השפעת תהליכי בלייה וקורוזיה על כלכליות המתקנים הפוטו-וולטאיים

דברי מבוא

היקף השימוש במתקנים סולאריים פוטו-וולטאיים בעולם והן בישראל הולך וגובר משנה לשנה ומספרם עולה בקצב מהיר. משך שנות חיי השרות המוכרז על ידי היצרנים לפנלים הפוטו-וולטאיים הוא 20 שנה. יחד עם זאת חשוב לדעת  שיעילות הפנלים בקליטת אנרגיה  יורדת באחוזים ניכרים עקב תהליכי בלייה בתום התקופה של 20 השנה המובטחת על ידי היצרנים.

יש להביא בחשבון קיימים 3 אלמנטים העוברים תהליכי בלייה:

1. הפנלים הפוטו-וולטאיים עצמם.
2. הקונסטרוקציה הנושאת את הפנלים (מעל הקרקע ומתחת לקרקע (היסודות).
3. המבנים עליהם מותקנים הפנלים.

יש לדעת כי תהליכי הבלייה של הפנלים מחד ותהליכי הקורוזיה של הקונסטרוקציה הנושאת את הפנלים מאידך, שונים ממקום ולמקום ותלויים בתנאים המקומיים שלהם השפעה רבה על כלכליות המתקנים כמו:

1. הסביבה האקלימית בה פועלים הפנלים: מדבר, חוף ים, פנים הארץ, סביבת תעשייה מזהמת מסוגים שונים כמו התעשייה הכימית.
2. עוצמת הקרינה המקומית (בישראל עוצמת הקרינה היא בין הגבוהות בעולם)

התנאים המקומיים:

איכות הקרקע המקומית

קרקעות קורוזיביות למשל באיזורי הנגב ואפילו בעמק יזרעאל שאדמותיו המליחו מאד עקב השקיה ועוד,התוקפת את יסודות הקונסטרוקציות. לדוגמה – שדה ענק של פנלים פוטו-וולטאיים הותקן בנגב כשיסודות הקונסטרוקציה הנושאת עליה מורכבים הפנלים עשויים מפרופילי פלדה מגולוונת מוחדרים לקרקע.

בפרויקט זה מצויים בקרקע יסודות מבנים מבטון מזוין של תחנות איסוף זרם החשמל המיוצר על ידי הפנלים מפוזרים בכל השטח. חוק הארקת היסודות דורש חיבור כל הקונסטרוקציות שעליהם מותקנים הפנלים ליסודות הבטון המזוין. עצם ביצוע דרישות הארקת הקונסטרוקציה ליסודות גורם לתופעת קורוזיה גלוונית שבה יסודות הקונסטרוקציה המגולוונת הנמצאים מתחת לפני הקרקע יוצרים תא קורוזיה גלווני שבו הצנרת או הפרופילים המגולוונים שבתוך הקרקע הם האנודה- ואילו הבטון המזוין של מתקני איסוף החשמל הוא הקתודה- ולכן פרופילי הפלדה המגולוונים. כתוצאה מכך מתרחש תהליך קורוזיה שבו פרופילי הפלדה המגולוונים נתקפים בקצב מהיר ושיביא לקריסת הקונסטרוקציה שעליה מותקנים הפנלים אחרי מספר שנים. במיוחד בקרקעות בעלות מוליכות חשמלית גבוהה כמו זו המצויה בנגב.

איכות האטמוספרה המקומית

• קרבה לים, למגדלי קירור הפולטים רסיסי מים קורוזיביים לסביבה וכד'.
• רפתות שעליהן מותקנים לעיתים קרובות מתקנים פוטו-וולטאיים.

מסתבר שחברות המתכננות את המתקנים ולא הלקוחות (קיבוצים, מושבים, מפעלי תעשייה מודעים לכך. רק לאחרונה חקרתי פרויקט לא קטן של פנלים סולריים שהותקנו על גבי גגות של רפתות.
בבדיקות שערכתי התברר כי:

• הרפתות שעליהן הורכבו הפנלים היו רפתות וותיקות בנות יותר מ-10 שנים.
• אחזקה הקונסטרוקציות של הרפתות הוזנחה וכל הגילוון של קונסטרוקציות הגג נעלם.
• חלודה כיסתה את פרופילי פלדת הקונסטרוקציה (לא נמדדה ירידת עובי הדופן של הפרופילים).
• נוצרו חורים בפחי האיסכורית ששימשו גג לרפת.

במילים אחרות ברור שבמצב הקיים לא ניתן יהיה להבטיח את פעילות המתקנים הפוטו-וולטאיים לתקופת השרות המובטחת של 20 שנה. גם אם תבוצענה פעולות שיקום וצביעה של קונסטרוקציה הרפתות בהיקפים גדולים.

משך חיי השרות של הפנלים הפוטו-וולטאיים

מתכנני המתקנים מתבססים בלעדית על נתונים המסופקים על ידי יצרני הפנלים מארצות המערב.
מדובר על ירידה של כ-% 0.5 בשנה. ראה טבלה להלן:

נתונים ממקור אחר המבוססים על תוצאות בדיקות באתרים ראה להלן:

אולם בתכנון נכון של מתקנים אלה חובה להתייחס לנתונים המקומיים המאפיינים את ישראל והמתייחסים למקום שבו הם מיועדים לפעול. כל פנל עובר תהליכי בלייה. על בליית הפנלים משפיעים גורמים פיסיקליים וכימיים הנמצאים במקום שבו מותקנים הפנלים.

ככלל ניתן לומר שקצב ירידת קליטת האנרגיה של פנל פוטו-וולטאי המותקן בישראל יהיה מהיר יותר מאשר קצב הבליה של פנל דומה המותקן באירופה שהרי:

• הטמפרטורה הממוצעת היומית בישראל גבוהה במידה ניכרת מזו של אירופה וארצות רבות בעולם.
• שעות הקרינה בישראל ארוכות יותר.
• עוצמת הקרינה למ"ר בישראל גבוהה יותר (בין הגבוהות בעולם)
• מספר ימי העננות בישראל קטן יותר.
• מספר ימי הגשם קטן יותר.
• תכולת המלחים בטל בישראל גבוהה מאד בהשוואה למרבית ארצות העולם.

מאחר ותהליכי בלייה של חומרים פלסטיים גדלה במידה ניכרת עם עלית הטמפרטורה, עם הגדלת כמות הקרינה המגיעה אל פני השטח של הפולימר ממנו מיוצרים חלקים שונים של הפנל הסולרי- ברור כי קצב הבליה של פנל כזה בישראל יגדל במידה ניכרת מאותו פנל הפועל באירופה.

תופעות הקורוזיה משפיעות גם הן על המרכיבים המתכתיים המצויים גם הם בכל פנל וגם הן מושפעות מהטמפרטורה הגבוהה יותר הקיימת בישראל מזו של אירופה. מכאן ברור כי בישראל קצב הבלייה של הפנלים גבוה במידה ניכרת מזה של פנל זהה באירופה.

ראוי לציין שמרבית הפנלים מיוצרים באירופה ומיובאים לישראל והנתונים הממוצעים שפורטו לעיל מתייחסים לאירופה על כן קצב התבלות הפנלים בישראל יהיה גבוה יותר מהתבלות הפנלים באירופה.

מכאן עולה שאלה קריטית מהיבט כלכלי: האם הנתונים שנמסרים ע"י יצרני הפנלים באירופה אינם אופטימיים מדי לגבי ישראל. האם ירידה של 30% למשל ביעילות האנרגטית בסוף תקופת 20 השנה (המהווה את משך חיי השרות הנדרש והמוצהר של הפנלים)  לא תשנה לרעה את תוצאות חישובי הכלכליות בצורה ניכרת.

משך חיי הקונסטרוקציה עליה מורכבים הפנלים

הפנלים הפוטו-וולטאיים מותקנים בתוך תיבת אלומיניום ואלה מחוברים לקונסטרוקציה המורכבת מפרופילי פלדה מגולוונים. החיבור של האלומיניום לפרופילים נעשה באמצעות ברגי נירוסטה.עמידות כל חומרי המבנה תלויה בסביבה הקורוזיבית שבה נמצא המתקן הסולרי.

ברור שמתקן סולרי המוקם בקרבה לים או באזור תעשייתי- נמצא בסביבה הקורוזיבית אטמוספרית קשה ביותר הפוגעת ללא כל ספק במבנה הקונסטרוקטיבי ועלולה לגרום לכשל המבנה. ברור שמשך חיי השרות של המבנה הקונסטרוקטיבי, הנמצא באזור קורוזיבי יורד בצורה ניכרת בהשוואה לאותו מבנה הנמצא באזור שאינו קורוזיבי.

מצבו של מבנה קונסטרוקטיבי בסביבה רחוקה מהים ומאזור תעשייתי הוא טוב במידה ניכרת מזה שהוקם בסביבה קורוזיבית. בכל מקרה של תכנון מתקן סולרי יש להביא בחשבון את תנאי הסביבה שבה יוקם המתקן ולתכנן את ההגנה בפני הקורוזיה בהתאם.

היבט נוסף אותו יש להביא בחשבון בתכנון מתקן פוטו-וולטאי הוא התשתית עליה יוקם המתקן. האם המתקן יוקם ישירות על הקרקע או על גבי מבנים קיימים.

הנטייה הטבעית של מתכנני המתקנים ושל הצרכנים היא לנצל שטחי גגות גדולים, שאין להם שימוש ולכן שימוש בגגות קיימים מעלה לכאורה את הכדאיות הכלכלית. אולם כפי שכבר הובהר והוסבר לעיל גם במקרה זה של התקנה על גגות מבנים יש להתייחס בכובד ראש ליתרונות ולחסרונות שתוארו לעיל.

מערכות המותקנות על גגות קלים מחייבת במקרים רבים חיזוק מבני גג קלים שעליהם מוקמים המתקנים. שהרי העומס על הגגות הקלים גדל בצורה ניכרת מהעומסים הנמוכים ששימשו תחילה לחישוב הגגות הקלים.

משמעות הצורך בחיזוק הגגות הקלים היא הגדלת ההשקעה לבניית המתקן. ובנוסף ראוי לציין כי משך חיי השרות של גגות קלים הוא נמוך מאד בהשוואה למשך חיי השרות של גגות בטון.  על כן אין ספק שיהיו מקרים שבהם יאלצו לפרק את המתקנים הפוטו-וולטאים המותקנים על גגות קלים על מנת לשקמם ולהרכיב מחדש את הפנלים הסולריים. 

כותב המאמר היה מעורב במספר מקרים שבהם התרחש תהליך קורוזיה מהיר של הגגות הקלים שבהם היה צורך בעבודת שיקום רצינית של הקונסטרוקציה והכיסוי של המבנה הקל. כמובן ששיקום במקרה כזה מחייב פירוק המתקן הסולרי והרכבתו  מחדש. חשוב להדגיש שכותב המאמר היה מעורב בחקר מקרי כשל קונסטרוקטיבי וכשל תיפקודי של גגות קלים כבר אחרי פחות מ- 10 שנים.

בנוסף ראוי להזכיר כי במספר מתקנים סולריים המותקנים על גבי גגות קלים התגלו מקרי כשל מקומי כתוצאה של קורוזיה חריפה של חלקי החיבור של הפנלים לקונסטרוקציה התומכת את הפנלים וזאת אחרי שנים ספורות בלבד.

אחד המקומות המסוכנים מהיבט של קורוזיה הם גגות של רפתות וכד' שבהן קיימת סביבה קורוזיבית חריפה ביותר, זאת כתוצאה מהתנאים הקורוזיביים הנוצרים על ידי הצואה והשתן של בעלי החיים הפולטים לאוויר גזים ולחות קורוזיביים, חיטוי עטיני הפרות הנעשה בחומרי חיטוי- שמטבעם הם קורוזיביים מגביר את הקורוזיביות של האדים הנישאים אל תחתית כיסוי הגג ואל חלקי הפלדה המגולוונת שמהם נבנית הרפת ומתעבים עליהם. הצורך לקרר את הפרות בתקופת הקיץ באמצעות המטרה של מים יוצרת אווירה של לחות גבוהה בחלל הרפת יחד עם הגזים הקורוזיביים ואלה מתעבים במגע עם פחי כיסוי הגג ומגבירים את קצב הקורוזיה במידה ניכרת.

נושא הטיפול התחזוקתי

כדי להפיק את מרב יכולת הקליטה של האנרגיה מהפנלים- יש צורך לנקות לעיתים תכופות את משטחי הזכוכית של הפנלים כדי להבטיח חדירה טובה של הקרינה הסולרית לתוך הפנלים והן את החיבורים של הקונסטרוקציה על מנת למנוע קורוזיה של הברגים והמתכות בנקודות החיבור כתוצאה מקורוזיה גלוונית, הנוצרת בין ברגי הפלב"מ לבין האלומיניום.

אזור תעשייה או אזור עירוני שבו נמצאות באוויר כמויות גדולות של אבק קורוזיבי השוקע על גבי כל המשטחים האופקיים והאלכסוניים- גורם להקטנת כושר קליטת האנרגיה של הפנלים. על כן תדירות  הניקוי במקומות אלה צריכה להיות גבוהה.

האבק עצמו פרט להיותו מקטין של כושר קליטת קרני השמש- מגביר מאד את קצב הקורוזיה של המתכות בישראל עקב תופעת הטל השוקע על האבק ויוצר את האלקטרוליט החזק הדרוש להתקפה קורוזיבית של המתכות שמהן מורכב המתקן הסולרי. תדירות הטל בישראל היא גבוהה מאד והאלקטרוליט (הנוזל מוליך החשמל) שהוא יוצר חזק ביותר. בנוסף- לריבוי הגשמים באירופה יש חשיבות רבה בשטיפת האבק והמלחים מעל פני הפנלים והקונסטרוקציה- ואילו הטל בישראל אינו שוטף את האבק והמלחים אלא מגביר את ריכוזם בגלל התאדות הטל מעל השטח בכל יום כמעט. על כן ברורה חשיבות ניקוי האבק והזיהומים האחרים (כמו לשלשת יונים ועופות אחרים) מעל משטחי הפנלים.

פעולות הניקוי צריכה להתבצע באמצעות מים בעלי תכולת מלחים נמוכה המותזים בלחץ, גם על אזורי החיבורים. תדירות הניקוי קובעת הן את כמויות האנרגיה הנקלטות והן את היקף הקורוזיה האטמוספרית של נקודות החיבור שהן נקודות התורפה של המתקנים הללו.

סיכום

מתקנים סולריים פוטו-וולטאיים מיועדים לקלוט אנרגית שמש ולהמירה לזרם חשמלי וזאת בדרך המשתלמת ביותר מהיבט כלכלי. מדובר באמצעי חשוב להקטנת זיהום האוויר הנובע כתוצאה משריפת דלקים. יחד עם זאת יש להביא בחשבון שקיימת ירידה בכושר קליטת אנרגית השמש  עקב הבלייה של הפנלים הפוטו- וולטאיים.

יעילות הקולטים בתנאי ישראל יורדת בקצב מהיר הרבה יותר  מאשר ירידת היעילות של הפנלים הסולריים בארצות אירופה וגם במדינות רבות אחרות ברחבי העולם. משך חיי השרות של הפנלים המשמש כנתון לחישובי הכלכליות אינו נתון חד משמעי ויש לשקול אותו תוך התייחסות לתנאים המקומיים..

להערכתי ההתבססות בחישובי הכלכליות של משך חיי שרות של 20 שנה של הפנלים עצמם ושל הגגות שרבים מהמערכות הללו מותקנים עליהם- אינה נכונה. יעילות קליטת אנרגית השמש באמצעות פנלים בתנאי ישראל יורדת במידה ניכרת בהשוואה לארצות רבות בעולם.

ראוי לשקול ברצינות ובאחריות התקנת פנלים סולריים על גגות פח. נדרשת הבנה טובה יותר של החברות המתכננות מתקנים סולריים בתחום הבליה והקורוזיה והשפעתן על הכלכליות של המתקנים הפוטו-וולטאיים.

התכנון חייב להביא בחשבון את המקום שבו מתקינים את המתקן, את הזיהום ואת תנאי הקורוזיה במקום, ואת עלות הוצאות האחזקה השוטפת הנדרשת לשמירת המתקן במצב פעולה תקין. אסור שתכנון של מתקן פוטו-וולטאי והחישוב הכלכלי יתבססו על הממוצעים המובאים מארצות אירופה.

חישוב נכון חייב להתבסס על נתונים מדודים ותוך התחשבות בתנאים הספציפיים של כל מתקן. רק בדרך זו ניתן יהיה לקבל תשובה מבוססת לחישובי הכלכליות של המתקנים. כדי להבטיח כלכליות הפעלתם של מתקנים אלה יש להבטיח לא רק את עמידות הקונסטרוקציה בפני קורוזיה, ואת משך חיי השרות של הפנלים, אלא גם את עמידות הגגות עליהם מתקינים המתקנים ואת אחזקתם הנכונה- הנקבעת לאור תנאי הסביבה המיוחדים כל מתקן ומתקן.

יש להביא בחשבון שעדיין קיימים נושאים שהתכנון הסטנדרטי השבלוני אינו נותן תשובה ברורה לגביהם. עדיין חסרים נתונים בדוקים ומבוססים על הבליה, הקורוזיה והתחזוקה של מתקנים פוטו-וולטאיים בישראל.

עובדות אלה מרמזות שאם החישובים הכלכליים מתבססים על הנחות ולא על בדיקות מבוססות, הרי קיים סיכוי גדול שחישובי הכלכליות מוטעים ומטעים.