פתרון להפסקות החשמל? תחנת כוח תפיק חשמל ממי הים

במאמר של חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד, שפורסם בכתב העת ACS Omega, נבחנה האפשרות לייצר "אנרגיה כחולה" ממי הים, מקור עצום וכמעט בלתי-מנוצל לאנרגיה מתחדשת. החוקרים הציעו לפתח סוללה המפיקה אנרגיה מהפרש מליחות בין מי-ים מלוחים המתערבבים עם מים מתוקים.

בתהליך המתרחש בסוללה הניסיונית בעלת נפח זעיר של 1.5 מיליליטר שיצרו החוקרים, משתחררים תחילה יוני נתרן בעלי מטען חיובי ויוני כלוריד בעלי מטען שלילי מאלקטרודות הסוללה לתמיסה. שחרור יונים אלה בעלי המטענים המנוגדים, מייצר זרם בסוללה מאלקטרודה אחת לשנייה. כאשר מי הים המלוחים מתערבבים במהירות עם המים המתוקים, הכיוון של זרימת היונים מתהפך ובתהליך נוצרת אנרגיה ללא השקעה אנרגטית מקדימה וללא צורך בטעינה של הסוללה. המשמעות היא שהסוללה מבצעת ללא הרף תהליכי פריקה וטעינה מבלי להזדקק להשקעת אנרגיה מבחוץ.

אנרגיה במתקן לטיהור מי שפכים

כל קוב (מטר מעוקב) של מים מתוקים המתערבב במי ים יכול באופן תיאורטי לייצר הספק של כ- 0.65 קילו-ואט שעה (קוט"ש), כמות המספיקה לבית אמריקאי ממוצע למשך כ-30 דקות. בשל היעילות האנרגטית הגבוהה של התהליך מציעים החוקרים ליישם טכנולוגיה זו במתקני טיהור שפכים, הממוקמים בקרבת חופים ומזרימים את השפכים המטוהרים אל הים, ולהפוך אותם לעצמאיים אנרגטית- כאלו שאינם תלויים באספקת אנרגיה חיצונית.

טיפול בשפכים הינו תהליך חיוני לבריאות האוכלוסייה והסביבה אך גם צורך הרבה מאוד אנרגיה, ומהווה כ-3 אחוזים מכלל מצריכת החשמל בארצות הברית. להפיכת מפעלים לטיהור שפכים ליצרני אנרגיה עצמאיים יש פוטנציאל לא רק להפחית את השימוש הכולל בחשמל ואת פליטות המזהמים הכרוכות ביצורו, אלא גם להפוך אותם לחסינים מפני הפסקות חשמל. נתון זה מהווה יתרון מרכזי במקומות כמו קליפורניה, שם מתרחשות מדי שנה שריפות ענק שמובילות גם להפסקות חשמל רחבות היקף.

בהינתן שמפעל קטן וממוצע לטיפול בשפכים צורך כ- 45 קוט"ש פר תושב אותו הוא משרת, למפעל כזה שמשרת עיירה בת 10,000 תושבים דרושים 450,000 קוט"ש מרשת החשמל כדי לפעול, או שימוש בנפח של 690,000 קוב מים מטוהרים שיעורבבו עם מי ים בתוך סוללות כאלו – אם וכאשר הטכנולוגיה תוכח כיעילה גם מחוץ למעבדה ובקנה מידה גדול מספיק.

"כדי לייצר חשמל חשוב שתהיה תנועה של מטען. במחקר הזה מדובר על מתקן די פשוט, קל וזול לבנייה. עם זאת, המעבר מתנאי מעבדה לשטח ולמחקר בקנה מידה תעשייתי הוא לא קל, ונשאלת השאלה האם המתקן יצליח להתגבר על השוני בתנאים ועדיין להיות יעיל", אומר ד"ר דניאל מדר, מחברת SP-Interface, ומומחה לאנרגיה, סביבה וממשל. "כשאנחנו רוצים לבדוק את יעילות המכשיר נבחן את צפיפות האנרגיה. זאת אומרת, כמה אנרגיה ניתן להפיק בשטח או בנפח של מתקן. למשל לאנרגיה גרעינית הצפיפות הגבוהה ביותר, לאחר מכן לאנרגיה המופקת מדלקים מאובנים ולבסוף הצפיפות הנמוכה ביותר היא של אנרגיה המופקת מאנרגיות מתחדשות, כמו במחקר הנוכחי. גם כאן אנו רואים שכרגע מדובר על תפוקה נמוכה יחסית, ועל מנת שהמתקן יהיה יעיל יהיה צורך להגדילה".

יעילות של 97 אחוז

החוקרים בדקו אב-טיפוס של הסוללה, תוך פיקוח על ייצור האנרגיה שלה, על ידי שטיפתה כל שעה במי שפכים שהגיעו ממפעל בקרת איכות המים האזורי וערבובם במי ים שנאספו מהמפרץ הקרוב. כאשר לאורך של 180 מחזורים של טעינה ופריקה הסוללה שמרה על יעילות של 97 אחוז בייצור "האנרגיה הכחולה" כתוצאה מהפרשי המליחות.

אומנם, בדיקות המעבדה מראות כי תפוקת הסוללה עדיין נמוכה יחסית, אך הפוטנציאל  הגלום בסוללה זו מוערך כיותר מעשי למימוש מאשר טכנולוגיות קודמות. זאת בשל טביעת הרגל האקולוגית הקטנה, פשטות הטכנולוגיה, רציפות ייצור האנרגיה והיעדר הצורך במכשור חיצוני לשליטה על מטען ומתח. כמו כן, יתרון נוסף של הסוללה הוא בחומרים החזקים יחסית מהם היא עשויה, אלכוהול פוליוויניל (PVA) וציפוי חומצה סולפוסוקסינית (SSA), המגנים על האלקטרודות מפני קורוזיה ובכך מקטינים את הצורך בסוללות לגיבוי במערכת.

אם הסוללה תצליח לעבוד ביעילות גם בקנה מידה תעשייתי, החוקרים מעריכים כי טכנולוגיה זו תוכל להציע פתרון פשוט יותר וחסכוני באנרגיה למתקנים לטיהור מי שפכים (אך יש לסייג שוב ולומר כי הפער בין סוללה בנפח 1.5 מ"ל ששימשה בניסוי ועד למערך סוללות תעשייתי שישרת מתקן גדול לטיפול בשפכים הוא אדיר).

"אם נסתכל על הפתרון הזה ברמה המקומית בישראל, הוא פחות מתאים לשימוש. כיוון שבארץ, בשונה ממקומות אחרים, מעל 95 אחוזים ואפילו יותר ממי השפכים מטוהרים ואינם מגיעים לים ומתבזבזים. מי הביוב בארץ עוברים טיהור וחיטוי ברמה גבוהה ולאחר מכן משמשים אותנו בחקלאות או שהם מוזרמים חזרה לטבע", אומר מדר. "במדינות אחרות בעולם הטיפול בשפכים הוא שונה ולפעמים פחות יעיל, והרבה ממתקני הטיפול במי השפכים ממוקמים בסמוך לים ולכן גם קל יותר להזרים את מי הביוב לשם".

"עם זאת, המתקן אולי כן יכול להיות רלוונטי ומתאים לשימוש בארץ במי התמלחת שיוצאים ממתקני ההתפלה. מים אלו מאוד מלוחים ומוזרמים לים בסיום תהליך ההתפלה. כיוון שהסוללה עובדת על הפרש מלחים זה לא משנה אם המים הם מי ים אל מול מים מתוקים או מי ים אל מול מים יותר מלוחים", מוסיף מדר. "על מנת ליישם את הרעיון צריך להבין מהו ההבדל בין הריכוז של מים מלוחים ומתוקים ומי התמלחת למי הים. ככל שהיחס בין הריכוזים גדול יותר כך הצפיפות האנרגטית גם היא גבוהה יותר. נראה שהמתקן יכול להיות פתרון נחמד ברמה המקומית ולעזור בקנה מידה קטן אך אינו מספיק יעיל על מנת להוות תחליף לאנרגיות אחרות".

הכתבה הוכנה על ידי "זווית – סוכנות הידיעות של האגודה הישראלית לאקולוגיה ולמדעי הסביבה".