רותם תעשיות בעקבות אנרגיית השמש

ניצול אנרגיית השמש מתפתח בעשורים האחרונים כחלק מהמגמה הגלובלית לחיסכון בדלקים פוסיליים ומתוך הצורך בהפחתת פליטות גזי חממה והרחבת השימוש במקורות אנרגיה מתחדשים. אנרגית השמש ניתנת לניצול הן על ידי שימוש בפאנלים פוטווולטאיים למיניהם, המנצלים את הקרינה בתחום האור הנראה, והן על ידי תחנות כוח תרמו-סולאריות המשתמשות באנרגיה התרמית. בתחנות הכוח התרמו-סולאריות נקלטת קרינת השמש ומרוכזת על ידי אמצעים כגון שקתות, מראות (הליוסטטים), או צלחת מרכזת, שמטרתם “להחדיר” את האנרגיה לתוך זורם עבודה כגון אוויר, מים, מלח מותך או שמן תרמי. הזורם החם מעביר את החום הנקלט למחזור הפקת חשמל על ידי טורבינה וגנרטור. בעוד שפאנלים פוטווולטאיים יכולים להיות מותקנים גם בקנה מידה קטן, למשל על גגות בתים פרטיים, תחנות הכוח התרמו-סולאריות הינן על פי רוב מתקני ענק הדורשים תפעול ותחזוקה בדומה לכל מתקני תחנות הכוח. היות ותחום האנרגיה הופך לאחד ממנועי הצמיחה המשמעותיים ביותר בכלכלה הגלובלית, נדרשים פתרונות טכנולוגיים מתקדמים שיאפשרו ניצול מקסימלי של אנרגיית השמש.
במהלך העשור האחרון, פיתח המרכז להנדסה ומכניקה חישובית ברותם תעשיות, הזרוע העסקית של הקריה למחקר גרעיני נגב, מוקד ידע בתחום אנרגיה תרמו-סולארית, בנושא אגירה תרמית ותכן קולטים סולאריים.

אגירה תרמית – מדוע?
מאחר והאנרגיה הסולארית זמינה רק בחלק משעות היממה, תחום האגירה התרמית הינו בעל חשיבות מכרעת לעתיד הטכנולוגיה התרמו-סולרית. אגירת חום תאפשר להשתמש בחום זה לצורך ייצור חשמל בזמן שהאנרגיה הסולארית אינה זמינה. אגירה תרמית תספק מענה גם למצבי טרנזיאנט במשך היום, לדוגמה בעת מעבר עננים וירידת השטף בצורה דרסטית למשך פרקי זמן קצרים. קיימות מספר שיטות לאגירה תרמית, ביניהן אגירה בחומרים משני פאזה (PCM- Phase Change Materials), אגירת חום מורגש (Sensible Heat) ואגירה על בסיס תהליכים כימיים או תהליכי ספיגה/ ספיחה. המרכז להנדסה התנסה בפרויקטים בתחום אגירה תרמית מסוג PCM ואגירה תרמית מסוג Sensible Heat.
אגירה תרמית בחומרים משני פאזה, מבוססת על אגירת חום בטמפרטורה קבועה (טמפרטורת מעבר הפאזה), והיא מאופיינת בנפח סגולי קטן יחסית לכמות האנרגיה הנאגרת. בחירת חומרי האגירה צריכה להתאים לטמפרטורות העבודה הדרושות, החל מפרפינים (שמנים) המיועדים לעבודה בטמפרטורות נמוכות יחסית (עשרות מעלות צלסיוס), ועד למלחים שונים העוברים התכה בטמפרטורות של כמה מאות מעלות צלסיוס.
במסגרת פעילות רותם תעשיות בתחום האגירה התרמית מסוג PCM, נרשם פטנט ייחודי של אגירת חום במלח מותך, המבוסס על שימוש בחומרים משני פאזה (PCM- Phase Change Materials). הפטנט כולל אמצעים ייחודיים לשיפור מעבר החום אל תוך המלח האוגר, וזאת על מנת לשפר את קצב מעבר החום ואת קצב התכת המלח, וכדי לפתור בעיות אופייניות בתהליכי ההתכה וההתמצקות.
בתחום של אגירת חום באמצעות חום מורגש (Sensible Heat), פותחה במרכז להנדסה מתודולוגיה להגדרת ממדי האוגר התרמי והתכן שלו על בסיס כתיבת מודלים חישוביים ייחודיים. אגירה תרמית מסוג זה מתבטאת בעליית טמפרטורה של החומר האוגר ככל שמטעינים אותו בחום. בטכנולוגיה זו משתמשים בדרך כלל בחומרים קרמיים, באבנים או בבטון.

קולטים את האנרגיה הסולארית – קולטים קטנים וגדולים
תחום נוסף שבו קיים מוקד ידע במרכז להנדסה והינו בעל חשיבות רבה לאנרגיה התרמו-סולרית, הוא תחום תכן קולטים סולריים. האתגרים בפיתוח קולטים לתחנות כוח תרמו-סולריות הינם רבים. נדרש תכן מורכב לעמידה בשטפי חום גבוהים מאד, טמפרטורות עבודה גבוהות מאד, וזרמי עבודה שתכונותיהם התרמיות לעיתים לא מאפשרות מעבר חום טוב בין מבנה הקולט לזורם העבודה (לדוגמה אוויר). הפרשי הטמפרטורות הגדולים הקיימים בקולט בזמן עבודתו, וכן שינויי הטמפרטורה הגדולים בין היום והלילה, מתבטאים בהתפשטויות תרמיות ובמאמצים תרמיים ניכרים, המחייבים בחירת חומרים וציפויים סלקטיביים וביצוע תכן מושכל. איבודי החום לסביבה מהווים אתגר המשפיע באופן ישיר על נצילות הקולט. המרכז להנדסה היה שותף בפרויקטי תכן ופיתוח של קולטים במגוון הספקים (1kW-1MW), במגוון חומרים (קרמיים, מתכות), ובמגוון תצורות וזורמי עבודה (קיטור, אוויר, שמן תרמי).
תחום האנרגיה התרמו-סולרית טומן בחובו אתגרים טכנולוגיים מורכבים ורבים, אשר חלק מהם ייחודיים ומהווים פערי ידע. המרכז להנדסה ומכניקה חישובית פיתח במהלך שנות קיומו מספר תחומי ידע, המאפשרים מתן תמיכה חישובית וטכנולוגית בנושאי האנרגיות המתחדשות.