שיעור 2: ייצור אנרגיה מדלק מאובנים והשלכותיו
משך זמן
90 דק' (שיעור כפול)
מושגים מרכזיים
אנרגיה, חשמל, צרכנים, דלק מאובנים, גז טבעי, פחם אבן, טורבינה, וואט, וואט-שעה, זיהום, משאב מתכלה
מיומנויות נלמדות
ראייה מערכתית, חשיבה תהליכית, קריאת גרף, קריאת מפה
הקדמה
הקדמה
שיעור זה מהווה המשך לשיעור הקודם. אנו ממשיכים לעסוק בדלק מאובנים, ובפרט בהיבט הטכנולוגי של ייצור האנרגיה באמצעותו. במהלך השיעור נתמקד בתפקידו של הדלק בסיבוב טורבינה, המאפשרת את ייצור החשמל בתחנת הכוח. עיקר תשומת הלב תינתן לשימוש בגז טבעי לצורך זה.
בנוסף, נעמיק את הבנת ההיבט הכמותי של אנרגיה, ונלמד להבחין בין יחידות של הספק ליחידות של כמות מצטברת. במסגרת זו, נחזור לדון בפעילות שניתנה לתלמידים כשיעורי בית בסיום השיעור הקודם.
בהמשך השיעור נדון בהיבטים רחבים יותר של השימוש וההסתמכות ההדוקה של האנושות על דלק מאובנים. בשיעור הקודם למדנו על תהליך ההיווצרות של חלק מסוגי דלק המאובנים (נפט וגז טבעי), ראינו עד כמה תלוי תהליך זה בהצטרפות נדירה של תנאים רבים וכיצד דבר זה הביא להימצאות לא שוויונית של משאבים אלה במקומות שונים בכדור הארץ. בשיעור זה נדון במשמעות הגיאופוליטית של חוסר האיזון הזה. בנוסף נראה מדוע משאבים כאלה נקראים "משאבים מתכלים", תוך כמה זמן הם צפויים להיגמר, ומה ניתן לעשות בנדון. לבסוף, נדון בהשלכות הסביבתיות של השימוש בדלק מאובנים לייצור אנרגיה, כולל ההשפעה הנרחבת שיש לכך על האדם ועל כדור הארץ.
הרקע הנרחב שמתקבל בשיעור זה ובשיעור הקודם יהווה נקודת פתיחה לפעילות החקר של התלמידים בשיעורים הבאים, שבה הם יעסקו במשאבי אנרגיה ירוקים שאינם מתכלים.
מטרות
- התלמידים יסבירו את העקרונות המדעיים והתהליכים הטכנולוגיים העיקריים הכרוכים בייצור אנרגיה מגז טבעי.
- התלמידים יכירו את היחידות המשמשות לתיאור הייצור והשימוש בחשמל: צריכה/הספק וכמות אנרגיה.
- התלמידים יסבירו מהו משאב מתכלה לייצור אנרגיה.
- התלמידים יפרטו את החסרונות של שימוש בגז טבעי ובמשאבים מתכלים אחרים להפקת אנרגיה.
- התלמידים יציינו את ההשלכות הסביבתיות של ייצור אנרגיה באמצעות משאבים מתכלים.
- התלמידים יפרטו את הסיבות למעבר לגז טבעי כמקור אנרגיה עיקרי.
- התלמידים יסבירו מהי אנרגיה נקיה ומתחדשת.
- הנחיות לשיעורי הבית (ראו בסוף מערך השיעור)
- ציוד לפעילות שכבות – לכל זוג תלמידים: 5 משטחים בד או נייר בצבעים שונים בגודל 10X10 סמ"ר
מהלך השיעור
מהלך השיעור
ייצור חשמל בתחנת הכוח »
בשיעור הקודם הסתכלנו על התמונה הגדולה של שביל האנרגיה וראינו שהיא מורכבת משלושה חלקים עיקריים: משאבי האנרגיה, ייצור האנרגיה, הצרכנים. ראשית התמקדנו בנו – הצרכנים – ודיברנו על הצורך ההולך וגובר באנרגיה זמינה. לאחר מכן עסקנו במשאבים המשמשים לייצור אנרגיה – ובפרט בדלק מאובנים. ראינו שהאנרגיה הכימית של סוגי הדלק שהכרנו עד עכשיו יכולה להשתחרר בצורת חום כששורפים אותם. בשיעור הנוכחי נשאל, איך אנחנו הופכים את החום הזה לחשמל שיוכל לשמש אותנו בבתים ובמפעלים?
תחנת "אורות רבין" בחדרה
אנחנו חוזרים לתחנת הכוח "אורות רבין" בחדרה שאיתה פתחנו את השיעור הקודם.
כפי שאמרנו בשיעור הקודם, זוהי תחנה פחמית (מבוססת פחם) אשר נמצאת בתהליכי מעבר לייצור חשמל באמצעות גז טבעי. נסתכל על מבנה התחנה:
הערה למורה: מומלץ להקרין את תמונות ה-360 הבאות על המסך בכיתה, להזיז ולמקד אותן על פי ההסבר שלהלן.
- תמונת 360 – מבט מרחוק על התחנה (קישור):
- אנחנו מסתכלים על תחנת הכוח מכיוון הים. לפנינו ארבע ארובות של התחנה: 2 הרחוקות הן בגובה 265 מטר כל אחת (כמו בניין בן 80 קומות!), והן הראשונות שנבנו. מאוחר יותר נבנתה הארובה השלישית, שגובהה 300 מטר (90 קומות!). הארובה הקרובה אלינו ביותר היא האחרונה שנבנתה, וגובהה 250 מטר. היא שונה מהארובות האחרות בכך שבעת בנייתה הותקנו עליה מתקנים (הנקראים "סלקנים") מיוחדים לסינון חלקיקים מזהמים, במטרה להפחית את הסכנות הסביבתיות הנלוות לשריפת הפחם.
- מאחורינו (לכיוון מערב) ניתן לראות את מסוע הפחם, היוצא מתחנת הכוח ומגיע לתחנת עגינה לספינות הפחם במרחק 2 ק"מ מהחוף. הפחם נפרק מהספינות באמצעות 3 עגורנים (מנופים), ומשם הוא מובל באמצעות המסוע אל מחסני הפחם שבתחנה.
- תמונת 360 – מבט-על על התחנה (1) (קישור):
- אנו משקיפים כעת מקרוב יותר על התחנה. ניתן לראות כיצד היא בנויה.
- בדיוק מתחתינו עובר מסוע הפחם, המגיע מתחנת העגינה (כאמור, במרחק 2 ק"מ מהחוף).
- מולנו, בחלק המזרחי של התחנה, נמצא אזור האחסון של כל הפחם שמגיע לתחנה (מעין משולש שחור). מול שתי צלעות המשולש הקרובות אלינו (יש עליהן מנופים צהובים), ישנם אזורי אחסון של אפר פחם (בצבע בהיר יותר), שהוא תוצר הלוואי שנשאר לאחר שריפת הפחם בתהליך ייצור החשמל.
- התמקדו בפתחי הארובות הדרומיות (מצד ימין לנו). תוכלו לראות את הגזים הנפלטים מהן, שהם תוצרי לוואי של שריפת הפחם. קוטר הפתחים של הארובות הוא כ-6 מטרים.
- התמקדו בתחתית הארובות. קוטרן הוא כ-18 מטרים. לצד תחתית הארובות נמצאות יחידות הייצור של החשמל, הכוללות את הטורבינות.
- יחידות הייצור החדשות שיתבססו על גז טבעי נבנות באזור הריק שמכיוון מזרח של הארובה הצפונית ("השמאלית").
- תמונת 360 – מבט-על על התחנה (2) (קישור):
לפנינו פתח היציאה של מי הקירור מהתחנה, הנשפכים בחזרה לים. המים, הנשאבים אל התחנה מנקודה אחרת, משמשים לקירור הקיטור הנוצר בתהליך ייצור החשמל. אדי המים הנוצרים בתהליך הקירור נפלטים מהארובות ביחד עם שאר גזי הפליטה. בחודשי החורף, המים החמימים הנשפכים מהתחנה אל הים מושכים לאזור כרישים.
איך מייצרים חשמל? »
כפי שהוזכר בשיעור הקודם, חשמל הוא תנועה מסודרת של אלקטרונים (חלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי) בתוך חומר מוליך. בניגוד למים הזורמים בצינור, האלקטרונים נמצאים תמיד בחומר המוליך (למשל, תיל נחושת), אך הם מתחילים לנוע בכיוון מוגדר עד כדי יצירת זרם חשמלי רק בהשפעת שדות חשמליים ומגנטיים חיצוניים. אם החומר המוליך בנוי בצורת לולאה סגורה, ואם הלולאה הזו נעה בתוך מגנט, השפעת השדה המגנטי תיצור זרם חשמלי בלולאה.
כך עובד גנרטור, באופן הפשוט ביותר – חוט מוליך שמסתובב בתוך מגנט קבוע, או מגנט שמסתובב מסביב לחוט מוליך (זה לא משנה, כל עוד אחד נע לעומת השני). כיוון השדה המגנטי של המגנט מוגדר על פי 2 הקטבים שלו – צפון (מסומן ב-N) ודרום (מסומן ב-S).
הציגו לתלמידים את הסרטון (gif) שמדגים זאת (במצגת).
הרחבה על פעילות הגנרטור
כאשר לולאת החוט המוליך מסתובבת בתוך מגנט, כיוון הזרם החשמלי שייווצר תלוי בכיוון התנועה של הלולאה בתוך השדה המגנטי (עם או נגד סיבוב השעון).
היעזרו באנימציה (במצגת) והדגימו: נעקוב אחרי חלק מסויים במלבן המסתובב: כשהחלק הזה נמצא למעלה, המטענים בחומר המוליך נעים מצפון N לדרום S, ולכן יש זרם בכיוון אחד. כשהחלק בו אנו מתמקדים נמצא למטה, המטענים בחומר המוליך נעים מדרום לצפון, ולכן יש זרם לכיוון השני. כתוצאה מכך, הזרם החשמלי ינוע בחלק מהזמן לכיוון אחד ובחלק מהזמן לכיוון השני, לסירוגין. סוג זה של זרם חשמלי נקרא "זרם חילופין". זהו סוג הזרם המתקבל מהשקעים בקירות הבתים.
כדי להגדיל את עוצמת הזרם, משתמשים בלולאה בעלת ליפופים רבים יותר של החומר המוליך. זהו רכיב שנקרא "סליל מגנטי".
הראו לתלמידים את ההדגמה שבסרטון הבא.
אנחנו מבינים שכדי לייצר חשמל צריך לסובב לולאת חוט מוליך – סליל מוליך – בתוך מגנט. כדי לייצר הרבה חשמל, צריך להגדיל את הסליל ואת המגנט, ולדאוג לסיבוב קבוע של אחד משניהם – דבר שמצריך הרבה כוח. במה משתמשים כדי ליצור את הסיבוב הזה?
לרוב מה שמספק את כוח הסיבוב הוא טורבינה גדולה המחוברת לסליל או למגנט (תלוי במבנה הגנרטור) ומסובבת אותם. בשני המקרים, החומר המוליך נע לעומת השדה המגנטי – וזה מה שגורם לייצור החשמל. בנוסף, אין זה משנה מה מסובב את הטורבינה – העיקר שיהיה משהו עם מספיק כוח כדי לגרום לסיבוב של סליל כה גדול.
הטורבינה עצמה היא מכשיר מכני שמשתמש בזרימה ישרה של חומר כדי ליצור סיבוב (זהו מכשיר בעל פעולה הפוכה מזו של מאוורר או פרופלור של מטוס, למשל, שבהם סיבוב גורם לתנועה של ישרה של זרם האוויר או של המטוס).
היסטורית, סיבוב הטורבינות בגנרטורים התבצע באמצעות פחם. את הפחם שורפים על מנת לחמם מים; המים החמים הופכים לקיטור בלחץ רב המנותב כזרם בצינורות, וזרם הקיטור הזה מסובב טורבינה.
אולם זוהי כמובן לא הדרך היחידה לסובב טורבינה. אף על פי שהשימוש בפחם עדיין נפוץ מאוד – אפילו כאן בתחנת "אורות רבין" – בשנים האחרונות עוברות תחנות כוח רבות בעולם לייצור חשמל באמצעות גז. בתחנות מבוססות גז משתמשים פעמים רבות בשיטה שנקראת "מחזור משולב", הכולל שימוש בשתי טורבינות: האחת מסתובבת על ידי שריפת גז, והשנייה מסתובבת על ידי קיטור המתקבל משאריות החום של הגז מהטורבינה הראשונה. דבר זה תורם מאוד ליעילות התחנה ומהווה יתרון משמעותי.
הקרינו את הסרטון הבא שמסביר את השימוש בגז לייצור אנרגיה בעזרת שתי טורבינות וגנרטור:
הערה למורה: שימו לב, לחצו על CC כדי להפעיל כתוביות, ועל גלגל השיניים, כדי לבחור תרגום אוטומטי, ואז עברית.
להרחבה למורה: https://www.energy.gov/fecm/how-gas-turbine-power-plants-work
ואיך זה נראה בפועל כשגז מתפוצץ כדי לדחוף טורבינה? הקרינו את הסרטון הבא:
כמה אנרגיה מיוצרת? וכמה אנחנו צריכים? »
ראינו בשיעור שעבר שאנחנו זקוקים לאנרגיה לצרכי היומיום, אך חשוב לזכור גם שלא מדובר רק על צרכני קצה, ואנו זקוקים לאנרגיה לא פחות כדי שמפעלים יוכלו לייצר מוצרים שאנחנו משתמשים בהם. ראינו עכשיו שכדי לספק את האנרגיה הזאת, לרוב שורפים דלק-מאובנים (למשל פחם, נפט או גז) כדי לסובב טורבינות, שמפעילות גנרטור, שמייצר חשמל. אולם, כמה אנרגיה הגנרטורים צריכים להפיק כדי לספק את צרכינו?
הכרות עם היחידות למדידת אנרגיה »
בחלק זה נבצע היכרות עם הגדלים האופייניים לצריכה ולייצור, ונכיר את היחידות הרלוונטיות.
שימו לב:
- יחידות החשמל מבלבלות לא רק תלמידים, אלא גם מבוגרים רבים. במקומות שונים משתמשים במושגים שונים, ואין אחידות. הספק ואנרגיה הן היחידות הפיזיקליות, אך בדרך כלל משתמשים במילה צריכה גם בהקשר של הספק, וגם בהקשר של אנרגיה.
- יחידות הצריכה הרגעית (קצב השימוש) הן וואט, קילו-וואט, מגה-וואט. לעומתן, יחידות האנרגיה מתייחסות לצריכה מצטברת, כלומר וואט-שעה, קילו-וואט-שעה, מגה-וואט-שעה. שימו לב שלא מדובר על קצב, כלומר לא אומרים קילו-וואט לשעה (כמות אנרגיה חלקי זמן), אלא זאת מכפלה: קילו-וואט כפול שעה. כדי לדעת במשך כמה זמן הצטברה הצריכה, יש צורך לציין זאת באופן ישיר, כלומר יום, חודש, שנה וכו'. כלומר שכמו שקילומטר לשעה לא מתאר משהו שקרה בהכרח במשך שעה, גם היחידה קילו-וואט-שעה לא מתארת משהו שקרה בהכרח שעה.
נעזור לתלמידים להבין את המשמעות של היחידות וההבדלים ביניהן דרך התשובות שלהם לפעילות שיעורי הבית שניתנה בסוף השיעור הקודם.
שאלה לתלמידים
מה המכשיר עם הצריכה הכי נמוכה שמצאו? מה המכשיר עם הצריכה הכי גבוהה שמצאו? (אם התלמידים לא ביצעו את השאלה הזאת כמטלת בית, ניתן לתת להם משימה בשיעור לחפש מידע ברשת על מכשירים שונים).
- הפנו את תשומת הלב של התלמידים ליחידות – נורה צורכת כ-10 עד 40 וואט, אך ניתן למצוא גם מכשירים שצורכים בקילו-וואטים.
- קילו-וואט זה אלף (1,000) וואט.
- מגה-וואט זה מיליון (1,000,000) וואט.
- ג'יגה-וואט זה מיליארד (1,000,000,000) וואט.
- איך בוחרים במה להשתמש? ביחידה שבה צריך להשתמש בהכי מעט אפסים. למשל, במקום לכתוב 10,000 וואט, נכתוב 10 קילו-וואט.
שאלה לתלמידים
כעת שאלו את התלמידים לגבי חשבון החשמל: האם הם ומשפחתם צרכו מעל או מתחת לממוצע? (ניתן גם להשתמש בחשבון החשמל המצורף בתור דוגמה).
- הפנו את התלמידים ליחידות שמופיעות בחשבון החשמל – קווט"ש, זהו קיצור של קילו-וואט שעה, שהוא בעצמו קיצור של קילו-וואט כפול שעות.
- אנו משלמים לחברת החשמל על כמות האנרגיה שהשתמשנו בה. מה הקשר בין כמות לצריכה? כדי לדעת בכמה אנרגיה השתמשנו, צריך לבדוק במשך כמה זמן צרכנו אותה.
- נשווה זאת לקצב הליכה: המרחק שהלכנו תלוי בקצב ההליכה שלנו ובמשך הזמן שבו הלכנו. באופן דומה, כמות האנרגיה שצרכנו תלויה בקצב הצריכה שלנו (המתואר ביחידות וואט) ובמשך הזמן שבו צרכנו את האנרגיה (למשל, משך הזמן שבו הפעלנו מכשיר חשמלי מסוים). תוצאת המכפלה הזאת היא ביחידות של וואט-שעה (וואט כפול שעה), או קילו-וואט-שעה (קילו-וואט כפול שעה), או אפילו מגה-וואט-שעה (מגה-וואט כפול שעה), וכו'.
שימוש בחשמל | הליכה |
קצב צריכת האנרגיה: וואט, קילו-וואט | קצב ההליכה: מטרים לדקה, קילומטרים לשעה |
סך כמות האנרגיה שנצרכה: וואט-שעה, קילו-וואט-שעה | מרחק ההליכה: מטרים, קילומטרים |
- כלומר אם צרכנו 1 קילו-וואט במשך שעתיים, או צרכנו 2 קילו-וואט במשך שעה – בכל מקרה צרכנו את אותה כמות אנרגיה: 2 קילו-וואט שעה. בדומה לכך שאם הלכנו בקצב של קילומטר-לשעה במשך שעתיים, או שהלכנו בקצב של 2 קילומטר-לשעה במשך שעה – בכל מקרה עברנו את אותו המרחק: 2 קילומטר.
- מכיוון שאי אפשר להבדיל בין צריכה גבוהה לזמן קצר לצריכה נמוכה לזמן ארוך, נהוג לציין גם לאורך כמה זמן הצטברה הצריכה. למשל צריכה חודשית של בית ממוצע בישראל היא כ-1700 מגה-וואט שעה.
כמה אנרגיה אנחנו צורכים »
שאלה לדיון
כפי שניתן לראות בחשבונות החשמל (של התלמידים או בחשבון לדוגמה), הצריכה החודשית הממוצעת באזור המגורים משתנה מדי חודש. נניח למשל שבחשבון של משפחה מסוימת נראה כי הצריכה המצטברת הנמוכה ביותר בסך 1,206 קילו-וואט-שעה התקבלה בחודש נובמבר, ואילו הצריכה המצטברת הגבוהה ביותר בסך 2,436 קילו-וואט-שעה נרשמה באוגוסט.
- מהי משמעות היחידות?
- האם תוכלו להעריך הבדל כזה בין החודשים?
- באוגוסט יותר שעות אור מאשר בנובמבר, ולכן בנובמבר מדליקים אורות בבית ליותר זמן מאשר באוגוסט. למה זה לא גורם לחשבון נובמבר להיות יותר גבוה מחשבון אוגוסט?
תשובות:
- קילו-וואט שעה, כלומר מדובר ביחידות אנרגיה. הזמן שבו צריכת האנרגיה הזאת נמדדה הוא לאורך חודש אוגוסט, כלומר מדובר באנרגיה מצטברת בעקבות צריכה חודשית.
- הצריכה המצטברת תלויה בצריכת המכשירים ובמשך הזמן שמשתמשים בהם. סביר להניח שבחודש אוגוסט משתמשים במזגן שצורך כ-2 קילו-וואט במשך רוב שעות היום – וזאת בנוסף לשימוש במכשירי הבית שהשתמשו בהם בנובמבר. לכן הצריכה המצטברת גבוהה יותר באוגוסט מאשר בנובמבר.
- הצריכה של נורה היא כ-10 וואט. גם במקרה שבו מספר נורות דולקות בבית, כמות האנרגיה המצטברת עדיין תהיה קטנה יחסית. למשל, הצריכה של 10 נורות היא כ-100 וואט, זה הרבה פחות מהצריכה של מזגן שהיא כ-2 קילו-וואט (2,000 וואט).
כמה אנרגיה מייצרים? »
מהי כמות האנרגיה שתחנות הכוח בישראל יכולות לספק?
היכנסו למפת תחנות הכוח, והתמקדו בישראל. בעזרת סרגל הצד בחרו לראות רק תחנות מבוססות על גז, פחם ונפט. לחצו על התחנות במפה כדי לקבל פרטים על התחנה.
בישראל ישנן 2 תחנות כוח מבוססות פחם:
- לתחנת "אורות רבין" בחדרה הספק של כ-2,590 מגה-וואט (כלומר 2,590,000 קילו-וואט).
- לתחנת "רוטנברג" באשקלון הספק של כ-2,250 מגה-וואט.
שאלה לדיון
אם אורות רבין היתה צריכה לספק חשמל אך ורק למזגנים (2 קילו-וואט) כמה מזגנים היו יכולים לפעול בבת אחת בזכות ההספק שלה?
תשובה: 1,295,000 מזגנים.
בשל השימוש ההולך וגובר בחשמל (ראינו בשיעור הקודם), פתרון אחד חייב להיות ייעול של השימוש בחשמל, כדי להקטין את הצריכה. בישראל הצריכה היא לפעמים גבולית מבחינת יכולת אספקת החשמל של המדינה, ולכן יש לפעמים הפסקות חשמל כשמזג האוויר חם מאוד.
ראו לדוגמה כתבה על "מחדל החשמל".
בישראל ישנן כ-15 תחנות כוח מבוססות גז. לתחנות אלה בישראל יש הספק נמוך מאלה הפחמיות, של כ-500 עד 1,700 מגה-וואט, תלוי בתחנה.
ייצור אנרגיה באמצעות דלק מאובנים - פתרון אופטימלי? »
עכשיו יש לנו את התמונה המלאה: מהם צרכי האנרגיה שלנו כצרכנים, ואיך ניתן להשתמש במשאבי דלק מאובנים כדי לייצר חשמל במידה מספקת. נוכל להסתכל שוב על תהליך ייצור החשמל בתחנות כוח מבוססות דלק מאובנים, ולבדוק האם זאת השיטה האופטימלית על ידי בחינה של היבטים שונים: הספק, מיקום, זיהום הסביבה, זמינות משאבים.
מיקום תחנות כוח המבוססות על דלק מאובנים
התחנות שמבוססות על גז מפוזרות ברחבי הארץ, אך לא בכל מקום ניתן או משתלם להקים תחנה כזו. נוכל להשוות את המיקום שלהן למיקום צינורות הגז הטבעי בישראל.
תחנת כוח מבוססת גז חייבת להיות מחוברת לתשתית הגז של המדינה ולצומת קו מתח גבוה. ניתן לראות שהתחנות הקיימות נמצאות בסביבת צינורות הגז הטבעי. הקמת תחנה במקומות מרוחקים היא בעייתית ונרצה להימנע מכך במידת האפשר.
שאר הנקודות שמופיעות במפת צנרת הגז (מלבד תחנות הכוח) הן מפעלים עתירי אנרגיה, המשתמשים בגז ישירות לחימום בתהליך הייצור (במקום להשתמש בחשמל).
שאלה לתלמידים
התחנות שמבוססות על פחם נמצאות בישראל על חוף הים. האם יש לכך סיבה?
- רמז – הצצה לתהליך פריקת הפחם באורות רבין (עד 0:52):
- ניתן לראות גם את יציאת מי הקירור מ"אורות רבין". אלה מים שחוממו כשעברו סביב צינורות הקיטור החמים, וכשהם מוחזרים לים הם מושכים דגים וכרישים בשל הטמפרטורה הגבוהה שלהם.
נסתכל גם על תחנות פחמיות בפולין. בצעו במפה "זום אין" על פולין, שם יש מספר רב של תחנות כוח פחמיות. נתמקד בכך שהן מבוססות על קיטור שנוצר בחימום הנגרם משריפת פחם. האם תוכלו להסיק מהמפה במה משתמשים כדי לקרר את הקיטור חזרה למים? האם תוכלו להסיק כיצד מגיע הפחם לתחנה?
נסכם:
- תחנה המבוססת על קיטור חייבת אספקת מים קרים לקירור הקיטור כך שניתן יהיה להפוך אותו שוב למים, להשתמש בו שוב לסיבוב הטורבינה, וחוזר חלילה.
- תחנה המבוססת על פחם חייבת להיות ממוקמת במקום שקל להוביל אליו את הפחם – על חוף ים, לצד נהר או לצד פסי רכבת. כמויות הפחם לא מתאימות להובלה במערכת הכבישים הרגילה, שכן הכבישים במהרה יהיו פקוקים בעקבות מספר המשאיות הגדול.
- במקרים השונים בתחנות הכוח הפחמיות בפולין השימוש הוא במקווי מים או בנהרות לקירור הקיטור, והגעת הפחם היא בעזרת רכבות.
מהם משאבים מתכלים? »
ראינו בשיעור שעבר שסוגים שונים של דלק המאובנים נוצרים בתהליך מאוד ארוך, אשר כרוך בצירופי מקרים נדירים. המשמעות היא שבזמן שאנחנו משתמשים במאגרי הדלק הללו לייצור אנרגיה, אותם מאגרים אינם מתמלאים בדלק חדש. לכן אנו קוראים למשאבים אלה משאבים מתכלים – הם הולכים ונגמרים.
כמה משאבים אנו צורכים? לדוגמה, צריך לשרוף כ-40 ק"ג של פחם בתחנת חשמל מבוססת פחם כדי להפעיל נורה אחת של 10 וואט למשך שנה אחת.
Image by Freepik
במבט ראשון נראה שיש באדמה כמות עצומה, כמעט אינסופית, של סוגים שונים של דלק מאובנים. אבל למעשה, התמונה משתנה כשמנסים לכמת את מאגרי הדלק הקיימים ולהעריך בהתאם לכך את משך הזמן שבו נוכל להשתמש בהם להפקת אנרגיה.
ההערכות היום (לפי אתר worldmeters) הן:
- נשארה כמות שוות ערך ל- 1,650,585,140,000 (כ-1.65 טריליון) חביות נפט, שתספיק ל-47 שנים.
- נותרה כמות של כ- 1,139,471,430,000(בערך טריליון) טון פחם שניתן לחצוב ולכרות, שיספיקו ל-133 שנים.
- נותרו כמות של כ- 6,922,922,000 (מיליארדים) מטרים מעוקבים של גז טבעי שניתן להפיק, שיספיקו ל-52 שנים.
הרחבה על המספרים
להתעמקות בסטטיסטיקות האלה, היכנסו לקישורים הבאים. תוכלו לראות שם מהי הכמות הפוטנציאלית של כל אחד מהמשאבים שמתגדלים לאורך השנים, היכן הם נמצאים וסטטיסטיקות נוספות.
ההשלכות הגיאו-פוליטיות של שימוש בדלק מאובנים »
חוסר שוויון שמוביל למלחמות:
ראינו בשיעור שעבר שקיים חוסר שוויון עצום בבעלות על משאבי אנרגיה: ישנן מעט מדינות שיש להן הרבה נפט או גז, והרבה מדינות שאין להן הרבה נפט או גז. יחד עם זאת, כל המדינות זקוקות למשאבים לייצור אנרגיה כדי להתקיים. ככל שאוכלוסיית המדינה גדולה יותר, כך אותה מדינה זקוקה ליותר משאבים. לכן, דלק המאובנים הפך למוצר יקר מאוד, והנפט אף מכונה "הזהב השחור".
- משמעות כלכלית: עבור מדינות שבהן יש מאגרים גדולים של נפט או גז, המשאבים הללו מהווים נכס כלכלי משמעותי המכניס כסף רב למדינה, שכן הן מוכרות אותם למדינות אחרות. דוגמה מרשימה לכך היא איחוד האמירויות, מדינה קטנטנה באמצע מדבר, אך אחת המדינות העשירות בעולם.
- כוח פוליטי: אך בכך הסיפור לא נגמר; הדרישה העולמית למשאבי אנרגיה נותן למדינות עם הרבה דלק מאובנים כוח רב בפוליטיקה העולמית. דוגמה לכך היא השפעתן הרבה של מדינות ערב על הפוליטיקה העולמית, והחשיבות שמדינות רבות רואות בשמירה על יחסים טובים איתן. ישראל, אשר אינה נמצאת ביחסים טובים עם רבות ממדינות ערב, סובלת לא פעם מבחינה פוליטית עקב תופעה זו. יחד עם זאת, גילוי מצבורי הגז הגדולים בישראל בתחילת העשור הקודם משפר את מעמדה של ישראל.
המשמעות הכלכלית והכוח הפוליטי מהווים עילה למאבקים ומלחמות: יחסי ישראל-ערב הם לא הדוגמה היחידה להשפעת הנפט על יחסים בין מדינות.
- ב-1990 פרצה מלחמת המפרץ הראשונה (אשר במהלכה עירק אף ירתה טילים לעבר ישראל). במהלך המלחמה, לאחר שעירק פלשה לכווית, הגיבו ארה"ב יחד עם קואליציה של מדינות המערב, ופלשו לעירק. מלחמה זאת הושפעה בכמה דרכים מהחשיבות האסטרטגית של הנפט במזרח התיכון:
- מוטיבציה כלכלית: הפלישה של עיראק לכווית נבעה מרצון עירקי לשלוט במאגרי הנפט המשמעותיים של כווית, במטרה לחזק את מעמדה הכלכלי של עיראק (שנחלש בעקבות מלחמה ארוכה מאוד עם איראן).
- ביטחון אנרגיה גלובלי: הקהילה הבינלאומית, במיוחד מדינות המערב, דאגה לכך שהיציבות באזור המפרץ תיפגע, ובעקבותיה תיפגע האספקה החופשית של נפט – דאגה שנבעה מהתפקיד המכריע של האזור בהפקת משאבי האנרגיה העולמיים.
- שריפות בארות נפט: כוחות עיראקים, במהלך נסיגתם מכווית, הציתו בארות נפט. הם גרמו לנזק סביבתי ותרמו להרס תשתית הנפט של כווית.
- דוגמה נוספת היא המלחמה בין רוסיה לאוקראינה. בפברואר 2022 פלשה רוסיה לאוקראינה, בעקבות סכסוך רב שנים. כשמדינות העולם מחו על הפלישה, הן לחצו על רוסיה לסגת על ידי סירוב לקנות ממנה נפט, דבר שמשפיע באופן משמעותי על ההכנסות שלה, וגורם לה להפסיד כ-200 מיליון דולר ליום, אך גם העלה את מחיר הנפט בשאר העולם – דבר שהוביל לעליית מחירים של מוצרים רבים בישראל.
- במסגרת הפגנת כוח של כוחות החות'ים בתימן, הם תקפו מיכלית נפט בים האדום,[1] דבר שהשפיע בסופו של דבר על מחירי הנפט בעולם.[2]
- במסגרת הפגנת כוח של איראן, הם השתלטו על מיכלית נפט במיצרי הורמוז במפרץ הפרסי.[3]
לסיכום, ניתן לראות את החשיבות הרבה של משאבי אנרגיה כמו נפט וגז, ודלק המאובנים בכלל, וכיצד הם מושפעים מהמצב הפוליטי בעולם ומשפיעים עליו.
עצמאות אנרגטית לישראל:
ומה עם ישראל? עד 2004 נאלצה ישראל לייבא כמעט את כל סוגי הדלק המשמשים לייצור חשמל. גילוי מאגרי הגז בישראל ותחילת הזרמת הגז מהם שיפרו את הביטחון האנרגטי של המדינה בכך שהם הפחיתו את התלות של ישראל בקבלת דלק ממדינות אחרות.
הנתונים מתוך: https://ourworldindata.org/fossil-fuels
[1] https://www.maariv.co.il/news/world/Article-1059068
[2] https://www.funder.co.il/article/158747
[3] https://www.israelhayom.co.il/news/world-news/middle-east/article/15083503
ההשפעות הסביבתיות של שימוש בדלק מאובנים »
יש כמה בעיות עם שריפת דלקי מאובנים לייצור חשמל.
זיהום האוויר והסביבה »
זיהום האוויר והסביבה:
מיליוני אנשים מתים מדי שנה בטרם עת כתוצאה מזיהום אוויר. רוב מקרי המוות הללו נגרמים משריפת חומרים מזהמים: גם שריפת דלק מאובנים וגם שריפת ביומסה – עץ, גללים ופסולת חקלאית.
מתוך כל דלקי המאובנים, הגז הטבעי הוא מקור אנרגית המאובנים הנקי ביותר לשריפה, והוא מייצר רמות נמוכות יותר של פליטת גזי חממה ומזהמים לא רק בהשוואה לפחם ונפט, אלא גם בהשוואה לעץ! כתוצאה מהזיהום המשמעותי הנגרם משריפת עץ טבעי, ערים רבות בעולם אוסרות על שימוש בשריפת עץ לחימום.
השריפה של גז טבעי מייצרת הרבה פחות תחמוצות חנקן ותחמוצות גופרית, שעלולות להשתחרר לאוויר. לפי המשרד להגנת הסביבה, בעקבות המעבר לשריפת גז והשיטות לניקוי פליטות שריפת הפחם, מצב האוויר בארץ השתפר משמעותית:
- היקף הפליטה לאוויר של תחמוצות חנקן – הגורמות לערפיח ומגרות את דרכי הנשימה והעיניים – פחת בישראל בין השנים 2012-2022 ב-62%.
- כמויות הפליטה לאוויר של תחמוצות גופרית – העלולות לגרום לגשם חומצי – פחתו בישראל ב-85% בשנים 2012-2022.[1]
אולם הסכנה טמונה לא רק בגזים הנפלטים מהארובות. האפר שנותר אחרי שריפת הפחם מכיל שרידי חומרים רעילים שונים. לדוגמה, במתקן אופייני לייצור חשמל מפחם מתקבלים בשנה כ-5-10 טון אורניום ותוריום[2] – חומרים רדיואקטיביים הקיימים באפר הפחם בריכוזים משמעותיים. בכל החומרים האלה צריך לטפל על מנת למנוע זיהום סביבתי.
פליטת גזי חממה:
דלק מאובנים הוא המקור העיקרי לגזי חממה, שהם הגורם העיקרי של שינויי האקלים. בשנת 2020, 91% מפליטות הפחמן הדו-חמצני (פד"ח) העולמיות הגיעו מדלק מאובנים ומתעשייה.[3] גז טבעי הוא בעייתי במיוחד במובן הזה, מכיוון שהוא מורכב בעיקר ממתאן, שהוא גז חממה רעיל שמשפיע הרבה יותר מפד"ח על התחממות כדור הארץ. לכן, קיימת הקפדה (גם של החברות עצמן וגם של הרשויות המשגיחות) שלאורך כל התהליך של הפקת הגז הטבעי לא ייפלט גז אל האטמוספירה.
[1] המשרד להגנת הסביבה, מרשם פליטות לסביבה – דו"ח שנתי (שנת דיווח 2022), ספטמבר 2023, עמ' 13-16, https://www.gov.il/BlobFolder/reports/prtr_report/he/prtr_prtr_2022_report_hebrew.pdf
[2] https://www.sciencefocus.com/science/do-coal-fired-power-stations-produce-radioactive-waste
פליטת גזי חממה »
דלק מאובנים הוא המקור העיקרי לגזי חממה, שהם הגורם העיקרי של שינויי האקלים. בשנת 2020, 91% מפליטות הפחמן הדו-חמצני (פד"ח) העולמיות הגיעו מדלק מאובנים ומתעשייה.[1] גז טבעי הוא בעייתי במיוחד במובן הזה, מכיוון שהוא מורכב בעיקר ממתאן, שהוא גז חממה רעיל שמשפיע הרבה יותר מפד"ח על התחממות כדור הארץ. לכן, קיימת הקפדה (גם של החברות עצמן וגם של הרשויות המשגיחות) שלאורך כל התהליך של הפקת הגז הטבעי לא ייפלט גז אל האטמוספירה.
תאונות »
זוהי השפעה נוספת של שריפת דלק מאובנים על העולם. התאונות עלולות לקרות גם בשלב הכרייה וההפקה של המשאבים וגם בזמן הובלת חומרי גלם ותשתיות, הקמת תחנת הכוח או תחזוקתם. כורי פחם רבים איבדו את חייהם: בקריסת מכרות, בהצפה שלהם במים, ובפעפוע גזים רעילים שהשתחררו בתהליך הכרייה. גזים כאלה עלולים לגרום לחנק, או אף לפיצוץ כשהם נמצאים בשילוב עם אבק הפחם. כך קרה למשל בתאונת הכרייה החמורה ביותר בהיסטוריה, במכרה בשם Benxihu Colliery בסין בשנת 1942. בתאונה זו נהרגו 1500 כורים מפיצוץ תת-קרקעי. בנוסף לפגיעה בחיי אדם, תאונות הקשורות בשריפת דלק מאובנים עלולות לגרום לזיהום סביבתי קשה, כמו למשל זיהום נפט בים. הנפט בעייתי במיוחד, שכן בנוסף להיותו רעיל לרוב האורגניזמים החיים, הוא גם דביק – כך שהוא עלול לכסות פיזית יצורים חיים, אצות וצמחים ולהרוג אותם. כך למשל, ציפורים שלא מצליחות לעוף לאחר שהתכסו בנפט.
Marine Photobank, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons
הנפט יכול להישפך לים בעת ההובלה, כשמיכלית נפגעת. כך קרה למשל באסון אקסון-ואלדז, שבו מיכלית נפט עצומה פגעה בשונית מול אלסקה, וכתוצאה מכך נשפך ממנה מטען הנפט שנשאה ונגרם אסון סביבתי כבד. אולם נפט יכול להישפך לים הפתוח גם בעקבות תאונות בתהליך ההפקה, כשיש דליפה מבאר נפט, כמו למשל באסון הסביבתי שנגרם סביב אסדת נפט Deepwater horizon. תאונה זו נחשבת לאסון דליפת הנפט הכי גדול אי פעם.
סיפור מסגרת לפעילות החקר »
בשורה התחתונה – עם הגידול המתמיד באוכלוסייה, צריכת האנרגיה שלנו רק הולכת וגדלה – בישראל ובעולם כולו. כפי שראינו, לצד היתרונות שיש לייצור חשמל על בסיס משאבים מתכלים, משאבים אלה לא יוכלו לתת פתרון לתמיד. לשם כך מושקעים מאמצים רבים במציאת פתרונות שיתנו מענה נוסף לצורך שלנו באנרגיה חשמלית.
וכאן אתם נכנסים לתמונה!
המשימה שלכם בשיעורים הקרובים תהיה לסייע במציאת פתרונות כאלה, שחלקם כבר קיימים כיום אך לא נפוצים מספיק. המאפיינים של פתרונות כאלה:
- גמישים במיקום, כלומר יכולים להיות במיקומים שאין להם חיבור לצנרת הגז או שלא נמצאים על חוף או על פסי רכבת.
- יאפשרו עצמאות אנרגטית למדינות שאין להן דלק מאובנים משלהן, וכך יקדמו שוויון בין מדינות.
- השימוש בהם יוביל להפחתת שחרור חומרים מזהמים ופד"ח לאטמוספירה ולסביבה.
השימוש בהם לא יתבסס על משאבים מוגבלים, אלא על משאבים אינסופיים (כמו למשל קרינת השמש), או מתחדשים (כמו למשל עצים שאפשר לגדל במהירות).
בהמשך הלמידה התלמידים יתבקשו לחקור שיטות נוספות לייצור חשמל שמציעות חלק מהפתרונות שאנחנו זקוקים להם.
חומרי עזר
אודות
"בשביל האנרגיה" היא תכנית לימודים בתחום האנרגיה לתלמידי חט"ב, המיועדת להוות השראה ולהצמיח את הדור הבא של "שגרירי אנרגיה".
ניווט
יצירת קשר
שותפים לדרך
אודות
"בשביל האנרגיה" היא תכנית לימודים בתחום האנרגיה לתלמידי חט"ב, המיועדת להוות השראה ולהצמיח את הדור הבא של "שגרירי אנרגיה".
ניווט
יצירת קשר
שותפים לדרך