כימיה ואנרגיה בת-קיימא - מבט לעתיד של אנרגיה חלופית מתחדשת

2013 ,דוד כאהן


כימיה ואנרגיה בת-קיימא - מבט לעתיד

שלאנרגיה חלופית מתחדשת

?מדוע

Weizmann Institute’s Alternative Sustainable Energy Research Initiative המצגת נמצאת באתר של

:// . . . / / .http www weizmann ac il AERI presentations html :// . . . / /http www weizmann ac il AERI

אתגר חסר תקדים !

http://www.weizmann.ac.il/AERI/presentations.html

http://www.weizmann.ac.il/AERI/


*אתגרים מרכזיים של האנושות)משאבים בני-קיימא(אנרגיה

מים אוכל

סביבהעוני

בריאות... גודל חינוך , בטחון ו

האוכלוסייה: אנרגיה היא המשאב המאפשר ניצול רוב שאר תשובה א

! המשאבים: מקורותהרבה מהחומר בא \ מותאם מ )אתרים של(

IEA, USDOE BES, NREL, N. Lewis )Caltech(, P. Alivisatos, S. Chu )LBL/DOE(, A. Nozik, S. Kurtz, D. Ginley )NREL(, J. Karni, I. Lubomirsky, G. Hodes, I. Maron )WIS(, A. Zaban )BIU(, L. Bronicki )Ormat(,

Y. Lou )CWRU(++++, & * R. Smalley )Rice( ז"ל

על התרגום לעבריתלי נחושתן ברנע וערבה זוהר תודה ל !!

)עם אנרגיה כימיה(


אם האנרגיה לא אוזלת, אז על מה הרעש...?

זמינים הבעיה הינה אלו סוגי אנרגיהבזמן ובמקום שאנו זקוקים עבורנו

להםוהמרה מסוג לסוג דורש ....אנרגיה

האם האנרגיה אוזלת?

אנרגיהיחידות של

,TOE, BTU : (עבודה וחום)יחידות של Joule=Wsec

הספק יחידות של

HP, BTU/h, W)מדידה רגעית( :

kW נתוני / אדם(2009/11)

יפן 5~הודו~ 0.75

סין~ 2.5ממוצע עולמי*~2.3מערב אירופה~5.5ארה"ב~ 9.5

*צריכת האנרגיה הממוצעת 0.15העולמית לצורכי מזון היא

אנרגיה ?מה זה

E=mc2)יש חוק שימור האנרגיה )למעט


סוגי אנרגיהמכנית•תרמית•חשמלית•כימית•אלקטרו-מגנטית )קרינה(•


דלק = מזון

אבל... האם זה יעיל

?


כמה אנרגיה אדם יכול להפיק )עד אפיסת כוחותיו(

0.27- קצב של kW 0.2אדם בריא שעובד שעה יכול להפיקכוחות סוס

Douglas Malewicki )1983 (

0.1 hp =75 W

הספק[kW] מכשיר

0.25 מקרר

1 מקרוגל

0.075מנורת טנגסטן

0.02מנורת פלורסנט

אתלט

אדם בריא

ת(עו

ש(

תחו

כות

ספי

אד

עמן

ז

כמות האנרגיה לרכיבה על אופניים )כוחות סוס(


1 TW = 1000 GW

1 GW = 1000 MW

1 MW = 1000 kW)ב %( 2011הערכה ל

----------------מערב 19~ ארה"ב 14~ אירופה

2.3~ ברזיל 9~ ברה"מ לשעבר

30~ מזרח אסיה

21.5~סין

3.1~ הודו

4~ יפן

0.2~ ישראל

חשמל )חדרה(GW 2.5תחנות כוח לייצור

? מה הצריכה העולמית הדרושה2012: ~17 TW; 2050: ~28 – 40 ?? TW


הטענה של טלפון סלולארי ~ 5 W

~הספק חשמל לטלויזיה או של מחשב נייד50W

60~ ל מקררW

600~ ל מכונת כביסה W

1 TW = 1,000,000,000,000 W צריכת אנרגיה של יפן~0.6TW

1 GW = 1,000,000,000 W 12.5סכר האיטייפו בברזיל מייצר GWe

W 1,000,000 1MW = -ביתיים בארה"ב1000חשמל ל

1 kW = 1,000 W מזגן אחד

קצת סדרי גודל- צריכה גבוה של אנרגיה, כמה היא?

מה הצריכה העולמית הדרושה2012: ~17 TW; 2050: ~28 – 40 ?? TW


מקורות לצריכת אנרגיה בעולם 2010נכון ל

TW

0

1

2

3

4

5

גרעיני

J, Wsec; BTUאנרגיה :

W = J/secהספק :

מתצרוכת 80%האנרגיה

העולמית מקורה בדלק מאובנים

)פוסילי(

1 TW = 1000 GW

1 GW = 1000 MW

1 MW = 1000 kW

רוח/שמש

-ביומסה

-הידרואלקטרי

נפט גפחםז


אבל ...

הנפט יגמר ! לא ?!

בוודאי, באיזשהו שלב, וברור ש כבר קשה למצוא נפט זול, "נקי"

וקל להפקה, אבל...


אבל ...

הנפט יגמר ! לא ?!

בוודאי, באיזשהו שלב, וברור שכבר בקרוב נפט זול וקל להפקה

יגמר, אבל...


250

200

150

100

50

0

Prove

d C

rude O

il R

ese

rves

)Bill

ion B

arr

els

(

200520001995199019851980

Year

Saudi Arabia

Iraq

United ArabEmirates

Iran

Mexico

via S. Kurtz, NREL, from EIA )Energy Information Administration(

עתודות נפט על פי דיווח מדינות אופ"ק ומקסיקו

ולהסתמך על חברות הנפט זה לא הרבה יותר טוב...

ערב הסעודית

אירן

עירק

מקסיקו

האמירויות המאוחדות

שנה

טנפ

הת

דותו

ע


כמה יש )לנו( ?

) 2000בשנים כיחס לצריכה ב- (משאבים

נפט ≥ 50 ≥50גז ≥ 70 ≥

200

שנה30-50 נשאר מספיק נפט ל :1טענה קבועה

רזרבות

צריך לזכור ש ..."עידן האבן לא הסתיים בגלל מחסור באבנים"

שייח אחמד זאקי ימני1962-1986שר הנפט של ערב הסעודית

נפט ≥ 50 ≥50גז ≥ 75 ≥

200100פחם ~ ~

400

אז... פחם פותר את הבעיה?


בעוד שלא כולם יסכימושרפת פחם שינויים באקלים

רק מעטים יחלקו על כךשאנחנו מזהמים את המים, האוויר וכדור

שלנוהארץ


?האם קיימות חלופות לשרפת דלק או פחם

האפשרות ה"הגיונית" היא

אנרגיה גרעינית

מדוע???


בעבר כל מקור אנרגיה חדשה היה יותר צפוף : תשובה ב....אנרגטית מהמקורות שקדמו לו

מקורות אנרגיה לאורך הדורות בעולם המערבי

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

נסנס

ר

ה-מא

ע מצ

א

19ה-

מאת

ילתח

20

מ-

1980

גרעיני

גז טבעי

נפט

פחם

ביו-מסה

חיות

ותחי

ת ביו

ני לפ

מקורות אנרגיה לאורך הדורות )בעולם המערבי(


?האם קיימות עוד חלופות

אנרגיה גרעינית •

אנרגיה כבידתית•


האם אנרגיה גרעינית מהווה פתרון ? בשל

ביקוע גרעיני )~פצצת אטום(•

בעיית הפסולת הרדיואקטיבית•

" ירוקים תהליכים "שימוש נרחב באנרגיה גרעינית •

*יותר

טענה קבועה : "הבעיה פתירה"


האם אנרגיה גרעינית מהווה פתרון ? בשל

היתוך )מיזוג( גרעיני • )~פצצת מימן(

טענה קבועה :יש התקדמות אך צריך עוד ~

שנה בשביל .... להוכיח 10-30היתכנות

ביקוע גרעיני )~פצצת אטום(•

בעיית הפסולת הרדיואקטיבית•

תהליכים "ירוקים" שימוש נרחב באנרגיה גרעינית •

יותר*

:#2טענה קבועה "הבעיה פתירה"


גרעיניתאנרגיה •

)כולל רוח, ביו-מסה וכו'(שמש אנרגית•

גיאותרמית אנרגיה •

מ גיאות ושפלאנרגיה•

טענה קבועה :אנרגיה סולארית )כולל רוח ו-ביו( יותר מדי יקרה

לחבית*$ XXX כל עוד מחיר הנפט מתחת ל

משתנה עם הזמן*

?האם קיימות עוד חלופות


:שיקולים חיצוניים , אם מביאים בחשבון אפשר

מצב גיאו-פוליטי•

פחד ציבורי מאסונות•

מס על פליטת גזי חממה•

האם אפשר להסתדר בלי )או עם פחות( דלק מאובנים ?

– שנשיג פריצות דרך במחיראו

של )יעילות אנרגטית( J ב- $ ו ב-

טענה קבועה :החלופותאנרגיה סולארית )כולל רוח ו-ביו( יותר מדי יקרה

לחבית*$ XXX כל עוד מחיר הנפט מתחת ל

משתנה עם הזמן*


? כמה אנרגיה מתחדשת יש בכלל

רוח~ 50 TW

~3-8 TW 0.24 TW הידרו-אלקטרי

4.6 TW1.5 TW0. 8 TW

גיאו-תרמיTW )ימי 30+( 12~1 TW< 0.03 TW

דורשאגירה

1.2x105 TW ~ 100s TW )x 0.110s TW( 0.22 TWpכמות זעומה באופן מביך

שמש

ביו-מסה5~→ בניצול כל הקרקעות הנותרות שניתנות לעיבוד TW מים?((

1.9TW )0.2TW )אנרגיה משומרת

שחור : קיים אבל לא ידוע כיצד להפיקאדום : קיים וידוע כיצד ניתן להפיק

בשימוש היוםסגול :


טכנולוגיות לאגירת אנרגיה)על פי אופי השימוש(

System Power Rating

1 kW 10 kW 100 kW 1MW 10 MW 100 MW 1GW

Power Quality,

Bridging Power &

Distributed Storage

ניהול אנרגיה

על-מוליכים

גלגל תנופהמהירות נמוכה

סוללות עופרת-חומצה

סוללות זרימהסוללות

נתרן-גופרית אויר דחוס

מים שאובים

הספקים אפשריים

קבל-על

סוללות ניקל-קדמיוםסוללות ליתיום

הופ

תנל

לגג

הה

בו ג

תרו

הימ

סוללות מתכת-אויר

Infrequent short duration

demand

ORNLבאדיבות

ק

רופי

ן מ

ז

תקו

ד תעו

ש

תיושנ

עכ ד ל ק י ם


אנרגיות מאובנים )פוסילים( הן אוצר אמיתי


1 (US) גלון

ליטר3.8~


)ארה"ב(גלון 1

ליטר3.8~


2עבודה של 25סוסים ל-שעות

~6 x 6 m2

solar cell panel

for 2 days



ליטר3.8~


work of

2 horses

for 25 hrs

~6 x 6 m2

solar cell panel

for 2 days




ליטר3.8~

~37 kWh


work of

2 horses

for 25 hrs

~6 x 6 m2

מערך של תאי שמש ליומיים




ליטר3.8~

~37 kWh


לוח מחזורי של דלקים אפשריים TYPE

ʤyʩʁʩ)ʺ ʥʩʥʬ̡ (

ʹ ʥʮʩ́ ʺ ʮʠʺ ʤʭʩyʮʥʧʤ

ʺ ʥʬʩ̡ʸ ʺ ʥʧʩʨʡ ʺ ʥɹʩɹʶʤʩʢy ʰʠʤ )ʬ̫ ʹ ʮ(

ʺ ʥɹʩɹʶʤʩʢy ʰʠʤ

)ʧʴ ʰ(

H + + _____ + _____ )+++++( +

Li ± + _____ + _____ +++ + +

Be _____ _____ ± _____ _____ +++ +++

B )BHx( ± ± + + _____ +++ +++

B ± ± + + ?? ++++ ++++++

C ʤʩʩyʫ + + + + ++ +++

CH ʤʩʩyʫ +++ +++ ± + +++ +++

NH ± ... - ? __ _____

)NOx( _____ ++ ++

Al/ Mg Zn/

++ ++

_____

+ + + + +++

+ +++ +

* 01/’07 Igor LUBOMIRSKY & David CAHENלא מעשי

סוג


? אז , מה רצוי / ניתן לעשות

(2020טווח קצר )עד ~ אבולוציה טכנולוגית והנדסית :

נקיה יותרשריפת פחם •

לטיפול \ שימוש עתידיCO2 אגירת •

שיפור ואופטימיזציה של ניזול פחם• : הפחתה , שימוש מחודש שימור / חיסכון•

ומיחזור

כימיה +


(2050 - 2030טווח בינוני )עד

טכנולוגיות חדשות על בסיס ידע מדעי של היום

בדרך נקיה דלק נוזלי פחם • פתרונות עם אנרגית שמש )כולל רוח וביו-מסה( •

לאגירה נקייה יותר אנרגיה גרעינית• אנרגיה גיאותרמית יעילה יותר•


כימיהעכ +


ואילך(2050טווח ארוך )

מדעבמהפכות


כימיה עכ +


חום סולארי● חימום, קירורישיר:-

כימיהבעיקר עם ריכוז( --> - לדלקים ) ישיר : תרמו - אלקטרי לייצור חשמל-

עקיף : טורבינות

השמש כמקור אנרגיה

פרופ' קרני


בעיות

קרינה מפוזרת הולכת לאיבוד כשמרכזים אור•

יעילות איסוף אור נמוכה )דורש המון שטח •איסוף(





יעילות המרה נמוכה )למעט המרה לחום(•

בעיות



לתהליך ההמרה )הקוואנטית( של סףפוטוסינטזה ותאי שמש יש

תת-אדום אולטרה-סגול

)IR( )UV( ספקטרום

קרינת השמש

המ

צעו

(eV)אנרגיה


מקור לא קבוע )משתנה יומי, עונתי, מזג • אגירה!האויר(

אבק ..... )בד"כ דורש ניקיון מתמיד(•



יעילות המרה נמוכה )למעט המרה לחום(•

בעיותהשמש כמקור אנרגיה


המרת קרינה ל :- ביו-דלק ...................................

פוטו-סינטזה )טבעית( חשמל ..................................... תאי -

שמש )פוטו-וולטאים(- כימיקלים ................................

פוטו-סינתזה מלאכותית

חום סולארי● חימום, קירור - ישיר:

- לדלקים ) בעיקר עם ריכוז(ישיר : תרמו - אלקטרי- לייצור חשמל

עקיף: טורבינות

(2השמש כמקור אנרגיה )

כימיה עכ +

2013 ,דוד כאהןSource: www.nasa.gov

Monitoring chlorophyll concentration from space

over three annual cycles

H2O + CO2 )CH2O( + O2 + פחמימות

כלורופיל

אור

מים

Mg

NN

NN

D

H

H3C

H

H3C A

H

HH

H CH3

B CH2

CH3

H

CH3

OCOOCH3COO phytyl

H2C

CH2H

C

E

H

תהליך הפוטוסינתזה בטבעJ. Golbeck, PennState

אנרגיה כימית

ק"ג סוכר ליום

ליטר ליום


קיימת האפשרות להפקת אנרגיה מצמחים

...ומתירס


הגישה הביולוגית להפקת

אנרגיה מהשמש דורשת

הבנה במדע הבסיסי

שמאחורי התהליכים

Steinberg-Yfrach, et al, Nature 1998, 392, 479

צמח תא צמח כלורופלסט


אפשרויות דרך מדעי הצמח

גידול בר-קיימא של אורגניזמים שיספקו:

מקסימום תפוקת דלק•מינימום תוצרי לוואי•

:הנדסה גנטית ומטבולית בכדי ליצורצמחים עמידים בתנאי עקה )יובש, -

מליחות(צמחים עתירי אנרגיה-

שלא מתחרים בשטחי גידול -למאכל

אנרגיה <אנרגיה מתקבלת -מושקעת!

אצות


ו... אצות

עכ דלק ביולוגי

TW 0.1 כ 2011תפוקה ב

אפשר להפיק 50 אם התוצר גדל פי 5TW


האם ניתן לחקות פוטו-סינתזה? בכדי ליצור אנרגיה אגורה

שמש / רוח

-אלקטרוקטליזה

אור שמש

CO2 , מים

חומרי הזנה

אנרגיה

אגורה

)כימית(

ביו-מסה

קטליזה

עכ


ונהפך לזרם חשמלי

תא סולארי משמש

כ "רכבת הרים" עבור

האלקטרונים

? כיצד עובד תא שמשנבלע בתוךמוליך למחצה אור

ee

ee

ee

eee

eee


אור שמש

מגע אחורי

מגע קדמי

? כיצד עובד תא שמש


ננו-גבישיטיטניום אוקסיד

ננומטר20כ-

'דור ג

ומהפכות בפיתוח תאי אבולוציותשמש

'דור אותרומותנו

סיליקון )צורן(ס"מ

'דור ב

פולי גביש של קדמיום טלוריד

מיקרומטר

גודל התא מצטמצםזול יותר ופשוט יותר ?

סיליקון אמורפי)חסר צורה(

עכ ?הדור הבא


גליום ארסניד(29% סילקון חד-גבישי )25%•

( Si, CIGS תאי שכבות דקות ) 20%•

(DSSC תאי פיגמנט רגישים )12%•

פולימריים(10%תאים אורגאניים מולקולאריים ) 11%•

צומת טנדם/משולש38% "ביג מק" •

צומת טנדם + אופטיקה מרכזת44%"מק רויאל" •

תאים מעבדתיים )צומת בודד( בעלי הפסדים מזעריים

ס"מ1-4גודל אופייני


התקדמויות של כל סוגי תאי השמש עד היום

תאים אורגאניים מגוון טכנולוגיות()

מיוצב מימןסיליקון אמורפי

סיליקון גבישי

חד גביש

סיליקון גבישי

עם חומר נוסף

גליום ארסניד גבישי

צומת כפול

צומת משולש

תאים מרובי צמתים בעלי אופטיקה מרכזת

שכבות דקותנחושת )אינדיום,גליום(

סלניום

תאים מבוססי נקודות קוונטיות

קדמיום טלוריום

תאי פיגמנט רגיש Dye sensitized

ת לו

עיי

)%(


2000 2005 2010 20152

4

6

8

10

12

14

16)%

ת )לו

עי י

שנה

DSSC OPV a-Si Perovskite

והדורות הבאים )?( של תאי שמשעכ


לדורות הבאים דרושיםחומרים חדשים ואופטיקה טובה

יותר צריך"רעים" • חומרים הפיכת

ל"טובים"בקרינת • יותר טוב שימוש

השמשכיצד?תהליך ייצור פשוט יותר•

חומרים בעלי יכולת ריפוי עצמי•עכ

אופטיקה חכמה יותר•תאים הבונים את עצמם•צבע סולארי•


8, אחרי יותר מ-2002במרץ שנים בחלל, הוחלפו תאי השמש

)פעם שניה(

2.5 mm

(Hubble )טלסקופ החלל האבל


מתת האל לאנושות

ת צמו

חתקון/

ליסי

קוןלי

סי

םטניו

טית

צמו

חת


צריך"רעים" • חומרים הפיכת



חומרים בעלי יכולת ריפוי עצמי•אופטיקה חכמה יותר•תאים הבונים את עצמם•צבע סולארי•


יותר


מערכת לומיניסנציה

לריכוז אור שמשכ

ע

התמונה באדיבות סטלה איזקוב ופרופ' דן אורון


תאי שמש מ"פלסטיק" שקוף למחצה

עכ

הארת החממות

ובנוסף

חשמל למאווררים ולמשאבות המים

courtesy David Ginley, NREL


צריך"רעים" • חומרים הפיכת



חומרים בעלי יכולת ריפוי עצמי•אופטיקה חכמה יותר•תאים הבונים את עצמם •

עכ

צבע סולארי •עכ


יותר


)נוואדה(Nellisבבסיס חיל האויר )תמונות משדה סולארי

GWp 0.25 , ומייצרתAgua Calienteהתחנה הגדולה ביותר בעולם היום היא בארה"ב

כיום תחנות )תאי( שמש

TWc 6 ברציפותבכדי לייצר בכל יש להקים מפעל כזה

שעה

שנים16במשך כ-

ההספק הכולל של כל התחנות הסולאריות

01/2013נכון ל- ~ 0.1TWp


10חשמל מאנרגית רוח ? TW

חוות רוח ימית

רוח12/2012הספק כולל

~0.28 TWp

~0.095 TWc

:חוות הרוח הגדולה בעולםAlta )Oak Creek-Mojave( ,

1.32 GWp ) 0.45 GWc(

TWc -על מנת להגיע ל10 חוות 3יש לבנות

20ליום במשך כ-שנה

"לא כיף איתו בערב:

הוא מונע על-ידי אנרגיה סולרית"

שמש ורוח אינם קבועים


חשמל )חדרה(GW 2.5מפעל לייצור

11 GW כ-= ייצור החשמל בישראל100 GW/ קצב גידול ייצור החשמל בסין שנה :

מפעל כזה,כל יום,

שנה11במשך...

10חשמל מפחם ? TW

אם ירצו אין זו )בסין(

אגדה


ע כ – יעילה וזולה פוטוסינתזה מלאכותית *)= דלקים סינטתים(

ע כ יעילים וזוליםתאי שמש -* אופטיקה מתוחכמת, צבע סולארי...?

פוטוסינתיזה טבעית חכמה:•

עכ ביולוגיה מלאכותית..?

)הולוגרפיות(שיחות וידיאו בתלת מימד •

עכ להבי טורבינות-רוח בעלי זכרון צורני •עכ נקייה ובטוחה )יותר(אנרגיה גרעינית •

וכך...

ללכת לכל מקום שאליו יוליכונו הסקרנות והיצירתיות!

על מנת לספק אנרגיה חלופית

מחקר בסיסיעלינו )המדענים( לעסוק ב :ולממש את מה שהיום הוא בגדר חלום

אם נרצה – אין זו אגדה



המיזם לאנרגיה חלופית בת-קיימאשל מכון וייצמן למדע

אתגר הגלובליהאנרגיה היא

לשם כך עלינו להתחיל...

בינינו!כימיהז.א. אנו זקוקים ל

להענות לאתגר יכול להיות פריצת הדרך החשובה ביותר של האנושות

אבל...

כולנו צריכים לעבוד יחדיו על מנת לעמוד בו


הזמן לפתח עכשיואני בסך הכל טוען ש ""...טכנולוגיה להסיט אסטרואידים ממסלולם

עכשיו


Weizmann Institute’s Alternative Sustainable Energy Research Initiative

http://www.weizmann.ac.il/AERI /

Presentations are at http://www.weizmann.ac.il/AERI/presentations.html

Credits / sources

many slides or parts of them came from )websites of( :

IEA, USDOE BES, NREL ++++

N. Lewis )Caltech(, G. Crabtree )ANL(, P. Alivisatos, S.

Chu )UCB /LBL(, A. Nozik, S. Kurtz, D. Ginley )NREL(, the

late R. Smalley )Rice(. , L. Bronicki )Ormat(, Y. Lou

)CWRU(

J. Karni, I. Lubomirsky, I. Maron, G. Hodes )WIS( ,

A. Zaban )BIU(++++

Pls inform us* of any credit that we missed. Thanks! *[email protected]

Documents

כימיה ואנרגיה בת-קיימא - מבט לעתיד של אנרגיה חלופית מתחדשת