אקלים ואנרגיה - ייצור חשמל

מה פתאום אקלים ואנרגיה בבלוג הזה?

לו היה אתר זה ספר לימודי, כנראה שהיינו מתחילים את הדיון על ייצור חשמל בשאלות כמו מה זו אנרגיה ומה זה חשמל. 
אבל מאחר ומה שאנחנו רוצים הוא להבין את התמונה הרחבה יותר של שוק החשמל, לא נתעכב על הדקויות הפיזיקליות. במקום, מספיק לנו להסתכל סביבנו: 
אורח החיים המודרני דורש שימוש בהרבה חשמל, בין אם זה בשביל להרתיח מים לקפה בקומקום או לתפעל אורות ומקררים ודלתות אוטומטיות בסופרמרקט. 

לפיכך, ברשומה זו אנחנו ראשית נבסס הבנה של מהן היחידות של החשמל שאנחנו מייצרים, על מנת להיות מסוגלים להתייחס בהמשך לסוגיות של ביקוש והיצע. 
לאחר מכן, נסקור בקווים כלליים את מבנה התשתית של מערך ייצור חשמל באשר הוא, וכבר בשלב הזה נבחין שהמבנה הפיזיקלי מטיל אילוצים כלכליים.
אז נסקור את הדרכים השונות לייצר חשמל באמצעות בעירה, ונציין לגביהן באופן כללי את הרכב עלויות המחיר של החשמל המיוצר. 
כפי שנראה, עבור תחנות כוח מסוגים שונים, הרכב העלויות הזה משתנה - לפעמים ההשקעה ההתחלתית בבנייה היא מאוד יקרה, לפעמים מחיר הדלק משפיע מאוד על העלויות וכן הלאה. 
את הרשומה נסגור באבחנה, שתהפוך להיות משמעותית ברשומות עתידיות, על כך שאין מחיר יחיד וקבוע לייצור חשמל, ומחיר החשמל במשק לפיכך תלוי בתמהיל הייצור במשק.

אם כן, כמו כל דבר שקונים ומוכרים, גם לחשמל יש יחידות. אם בקבוקי שתיה מודדים בליטרים, ואורז מודדים בקילוגרמים, הרי שחשמל נמדד ביחידות ואט-שעה.  
נתעכב רגע על היחידה הזו, כי ההבנה של מה היא אומרת תעזור להבין כל שיחה או כתבה בעיתון סביב תחנות כוח והשקעות בשוק האנרגיה.
אז הדבר הראשון לשים לב אליו הוא, שלא מדובר כאן על ואט לשעה, אלא ב: ואט-שעה.

בואו נניח שאנחנו רוצים להכין עוף בתנור. 
קנינו עוף, ובמטבח שלנו יש תנור סטנדרטי. כמו לכל מכשיר חשמלי, יש לתנור הספק. תדמיינו את ההספק בתור מסגרת:
במקרה של התנור, מדובר בהספק של 2000 ואט. זאת, למשל, בהשוואה לנורה שמאירה את המטבח, לה הספק של 60 ואט.

ואט איננה יחידה של אנרגיה, וקל לראות למה: 
תבשיל שידרוש שעתיים אפיה ידרוש פי שתיים אנרגיה מאשר תבשיל שדורש רק שעה אפיה.
לכן המספר 2000 לא מייצג כמה חשמל התנור צורך. במקום, הוא מייצג כמה חשמל צריך לעבור דרכו על מנת לפעול במשך שעה.
אצלנו, על מנת להפעיל את התנור במשך שעה, נזדקק ל-2000 ואט-שעה. 

אינטואטיבית, ניתן לחשוב על חשמל בתור זרם שעובר דרך המסגרת, כמו מים שזורמים בצינורות. 
צינורות בגדלים שונים יעבירו כמויות שונות של מים בשעה. כך גם עם מכשירים חשמליים בהספקים שונים.

אם המתכון שלנו אומר שאנחנו צריכים לתת לעוף שעתיים בתנור על מנת להתבשל, כמות החשמל הדרושה לתנור היא לפיכך 4000 ואט-שעה. 
נורת החשמל שתדלוק במשך שעתיים תזדקק ל-120 ואט-שעה.

ניתן לסכם ולומר שהיחידה של ואט מודדת "כושר צריכה" ואילו יחידת ואט-שעה מודדת את צריכת החשמל עצמה.
מאחר וכל החשמל שצורכים צריך להיות גם מיוצר בתחנות כוח, הטרמינולוגיה זהה לייצור חשמל: 
יחידות של ואט מודדות כושר ייצור, ואילו יחידות ואט-שעה מודדות את ייצור החשמל בפועל. 

כמובן, יש עניין של סדרי גודל. כמו שלא מודדים כבישים עם סרגל של מילימטרים, בסדרי הגודל של תחנות כוח או משק אנרגיה, לא מדברים על ואט אלא על קילו-ואט ( = 1000 ואט. מסומן כ- kW) או מגה-ואט (מיליון ואט = 1 מגה-ואט, מסומן כ-MW).  
בעת בישול העוף, למשל, התנור צרך 4 קילו-ואט-שעה. כשמדובר בסדרי הגודל של צריכת אנרגיה של משק שלם, משתמשים ביחידה עוד יותר גדולה, גיגה-ואט (אלף מגה-ואט = 1 גיגה-ואט, מסומן כ-GW).

למשל, על פי חברת החשמל, ב-2010 כושר ייצור החשמל בישראל היה MW 12,987.

באותה שנה, יוצרו 56,432 מיליון קילו-ואט-שעה (מסומן בעברית בדרך כלל כ:קוט"ש כדי לחסוך סרבול).
שזה 56,432,000 MWh (מגה-ואט שעה)
שזה 56,432 GWh (גיגה-ואט שעה).

מקודם, המשלנו את זרם החשמל לזרם מים. עם זאת, קיים גורם אחד המבדיל בין שני הזרמים האלו הבדל של שמים וארץ.

מים ניתן לאחסן, גם בכמויות גדולות. לא כך הוא עם חשמל, ונכון להיום לא ניתן לאחסנו בכמויות גדולות על פי דרישה.

היות שכך, בכל רגע נתון, המערכת מנסה לענות על צרכי הלקוחות באותו הרגע.
הדבר נעשה על ידי תכנון רשת החשמל באופן שיהיה מסוגל להיענות לשינויים בצריכה.

באופן כללי, כל תשתית לשוק החשמל, בכל מקום בעולם, בנויה על עקרונות זהים, ומורכבת מארבעה חלקים:

ייצור החשמל (Generation): החלק הזה מורכב מתחנות הכוח, שממירות אנרגיה מסוגים שונים לאנרגיה חשמלית.

הולכת החשמל (Transmission): החלק הזה כולל את מערכות התמסורת שמעבירות את החשמל מתחנות הכוח אל תחנות משנה איזוריות, או אל צרכנים כבדים כמו מפעלי ייצור תעשייתיים.

הפצת החשמל (Distribution): החלק הזה כולל את ההעברה של החשמל אל הערים, הרחובות, הבתים.

מכירת החשמל (Retail): החלק הזה כולל את מי שמוכר את החשמל. כמו עם ספקי טלפוניה ואינטרנט, יכולים להיות ספקים נוספים מעבר לבעלים של התשתיות. 
הם יטפלו בחשבונות, בפניות הלקוחות, וימכרו את המוצר בכל מיני חבילות. כששואפים להפוך שוק חשמל לתחרותי, ההפרדה של החלק הזה היא בדרך כלל האחרונה בתהליך.

בישראל נכון לשנת 2012, הרוב המכריע של ייצור החשמל, כמו גם ההולכה, ההפצה והמכירה, מסופקים על ידי חברת החשמל לישראל.
כפי שנראה ברשומות מאוחרות יותר, ישנם מודלים נוספים, שמערבים נוכחות גדולה יותר של המגזר הפרטי. אבל כבר עכשיו כדאי לשים לב לנקודה מעניינת:
מבנה תשתית החשמל מטיל אילוצים טבעיים על מה מתאים לשילוב המגזר הפרטי ומה לא:

ייצור החשמל, למשל, יכול להיעשות על ידי גורמים רבים. כשאנו מדליקים את האור בבית, החשמל לא נראה או מתנהג אחרת אם הוא יוצר בחיפה או יוצר בתל אביב.
אנחנו יודעים שבשני המקרים אנחנו קונים את החשמל מחברת החשמל, אבל אין לנו דרך להבדיל בין יצרן אחד לאחר. עבורנו כמשתמשים, החשמל הוא פשוט סחורה. 

לעומתו, מערכות המסירה המוליכות את החשמל מתחנות הייצור אל תחנות הממסר האזוריות הן מונופול טבעי. הכוונה בכך היא שמדובר בתשתית גדולה, כבדה, ויקרה.
מאחר ומספיקה מערכת אחת עם מספיק קיבולת, לבנות שתיים כאלו ויותר יהיה יקר, בזבזני ו...מיותר.
לכן הגיוני (ומקובל ברחבי העולם) שחברה ממשלתית שולטת על התשתיות הללו ומתחזקת אותן.

לעת עתה לא נרחיב עוד בעניין השילוב של המגזר הפרטי בשוק, ונחזור לכך במסגרת הדיון הכלכלי במשק האנרגיה בשלב מאוחר יותר.

נתבונן עכשיו בחלק הראשון, זה של ייצור החשמל.

ניתן לקטלג טכנולוגיות ייצור חשמל בכל מיני דרכים: דרך אחת תהיה על פי מנגנוני הבעירה או שחרור האנרגיה.
הרוב המכריע של חשמל בעולם מיוצר באמצעים תרמיים: יוצרים תהליך שריפה, שפולט חום, אותו ממירים לאנרגיה חשמלית.
סייגים בולטים הם כורים גרעיניים ואמצעי ייצור של אנרגיה מתחדשת.
את העיסוק בטכנולוגיות של אנרגיה מתחדשת (כמו למשל, הפקת חשמל מרוח או מקרינת השמש) נדחה לפרק ייעודי, שיתמקד אך ורק בהן. 
עם זאת, כדי לתת מושג כללי של יחסיוּת, אני מצרפת את התמונה הבאה (הלקוחה מכאן), שממחישה כמה תחנות כוח מכל סוג נדרשות על מנת לספק צריכה:

בשלב הזה, נסקור בקצרה רק את הטכנולוגיות התרמיות העיקריות לייצור חשמל. 
כזכור, מאחר ואנחנו מעוניינים לבסס הבנה כלכלית של שוק האנרגיה, כרגע, פחות מעניין אותנו איך בדיוק הן עובדות.
עבור אלו שכן מתעניינים בזווית הטכנית הזו, כתבתי רשומה צדדית ייעודית לעניין. 
היות שכך, נקטלג את הטכנולוגיות לא על פי מנגנון הבעירה, כי אם על פי הדלקים שכל טכנולוגיה צורכת.
אז, בואו נראה, מה אפשר לשרוף?
ניעזר בתמונה לעיל:

תחנות כוח גרעיניות מפיקות חשמל לא בתהליך של שריפה, אלא בתהליך ביקוע גרעיני.
 באופוריה של שנות החמישים והשישים, היתה תקווה אמיתית שנמצא הפתרון לאספקת אנרגיה בלתי נדלית במחירים אפסיים. 
עם זאת, תחנות כוח גרעיניות יצאו מהאופנה למשך תקופה ארוכה בעקבות אסון צ'רנוביל. 
הן חזרו לעניין ממשלות בגלל העלייה המסחררת במחירי הנפט מחד, והצורך למצוא פתרונות ייצור שאינם פולטים גזי חממה באינטנסיביות מאידך. 
בשנים האחרונות ישנה תחיה מחדש של התקנת תחנות כוח גרעיניות, אם כי הן עדיין שנויות במחלוקת: 
ארה"ב וגרמניה שואפות להתרחק מהן עד כמה שניתן, בעוד צרפת מבססת את עיקר משק האנרגיה שלה על אנרגיה גרעינית, ובריטניה פתחה בתוכנית שאפתנית להחליף את צי הכורים המזדקנים שלה בחדשים. 

היתרונות של תחנות כוח אלו הוא שעבור יחידת דלק משתחררת הרבה יותר אנרגיה מאשר בתהליך של שריפה. 
יחד עם כך שאורניום הוא לא מאוד יקר, העלויות של הדלק מהוות מרכיב מאוד קטן בעלות הכוללת של תחנת כוח גרעינית.
עם זאת, תחנות כוח גרעיניות הן הסוג היקר ביותר שקיים, וזאת בגלל שני גורמים: הראשון, הוא עלות הבנייה המסחררת. הטכנולוגיה עצמה מאוד יקרה, ויש עוד פרמיית מומחיוּת, שכן לא הרבה חברות בעולם מייצרות ומתקינות טכנולוגיות אלו באמינות. 

הגורם השני הוא עלויות תחזוק החומרים הרדיואקטיביים לאחר שימוש, והעלויות הכרוכות בסגירת תחנת הכוח:
אורך החיים של תחנות כוח גרעיניות ארוך משמעותית מזה של תחנות כוח בטכנולוגיות שריפה, אבל גם הן בסופו של דבר ייסגרו.
אלא ומאחר שפעילותן כרוכה בתוצרים רדיואקטיביים, מתווספות עלויות נוספות וכבדות לטיפול בחומרים, אחסונם הבטוח, והפירוק הבטוח של הכורים בסיום חייהם. 
בפועל, את רכיב הפירוק הסופי בדרך כלל מסבסדת בצורה זו או אחרת המדינה.

ראוי להדגיש שטכנולוגיות ייצור נבדלות גם בגמישות שלהן: 
נניח שביום מסויים בסוף חם יותר בשתיים בצהריים משצפו החזאים. כתוצאה מכך, יש יותר דרישה לחשמל, כי אנשים רוצים להפעיל יותר מזגן.
כדי להגיב לביקוש הנוסף שנוצר, חברת החשמל תגביר את הייצור בתחנת כוח פועלת, או תכניס לפעולה תחנת כוח נוספת.
תחנות כוח גרעיניות לא מדליקים ומכבים צ'יק צ'ק, והן לרוב שומרות על איזושהי רמת פעילות תמידית. מצד שני, כן ניתן להגביר את הייצור בהן בהתראה סבירה (כמובן, רק עד לסף כושר הייצור) .

מכאן שאם לסכם: יקר מאוד לבנות תחנות כוח גרעיניות, יותר מאשר כל תחנת כוח אחרת. 
ברגע שאחת בנויה, עלויות התפעול יותר יקרות מתחנות כוח מבוססות שריפה, אבל עלויות הדלק הן מאוד נמוכות.
הן כמעט ולא פולטות גזי חממה, ולכן נחשבות מאוד "נקיות" מבחינת שינוי האקלים. למרות זאת, הן לא נחשבות טכנולוגיה ידידותית לסביבה במיוחד, גם בגלל השאריות הרדיואקטיביות, וגם בגלל שבכל זאת נדרשים לכרות אורניום בשביל השימוש.

תחנות כוח ששורפות פחם הן הבאות בתור.
באופן יחסי, יקר לבנות אותן, אבל מחירו של הפחם (ביחס לדלקים מבוססי נפט ואפילו ביחס לגז טבעי) הוא זול יחסית.
ועם זאת, בעולם המערבי בונים תחנות כוח מבוססות פחם פחות ופחות. תחנות כוח ששורפות פחם פולטות הרבה מאוד גזי חממה.
ככל שהתחוור שלפליטה הזו יש מחיר, וככל שהרגולציה החלה להקשיח עמדותיה כלפי פליטת גזי חממה, החלה ההעדפה לטכנולוגיה לסגת.
כיום, במקומות רבים ברחבי העולם  לא רק שלא בונים תחנות כוח חדשות, גם פועלים לסגור את אלו הקיימות מהר ככל שניתן.
האיחוד האירופי, למשל, בסדרה של תקנות, קבע סטנדרטים שעל תחנות הכוח לעמוד בהן. עבור רובן, המשמעות היתה או להתקין טכנולוגיה נוספת ויקרה, או לסגור את התחנה כליל.

תחנות כוח ששורפות גז טבעי, לעומת זאת, זוכות לפופולריות בלתי רגילה בשנים האחרונות, ותוך עשור עד שני עשורים הן צפויות להוות את עיקר כושר הייצור במרבית שווקי החשמל המפותחים.
הסיבות לפופולריות הן בסופו של דבר כלכליות: 
מצד אחד, זול יחסית לבנות את תחנות הכוח. מצד שני, גז טבעי זול יותר מדלקים שנוצרים כתוצאה מזיקוק נפט כמו דיזל או מזוט. 
בעבר, כשמרבצי גז טבעי התגלו בעיקר בסמיכות למרבצי נפט מחירי הגז והנפט היו קשורים זה בזה (הגז הטבעי היה מעין תוצר לוואי בתהליך החילוץ של הנפט. בעבר נהגו פשוט לשרוף אותו, ובמקומות מסויימים במפרץ הפרסי עדיין עושים זאת). כיום, יש עדויות שהקשר הזה מתרופף בשווקים מסויימים (למשל - ארה"ב), וגז טבעי צפוי להפוך עוד יותר זול, בעקבות סדרת גילויי מרבצים ימיים והגישה המתאפשרת אל פצלי גז.

באופן יחסי, הן מהוות אמצעי ייצור נקי, בהיותן פולטות משמעותית פחות גזי חממה מתחנות כוח ששורפות פחם. 
עם זאת, עדיין מדובר על טכנולוגיה המסתמכת על שריפת מרבצים פחמימניים. כלומר, עקרונית לא שונה מהסתמכות על נפט, רק שעכשיו נדמה שאופק האספקה התרחב.
היות שכך, מדינות שאינן בעלות משאבי גז טבעי, או נרתעות מההשלכות הסביבתיות של פצלי גז, נרתעות מתרחישים בהם משק האנרגיה הופך מבוסס על גז טבעי, היות והדבר יוצר תלות חריפה באספקה חיצונית. 
הדיאגרמה לעיל ממחישה איך גם במשק הישראלי, חלה עם השנים תזוזה לכיוון ייצור באמצעות שריפת גז טבעי.
מגמה זו צפויה להימשך ביתר שאת בשנים הקרובות, במיוחד לאור גילוי המרבצים הטבעיים לחופי המדינה.

לבסוף, ניתן גם לשרוף נפט בצורות שונות.
לבנות תחנות חדשות ששורפות נפט זה עסק לא מאוד יקר, אבל במקומות רבים בעולם ימנעו מלעשות זאת בהנתן ברירה אחרת, בגלל הניצולת הנמוכה והמחיר הגבוה של הדלק.
אלא אם אין ברירה, אלו יהיו התחנות האחרונות שייקראו לשימוש. ישתמשו בהן בדרך כלל כאשר ביקוש האנרגיה בשיא, וכל האמצעים האחרים כבר מייצרים חשמל.

לפני שנסכם, ראוי להסביר מדוע במקרים רבים מופיעה התייחסות ברשומה הזו למה שקורה דווקא בעולם המערבי.
במקרים מסויימים, כמו למשל במדינות המפרץ הפרסי, הזמינות של משאבי נפט מטה את מערך השיקולים לסוגי ההשקעות בתחנות כוח:
מובן שאיש לא יעלה על דעתו לבנות תחנת כוח ששורפת פחם בערב הסעודית, אבל זה לא יהיה בגלל פליטת גזי חממה.
במקרים אחרים, הדרישה העצומה לאנרגיה דורכת על כל שיקול כלכלי. לדוגמא, בעשורים האחרונים, מדינות מזרח אסיה, חוו התפתחות מואצת.
חשמל הוא הכרחי בשביל לאפשר ולשמור על צמיחה, וכך בסין או הודו, למשל, השיקולים על השקעה בתשתיות ייצור במידה רבה נערכים על ידי קובעי המדיניות, מתוך מטרה להמשיך לתדלק את מנוע הצמיחה הכלכלית.
ועדיין, ברגע ששווקי חשמל עוברים את שלב הינקות, ממשלות בדרך כלל שואפות לנתב אותם כך שכסף לא יבוזבז לחינם.
מכאן, שגם אם הבעלות נשארת בידי הממשלה או מופרטת רק חלקית, ההחלטות על אופי ההשקעות מתבצע על פי מערך שיקולים דומה.

מהו מערך השיקולים הזה?
ובכן, כפי שניתן כבר להתחיל לחוש מתיאור הטכנולוגיות, מחירו של חשמל איננו מספר יחיד וקבוע.
עלויות ייצור החשמל תלויות במידה רבה באמצעי הייצור, וישנה משמעות גדולה לתמהיל של טכנולוגיות שונות אשר משמשות לאספקת הדרישות של המשק.
אנחנו נחזור לרעיונות האלו בשלב מאוחר יותר כשנראה איך בדיוק נקבע מחיר החשמל, ואיך זה משפיע על ההחלטות על השקעות בתחנות כוח חדשות.

אך לפני שנעשה זאת, נתייחס ראשית למושג שעלה מספר פעמים ברשומה זו - גזי חממה.
על מנת להבין לא רק מה הם אלא מדוע הם משמעותיים למערך השיקולים בשוק החשמל, נפנה ברשומה הבאה לבעיית ההתחממות הגלובלית.
בפרק לאחר מכן, נשוב לעסוק בחשמל, כזה המופק באמצעות טכנולוגיות הרותמות אנרגיה מתחדשת.