90 דק' (שיעור כפול)
תחנת כוח גרעינית, תחנת כוח הידרו-אלקטרית, טורבינת רוח, תחנת כוח פוטו-וולטאית, תחנת כוח המבוססת על דלק מאובנים, תחנת כוח תרמו-סולארית, אגירת אנרגיה, המרות אנרגיה
תרשים מלבנים, חשיבה מערכתית, קריאת מפה
השיעורים הקודמים הוקדשו ללמידה – בין אם בצוותי חקר או במליאה. אך בעוד שאת הלמידה על תחנת פחמית ותחנת כוח פוטו-וולטאיות ביצעו כל תלמידי הכיתה, תחנות החקר האחרות – דהיינו: טורבינות רוח, תחנות תרמו-סולאריות, גרעיניות והידרו-אלקטריות, חולקו בין צוותי העבודה השונים. כך שכל תלמיד בקיא בנושא אותו חקר, ואינו מכיר את תחנות החקר שחקרו צוותים אחרים. לכן, חלקו הראשון של שיעור זה יוקדש ליישור קו והשלמת ידע בנוגע לתחנות החקר השונות. יישור הקו יסתיים בחידון כיתתי בו יתחרו צוותי החקר זה בזה.
מכאן נמשיך ללמידה על אגירת אנרגיה. במהלך עבודת החקר הבינו התלמידים כי אחת הבעיות העיקריות שכרוכה בהפקת אנרגיה ממקורות בלתי מתכלים (כמו רוח, שמש וכ"ו) היא העובדה שמקורות אלו אינם רציפים.
בשיעור זה תוצג בעיית חוסר הרציפות ופתרון אפשרי לבעיה – אגירת אנרגיה.
במהלך השיעור נבין כיצד אגירת אנרגיה מהווה פתרון לחוסר הרציפות ונכיר צורות שונות של אגירה: אגירה שאובה (שמתבססת על האנרגיה הפוטנציאלית של כוח המשיכה), אגירה בסוללות ואגירת חום.
עד כה למדנו על מספר סוגי תחנות כוח. הכרנו תחנות כוח המבוססות על פחם וגז טבעי, וחקרנו תחנות פוטו-וולטאיות. בנוסף, כל צוות התמקד בסוג נוסף של תחנת כוח מבין הרשימה הבאה: תחנת כוח גרעינית, תחנת כוח הידרו-אלקטרית, חוות טורבינות רוח, תחנת כוח פוטו-וולטאית, ותחנת כוח תרמו-סולארית. כדי שכל הכיתה תכיר את כל סוגי התחנות, נעבור על הסוגים השונים. תלמידים שחקרו מוזמנים לשתף בידיעותיהם.
התשובה שמופיעה בשקף הבא: זהו סכר הובר ("הובר דאם") בארצות הברית. תחנת הכוח היא תחנה הידרו-אלקטרית.
בתחנה זו הוקם סכר שמאפשר לשלוט בעצמת זרימת המים. המים הזורמים מסובבים את הטורבינה שמייצרת חשמל.
התשובה שמופיעה בשקף הבא: זוהי תחנת הכוח הגרעינית בפריירי איילנד בארצות הברית. לאחר שהסרטון יסתיים, עברו עם העכבר על המבנים השונים בתחנה. יופיע כיתוב שיסביר מה מהות המבנים בתחנה: טורבינות, כור ועוד.
התשובה שמופיעה בשקף הבא: זוהי תחנת הכוח "אורות רבין" במדינת ישראל אשר מבוססת על דלק מאובנים.
התשובה שמופיעה בשקף הבא: זוהי תחנת הכוח התרמו-סולארית "אשלים" במדינת ישראל. בתחנה זו כחמישים אלף מראות מחזירות את קרני השמש אל ראש המגדל. שם, הקיטור שנוצר בזכות חימום המראות מסובב טורבינה אשר מייצרת חשמל.
כדור הארץ כמקור למשאבים:
ברור לנו למשל, שהנגב עתיר במשאב השמש לעומת איסלנד. הציגו את המפה שמופיעה בשקף 11 או פתחו אותה באמצעות לחיצה על הקישור. בקשו מהתלמידים לזהות את האיזורים בכדור הארץ בהם הטמפרטורה גבוהה יחסית.
תשובה: לרוחב המפה בסביבות קו המשווה ניתן לראות שהטמפרטורה גבוהה.
התשובה שמופיעה בשקף הבא: זוהי תחנת הכוח הפוטו-וולטאית בכמהין שבמדינת ישראל.
כדור הארץ כמקור למשאבים
כפי שראינו בחקר, עננים משפיעים על תפוקת החשמל בטכנולוגיות אשר מבוססות על השמש. הציגו את המפה שמופיעה בשקף 14 או פתחו אותה באמצעות לחיצה על הקישור. בקשו מהתלמידים לציין שני איזורים בכדור הארץ: האחד מאופיין בעננות רבה והשני מאופיין בעננות מועטה. הפנו אל התלמידים את השאלה: האם העננות עשויה להשפיע על בחירות המיקום להקמת תחנה פוטו-וולטאית.
תשובה: אם נתמקד בדרום אמריקה, נוכל לראות כי יש איזורים שבאופן מובהק מכוסים בעננים, ואילו אחרים כלל לא. כמובן שעובדה זו מהווה שיקול בבחירת מיקום מתאים לתחנת כוח פוטו-וולטאית.
התשובה שמופיעה בשקף הבא: זוהי חוות הרוח "מעלה גלבוע" במדינת ישראל אשר מפיקה חשמל באמצעות טורבינות רוח. בתחנה זו, הרוח שמסובבת את כנפי הטורבינה מפיקה בסופו של התהליך חשמל.
כדור הארץ כמקור למשאבים
כפי שמצאו התלמידים במהלך החקר שלהם, מהירות הרוח היא אחד הגורמים שמשפיעים על ייצור החשמל באמצעות טורבינות רוח. הציגו את המפה שמופיעה בשקף 17 או פתחו אותה באמצעות לחיצה על הקישור. ניתן לראות במפה כי יש אזורים עשירים ברוחות יותר מאחרים. האם הם נמצאים בלב אוקיינוס? ומה לגבי אי עם תנאים קשים למחייה כמו גרינלנד? או בקרבת ערים?
תשובה: נראה שהאוקיינוסים עתירים יותר ברוחות מאשר פנים היבשות. גם באי גרינלנד ניתן לזהות רוחות. לגבי ערים – אין תשובה חד משמעית. ליד שנגחאי שבסין ניתן לראות רוחות אך בתל אביב בהרבה פחות.
תחנות פוטו-וולטאיות ותרמו-סולאריות מבוססות על השמש. טורבינות רוח מבוססות על הרוח. תחנות הידרו-אלקטריות מבוססות על מים בתנועה. מים, שמש ורוח הם חומרים שאינם מתכלים.
תחנות כוח המבוססות על דלקי מאובנים מבוססות על פחם, נפט וגז טבעי. אלו משאבים מתכלים.
תחנות כוח גרעיניות מבוססות על חומרים המתאימים לביקוע גרעיני, למשל אורנים. זהו חומר מתכלה אבל נדרשת לתהליך כמות מזערית כך שאין חשש שהחומר יתכלה במאות השנים הקרובות.
רק בתחנות כוח פוטו-וולטאיות לא מעורבת טורבינה בתהליך הפקת החשמל.
בתחנות כוח תרמו סולאריות הקיטור שנוצר מחימום מים מסובב טורבינה.
בתחנות כוח הידרו-אלקטריות זרם המים מסובב טורבינה.
בטורבינת רוח הרוח מסובבת את הטורבינה.
בתחנות כוח גרעיניות הקיטור שנוצר מביקוע גרעיני מסובב את הטורבינה.
בתחנות כוח המבוססות על דלקי מאובנים הקיטור שנוצר מחימום או שריפת הפחם או הגז, מסובב את הטורבינה.
כיום, תפוקת החשמל המקסימלית לה זקוקה מדינת ישראל היא 10,000 מגה-וואט. אם כן, מה יהיה שטח כל סוג תחנה אם היא תידרש לייצר את כל תפוקת החשמל לישראל?
תחנות כוח הידרו-אלקטריות זקוקות לזרימת מים חזקה.
טורבינות רוח זקוקות לרוחות חזקות וקבועות יחסית.
תחנות כוח פוטו-וולטאיות ותרמו-סולאריות זקוקות לשמש ישירה בכל שעות היום.
תחנות כוח גרעיניות זקוקות למאגר מים גדול עבור מי קירור.
תחנות כוח המבוססות על דלקי מאובנים זקוקות להובלה פשוטה יחסית של דלק המאובנים אליהן. במידה והתחנה מבוססת על פחם, יש צורך גם במאגר גדול עבור מי קירור.
תחנות כוח פוטו-וולטאיות ותרמו-סולאריות מבוססות על השמש שאינה זמינה בשעות הלילה.
טורבינות רוח זקוקות לרוחות חזקות וקבועות יחסית. משתדלים למקם אותן במקומות כאלה, אבל תמיד יש שינויים בעצמת הרוח.
תחנות כוח גרעיניות, הידרו-אלקטריות ומבוססות דלקי מאובנים מבוססות על משאבים שזמינים באופן רציף לאורך זמן.
נסכם חלק זה של השיעור בחידון ובו עשר שאלות.
צוותי העבודה ששימשו לחקר בשיעור 3 יתחרו בחידון זה בזה. כל צוות יקבל 4 פתקיות שישמשו אותו להצבעה. כל פתקית תהיה בצבע אחר כך שהתלמידים ירימו את הפתקית בצבע של התשובה שהם בוחרים, או שעל כל פתקית יהיה כתוב אחד המספרים 1-4 כך שהם ירימו פתקית ועליה מספר התשובה שהם בוחרים.
אמנם חלק מהשאלות בודקות בקיאות בחומר הנלמד, אבל חלקן מכילות מידע שלא נלמד בשיעורים ויש צורך בניחוש (או ניחוש מושכל) כדי לענות עליהן נכון.
בחלק זה נעסוק בבעיית חוסר הרציפות של מקורות האנרגיה המתחדשים וכן חוסר הרציפות של הביקוש לאנרגיה.
בשיעורים הקודמים ראינו שמרבית מקורות האנרגיה המתחדשים סובלים מבעיה דומה – האספקה איננה קבועה ואף איננה רציפה (לדוגמה – אנרגיית השמש איננה זמינה בלילה ובימים מעוננים במיוחד). עכשיו נוסיף לכך גם את העובדה שגם הביקוש לאנרגיה איננו אחיד: ישנן שעות שבהן הביקוש לאנרגיה גבוה בצורה משמעותית.
הגרף המצורף מראה לנו ששעות השיא של הביקוש לאנרגיה הן שעות הבוקר המוקדמות (06:00) ושעות הערב המאוחרות (21:00) – אלו הן השעות שבהן מרבית בני האדם ערים בביתם.
הגרף גם מראה, לדוגמה, כיצד הזמינות של אנרגיה שמקורה בשמש (אנרגיה סולרית) איננה מתאימה לביקוש לאנרגיה.
החיצים השחורים על גבי הגרף מראים את הפער (בזמן) בין השעות שבהן האנרגיה הסולרית זמינה לשעות השיא של הביקוש לאנרגיה.

כיצד נגשר על הפער הזה שבין הזמן שבו האנרגיה זמינה לזמן שבו קיים ביקוש לאנרגיה?
אחד הפתרונות המוצעים הוא פתרון האגירה: נאגור את האנרגיה בזמן שהיא זמינה ונשתמש בה בזמן מאוחר יותר כשהביקוש גדל.
ננסה להדגים כיצד אגירה מהווה פתרון לחוסר סדירות של האספקה. הדוגמה שלנו כוללת:
שימו לב שהצינור העליון איננו מספק מים באופן רציף. האספקה מתגברת ונחלשת לסירוגין ולעיתים אף נפסקת. למרות זאת אם נסתכל על מוצא המערכת שלנו (צינור המוצא) נראה שזרימת המים שם היא רצופה. כיצד זה אפשרי? כשאספקת המים מתגברת אנו אוגרים את המים בבריכת האגירה. בריכה זו משמשת אותנו כדי לספק זרם רציף של מים במוצא. בריכה זו יכולה לאפשר גם, במידה הצורך, להגביר את זרם המוצא לפרקים כך שיהיה גדול מזרם הכניסה.
חשוב להדגיש – הדוגמה הזו עוסקת באגירת מים (ולא באגירת אנרגיה) היא מדגימה רק את תפקידה של האגירה כמאפשרת רציפות באספקה גם אם המקור איננו רציף.

בחלק הבא של השיעור נכיר מספר שיטות מקובלות לאגירת אנרגיה. אנחנו נבחן כל שיטה בהתאם לשלושה קריטריונים עיקריים:
כיצד האנרגיה נשמרת – קיימות שיטות שונות לאגור אנרגיה. התנאי העיקרי לאפשרות לשמור אנרגיה בצורה מסויימת הוא שהאנרגיה תישמר בצורה זו לאורך זמן. הצורות לשמירת אנרגיה שאנחנו נכיר הן: אנרגייה כימית (סוללות), אנרגיית חום ואנרגיה פוטנציאלית של גובה.
כיצד מנצלים את האנרגיה מחדש – כבר ראינו שמרבית האנרגיה שאנחנו צורכים מגיעה אלינו בצורה של אנרגיה חשמלית. זו גם הסיבה שבדרך כלל, ללא קשר לצורה שבה שמרנו את האנרגיה, כדי להשתמש בה נרצה להמיר אותה לאנרגיה חשמלית. בדרך כלל אך לא תמיד – אנחנו נכיר גם אפשרות אחרת – לנצל את האנרגיה באותה צורה שבה שמרנו אותה.
בזבוז אנרגיה בתהליך (שמירה וניצול מחדש) – בתהליך אגירת האנרגיה והשימוש מחדש באנרגיה שנאגרה הופכת אנרגיה לצורות שבהן לא נוכל להשתמש ובכך "הולכת לאיבוד". יעילות התהליך מוגדרת כאחוז האנרגיה שבה נצליח להשתמש מתוך האנרגיה שייצרנו בהתחלה אך אנחנו לא "נעמיס" על התלמידים את מושג היעילות בשלב זה. הסיבות העיקריות לכך שאנרגיה "הולכת לאיבוד" בתהליך הן:
בשקפים עבור הכיתה נמנע מלדון ביעילות ונזכיר רק את העובדה שאנרגיה מתבזבזת בתהליך.

איך שומרים את האנרגיה?
האנרגיה העודפת נשמרת כאנרגיה פוטנציאלית של גובה. מים נשאבים מתוך בריכה נמוכה לבריכה גבוהה ונשמרים שם.
כיצד מנוצלת האנרגיה בעת הצורך?
הזרמת המים בכוח הכובד דרך צינורות מן הבריכה הגבוהה אל הבריכה הנמוכה. המים הזורמים מסובבים טורבינה שמייצרת חשמל.
כמה אנרגיה מתבזבזת בתהליך ולמה?
30%-15% מהאנרגיה מתבזבזת.
סיבות לפיזור האנרגיה – פיזור אנרגיית חום בתהליכי השאיבה, אידוי וחלחול מים מן הבריכות ועוד.

נציג את המרות האנרגיה שמתבצעות במהלך האגירה והשימוש מחדש באנרגיה, בתרשים מלבנים:


איך שומרים את האנרגיה?
האנרגיה העודפת נשמרת כאנרגית חום על ידי חימום חומר שלו קיבול חום גבוה. טמפרטורת החומר עולה והחומר נשמר חם. חומרים אופייניים לשמירת חום: בטון, מלח מומס ועוד
כיצד מנוצלת האנרגיה בעת הצורך?
משתמשים בחומר החם כדי לסובב טורבינה (על ידי חימום גז או נוזל) ולייצר חשמל.
כמה אנרגיה מתבזבזת בתהליך ולמה?
20%-10% מהאנרגיה מתבזבזת.
סיבות לפיזור האנרגיה – פיזור אנרגיית חום מתוך המאגר אל הסביבה ועוד.

נציג את המרות האנרגיה שמתבצעות במהלך האגירה והשימוש מחדש באנרגיה, בתרשים מלבנים:


איך שומרים את האנרגיה?
האנרגיה החשמלית העודפת נשמרת כאנרגיה כימית בסוללה חשמלית. בתהליך אגירת האנרגיה נעשה שימוש באנרגיה חשמלית כדי ליצור תהליכים כימיים שבמהלכם זורמים יונים ואלקטרונים כך שנוצר פוטנציאל חשמלי בתוך הסוללה.
כיצד מנוצלת האנרגיה בעת הצורך?
הפוטנציאל החשמלי מנוצל ליצירת זרם חשמלי.
כמה אנרגיה מתבזבזת בתהליך ולמה?
30%-15% מהאנרגיה מתבזבזת.
סיבות לפיזור האנרגיה – פיזור אנרגיית חום בתהליך טעינת הסוללה ועוד.

נציג את המרות האנרגיה שמתבצעות במהלך האגירה והשימוש מחדש באנרגיה, בתרשים מלבנים:

נסכם את מה שלמדנו בטבלה:

קיימות שיטות שבהן עושים שימוש באנרגיה האגורה ישירות ולא נדרשת המרה שלה לחשמל כדי לעשות בה שימוש. שיטות אלו הן בדרך כלל יעילות יותר שכן הן מפחיתות את מספר המרות האנרגיה בתהליך. אחת מהמערכות הנפוצות לאגירת אנרגיה שבה אנחנו משתמשים באנרגיה בצורה שבה היא נאגרה היא דוד השמש שכולנו מכירים.
אנו אוגרים את אנרגיית השמש על ידי חימום מים ומשתמשים במים החמים לצרכינו (במקום לחמם מים בדרכים אחרות).

דוד שמש: הסבירו איך נשמרת האנרגיה וכיצד משתמשים בה

"בשביל האנרגיה" היא תכנית לימודים בתחום האנרגיה לתלמידי חט"ב, המיועדת להוות השראה ולהצמיח את הדור הבא של "שגרירי אנרגיה".
"בשביל האנרגיה" היא תכנית לימודים בתחום האנרגיה לתלמידי חט"ב, המיועדת להוות השראה ולהצמיח את הדור הבא של "שגרירי אנרגיה".