעיל בעזרתם מכשירים אלקטרוניים נישאים. מדינת קליפורניה הצטרפה ליפן ולגרמניה בניהול מאמץ עולמי להתקנת אמצעי ייצור סולריים. התחייבות "מיליון הגגות הסולריים" שמה לה למטרה להביא לכושר ייצור חדש של 10,000 מגה-ואט עד שנת 2016. ממחקרים שנערכו בקבוצת המחקר שלי, המעבדה לחקר אנרגיה מתחדשת ונאותה, שבאוניברסיטת ברקלי בקליפורניה, עולה כי ייצור התאים הסולריים בארה"ב לבדה יוכל לצמוח עד 10,000 מגה-ואט בתוך 20 שנה בלבד, אם לא יחול שינוי במגמות הנוכחיות.

     

    האתגר הגדול ביותר יהיה הפחתת מחיר התאים הסולריים, שייצורם יקר באופן יחסי. עלותו הכוללת של חשמל המיוצר באמצעות תאים גבישיים היא 20 עד 25 סנט לקילוואט-שעה.

     

    זאת בהשוואה ל-4 עד 6 סנטים לחשמל המיוצר מפחם, 5 עד 7 סנטים לחשמל המיוצר משריפת גז טבעי ו-6 עד 9 סנטים לתחנות כוח השורפות בִּיוֹמַסָּה (קשה לציין את עלותו המדויקת של חשמל מכורים גרעיניים, מכיוון שהמומחים חלוקים ביניהם באשר לרכיבים שיש לכלול בתחשיב. ההערכות נעות בין 2 ל-12 סנט לקילוואט-שעה).

     

    למרבה המזל, מחירם של התאים הסולריים ירד בעקביות בעשור האחרון, בייחוד בזכות שיפורים שחלו בתהליכי הייצור. ביפן, שבה נוספו 290 מגה-ואט של כושר ייצור בשנת 2005, והיא ייצאה אף יותר מזה, עלות התאים הסולריים ירדה ב-8% מדי שנה. בקליפורניה הותקנו 50 מגה-ואט אנרגיה סולרית ב-2005, והעלויות ירדו ב-5% מדי שנה.

     

    למרבה הפליאה, קניה היא המדינה המובילה בעולם במספר מערכות האנרגיה הסולרית המותקנות בה מדי שנה (אך לא במספר הוואטים הנוספים בה). יותר מ-30,000 לוחות סולריים קטנטנים, שכל אחד מהם מייצר רק 12 עד 30 ואט, נמכרים בקניה מדי שנה. תמורת השקעה של פחות מ-100 דולר בלוח הסולרי ובחיווט, המערכת יכולה לשמש לטעינת מצבר מכונית, כך שיוכל לספק די חשמל להדלקת נורת פלואורסצנט או טלוויזיה קטנה בשחור-לבן למשך כמה שעות ביום. מספר הקנייתים המאמצים את הפתרון הסולרי בכל שנה רב ממספרם של אלה המתחברים לרשת החשמל הלאומית.

     

    עלות נמוכה, יעילות גבוהה

    בלוחות אלה נעשה לרוב שימוש בתאי שכבות דקות, העשויים מסיליקון אמורפי. למרות שיעילותם של תאים סולריים אלה קטנה מזו של תאים גבישיים עד כדי מחצית, עלותם נמוכה כל כך (פי ארבעה לפחות), עד שהם כלכליים ושימושיים יותר עבור שני מיליארד האנשים החיים כיום בעולם ללא גישה לחשמל. מכירות המערכות הסולריות הקטנות מרקיעות שחקים גם במדינות אחרות באפריקה, וייתכן שהמגמה תואץ אף יותר עקב ההתפתחויות בייצור תאים סולריים זולים.

     

    יותר מזה, תאים פוטו-וולטאים אינם הצורה היחידה של אנרגיה סולרית המתפתחת במהירות. מערכות חום סולריות, האוספות את אור השמש כדי לייצר חום, זוכות גם הן לעדנה. זה מכבר נעשה שימוש במערכות כאלה, כמו דודי שמש לאספקת מים חמים לבתים ולמפעלים, אך הן יכולות לשמש גם לייצור חשמל ללא צורך בתאים סולריים יקרים. באחד הדגמים, לדוגמה, מראות ממקדות את אור השמש על מנוע סטירלינג, מתקן יעיל במיוחד, המכיל גז עבודה הזורם מתא חם לתא קר וחוזר חלילה. הגז מתרחב כתוצאה מחימומו על ידי אור השמש, ודוחף בוכנה המסובבת טורבינה.

     

    בסתיו 2005 הכריזה חברת "סטירלינג מערכות אנרגיה" מפיניקס על תכניתה לבנות בדרום קליפורניה שתי תחנות כוח גדולות הפועלות על חום השמש.

     

    החברה חתמה על הסכם אספקת חשמל של 20 שנה עם חברת "אדיסון דרום קליפורניה" לרכישת חשמל מתחנת כוח של 500 מגה-ואט שתיבנה במדבר מוהאבי. המתקן, שיתפרס על פני שטח של 18,200 דונם, יכלול 20,000 מראות צלחת קעורות, שירכזו את אור השמש במנועי סטירלינג שגודלם כגודלה של חבית נפט.

     

    המפעל אמור להתחיל לפעול ב-2009, ויהיה אפשר להרחיבו לאחר מכן עד כושר ייצור של 850 מגה-ואט. סטירלינג מערכות אנרגיה חתמה על חוזה ל-20 שנה גם עם חברת האנרגיה של סן-דייגו, לבניית תחנת כוח של 300 מגה-ואט ו-12,000 צלחות באימפריאל ואלי. מתקן זה ישודרג בסופו של דבר ל-900 מגה-ואט.

     

    פרטיהם הכספיים של שני הפרויקטים מקליפורניה לא פורסמו, אך החשמל המיוצר כיום בטכנולוגיות חום סולריות עולה כיום בין 5 ל-13 סנט לקילוואט-שעה, עם מערכת מראות קעורות מן השורה הראשונה. עם זאת, מכיוון שבפרויקט זה כרוכות טכנולוגיות אמינות ביותר וייצור המוני, הוצאות הייצור צפויות לרדת בסופו של דבר ולהגיע ל-4 עד 6 סנטים לקילוואט-שעה, מחיר שיתחרה בהצלחה במחירי החשמל הנוכחיים מפחם.