ייצור חשמל

ייצור חשמל הוא תהליך המשתמש באמצעים שונים על-מנת להפוך אנרגיות מסוגים שונים לחשמל כמוצר צריכה המאפשר הפעלת מכשירי חשמל. זהו שלב מרכזי בשרשרת האספקה של משק החשמל. 

בשנת 2015 עמד ייצור החשמל הכלל עולמי על כ-23,093 מיליארד קוט"ש, מתוכם 15,152 יוצרו באמצעות דלקים מאובנים, 5,530 באמצעות אנרגיות מתחדשות ו-2,440 באמצעות אנרגיה גרעינית.

שיטות ייצור 
ייצור חשמל לצריכה מתבצע בשלוש שיטות:
 גנרציה - יצירת שדה מגנטי משתנה. זוהי השיטה בה מיוצר רוב החשמל. בשיטה זו מסובבים מגנטים בסביבה של מוליכים חשמליים, וכך מייצרים כוח אלקטרו מניע. סיבוב המגנטים יכול להיעשות באמצעות מנוע מופעל דלק או קיטור, או על ידי ניצול זרמי מים או רוח. 
 אפקט פוטו-וולטאי  - בשיטה זו מנוצלים תאים פוטו-וולטאיים לייצור חשמל ישירות מאנרגיית השמש.
 אנרגיה כימית - מגע בין חומרים מסויימים המאפשר יצירת זרם חשמלי. זוהי השיטה העתיקה ביותר ששימשה ליצור אנרגיה חשמלית עוד בטרם הבין האדם את מהותה.

ייצור בגנרציה 

על-פי חוק ההשראה של פאראדי, בתוך לולאה העשויה מחומר מוליך שנמצאת בשטף משתנה של שדה מגנטי נוצר זרם חשמלי. המשמעות היא כי גם אם הלולאה היא שתנוע ותסתובב בתוך השטף המגנטי, יווצר זרם רצוף וממושך.

שריפת דלק מאובן

רוב החשמל בעולם מיוצר בתחנות כוח אלקטרו-מכניות המופעלות על ידי דלק מאובנים, כגון תוצרי זיקוק של נפט, גז טבעי או פחם. דלקים אלו משמשים לשרפה ובעירה, על מנת להפיק קיטור או אוויר חם שנעים במהירות. תנועה זו מהווה מקור לאנרגיה קינטית המשמשת לסיבוב גנרטור.

בתחנות כוח מסוג מחזור משולב (מחז"ם), שרפת הדלק יוצרת גז המשמש להנעת טורבינה ולאחר מכן הגז משמש ליצירת קיטור שמפעיל טורבינה נוספת. כמות מועטה של חשמל מיוצרת בעזרת מנועי בוכנה שמפעילים גנרטור.

שריפת דלק מאובנים כמו פחם, תוצרי נפט וגז, הוא הגורם העיקרי לעליה בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה, להגברת זיהום האוויר ולהתחממות העולמית. הפחם הוא סוג הדלק אשר יוצר הכי הרבה CO2, וכן תורם לעליית ריכוז הכספית באוקיינוסים.

אנרגייה גרעינית
תחנות כוח גרעיניות עושות שימוש באנרגיית החום הנפלטת מביקוע גרעיני לייצור קיטור המניע טורבינות שבתורן מניעות גנרטור. בצרפת רוב החשמל מיוצר מאנרגיה זו. אנרגיה גרעינית היא השיטה הבטיחותיות ביותר, עם סטטיסטיקה של כ-0.07 מתים לכל טרה-וואט-שעה- מספר דומה לזה של אנרגיה סולארית ואנרגיית רוח, וקטן פי כ-350 מכמות ההרוגים מתעשיית הנפט. במקרה של תקלה או אסון פוטנציאל ההשלכות וההרוגים עלול להיות גבוה מאוד בהשוואה לאמצעי יצור אחרים, אך ממוצע המתים הנמוך לוקח בחשבון גם אותם. אנרגיה גרעינית אחראית למעט מאוד פליטות של גזי חממה- כמות דומה או אף נמוכה מאשר אנרגיות מתחדשות, אך יוצרת פסולת גרעינית מסוכנת, שיש לאחסן בצורה בטוחה. אנרגיה שמקורה באורניום יוצרת פלוטונים בעל פוטנציאל לשימוש כנשק גרעיני, עם זאת ישנן חלופות כמו תוריום, שפולטת פסולת גרעינית פחות מסוכנת וללא פוטנציאל כנשק.

אנרגיות מתחדשות

 אנרגיית רוח: ניתן לרתום את כוח הרוח לסובב גנרטורים. שיטה זו נפוצה בצפון אירופה. 
 אנרגיית מים: ניתן להפיק אנרגיה בעזרת  אנרגיית התנועה של המים, וכן בעזרת האנרגיה פוטנציאלית של נפילת מים. אנרגיה זו מתאימה במיוחד למדינות בהן יש נהרות גדולים, עליהם בונים סכרים ורותמים את האנרגיה של נפילת המים או תנועתם לייצור חשמל.
 אנרגיה גאותרמית: במקומות בהם קרום כדור הארץ דק יחסית ויש פעילות סייסמית, ניתן לנצל את חומו הפנימי של כדור הארץ לחימום מים ולסיבוב טורבינה המפיקה חשמל. 
 שימוש בתנועת הגלים או בהפרשי גאות ושפל על מנת להניע גנרטורים.
 בעזרת מראות ניתן לנצל את חום השמש לחמם זורם (אוויר, מים, שמן תרמי או מלח נוזלי) לטמפרטורות גבוהות וכך להניע טורבינה.

חשמל פוטו-וולטאי

ייצור חשמל ישירות מאנרגיית השמש מתבצע באמצעות תאים פוטו-וולטאיים. ייצור זה מתבצע מאז ראשית המאה ה-21 בשלושה קני מידה:
 חווה סולארית - מערכת תאים פוטו-וולטאיים בקנה מידה גדול, המיועדת לפעול כתחנת כוח ולספק חלק מתצרוכת החשמל הכללי.
 לוחות סולאריים בהתקנה מקומית, המנצלים בדרך כלל שטח גג פנויים. מתקן בסדר גודל כזה יכול לספק חלק מצריכת החשמל של המבנה עליו הוא מותקן.
 לוחות סולריים בודדים וקטנים - במקומות בהם קיים קושי לסלול תשתית חשמל, במקומות בהן הדבר בלתי אפשרי (כמו בתחנות חלל ולוויינים) ולעיתים על ציוד נייד עם צריכת חשמל קטנה יחסית.

אנרגיה כימית

תא אלקטרוכימי הוא מְכל המאפשר יצירת זרם חשמלי הנובע מתהליכים כימיים המתרחשים בתוכו. התא הוא מערכת סגורה המכילה את כל הנדרש להפעלתה, ולאחר ייצורו לא נדרשת שום פעולה או חומר להפעלתו. כמות האנרגיה החשמלית שתא כזה יכול לייצר היא סופית - עד לגמר התגובות הכימיות שבתוכו. עם זאת, קיימים תאים בהם ניתן להפוך את כיוון התגובה ועל ידי כך להאריך את משך השימוש בו ("סוללה נטענת"). ניתן לחבר מספר רב של תאים בתצורות שונות וכך לספק חשמל למגוון רחב של מכשירים.

אגירת חשמל 
רוב שיטות ייצור החשמל באמצעות אנרגיה מתחדשת סובלות מבעיית אמינות באספקת החשמל, כלומר אינן מבטיחות ייצור חשמל רצוף. על מנת להתמודד עם תופעה זו, יש לאגור את האנרגיה העודפת במידה וזו מיוצרת. נכון לראשית המאה ה-21, קיימות שלוש שיטות עיקריות לאגור אנרגיה חשמלית:
 קבלים - טעינה של קבלים היא מהירה יחסית, אך כמות האנרגיה הניתנת לאגירה בצורה זו מצומצמת יחסית. בשיטה זו נעשה שימוש באוטובוסים חשמליים הנוסעים במסלולים קצרים יחסית ונטענים מחדש בגמר כל נסיעה.
 סוללות נטענות - שיטה זו מאפשרת אגירה מעט יותר משמעותית, אך כרוכה בזמן טעינה ארוך, תוספת משקל משמעותית ושימוש בחומרים מסוכנים. שיטה זאת נמצאת בשימוש במגוון רחב של תחומים.
 אנרגיה שאובה: באמצעות שאיבת מים אל מאגר גבוה, ניתן להזרימם מטה וכך לסובב טורבינות.

כל השיטות לאגירת אנרגיה חשמלית כרוכות בהכרח בהוצאת חלק מהאנרגיה הנדרשת להפעלתן. עם זאת, במקרה של אגירת אנרגיה ממקורות מתחדשים, ההפסד אינו משמעותי בשל התחדשות המקור.

חשמל כמוצר צריכה 
לחשמל כמוצר צריכה קיימות תכונות ייחודיות המבדילות אותו ממוצרי צריכה אחרים, ומכתיבות את הדרישות מייצור החשמל:
 חשמל לא ניתן לאחסן. על אף האמור לעיל, נכון לראשית המאה ה-21 יכולת האגירה של אנרגיה חשמלית עדיין זניחה ביחס לכמות החשמל הדרושה לצריכה, ולכן תכנון ייצור החשמל אינו מתחשב באגירה.
 "גודל השוק" - קרי כמות החשמל המיוצרת, נקבעת בכל רגע ורגע על ידי הכמות הנצרכת. כל מכשיר חשמלי המתחבר או מתנתק מהמערכת מאלץ את המערכת להתאים את עצמה מיידית לשינוי.
 תהליך הייצור, בקרת האיכות והאספקה לצרכן נעשים בו זמנית ובכל רגע ורגע.
 הצריכה מתאפיינת בשינויים משמעותיים התלויים בשעות היממה, באירועים כשבתות וחגים, בעונות השנה, באירועי מזג אוויר, ובאירועים מקריים נוספים.
 בשל היותו של החשמל מוצר חיוני ביותר, מערכת הייצור חייבת להיות בנויה בצורה המאפשרת לה להתמודד עם מגוון של תקלות, בהן הפסקת ייצור בחלק מהיחידות. המשמעות היא כי על המערכת להחזיק בכל עת עתודות ייצור בפעולה שמאפשרת להן כניסה מיידית לייצור.

בבג"ץ רוזנצוויג מויסה נגד הרשות לשירותים ציבוריים חשמל נפסק שהזכות לאספקת חשמל היא חלק מהזכות לקיום מינימלי בכבוד, ולכן יש לתקן את אמות המידה באופן שיסדיר הליך לשמיעת טענותיו של הצרכן בטרם קבלת ההחלטה על ניתוק מאספקת החשמל. בעקבות פסק הדין גיבשה רשות החשמל נוהל בנושא, המונע ניתוק של מאות אלפי חייבים נזקקים.

ייצור חשמל בישראל

עד קום המדינה פעלה תחנת כוח הידרואלקטרית בנהריים שעל גדת נהר הירדן, וייצרה כ-11 מגה-ואט חשמל בעזרת ניצול זרם המים. תחנות כוח נוספות שפעלו לפני קום המדינה הן תחנת הכוח רדינג ותחנת הכוח חיפה. במלחמת העצמאות נהרסה התחנה שבנהריים, ומאז רובו המוחלט של החשמל בישראל נוצר בתחנות כוח הפועלות על תוצרי נפט (מזוט וסולר), פחם וגז טבעי.

כיום 

נהוג לחלק את תחנות הכוח העיקריות בישראל לשני סוגים:
 קיטור: התחנות הגדולות והחשובות בישראל הן קיטוריות. תחנה קיטורית תלויה בקירור מי ים, ולכן כל התחנות מסוג זה ממוקמות לאורך קו החוף. תחנות אלו פועלות על פחם ("אורות רבין" ותחנת הכוח רוטנברג), מזוט (חיפה) וגז טבעי (רדינג ואשכול). כושר הייצור של התחנות הגדולות הוא מעל 2,000 מגה וואט כל אחת.

 טורבינות גז ומחזור משולב: "טורבינות גז" הוא שם כולל לשיטת קירור אלטרנטיבית ללא מי ים, ולמרות שמן המטעה יכולות לעבוד על דלק נוזלי או גז. רוב טורבינות הגז פועלות כיום על סולר, ומתוכנן מעבר עתידי לגז טבעי. אתרי טורבינות הגז הגדולים בישראל הם אתר חגית שליד צומת אליקים ואתר גזר ליד רמלה, בעלות כושר ייצור של כ- 1,000 מגה וואט כל אחת.

ביוני 2010 כושר ייצור החשמל בישראל עמד על כ-11.3 אלף מגה וואט, ורובו ככולו נוצל (בימי שרב הניצול שלו עמד על 98% מכושר הייצור). עדיין אין ייצור חשמל משמעותי מאנרגיה חלופית בישראל נכון ל-2018 עומד על כ-6.4% מכושר הייצור, ועיקר ייצור החשמל עדיין מתבסס על תחנות כוח המבוססות על דלק מאובנים. ברמת הגולן קיים שדה קטן של טורבינות רוח על רכס חזקה, וטורבינות רוח בודדות נוספות פזורות בגולן ובגליל. בכורי המחקר הגרעיני (קמ"ג) מיוצר חשמל.

ברחבי ישראל יש שדות רבים של אנרגיה פוטו-וולטאית.

ב-2018 נחנך מתקן באשלים של ייצור חשמל באמצעות טכנולוגיה שנקרא תרמו-סולארית. בינואר של אותה שנה פרסם גם המשרד להגנת הסביבה בישראל תוכנית לייצור חשמל מפסולת.

מחקר ופיתוח בישראל
בישראל מתקימים מחקר ופיתוח ענפים בתחום, ואף ייצור ותפעול תחנות כוח ניסיוניות המתבססות על אנרגיה חלופית.

בתחום הסולארי תרמי: חברת סולל מבית שמש, מיצרת תחנות כוח תרמוסולאריות שמבוססות על חימום קיטור על ידי השמש. סולל נמצאת בראש החברות בעולם בתחום. כאשר אין שמש ניתן לחמם את הקיטור על ידי גז או נפט. רוב תחנות הכוח של סולל מצויות בארצות הברית. כמו כן חברת לוז 2 הירושלמית, בשיתוף עם חברה אמריקאית מפתחת ומייצרת מתקנים תרמוסולריים.

בתחום הגיאותרמי: חברת אורמת מיבנה, נחשבת בין החברות המובילות בעולם בתחום הפקת חשמל מאנרגיה גאותרמית. לחברה עשרות מתקנים בכל רחבי העולם. 

גם האקדמיה הישראלית עוסקת בנושא. לאחרונה מפתח הטכניון טכנולוגיה בשם ארובות שרב, המייצרת חשמל מאנרגיית רוח מלאכותית, ללא פגיעה בסביבה.

חברת "אקו וייב פאוור" עוסקת בייצור חשמל מגלי הים.

ראו גם
אנרגיה חלופית
אנרגיה מתחדשת 
התחממות עולמית
ננו-אנטנה

קישורים חיצוניים

הערות שוליים