כימיה ואנרגיה בת-קיימא - מבט לעתיד של אנרגיה חלופית מתחדשת

2. המצגת נמצאת באתר שלWeizmann Institute’s Alternative Sustainable Energy Research Initiative http://www.weizmann.ac.il/AERI/presentations.htmlhttp://www.weizmann.ac.il/AERI/ כימיה ואנרגיה בת-קיימא - מבט לעתיד של אנרגיה חלופית מתחדשת אתגר חסר תקדים ! מדוע?

3. אתגרים מרכזיים של האנושות* אנרגיה (משאבים בני-קיימא) מים אוכל סביבה עוני בריאות חינוך , בטחון ו... גודל האוכלוסייה אנרגיה (עם כימיה) תשובה א: אנרגיה היא המשאב המאפשר ניצול רוב שאר המשאבים! הרבה מהחומר בא \ מותאם מ (אתרים של) : מקורות IEA, USDOE BES, NREL, N. Lewis (Caltech), P. Alivisatos, S. Chu (LBL/DOE), A. Nozik, S. Kurtz, D. Ginley (NREL), J. Karni, I. Lubomirsky, G. Hodes, I. Maron (WIS), A. Zaban (BIU), L. Bronicki (Ormat), Y. Lou (CWRU)++++, & * R. Smalley (Rice) ז"ל תודה ללי נחושתן ברנע וערבה זוהר על התרגום לעברית!!

4. מה זה אנרגיה ? kW/ אדם (נתוני 2009/11) ~5יפן 0.75~ הודו 2.5~ סין 2.3~ ממוצע עולמי* 5.5~ מערב אירופה 9.5~ ארה"ב *צריכת האנרגיה הממוצעת העולמית לצורכי מזון היא 0.15 יחידות של אנרגיה (יחידות של עבודה וחום) : TOE, BTU, Joule=Wsec יחידות שלהספק (מדידה רגעית) :HP, BTU/h, W האם האנרגיה אוזלת? יש חוק שימור האנרגיה (למעט (E=mc2 אם האנרגיה לא אוזלת, אז על מה הרעש...? הבעיה הינה אלו סוגי אנרגיהזמינים עבורנו בזמן ובמקום שאנו זקוקים להם והמרה מסוג לסוג דורש ....אנרגיה

5. סוגי אנרגיה • מכנית • תרמית • חשמלית • כימית • אלקטרו-מגנטית (קרינה)

6. דלק = מזון אבל... האם זה יעיל ?

7. כמה אנרגיה אדם יכול להפיק (עד אפיסת כוחותיו) אתלט 0.1 hp =75 W אדם בריא זמן עד אפיסת כוחות (שעות) Douglas Malewicki (1983 ) כמות האנרגיה לרכיבה על אופניים (כוחות סוס) אדם בריא שעובד שעה יכול להפיקkW 0.2- קצב של 0.27 כוחות סוס

8. מה הצריכה העולמית הדרושה ? 2012: ~17 TW;2050: ~28 – 40 ??TW 1 TW = 1000 GW 1 GW = 1000 MW 1 MW = 1000 kW תחנות כוח לייצור GW 2.5 חשמל (חדרה) הערכה ל 2011(ב %) ---------------- ארה"ב ~ 19מערב אירופה ~14 ברזיל ~ 2.3 ברה"מ לשעבר ~ 9 מזרח אסיה ~ 30 סין ~21.5 הודו ~ 3.1 יפן ~ 4 ישראל ~ 0.2

9. מה הצריכה העולמית הדרושה 2012: ~17 TW;2050: ~28 – 40 ??TW קצת סדרי גודל- צריכה גבוה של אנרגיה, כמה היא? 1 TW = 1,000,000,000,000W צריכת אנרגיה של יפן ~0.6TW 1 GW = 1,000,000,000 W סכר האיטייפו בברזיל מייצר 12.5GWe W 1,000,000 1MW = חשמל ל-1000 ביתיים בארה"ב 1 kW = 1,000 W מזגן אחד הטענה של טלפון סלולארי ~ 5 W הספק חשמל לטלויזיה או של מחשב נייד ~ 50 W ל מקרר~ 60 W ל מכונת כביסה ~ 600W

10. נפט גז פחם הידרו- אלקטרי ביו- מסה רוח/שמש מקורות לצריכת אנרגיה בעולם 5 נכון ל 2010 80% מתצרוכת האנרגיה העולמית מקורה בדלק מאובנים (פוסילי) 4 3 TW 2 גרעיני 1 0 1 TW = 1000 GW 1 GW = 1000 MW 1 MW = 1000 kW אנרגיה : J, Wsec; BTU הספק : W = J/sec

11. אבל ... הנפט יגמר !לא ?! בוודאי, באיזשהו שלב, וברור ש כבר קשה למצוא נפט זול, "נקי" וקל להפקה, אבל...

12. אבל ... הנפט יגמר !לא ?! בוודאי, באיזשהו שלב, וברור שכבר בקרוב נפט זול וקל להפקה יגמר, אבל...

13. עתודות נפט על פי דיווח מדינות אופ"ק ומקסיקו ערב הסעודית עירק עתודות הנפט האמירויות המאוחדות אירן מקסיקו שנה ולהסתמך על חברות הנפט זה לא הרבה יותר טוב... via S. Kurtz, NREL, from EIA (Energy Information Administration)

14. כמה יש (לנו) ? משאבים רזרבות (בשנים כיחס לצריכה ב-2000) נפט ≥ 50 ≥ 50 גז ≥ 75 ≥ 200 פחם ~ 100~ 400 נפט ≥ 50≥ 50 גז ≥ 70≥ 200 טענה קבועה 1:נשאר מספיק נפט ל 30-50 שנה צריך לזכור ש ... "עידן האבן לא הסתיים בגלל מחסור באבנים" שייח אחמד זאקי ימני שר הנפט של ערב הסעודית 1962-1986 אז... פחם פותר את הבעיה?

15. בעוד שלא כולם יסכימו שינויים באקלים  שרפת פחם רק מעטים יחלקו על כך שאנחנו מזהמים את המים, האוויר וכדור הארץ שלנו

16. האם קיימות חלופות לשרפת דלק או פחם? האפשרות ה"הגיונית" היא אנרגיה גרעינית מדוע???

17. מקורות אנרגיה לאורך הדורות (בעולם המערבי) מקורות אנרגיה לאורך הדורות בעולם המערבי גרעיני 1.00 גז טבעי 0.80 נפט 0.60 פחם ביו-מסה 0.40 חיות 0.20 0.00 רנסנס מ- 1980 לפני ביות חיות אמצע מאה-19 תחילת מאה-20 תשובה ב: בעבר כל מקור אנרגיה חדשה היה יותר צפוף אנרגטית מהמקורות שקדמו לו....

18. האם קיימות עוד חלופות? • אנרגיה גרעינית • אנרגיה כבידתית

19. האם אנרגיה גרעינית מהווה פתרון בשל ? • ביקוע גרעיני (~פצצת אטום) • בעיית הפסולת הרדיואקטיבית • שימוש נרחב באנרגיה גרעינית תהליכים "ירוקים" יותר* טענה קבועה : "הבעיה פתירה"

20. האם אנרגיה גרעינית מהווה פתרון בשל ? • ביקוע גרעיני (~פצצת אטום) • בעיית הפסולת הרדיואקטיבית • שימוש נרחב באנרגיה גרעינית תהליכים "ירוקים" יותר* טענה קבועה #2: "הבעיה פתירה" טענה קבועה : יש התקדמות אך צריך עוד ~ 10-30 שנה בשביל .... להוכיח היתכנות • היתוך (מיזוג) גרעיני • (~פצצת מימן)

21. טענה קבועה : • אנרגיה סולארית (כולל רוח ו-ביו) יותר מדי יקרה • כל עוד מחיר הנפט מתחת ל XXX*$ לחבית האם קיימות עוד חלופות? • אנרגיה גרעינית • אנרגיתשמש (כולל רוח, ביו-מסה וכו') • אנרגיה גיאותרמית • אנרגיה מ גיאות ושפל • *משתנה עם הזמן

22. טענה קבועה : • אנרגיה סולארית (כולל רוח ו-ביו) יותר מדי יקרה • כל עוד מחיר הנפט מתחת ל XXX*$ לחבית האם אפשר להסתדר בלי (או עם פחות) דלק מאובנים ? • אפשר , אם מביאים בחשבון שיקולים חיצוניים : • מצב גיאו-פוליטי • פחד ציבורי מאסונות • מס על פליטת גזי חממה או – שנשיג פריצות דרך במחיר ב- $ ו ב- J(יעילות אנרגטית) של החלופות • *משתנה עם הזמן

23. כמה אנרגיה מתחדשת יש בכלל ? ביו-מסה בניצול כל הקרקעות הנותרות שניתנות לעיבוד→ ~5 TW מים?)) 1.9TW (0.2TW (אנרגיה משומרת רוח ~50 TW ~3-8 TW 0.24 TW הידרו-אלקטרי 4.6 TW 1.5 TW 0. 8 TW דורש אגירה גיאו-תרמי שמש 12 (+30 ימי) TW ~1 TW < 0.03 TW 1.2x105 TW ~ 100s TW (x 0.110s TW) 0.22 TWp כמות זעומה באופן מביך שחור : קיים אבל לא ידוע כיצד להפיק אדום : קיים וידוע כיצד ניתן להפיק סגול : בשימוש היום

24. טכנולוגיות לאגירת אנרגיה(על פי אופי השימוש) סוללות מתכת-אויר סוללות זרימה ד ל ק י ם כ ע מים שאובים סוללות נתרן-גופרית אויר דחוס גלגל תנופה מהירות גבוהה סוללות עופרת-חומצה ניהול אנרגיה שעות דקות שניות סוללות ניקל-קדמיום זמן פירוק System Power Rating סוללות ליתיום Bridging Power & Distributed Storage גלגל תנופה מהירות נמוכה Power Quality, Infrequent short duration demand על-מוליכים קבל-על 1 kW 10 kW 100 kW 1MW 10 MW 100 MW 1GW הספקים אפשריים ORNLבאדיבות

25. אנרגיות מאובנים (פוסילים) הן אוצר אמיתי

26. אנרגיות מאובנים (פוסילים) הן אוצר אמיתי 1 (US)גלון ~ 3.8 ליטר 1 גלון(ארה"ב) ~ 3.8 ליטר

27. אנרגיות מאובנים (פוסילים) הן אוצר אמיתי עבודה של 2 סוסים ל-25 שעות 1 גלון(ארה"ב) ~ 3.8 ליטר ~ 6 x 6 m2 solar cell panel for 2 days

28. אנרגיות מאובנים (פוסילים) הן אוצר אמיתי work of 2 horses for 25 hrs עבודה של 2 סוסים ל-25 שעות 1 גלון(ארה"ב) ~ 3.8 ליטר ~ 37 kWh ~ 6 x 6 m2 solar cell panel for 2 days

29. אנרגיות מאובנים (פוסילים) הן אוצר אמיתי work of 2 horses for 25 hrs עבודה של 2 סוסים ל-25 שעות 1 גלון(ארה"ב) ~ 3.8 ליטר ~ 37 kWh ~ 6 x 6 m2 מערך של תאי שמש ליומיים

30. לוח מחזורי של דלקים אפשריים סוג לא מעשי * 01/’07 Igor LUBOMIRSKY & David CAHEN

31. אז , מה רצוי / ניתן לעשות ? • טווח קצר (עד ~ 2020) • אבולוציה טכנולוגית והנדסית : • שריפת פחם נקיה יותר • אגירת CO2לטיפול \ שימוש עתידי • שיפור ואופטימיזציה של ניזול פחם • שימור / חיסכון : הפחתה , שימוש מחודש ומיחזור כימיה+

32. אז , מה רצוי / ניתן לעשות ? • טווח בינוני (עד 2030 - 2050) • טכנולוגיות חדשות על בסיס ידע מדעי של היום • פחם  דלק נוזלי בדרך נקיה • אנרגית שמש (כולל רוח וביו-מסה) עם פתרונות לאגירה • אנרגיה גרעינית נקייה יותר • אנרגיה גיאותרמית יעילה יותר כימיה + כ ע

33. אז , מה רצוי / ניתן לעשות ? טווח ארוך (2050 ואילך) מהפכות במדע כימיה +כ ע

34. השמש כמקור אנרגיה ● חום סולארי - ישיר:חימום, קירור - לדלקים ( בעיקר עם ריכוז) --> כימיה - לייצור חשמלישיר : תרמו - אלקטרי עקיף : טורבינות פרופ' קרני

35. יעילות איסוף אור נמוכה (דורש המון שטח איסוף) • קרינה מפוזרת הולכת לאיבוד כשמרכזים אור השמש כמקור אנרגיה בעיות

36. השמש כמקור אנרגיה בעיות • יעילות איסוף אור נמוכה (דורש המון שטח איסוף) • קרינה מפוזרת הולכת לאיבוד כשמרכזים אור • יעילות המרה נמוכה (למעט המרה לחום)

37. לתהליך ההמרה (הקוואנטית) של פוטוסינטזה ותאי שמש יש סף ספקטרום קרינת השמש תת-אדום אולטרה-סגול (IR) (UV) עוצמה אנרגיה (eV)

38. השמש כמקור אנרגיה בעיות • יעילות איסוף אור נמוכה (דורש המון שטח איסוף) • קרינה מפוזרת הולכת לאיבוד כשמרכזים אור • יעילות המרה נמוכה (למעט המרה לחום) • מקור לא קבוע (משתנה יומי, עונתי, מזג האויר) אגירה! • אבק ..... (בד"כ דורש ניקיון מתמיד)

39. השמש כמקור אנרגיה (2) ● חום סולארי - ישיר: חימום, קירור - לדלקים ( בעיקר עם ריכוז) - לייצור חשמלישיר : תרמו - אלקטרי עקיף: טורבינות • המרת קרינה ל : • - ביו-דלק ................................... פוטו-סינטזה (טבעית) • חשמל ..................................... תאי שמש (פוטו-וולטאים) • - כימיקלים ................................ פוטו-סינתזה מלאכותית כימיה +כ ע

40. J. Golbeck, PennState H H CH3 H H CH3 CH2 H3C B A N N אור H2O + CO2 (CH2O) + O2 + פחמימות H Mg H N N כלורופיל H3C C D CH3 H E H CH2 H O C H2C O OCH3 phytyl COO תהליך הפוטוסינתזה בטבע ליטר ליום ק"ג סוכר ליום מים אנרגיה כימית Monitoring chlorophyll concentration from space over three annual cycles Source: www.nasa.gov

41. קיימת האפשרות להפקת אנרגיה מצמחים ומתירס...

42. Steinberg-Yfrach, et al, Nature 1998, 392, 479 הגישה הביולוגית להפקת אנרגיה מהשמש דורשת הבנה במדע הבסיסי שמאחורי התהליכים תא צמח צמח כלורופלסט

43. אפשרויות דרך מדעי הצמח אצות גידול בר-קיימא של אורגניזמים שיספקו: • מקסימום תפוקת דלק • מינימום תוצרי לוואי • הנדסה גנטית ומטבולית בכדי ליצור: • צמחים עמידים בתנאי עקה (יובש, מליחות) • צמחים עתירי אנרגיה • שלא מתחרים בשטחי גידול למאכל • אנרגיה מתקבלת > אנרגיה מושקעת!

44. ו... אצות דלק ביולוגי כ ע תפוקה ב 2011 כ 0.1 TW אם התוצר גדל פי 50 אפשר להפיק 5TW

45. האם ניתן לחקות פוטו-סינתזה בכדי ליצור אנרגיה אגורה ? אלקטרו- קטליזה שמש / רוח אור שמש CO2 , מים חומרי הזנה אנרגיה אגורה (כימית) ביו-מסה קטליזה כ ע

46. תא סולארי משמש כ "רכבת הרים" עבור האלקטרונים כיצד עובד תא שמש ? נבלע בתוך מוליך למחצה אור ונהפך לזרם חשמלי e e e e e e e e e e e e

47. אור שמש מגע קדמי מגע אחורי כיצד עובד תא שמש ?

48. דור ג' דור ב' דור א' טיטניום אוקסיד ננו-גבישי כ-20 ננומטר פולי גביש של קדמיוםטלוריד מיקרומטר סיליקון (צורן) ס"מ אבולוציות ומהפכות בפיתוח תאי שמש ותרומותנו כ ע הדור הבא? סיליקון אמורפי (חסר צורה) גודל התא מצטמצם זול יותר ופשוט יותר ?

49. תאים מעבדתיים (צומת בודד) בעלי הפסדים מזעריים גודל אופייני 1-4 ס"מ • 25%סילקון חד-גבישי (29% גליום ארסניד) • 20% תאי שכבות דקות (Si, CIGS) • 12% תאי פיגמנט רגישים (DSSC) • 11% תאים אורגאניים מולקולאריים (10% פולימריים) • "ביג מק" 38% צומת טנדם/משולש • "מק רויאל" 44% צומת טנדם + אופטיקה מרכזת

50. התקדמויות של כל סוגי תאי השמש עד היום תאים מרובי צמתים בעלי אופטיקה מרכזת צומת משולש צומת כפול גליום ארסניד גבישי יעילות (%) סיליקון גבישי סיליקון גבישי עם חומר נוסף חד גביש שכבות דקות נחושת (אינדיום,גליום) סלניום קדמיום טלוריום סיליקון אמורפי מיוצב מימן תאים אורגאניים (מגוון טכנולוגיות) תאי פיגמנט רגיש Dye sensitized תאים מבוססי נקודות קוונטיות