לכתבה הקודמת לכתבה הבאה

אנרגיה כחולה

מה קורה כאשר מי נחל פוגשים מי ים? על שיטה עתידנית להפקת אנרגיה ממים

הירשמו לאתר שלנו

קבלו מגזין דיגיטלי במתנה

הירשמו לניוזלטרים

ערכת טבחות במתנה

מדידות שנערכו במהלך מאה השנה האחרונות מצביעות על עליית טמפרטורה ממוצעת של כחצי מעלה על פני שטח כדור הארץ. לדעת רוב החוקרים, האשם העיקרי הוא אפקט החממה, שהתחזק בתקופה זו עקב עלייה משמעותית בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, וזאת כתוצאה משריפת דלקים מאובנים (בעיקר נפט, גז טבעי ופחם) לצורך הפקת אנרגיה. ההשפעה ארוכת הטווח של התעצמות אפקט החממה ושל עליית הטמפרטורה לא ידועה עדיין, אולם אין זה מן הנמנע כי תופעה זו, שצפויה להתחזק אם משק האנרגיה לא יקבל תפנית, תגרום לשינויים בלתי הפיכים בהרכב החי והצומח על פני כדור הארץ.

סיבות אקולוגיות אלו, יחד עם סיבות כלכליות ופוליטיות, מעוררות בשנים האחרונות עניין רב במציאת שיטות לייצור אנרגיה בדרכים אלטרנטיביות. מן הראוי שהפעם ייבחרו שיטות נקיות מ"תופעות לוואי", הווה אומר, פגיעה במערכת האקולוגית של כדור הארץ. בסדרה זו נעסוק לא רק בסקירה של שיטות חלופיות להפקת אנרגיה, אלא ננסה גם להעריך את הפוטנציאל הגלום בכל אחת מהן ואת הרכבו של שוק האנרגיה העתידי. נזכור כי כיום שולטת בשוק האנרגיה שיטה אחת, שרפת הדלקים המאובנים, ואילו שאר השיטות מספקות רק 15% מתפוקת האנרגיה העולמית.

ז'ול וורן (Verne), בספרו "האי המסתורי" חזה כי "מים יהיו הפחם של העתיד". הלכנו בעקבותיו, ובחרנו לפתוח את הסדרה עם שיטה להפקת אנרגיה ממים. נתאר כאן דרך לנצל את הפרשי המליחות בין מי ים למים מתוקים - שיטה שכבר זכתה לכינוי הקליט "אנרגיה כחולה".

זיהום הנובע משריפת דלקים הוא כנראה הגורם הראשי להתחזקות אפקט החממה.
מקור: Ihub

פטנט כחול-לבן

התאיידות מי ים היא תהליך שמקורו באנרגיית השמש. ראוי לשים לב שהאנרגיה הדרושה להתאיידות מי ים גבוהה מהאנרגיה הדרושה להתאיידות מים מתוקים, משום שיש צורך באנרגיה נוספת כדי להפריד בין המים ליוני הנתרן והכלור,שמקורם במלח מומס. למעשה, היונים שבמי הים מוקפים במולקולות מים שנמשכות אליהם (אינטראקציית יון-דיפול), וכדי לשחררם בתהליך ההתאדות יש צורך להשקיע אנרגיה, או במילים אחרות, האנרגיה החופשית (אנרגיית גיבּס) של התמיסה נמוכה מזו של המים.

הרעיון שמאחורי האנרגיה הכחולה הוא הפקה מבוקרת של הפרשי האנרגיה החופשית בעת הערבוב המחודש של מי נהר מתוקים עם מי ים. כמות האנרגיה שניתן להפיק נקבעת על-ידי שני גורמים: ספיקת המים המתוקים (ביחידות של מטר מעוקב לשנייה) והפרש המליחות בין המים המתוקים למי הים. מליחות האוקיינוסים, למשל, היא כ-35 גרם של מלחים לכל ליטר של תמיסה (מתוכם כ-30 גרם של יוני נתרן וכלור); לשם השוואה - מליחותו של ים המלח מתקרבת ל-350 גרם לליטר, ואילו מליחות מים מתוקים ראויים לשתייה אינה עולה על גרם אחד לליטר.

פרופסור סידני לוֹבּ (Loeb).
צילם: אריה מלמד-כץ
לחצו להגדלת התמונה

כיצד ניתן, אם-כך, להפיק אנרגיה בצורה מבוקרת מערבוב מי ים עם מי נהר? מתברר שמאז שנות השבעים קיימות בעולם שתי שיטות מרכזיות למשימה זו, שאת האחת מהן, המכונה PRO, הגה הממציא הישראלי פרופ' סידני לוֹבּ (Loeb) מאוניברסיטת בן-גוריון, ואת השנייה, הקרויה RED, הוא שִכלל. שתיהן נמצאות עדיין בשלב מחקרי, ועם זאת חלק מהמחקר מתבצע על-ידי חברות מסחריות גדולות, שמתעתדות להפוך את השיטות לרווחיות, ובכך יש רמז לפוטנציאל הגלום באנרגיה כחולה.

מבחינת ההיבט האקולוגי השיטות נקיות לחלוטין, ותוצר הלוואי היחיד שלהן הוא מים בעלי מליחות ביניים, שאותם ניתן להזרים לים מבלי לגרום לפגיעה כלשהי. משאב הטבע היחיד שנעשה בו שימוש הוא מים מתוקים, ועל-כן לאנרגיה כחולה יש פוטנציאל גבוה בעיקר במדינות שופעות מים, שבהן מי נהר נשפכים ממילא לים ולא נאגרים לצרכים אחרים (כמו שתייה או השקיה).

לוֹבּ, שהיה הראשון ליישם את שיטת האוסמוזה ההפוכה - השיטה המועדפת כיום בעולם להתפלת מי ים, החל לחפש דרכים להפקת אנרגיה בשנת 1973. לדבריו, הוא הועיד את הרעיון המקורי לצורך הפקת אנרגיה מהפרשי המליחות בין נהר הירדן לים המלח או אפילו בין הים התיכון לים המלח, בעזרת תעלת הימים, שתוכננה לקשר ביניהם.

תעלת הימים לא נחפרה בסופו של דבר, והסְפִיקָה של נהר הירדן איננה חזקה דיה להקמת תחנת כוח רווחית, אך מדינות כמו נורבגיה, הולנד ורוסיה הרימו את הכפפה ועוסקות במרץ בייעול שיטותיו של לוֹבּ. עם זאת, לוֹבּ עצמו לא קיבל ולו אגורה שחוקה מהפטנטים המהפכניים שלו, בשל הזמן הרב שעבר מאז רישומם (הזכות לקבלת תמלוגים פגה אחרי 17 שנה). בהמשך המאמר נתוודע לשתי השיטות וננסה להעריך את הפוטנציאל העתידי שלהן (קווים לדמותו של לוֹבּ עצמו מובאים בתיבה נפרדת).

חופים הם לפעמים געגועים לנחל

השיטה הראשונה להפקת אנרגיה מהפרשי מליחות, שאותה נתאר, מבוססת על תהליך הקרוי אוסמוזה. אם לפנינו מיכל מחולק לשני חלקים, כשחלק אחד שלו מכיל תמיסת מלח וחלקו השני מים בלבד, ובין שני החלקים ניצבת ממברנה חדירה למולקולות מים ובלתי חדירה ליונים, הרי שתהיה זרימה של מולקולות מים דרך הממברנה אל עבר תמיסת המלח. לתהליך זה, שבמהלכו גדלה כמות הנוזל בצד המלוח, קוראים אוסמוזה.

ניתן לתאר זאת כאילו קיים במערכת לחץ שגורם למעבר המים מצד לצד, לחץ שנהוג לכנותו "לחץ אוסמוטי". אם למשל, נמלא חלק אחד של המיכל במי ים ואת השני במי ברז, אזי הפרש המליחות יוצר לחץ אוסמוטי שערכו 27 אטמוספרות. לחץ זה יביא למעבר רוב המים המתוקים אל עבר מי הים ונקבל מים בעלי מליחות ביניים (brackish water) בשני חלקי המיכל.

כל שנותר עתה הוא להפוך אנרגיה זו, שגרמה למעבר מים מצד לצד בתוך המיכל, לאנרגיה מכאנית על ידי סיבוב טורבינה, או לאנרגיה חשמלית על ידי חיבור גנראטור לטורבינה. כדי להניע טורבינה יש להזרים דרכה נוזל בלחץ.

נניח שנפח V של נוזל בלחץ P זרם דרך הטורבינה, אזי האנרגיה המופקת היא מכפלת הלחץ בנפח (P-V). אולם, חלק מאנרגיה זו מתבזבז על יצירת הלחץ, למשל באמצעות משאבה או בעזרת מעביר לחצים (pressure exchanger) שמשתמש בחלק מהמים במוצא המתקן כדי לספק לחץ למי הים בכניסה למיכל .

אם כך, היכן אנו מרוויחים אנרגיה? התשובה היא שהרווח מתקבל עקב הגדלת נפח המים בצד המלוח כתוצאה מתהליך האוסמוזה. או במילים אחרות, הכנסנו למתקן נפח מסוים של מי ים וקיבלנו במוצאו נפח גדול יותר. הרווח באנרגיה שווה למכפלת הלחץ בנפח המים שחצו את הממברנה.

מתקן PRO (אוסמוזה מעוכבת-לחץ) המורכב ממיכל שלחלקו האחד מזרימים מי ים בלחץ הידראולי, ולחלקו השני מזרימים מים מתוקים.
לחצו להגדלת התמונה

יש לשים לב לנקודה נוספת: הלחץ ההידראולי (סדר גודל של 15-10 אטמוספרות) מקטין את עצמת האוסמוזה, וכמות המים שעוברים את הממברנה מתמעטת, ועל-כן לוֹבּ קרא לשיטה זו להפקת אנרגיה בשם PRO (אוסמוזה מעוכבת-לחץ - Pressure-Retarded Osmosis). ניתן לייעל את השיטה באופן משמעותי על-ידי הצבת המתקן כולו בעומק של 150-100 מטר מתחת לפני הים. במקרה זה מי הים יכנסו למתקן בלחץ גבוה מספיק ולא יהיה צורך לבזבז אנרגיה על יצירתו. החיסרון במפעל תת-מימי הוא עלות הבנייה (והתחזוקה) הגבוהה שלו. הזרמת המים, בעלי מליחות הביניים, ממוצא ה-PRO התת-מימי לים תתבצע דרך ממברנה נוספת בתהליך אוסמוטי.

שיטת האוסמוזה ההפוכה, אשר משמשת להורדת ריכוז המלחים במי שתייה, היא התהליך ההפוך ל-PRO. אוסמוזה הפוכה היא תהליך זולל אנרגיה, שמקבלים בו, לבד ממי שתייה איכותיים ודלי מלחים, גם תוצר לוואי בדמות מי מלח מרוכזים (brine). בהקשר זה נרשה לעצמנו להציע רעיון שנולד תוך כדי כתיבת המאמר. אם יוקם במוצאו של מתקן התפלה העובד בשיטת האוסמוזה ההפוכה גם מתקן PRO להפקת אנרגיה, ובמקום לשפוך את מי המלח המרוכזים לים נשתמש בהפרש המליחות בינם לבין מי ים רגילים לצורך הפקת אנרגיה כחולה, אזי נוכל להחזיר חלק מהאנרגיה שמושקעת בהתפלת מי הים.

חברת החשמל הנורבגית Statkraft, השנייה בגודלה באירופה בייצור חשמל בשיטות חלופיות, מובילה בעולם את המחקר והפיתוח של אנרגיה כחולה. הנורבגים בחרו להתמקד בשיטת ה-PRO, והם צופים את תחילת ייצור החשמל באופן מסחרי בעוד עשר שנים. לדבריהם, ניתן יהיה לספק עד עשירית מצריכת החשמל של נורבגיה בעזרת אנרגיה כחולה (הראיון המלא שנערך במיוחד ל"גליליאו" עם ראש פרויקט האנרגיה הכחולה ב- Statkraftמובא בתיבה נפרדת).

 

פיורד, נורבגיה. שפכים אלו הם אתרים מצוינים להקמת תחנות להפקת אנרגיה כחולה. צילמה: מאיה מלמד

מלח, מים, מלח, מים

כדי להפיק אנרגיה בעזרת אוסמוזה משתמשים בממברנה חדירה למים ואטומה ליונים. רעיון דומה עומד מאחורי השיטה השנייה להפקת אנרגיה כחולה, שיטת ה-RED (אלקטרו-דיאליזה הפוכה - Reverse Electro-Dialysis), וגם בה משתמשים בממברנות ברירניות, חדירות ליונים מסוג אחד (מבחינת מטען).

המבנה של יחידת RED דומה לסוללה חשמלית - שרשרת של תאי מי ים ותאי מים מתוקים לסירוגין, וביניהם ממברנות ברירניות. לשני התאים החיצוניים מחברים אלקטרודות, ועליהן מתפתח מתח חשמלי ישר. פעולה רצופה של המצבר תובטח אם מי הים והמים המתוקים יוחלפו באופן קבוע, והפרש המליחות בין התאים יישמר. גם הפעם תוצר הלוואי היחיד הוא מים בעלי מליחות ביניים.

מצבר RED (אלקטרו-דיאליזה הפוכה) המורכב מתאי מים מתוקים ומי ים לסירוגין.
לחצו להגדלת התמונה

כדי שהמכלול יפיק זרם חשמלי יש להציב ממברנות שהן חדירות רק לאניונים (יונים שלילים כמו יוני כלור) לסירוגין עם ממברנות חדירות רק לקטיונים (יונים חיוביים כמו יוני נתרן). נתבונן בתא בודד של מי ים שבצדו השמאלי ממברנה חדירה לאניונים ובצידו הימני ממברנה חדירה לקטיונים (ראו איור). במקרה זה, יוני הכלור השליליים יצאו מהתא שמאלה ואילו יוני הנתרן יצאו ימינה, כלומר תתבצע הפרדת מטענים. הפרדת מטענים זו יוצרת פוטנציאל חשמלי בגודל של כשמונים אלפיות-וולט סביב כל ממברנה, והמתח של הסוללה כולה יהיה המכפלה של פוטנציאל חשמלי זה במספר הממברנות. תחנות כוח ניסיוניות קטנות שעובדות בשיטת RED הוקמו זה לא כבר בהולנד וברוסיה, ועם זאת, המחקר והפיתוח של שיטה זו עדיין נמצא בשלב מוקדם, יחסית לשיטה האוסמוטית.

ניתן להצביע על שתי נקודות משותפות מרכזיות לשיטות RED ו-PRO. ראשית, לשתיהן קיימת "מקבילה הפוכה" שבה משקיעים אנרגיה על-מנת להתפיל מים, ושנית, שתיהן תלויות מאוד באיכות הממברנה. למעשה, האנרגיה הכחולה שהומצאה לפני למעלה משלושים שנה עדיין לא נכנסה לשוק, משום שהממברנות לא היו יעילות מספיק. התקדמות משמעותית בתחום החלה רק בעשור האחרון, כאשר חקר החומרים הבשיל דיו וכאשר גופים אירופיים החלו להשקיע כסף במחקר של ממברנות ובפיתוח אנרגיה כחולה.

הפרד ומשול

הממברנה היא הגורם הראשי שיקבע את הצלחתה המסחרית של האנרגיה הכחולה. יעילות גבוהה, כלומר חדירות מקסימאלית למים ורמת אטימות גבוהה ליונים, היא הדרישה הראשית מממברנת PRO. עבור RED הדרישה היא יכולת מרבית להעביר רק אניונים או רק קטיונים בהתאם לסוג הממברנה. השיקול הכלכלי יחייב שימוש בחומר זול לייצור הממברנה, ועם זאת על הממברנה להיות עמידה לאורך זמן. הגורמים שיכולים לקצר את חיי הממברנה נחלקים לתנאים פיזיקליים (לחץ, טמפרטורה), כימיים (כימיקלים במים, חומציות המים) וביולוגיים (חיידקים).

זה המקום לחזור ולהזכיר את פרופ' לוֹבּ, שהמציא יחד עם עמיתו סריניווסה סורירג'אן (Sourirajan) בשנת 1959, במהלך עבודת הדוקטורט, ממברנה יעילה לאוסמוזה הפוכה, שעליה מבוססות כל הממברנות של שיטת PRO כיום.

פרופ' לוֹבּ מספר שהגילוי התרחש במקרה. הם ניסו מגוון ממברנות, ואחת מהן, עשויה מצלולוז-אצטט (cellulose-acetate), שהתגלתה בניסוי כיעילה ביותר, נכשלה כישלון חרוץ במבחן השני שלה כאשר יעילותה ירדה פלאים. בדיקות נוספות לא נתנו תוצאה חד משמעית - לפעמים הממברנה עבדה ולפעמים לא . "זה היה כמו הטלת מטבע", נזכר לוֹבּ.

בסופו של דבר, הם החלו לחשוד ש"הבעיה" איננה בניסוי, אלא בממברנה עצמה. הסתבר להם שבצד אחד של הממברנה יש שכבה עבה ונקבובית שתומכת בשכבה דקה מאוד, בעלת עובי תת מיקרוני, בצד השני. "לפעמים אני תוהה אם היינו ממשיכים לבדוק ממברנה זו, אילו הניסוי הראשון שלה היה נכשל", הוא מסכם.

עד היום אין הסכמה מוחלטת כיצד "ממברנת לוֹבּ" פועלת. עם זאת ברור שהצד הדק, הפעיל יותר, יוצר קשרי מימן כימיים עם המים. המים נשאבים בצורה זו לתוך הממברנה ועוברים דרך הנקבוביות לצד השני בתנועה קפּילארית, כלומר בעזרת משיכה לדפנות הנקבובית (אדהזיה) ומתח פנים. היונים נחסמים לא בגלל גודלם, אלא בגלל המטען - הם נדחים מהממברנה או נדבקים אליה, אך לא עוברים דרכה. גודל הנקבוביות, דרך-אגב, אינו מהווה גורם הקובע את יעילות הממברנה.

ממברנת צלולוז-אצטט נבחנת בימים אלו בחברת Statkraft, וכך גם ממברנת TFC (שכבה דקה מורכבת - Thin Film Composite), המכילה שכבת פוליאמיד. ממברנת צלולוז-אצטט היא מצד אחד זולה יותר, פשוטה יותר ועמידה יותר לכימיקלים מחמצנים, אך מצד שני היא רגישה מאוד לחיידקים בהשוואה לממברנת TFC. ההחלטה הסופית לגבי סוג הממברנה טרם נפלה, ושתי האופציות נמצאות עדיין בשלבי מחקר ופיתוח.

המים המתוקים יעברו ניקוי סטנדרטי וסינון לפי גודל (מסנן של חמישים מיקרון) לפני שהם יוכנסו למתקן ולהערכת אנשיה, בתנאים אלו, ממברנה תוכל להיות פעילה למשך שבע עד עשר שנים. עד עתה, הצליחו הנורבגים להעלות את יעילות הממברנה, שנמדדת בהספק ליחידת שטח, מ- W/m20.1 (וואט למטר מרובע) ל- W/m22, והם מצפים להגיע עד W/m25 בתוך כמה שנים. בשלב זה של הפיתוח הם כבר הצליחו להגיע לחדירות מים מספקת, ועתה הם מתכוונים להתרכז בהגדלת אטימות הממברנה ליונים.

במחקר הולנדי מקביל, עבור טכנולוגיית RED, התגלה לאחרונה שכאשר פוליאתילן, פלסטיק פשוט וזול, עובר טיפול בעזרת שדה חשמלי בתנאי לחות גבוהים, החומר יכול לשנות את תכונותיו ומתפתחים בו מבנים דמויי עץ, הקרויים "water trees". למבנים אלו, שעשויים בעצמם מקבוצות של יונים, יש יכולת יונומרית, כלומר הם יכולים למשוך מתוך התמיסה יונים בעלי מטען הפוך ולהעביר אותם לצד השני. לטענתם, לתהליך הייצור החדש יש פוטנציאל להכניס לשוק ממברנות יונומריות זולות דיין על-מנת שניתן יהיה להניב רווחים מהפקת אנרגיה בטכנולוגיית RED.

 

הרעיון המקורי היה להפיק אנרגיה מהפרשי המליחות בין ים המלח לים התיכון
צילם: אריה מלמד כץ

הערת סיום

המחקר בעקבות האנרגיה הכחולה היה גם מסע בעקבות המצאותיו של פרופ' לוֹבּ. בהזדמנות זו נעים לנו להודות לו על שיחה מעניינת, על הפניה לחומר חשוב ובעיקר על המצאותיו, המהוות צעד קטן בקידום האנושות.

^{_{ג'ודי מלמד-כץ היא כימאית שנמצאת במהלך לימודי דוקטורט במיקרוביולוגיה באוניברסיטה העברית, ואריה מלמד-כץ הוא מהנדס אלקטרוניקה וכיום דוקטורנט לפיזיקה במכון ויצמן. נוסף לכך, שניהם משמשים כמנהלי פורום "גליליאו" באתר האינטרנט של כתב-העת.}}

מתוך: מגזין גליליאו

לעשיית מנוי, לקבלת גיליון מתנה

תגובות

טוען הודעות