השפעת פעילות השמש על תפוקת מתקנים פוטו-וולטאיים בישראל

על פי מספר מחקרים עדכניים, קיימת אפשרות ראלית לשינוי משמעותי בפעילות השמש בעשורים הקרובים, ויש להתייחס לנושא בהקשר של תכנון טכנו-כלכלי לפרויקטים סולאריים ושל תכנון משק החשמל בישראל, שאמור להגביר את תלותו באנרגיה ממקור סולארי ליותר מ- 10% בשנת 2030. ניתן להגיד כי לפי עקומת למידה קיים סיכוי של כ- 50% למינימום מהותי בפעילות השמש בעשורים הקרובים ולמרות שאין וודאות לעומקו של מינימום זה ולאורך כמה מחזורי שמש הוא יימשך, השפעתו על אקלים כדה"א תהיה כנראה מורגשת מאוד, לרבות על האקלים באגן הים התיכון ובאופן ספציפי על מדדי הקרינה הסולארית בישראל. במסגרת מחקר PEIC 2.0 של למד אנרג'י נבחן היחס בין פעילות השמש לבין ממוצע הקרינה הסולארית שנמדדה על פני הארץ באזור גוש דן, עם תוצאה של קורלציה הפוכה בעצמה בינונית (אם כי לא מובהקת). בקבלת הנחה של קורלציה הפוכה ובידיעה מוכחת כי קיים יחס ישיר חזק בין קרינת השמש לבין תפוקת מתקנים פוטו-וולטאיים, ניתן להסיק שירידה מהותית בפעילות השמש עשויה לגרום לתפוקה שנתית מוגברת במתקנים סולאריים פוטו-וולטאיים בישראל בטווח הבינוני.

מתוך מבחן קורלציה בין פעילות השמש לבין קרינה שנתית ממוצעת נמדדת בתחנה מטאורולוגית של בית דגן במהלך השנים 1965-2014, נמצאה עדות לקורלציה שלילית בין מקסימום במספר כתמי השמש במהלך מחזור (מדד לעוצמת פעילות סולארית) לבין קרינה שנתית ממוצעת נמדדת בישראל לאורך אותו המחזור. עוצמת הקשר נמצאה להיות שלילית עם ערך של 0.60-, מה שמצביע על קשר בינוני לפי הגדרה של Dancey & Raidy. בתקופת שיא פעילות השמש במחזורים 21-23, במהלך שנה קלנדרית באזור גוש דן נמדדה קרינה יומית ממוצעת שנמוכה ב-5.7% מקרינה ממוצעת במהלך מחזור 20 ונמוכה ב-2.5% ביחס לנתוני קרינה ממוצעים של השנים הראשונות של מחזור 24 (2009 עד 2014). שהיות ומדובר באנליזה של סך הכל חמישה מחזורי שמש, לא ניתן להסיק מסקנה חד-משמעית מהקשר ההופכי שבין עוצמת פעילות השמש לבין עוצמת קרינת שמש ממוצעת שנתית באזור גוש דן, כיוון שאין מובהקות סטטיסטית לאנליזה.

יש להוסיף גם שבתקופת מחזורים 21-23 ארעו שני אירועי הרי געש ב- 1983 ו- 1991 והשפיעו על נתוני קרינה בשנים 1983 ו -1992 בהתאמה. אירועים חד פעמיים אלה מורידים את הממוצע של קרינה סולארית במהלך מחזורי שמש 21 ו- 22, אם כי השפעתם היא משנית. שבהזנחת שנים אלה, עדיין מדובר בעוצמת קשר שלילית של 0.51-, המצביעה על עצמת קשר בינונית (שוב ללא מובהקות סטטיסטית). בהזנחה שני אירועי הרי געש, במהלך מחזורים 21-23 בגוש דן הייתה קרינה נמדדת שנמוכה ב- 5.3% מממוצע מחזור 20, ונמוכה ב- 2.1% מממוצע הקרינה הנמדדת בשנים הראשונות של מחזור 24. לצד השני, יש גם לציין שקיימים חוסרים במידע אודות קרינת השמש גלובאלית בבית דגן בחודשים מסוימים בשנים 1988, 1989, 1991 ו- 1994. חודשים חסרים נורמלו לפי ממוצעי קרינה רב-שנתיים - מה שככל הנראה העלה את תוצאות הקרינה בשנים האלה מעל לערכים האמיתיים. במצב כזה, הקורלציה עשויה להיות יותר מובהקת בהינתן נתונים מלאים.

איור1. מספר כתמי שמש בשנה (קוו שחור) לעומת ממוצע קרינת השמש יומית (כתום) בין השנים 1965 ל-2014 - ככל הנראה,  מחזורי שמש עוצמתיים הם בעלי קורלציה שלילית עם קרינה סולארית באזורינו.

למרות כל הסייגים שלעיל, ניתן בהחלט להתייחס לקורלציה הפוכה בין פעילות השמש לבין הקרינה הנמדדת באזור גוש דן בישראל, ובתיאוריה להשליך את הקורלציה הזו גם לאזורים אחרים בארץ. הדבר כמובן רלוונטי בהתייחס לתרחישים שהשמש עומדת בפני מה שמכונה מינימום סולארי מהותי. כאמור, מחזור השמש הנוכחי שמספרו 24 חריג וחלש מאוד ולפי תקדימי העבר קיימת סבירות גדולה למינימום סולארי מהותי במאה הקרובה. ישנם כמה תרחישים עיקריים בהקשר של פעילות השמש בעשורים הבאים - האחד הוא שהפעילות השמש תישאר בסדר גודל של רמת הפעילות הנוכחית - בדומה למחזור 24 או מחזור 20; התרחיש השני הוא שהשמש עלולה לשקוע למינימום בסדר גודל של "מינימום דלתון" (אשר נמדד בין 1800 ל- 1830). בתרחיש נוסף, הירידה בפעילות אף תגיע לסדר גודל של "מינימום מאונדר" (אשר נמדד בין 1645 ל- 1715, והיה לשיא תקופת הקרח הקטנה). עלייה של פעילות השמש בחזרה לערכים של מחזורים 21-23 נחשבת כיום כבעלת סיכוי נמוך - אחוזים בודדים לפי עקומת למידה שבחן פרופ' מייק לוקווד.

היתכנות של מינימום פעילות שמש דמוי "מאונדר" כבר נותחה במספר מחקרים אקדמיים. מחקר עדכני של פרופ' מייק לוקווד מאוניברסיטת רידינג נותן סיכוי להתרחשות מינימום דמוי "מאונדר" במהלך 40 שנים הקרובות ב- 15-20% (לוקווד 2014). פרופ' ולנטינה ז'רקובה מאוניברסיטת ברדפורד מציעה מודל "הדינאמו הכפול" שמנבא ירידה מהירה בפעילות השמש לכדי מינימום דמוי "מאונדר" בעשורים הקרובים, כך שבמהלך מחזור 25 הפעילות של השמש תרדנה בכ- 20% לעומת מחזור נוכחי, ואילו במהלך המחזור ה-26 הירידה תהיה כבר של 60%, מה שמאפיין כניסה למינימום עמוק בפעילות סולארית (ז'רקובה 2015). היתכנות של מינימום דמוי "דלתון" היא אף גבוהה יותר ובהחלט יכול להיות שנהיה עדים לכך כבר במהלך שני העשורים הבאים. תאוריית מינימום דמוי "דלתון" מסתמכת על אורכו היוצא דופן של מחזור 23, כאשר המחזור העוקב שלו מספר 24 הראה ירידה דרמטית - ממש בדומה לאורך יוצא דופן של מחזור 4 ולפעילות הנמוכה של מחזור 5 (אהלוואליה 2011). כמו כן, יש המציינים כי בדומה למחזור 5, גם למחזור 24 יש פיק שני שגבוה מהראשון - תופעה יוצאת דופן מאז תחילת רישום מסודרת של פעילות השמש.

יש לציין שנתוני תפוקה של מערכות פוטו-וולטאיות בפרויקט PEIC 2.0 נמדדו במהלך השנים 2010-2014 - שנים אשר במהלכם הקרינה הנמדדת הייתה גבוהה מהממוצעים הרב שנתיים של מחזורים 21-23 (אם כי פחותה לעומת ממוצעי קרינה של מחזור 20, שהוא "מקביל" למחזור הנוכחי), ויש לקחת זאת בחשבון בניבוי תוצאות עתידיות. קרי, נתוני התפוקה בחמש השנים האחרונות כבר מגלמים חלקית את העלייה בקרינה סולארית, שככל הנראה מאפיינת תקופות של פעילות שמש חלשה יותר. במידה ואכן הקורלציה המוצעת מתקיימת , הרי יש לצפות להמשך עלייה בקרינה נמדדת באזור המרכז בישראל עד סוף העשור, כך שבמהלך מחזור 24 נראה ממוצעי קרינה סולארית בסדר גודל של ששת השנים האחרונות של מחזור 20. קיים סיכוי משמעותי שקרינה סולארית על פני הקרקע בישראל אף תעלה אל מעבר לכך במהלך מחזורי השמש הבאים, אם השמש אכן תיכנס בקרוב לשלב דמוי "דלתון" או אף דמוי "מאונדר", כפי שמציעים לוקווד וז'רקובה.

  

תרחיש

סיכוי התרחשות

חזרה למקסימום

<5%

עסקים כרגיל

40-55%

מינימום דמוי-דלתון

25-40%

מינימום דמוי-מאונדר

15-20%

סה"כ

100%

טבלה 1. הערכת סיכון להתרחשות שינויים אפשריים בפעילות השמש בטווח 40 השנים הבאות (2015-2055).

לסיכום, לפי מספר מחקרים מצוטטים, לרבות מחקרם של לוקווד ואוספרי (2015), אחמד האדי (2012), ולנטינה ז'רקובה (2014) ודניאל מארש (2013), ניתן להגיד כי לפי עקומת למידה קיים סיכוי של כ- 50% למינימום מהותי בפעילות השמש בעשורים הקרובים ולמרות שאין וודאות לעומקו של מינימום זה ולאורך כמה מחזורי שמש הוא יימשך, השפעתו על אקלים כדה"א תהיה כנראה מורגשת מאוד, לרבות על האקלים באגן הים התיכון ובאופן ספציפי על מדדי הקרינה הסולארית בישראל. לאחר בחינת היחס בין פעילות השמש לבין ממוצע הקרינה הסולארית שנמדדה על פני בארץ באזור גוש דן, נמצאה קורלציה הפוכה בעצמה בינונית (אם כי לא מובהקת). בקבלת הנחה של קורלציה הפוכה ובידיעה מוכחת כי קיים יחס ישיר חזק בין קרינת השמש לבין תפוקת מתקנים פוטו-וולטאיים, ניתן להסיק שירידה מהותית בפעילות השמש עשויה לגרום לתפוקה שנתית מוגברת במתקני אנרגיית שמש בישראל בטווח הבינוני.