משאבת חום סולארית + ORC חוסכת 88% בחימום

מה המערכת עושה – חימום, קירור וחשמל מהשמש

המערכת המשולבת של משאבת חום סולארית הפיכה ומחזור ראנקין אורגני (ORC) מספקת חימום, קירור וייצור חשמל במקום במבנה, ומשנה מצבים אוטומטית לפי העונה. החוקרים מאוניברסיטת טכנולוגיה בחביי תכננו את המערכת כדי לאסוף חום שמש ברמה נמוכה, לאגור אותו, ואז או להעביר חום לנוחות או להרחיב נוזל עבודה לייצור חשמל – הכל באותו יחידת דו‑פונקציונלית. כפי שהסביר שיאוהוי יו ל‑PV Magazine, הרעיון “מאפשר ניצול שמש כל השנה” ומחליף חימום חשמלי קונבנציונלי באופציה ירוקה הרבה יותר.

איך עובדת יחידת דו‑פונקציונלית

במרכז המערכת נמצא מכונה שמבצעת דחיסה והרחבה יחד עם מנוע‑גנרטור סינכרוני עם מגנטים קבועים (PMSM). במצב חימום, ה‑PMSM מניע את המדחס, מעלה את טמפרטורת הקירור, והמשאבה מספקת מים חמים לבניין. במצב ייצור חשמל, אותה מכונה פועלת הפוך כמרחיב: חום שמש מאדים את נוזל העבודה האורגני, והוא דוחף את הרוטור לייצור חשמל. מכיוון שהחומרה זהה לשתי המשימות, המבנה פשוט יותר, זול יותר וגמיש יותר מהתקנת משאבת חום נפרדת ומערכת ORC נפרדת.

מספרי ביצועים – COP, יעילות וטווח קרינה אידיאלי

ה‑COP (מקדם ביצועים) מגיע עד 4.1 כאשר הקרינה הסולארית בין 600 – 850 W/m², כלומר לכל קילוואט של חשמל שהמדחס צורך מתקבל יותר מארבע קילוואט של חום. בעונת החימום, עלייה בקרינה מ‑300 ל‑650 W/m² מעלה את ה‑COP מ‑3.2 ל‑4.1 – קפיצה של 22 %. מצד שני, יעילות ההמרה החשמלית של ה‑ORC יורדת מ‑6.68 % בטמפרטורה חיצונית של 10 °C ל‑2.27 % ב‑30 °C, ירידה של 66 % שמראה שימים קרים יותר הם הטובים ביותר לייצור חשמל. העלאת טמפרטורת המים החמים מ‑50 °C ל‑80 °C מקטינה את ה‑COP בכ‑42 % (5.43 → 3.12), ולכן יש איזון בין חום חם ליעילות.

תחזית כלכלית – החזר של 14 שנה וחיסכון של 88% בישראל

הכותבים מדווחים על תקופת החזר של כ‑14 שנים לעומת חימום חשמלי קונבנציונלי, ו‑חיסכון של 88 % בעלויות תפעול. בישראל משק בית ממוצע מוציא כ‑2,500 kWh/שנה לחימום חשמלי (≈ 0.6 ₪/kWh במחירי 2024). חיסכון של 88 % שווה לכ‑≈ 1,320 ₪ לחיסכון שנתי. אם נחלק את 14 השנים בחיסכון השנתי, מקבלים עלות משוערת של ≈ 18,500 ₪ למערכת של כ‑5 kW חום, גודל טיפוסי לבית פרטי. המספר מראה שהטכנולוגיה יכולה להיות כדאית כל‑כלכלית ברגע שהמחיר הראשוני ירד מתחת לסף השוק של התקנות סולאריות תרמיות בישראל.

מה המשמעות לבניינים ולמטרות האקלים בישראל

ישראל שואפת לקצץ פליטות מגזר הבניינים ב‑30 % עד 2030. פריסה של משאבת חום סולארית + ORC יכולה לתקוף שני חיזוקים בבת אחת: הפחתת הביקוש לחשמל לחימום והפקת חשמל מתחדש במקום. עם COP מעל 4, המערכת יכולה להחליף עד 4 kWh של חשמל רשת לכל kWh שהיא צורכת, ולצמצם משמעותית את העומס על הרשת. בנוסף, ייצור החשמל של ה‑ORC (2‑6 %) מפחית את הצריכה ביום, מקטין את עלויות השיא שהחברות החשמליות גובות בקיץ. מאגר המים החמים מאחסן אנרגיה, ולכן המערכת משמרת חימום גם בימים מעוננים.

אתגרים והמשך הדרך ליישום מסחרי

למרות תוצאות סימולציה מבטיחות, יש כמה מכשולים. ראשית, המכונה הדו‑פונקציונלית צריכה להיות עמידה למאות אלפי מחזורים בשנה בלי בלאי משמעותי – רק פיילוטים בשטח יוכיחו זאת. שנית, נוזל העבודה האורגני (לרוב R245fa) הוא בעל פוטנציאל חימום גלובלית בינוני; יש למצוא חלופה עם GWP נמוך לקבלת אישור רגולטורי בישראל. שלישית, השתלבות עם בקרות HVAC קיימות דורשת שלט חכם שמחליט מתי לחמם, לקירור או לייצר חשמל על בסיס תחזית מזג אוויר ומחירי חשמל. לבסוף, מודלים של מימון – כמו חוזי אנרגיה כשירות (EaaS) – יהיו נחוצים כדי לפזר את תקופת ההחזר של 14 שנה על פני חיי הבניין.

מבט לעתיד – האם זה יהיה הסטנדרט החדש?

אם יצרנים יצליחו לייצר במאסה את היחידה הדו‑פונקציונלית והחברות החשמליות יאמצו תעריפי זמן‑שימוש שמתגמלים ייצור מקומי, משאבת חום סולארית + ORC יכולה להפוך לטכנולוגיית בסיס לבניינים נטו‑אפס. היכולת לספק COP > 4, קירור וייצור חשמל של 2‑6 % מאותו קולקטור סולארי היא ייחודית. ככל שהמדינה תדחוף לבנייה ירוקה יותר ולאימוץ רחב של סולאריות תרמית, ייתכן שהטכנולוגיה תצא מהמחקר ותגיע לגגות בתים בעשור הקרוב.

---

כל המספרים לקוחים מהמחקר “Thermodynamic performance of solar driven heat pump and ORC switchable system for building energy supply” שפורסם ב‑Solar Energy ודווח על‑ידי PV Magazine.