תחנת כוח תרמו-סולארית

תחנת כוח תרמו-סולארית (או סולארית-תרמית) היא תחנת כוח המתבססת על אנרגיה סולארית לייצור חשמל. התחנה מבוססת על המרת אנרגיית האור שמפיצה השמש לאנרגיית חום, שבאמצעותה מייצרים קיטור. הקיטור מניע טורבינה המסובבת גנרטור שמייצר את החשמל. קיימות שיטות שונות לבצע את המרת קרינת השמש לקיטור.

שלבי הפקת החשמל 

השלב הראשון בתהליך הוא מיקוד אנרגיית השמש, כדי להגביר אתרובטו אופטיים שונים. במוקד האמצעי האופטי מוצב צינור, לצינור זה מעטפת זכוכית וליבת מתכת. בתוך ליבת המתכת זורם נוזל לשינוע חום (Heat Transfer fluid).

קרני האור עוברות דרך הזכוכית ונבלעות במתכת. הקרינה הנפלטת מהמתכת היא בתת-אדום. קרינה זו נכלאת בתוך הזכוכית (דבר דומה קורה בחממה, ברכב סגור ובדוד שמש). בין המתכת לבין הזכוכית שורר ריק המונע מהחום לדלוף בהסעה. כתוצאה מכך החום נכלא בצינור המתכת ומחמם את הנוזל לשינוע חום.

לאחר שהתחמם, מוזרם הנוזל לשינוע חום (בדרך כלל שמן), דרך מחליף חום תעשייתי. החום עובר אל מים ומרתיח אותם. אדי המים יוצאים מהמכל דרך פתח צר ובלחץ גבוה, מה שמכונה, קיטור. עודפים של מים מסולקים מהקיטור דרך משחן, והקיטור השחון (יבש) שנוצר מסובב טורבינה (קיטור רווי במים מזיק לטורבינה). הטורבינה מניעה גנרטור שמייצר חשמל.

אגירת אנרגיה
אחד האתגרים שעימם מתמודדים מהנדסי המערכות הסולאריות הוא הפער בין שעות שיא לביקוש חשמל, לבין לשעות שיא תפוקת החשמל: צריכת השיא של חשמל היא עם חזרת אנשים עובדים לבתיהם, בשעות הערב. בשעות אלו, שהן שעות שקיעה או אחריה, היכולת לייצר חשמל מאנרגיה סולארית נמצאת בשפל עם התמעטות הקרינה. התמודדות עם פער זמנים זה דורשת מנגנונים לאגירת אנרגיה. שיטות ותיקות כגון אגירת אנרגיה במצברים אינן ישימות לכמויות אנרגיה גבוהות במיוחד, לכן אין משתמשים בהן בתחנות כוח אלא דרושים פתרונות לאגירת אנרגיה רבה מאוד, למשך מספר שעות.

דרך אחת לאגור אנרגיה היא להזרים את הנוזל החם (בשעות הצהריים) סביב חומר בעל קיבול חום גבוה (למשל: גרפיט או בטון), עם פחיתת הקרינה, הנוזל יחל להתקרר, והגוף שקיבל את החום יפלוט אותו לאיטו ויאט את ירידת הטמפרטורה של נוזל שינוע החום.

דרך אחרת היא להזרים את הנוזל בקרבת חומר העובר התכה בעקבות החום, כך למשל משמרים אנרגיה בעזרת התכת תערובת של מלחים. נוזל שינוע החום החם (בשעות הצהריים) מוזרם סביב מכלי מלח גדולים. התכת המלחים צורכת חום כמוס המגיע מהנוזל החם. בערב, כשהנוזל מתקרר, המלחים מתמצקים, פולטים את החום הכמוס, ומאטים את התקררות הנוזל. מערכת מלח נוזלי אוגרת הפרש טמפרטורה של 500 מעלות צלזיוס.
מערכות שאוגרות הפרשי טמפרטורות גבוהים יותר הן חסכוניות יותר בנפח. מערכות כאלו המשתמשות במתכות מוצקות או סיליקוון מותך נמצאות בפיתוח.

האמצעים האופטיים למיקוד אור השמש
בתחנות רבות הדבר נעשה על ידי הצבת מראות פרבוליות, אלו, בגלל צורתן הגאומטרית, מרכזות את קרני השמש למוקד הפרבולה. בתחנת כוח באוסטרליה הדבר נעשה על ידי מראות מישוריות בדומה לעדשת פרנל.
אמצעי נוסף הוא מגדל שמש הנמצא במוקד של שדה סולארי הכולל אלפי הליוסטטים.

נוזל לשינוע חום
קיימים בשוק כמה נוזלים לשינוע חום, העיקריים שבהם הם שמן סינתטי העומד בטמפרטורה גבוהה, מלח מותך ומים.

תחנות כוח המשתמשות במלח מותך, על פי רוב תערובת מלחי ניטראט, משיגות בכך את שינוע החום ואת אגירתו לשעות הערב. לנוזל זה יתרונות רבים: הוא זול יחסית לחלופות, בעל קיבול חום גבוה, אינו מגיב עם הסביבה, זמין בכמויות תעשייתיות ועוד, חסרונו העיקרי הוא בקפיאתו בטמפרטורה נמוכה יחסית לחלופות (220 מעלות צלזיוס). מרגע שהמלח קופא, קשה להתיכו שנית בצינור (מסיבות של קושי גאומטרי במעבר חום), לכן מוסיפים לו תוספים שימנעו קיפאון.

יתרונות וחסרונות
לתחנות כוח תרמו-סולאריות מספר יתרונות (יחסית לתחנות כוח בשיטות מסורתיות כמו פחם, גז ונפט):
 תחנות אלו אינן מזהמות את הסביבה.
 מקור האנרגיה של תחנות אלו אינו מתכלה.
 בניגוד לסוגים אחרים של אנרגיה מתחדשת, כגון אנרגיית רוח, ניתן בקלות לאפשר את הפעלת תחנת הכוח גם בהיעדר אנרגיה סולארית, על ידי חימום המים והפיכתם לקיטור בעזרת שימוש בגז, מבלי להידרש להקמת תחנת כוח שלמה לגיבוי יכולת הייצור.

חסרונות של תחנות כוח תרמו-סולאריות:
 הספק הייצור הוא רק בשעות היום. צריך להוסיף אמצעי גיבוי ללילה. 
 הספק הייצור של תחנות אלו תלוי בגורמים שאינם בשליטת האדם, כגון מזג האוויר.
 עלות ההקמה וההפעלה של התחנה יקרה יותר מאשר תחנה המופעלת בפחם או בגז טבעי.
 הקמת תחנות אלה מצריכה כוח אדם בעל הכשרה ייחודית.
 התחנות בנויות על שטח גדול בהרבה ממקבילותיהן בשיטות המסורתיות.
 ניתן למקם אותן רק באזורים מסוימים שבהן יש שילוב של קרינה גבוהה עם מעט אובך ומשקעים.

פליטת מזהמים 
על אף שעקרונית תחנות כוח תרמו-סולאריות מסוגלות לפעול ללא שריפת דלק מתכלה שפולט מזהמים, חלקן שומרות על חום המערכת בלילה על ידי שריפת דלק, על מנת לקצר את משך הזמן שנדרש בבוקר לחימום המערכת לטמפרטורת תפוקה מארבע שעות לחצי שעה. תחנות המשתמשות במלח מותך נזקקות למערכות חימום על בסיס דלקים כדי למנוע את התקררות המלח, שהתמצקותו עלולה להשבית את התחנה לצמיתות.

מחירי האנרגיה
מחירי האנרגיה של תחנות תרמו-סולריות אינם תחרותיים. לדוגמה, עוד בהקמתה בשנת 2014, מחירי האנרגיה של התחנה התרמו-סולארית איוונפה לא היו תחרותיים עם מחירי האנרגיה של תחנות פוטו-וולטאיות. למעשה כבר בשנת 2011 חזו חלק מהמשקיעות בטכנולוגיה שהירידה במחירי האנרגיה של תחנות פוטו-וולטאיות תהפוך את הטכנולוגיה התרמו-סולארית ללא-כדאית כלכלית. על פי משרד האנרגיה האמריקאי, בשנת 2017 בממוצע מחיר האנרגיה לקוט"ש של תחנה תרמו-סולארית בארצות הברית היה פי ארבעה ממחיר האנרגיה לקוט"ש של תחנה סולארית פוטו-וולטאית, וכמעט פי חמישה בשנת 2018, וכך גם בישראל.

בעולם
בעולם ישנן תחנות כוח תרמו-סולאריות מעטות (יחסית לתחנות המופעלות בפחם או בגז) והספק כל אחת נמוך (ביחס לתחנות העובדות בשיטות מסורתיות). הסיבה לכך היא עלות החשמל הגבוהה, בעיקר בגלל עלות הקמה גבוהה (אם כי גם העלות התפעולית אינה זניחה).

המדינות המובילות בעולם בייצור חשמל בשיטה זו בשנת 2016 הן:

בארצות הברית
התחנות הגדולות בעולם, מבחינת הספק, נמצאות בקליפורניה שבארצות הברית. תחנות אלו נבנו על ידי חברת "לוז" הישראלית בין 1984 ל-1991, בהספק כולל של כ-350 מגה-וואט, והן פעילות עד היום. באוקטובר 2013 חנכה חברת ברייטסורס אנרג'י את תחנת הכוח התרמו-סולארית הגדולה בעולם, באייונפה, קליפורניה, בהספק של 377 מגה ואט. בנוסף פועלות בארצות הברית עוד שש תחנות, בהספקים של 65, 5,5, 2, 1.5, 1 מגה ואט וב-2010 הושקה בפלורידה תחנה בהספק של 75 מגה ואט.

בספרד
בספרד פועלות 27 תחנות סולריות. הגדולות בהן מייצרות הספק של 100 מגה ואט, למשל בגרנדה ניצבת תחנה בשם אנדסול בהספק זה. בכעשר תחנות נעשה שימוש בטכנולוגיה סולארית תוצרת חברת סולל מישראל.

בישראל
בישראל פועלת מדרום לאזור התעשייה "רותם" בדימונה, תחנה בקנה מידה קטן, למטרות ניסוי והדגמה של חברת ברייטסורס אנרג'י. 

בתחנת הכוח באשלים קיימות שתי תחנות כוח סולריות. האחת של נגב אנרגיה בשיטה של מראות פרבוליות, והשנייה של ברייטסורס בשיטה של מגדל שמש. כל אחת משתי תחנות הכוח היא בהספק של 121 מגה.

בעולם הערבי
אבו דאבי הודיעה על הקמת תחנת בהספק של 100 מגה ואט, בעיר זיאד.

קישורים חיצוניים

הערות שוליים 

מדעי הסביבה
תרמו-סולארית