פצלי-שמן (Oil Shale), ובקיצור פצ"ש, הם סלעי משקע (Sedimentary rocks) בעלי תכולה גבוהה יחסית של חומר אורגני מסוג קרוגן (Kerogen). בתנאיי סביבה רגילים קרוגן מופיע בסלע פצ"ש במצב מוצק.  

התוצרים העיקריים שניתן לקבל מפצלי-שמן קרוגניים, לאחר עיבודם, הם: שמן פצלים (Shale Oil), כלומר נפט פצלי-שמן וחשמל.

המונח "פצלי-שמן" יוחס לראשונה לסלעים אשר המרכיבים האי-אורגניים העיקריים שבהם הם פצלים וחרסיות. כיום משמש מונח זה לתיאור של סלעי משקע בעלי מקטעים אי-אורגניים שונים, כאשר המשותף לכולם הוא התכולה הגבוהה (15-40% משקלית) של החומר האורגני הנמצא בהם.

ברוב הסלעים המכונים בשם פצלי-שמן בישראל הרכיב האי-אורגני הוא בעיקר גירני - קירטון, קירטון חווארי וגיר.

בארה"ב ובכמה מדינות אחרות, בהם קיימים מאגרי נפט נוזלי במצב כלוא בשכבות סלע עמוקות, אומץ בשנים האחרונות (עם התפתחויות בטכנולוגיות ההפקה של נפט נוזלי כלוא,"Hydraulic Fracking - שבירה הידראולית") שם דומה (Oil Shale) לסלעים פצליים מכילי נפט נוזלי. וכך, למרות שמדובר בסלעים שונים ובחומר אורגני במצב שונה לחלוטין (נפט נוזלי לעומת קרוגן מוצק), הופיעו בתרגומים לעברית מונחים לסלעי המקור של נפט נוזלי - "פצלי-שמן"/"פצלי נפט" וגם באשר לתוצרים (Shale Oil) שבתרגום לעברית כונו בהתאם "שמן-פצלים"/"נפט-פצלים". וכך נגרמות טעויות בהבנה של המונחים המקוריים – "פצלי-שמן" ו- "שמן-פצלים" הנידונים כאן.

אין הגדרה ברורה לתנאים שעושים את פצלי-השמן לכלכליים, וזה גם במקרים שבהם תנאי הניצול נראים אופטימליים. מעקב לאורך שנים מצביע על כך שההתייחסות לערכם הכלכלי של פצ"ש משתנה במהלך השנים על פי קריטריונים מגוונים, כאשר יש תלות רבה בשינויים במחירי הדלקים וכן גם בפיתוחים טכנולוגיים חדשים.

להלן ננסה לשפוך אור על שיטות הפקת האנרגיה והטכנולוגיות השונות, מאגרי פצלי שמן בעולם והמצב בישראל.

כתבות רלוונטיות:

1. משרד הבריאות מתנגד להקמת מתקן פצלי שמן, 02/07/2020
2. המשרד להגנ"ס מתנגד להקמת מפעל הפקת אנרגיה מפצלי שמן, 13/5/2020
3. לא יאשרו רישיונות חדשים לכריית פצלי שמן, 19/2/2020
4. הפקת נפט וחשמל מפצלי שמן ופסולת פלסטיק. בישראל, 29/4/2019
5. מידע נוסף על פסולת עירונית ביתית | infospot

טכנולוגיות לניצול פצלי-השמן: in-situ ו- ex-situ

עומקן של שכבות הפצ"ש ואיכותו של החומר האורגני הם המנחים את התאמת השיטות למיצוי האנרגיה האצורה בפצלי-השמן הקרוגניים. בהתאם נחלקות הטכנולוגיות לשתי קבוצות: in-situ (באתר) ו- ex-situ (מחוץ לאתר). 

טכנולוגיות למיצוי שמן-פצלים מתוך הסלע ב- in-situ (הפקה ב"אתר", ישירות מגוף הסלע) נבדקות זה שנים. מדובר בחימום שכבות פצלי-השמן בתת הקרקע לשם ניזול הקרוגן ולאחר מכן שאיבת השמן בקידוחי הפקה רגילים. בתחום זה, של ניצול ללא כרייה, פותחו ושופרו מגוון טכנולוגיות ונעשו נסיונות בהיקפים ניכרים, בעיקר בארה"ב. אך לא דווח על מיזם כלכלי שהניב שמן-פצלים בשיטות כאלה ופרוייקטים מסוג זה כבר לא פעילים, מסיבות כלכליות וסביבתיות. שני מיזמים למיצוי in-situ התנהלו בישראל בעשור הקודם, בשפלה ובדרום רמת-הגולן, אך הם לא צלחו. אין כיום תוכניות להשתמש בטכנולוגיות מסוג זה בישראל.

לשם ניצול פצ"ש ב- ex-situ יש לכרות את פצלי-השמן ולהובילם למתקני הייצור. זה ניתן לביצוע בכרייה פתוחה (open-pit mining) או בכרייה תת-קרקעית (underground mining). לאחר הכרייה והובלת פצלי-השמן למתקני ההפקה, מתבצע עיבוד תעשייתי בטכנולוגיות שונות לשם הפקת אנרגיה תוך כדי ייצור נפחים שיוריים של אפר. ניצול ב- ex-situ המבוסס על כרייה נמצא היום בשימוש בכמה מדינות, כולל ישראל.

השיטות השונות ליישום טכנולוגיית ex-situ לפצלי שמן

את טכנולוגיות ה-ex-situ לניצולם של הפצ"ש, לאחר כרייתם, ניתן לחלק לשתי קבוצות:

1. שריפה ישירה מבוקרת (Direct combustion). במתקנים בהם מיושמות טכנולוגיות אלה מוזנים שברי הסלע לתאי שריפה בהן הטמפרטורה נשמרת באופן מבוקר בהתאמה לתכונות חומר הגלם. הטכנולוגיה המיושמת כיום ברוב מתקני השריפה הישירה לפצ"ש היא  Fluidized Bed Combustion (FBC); מתקנים כאלה משולבים בדרך כלל עם טורבינות ומייצרים חשמל / קיטור. בישראל, במישור רותם,  פועלת כבר יותר מ- 30 שנה תחנת-כוח הדגמתית קטנה, המוזנת בפצ"ש. תוצר לוואי של מתקנים כאלה הוא אפר פצ"ש (Oil Shale Ash), חומר שיש לו שימושים שונים (חול-חתולים, מצע לרפתות, ועוד).
2. מיצוי (Retorting) או פירוליזה של פצ"ש לייצור שמן פצלים. במתקנים בהם מיושמות טכנולוגיות כאלה שברי הסלע, לאחר כרייתם, נגרסים לגדלים מתאימים ומוזנים לתאי המיצוי. המיצוי מתבצע תוך בקרת הרכב הגזים והטמפרטורות כדי לקבל כמויות מרביות של תוצר השמן המבוקש. טכנולוגיות אלה הן פירוליטיות (חימום לטמפרטורות של כ- 450-500 מעלות צלסיוס, ללא נוכחות חמצן) המתבצעות ללא שריפה. פיתוחים שונים מאפשרים חיסכון ניכר בכמות האנרגיה שיש להשקיע בתהליך. כיום מערכות חדשניות שכאלה מתוכננות לעתים כדי לקלוט בתהליך פירוליזה, לצד הפצ"ש, גם רכיבים אורגניים פחמניים אחרים, כגון צמיגים משומשים ופסולות פלסטיק. תוספים כאלה עשויים לשפר את ניצולת התהליך ולהביא גם לתרומה סביבתית ממשית.

ראוי לציין כי פותחו גם טכנולוגיות המשלבות מערכי ייצור של שני טיפוסי הטכנולוגיות דלעיל.

פצלי-שמן בעולם וניצולם

איכות: ניתן להעריך את איכותם של פצלי-השמן במספר שיטות. בארה"ב משתמשים בפרמטר של היפק הנפט (Oil Yield) המבוטא בכמות הליטרים של נפט (שמן) הפצלים הניתנים למיצוי מטון של סלע גולמי (l/t), או בגלונים של נפט לטונות של סלע.

טווח ערכים של היפק הנפט שבין 45-90 ליטר/טון מצביע על פצ"ש באיכות בינונית, כאשר ערך נמוך מ- 45 ליטר/טון מוגדר כפצ"ש באיכות נמוכה; ערכים של יותר מ- 90 ליטר/טון מגדירים פצ"ש באיכות גבוהה. מקובל להשתמש בערך של היפק הנפט כמדד השוואתי גלובלי לאיכותם של הפצ"ש.
פרמטרים נוספים בהם נעשה שימוש להצגה של תכולת החומר האורגני בפצ"ש הם: תכולת הפחמן האורגני וגם הערכים הקלוריים המאפיינים אותם (זאת במיוחד בהקשר לטכנולוגיות של שריפה ישירה).

עתודות ומרבצים: אומדן עדכני של כמויות הפצ"ש בכדור הארץ הוא כ- 10¹² * 11 (טריליון) טונות, שהן שוות ערך לכ- 3 טריליון חביות נפט (US Barrels). כ- 66% מעתודות אלה נמצאות בצפון אמריקה, וכ- 12% באירופה.

מרבצים גדולים יחסית של פצ"ש מצויים באוסטרליה, אוקראינה, אסטוניה, ארה"ב, בלארוס, ברזיל, בריטניה, מונגוליה, מרוקו, סין, קנדה, רוסיה, שבדיה ותאילנד, ובאזורנו, בנוסף לישראל - גם בירדן, בסוריה, בתורכיה ובמצרים.

ניצול כלכלי: שימוש כלכלי-אנרגטי בפצ"ש החל בסקוטלנד בתחילת המאה ה- 18.

בארצות-הברית נתגלו עתודות גדולות מאוד של פצ"ש במערב, במדינות קולורדו, ויאומינג ויוטה. במשך שנים, במיוחד לפני כ- 40-50 שנה, בימי משבר האנרגיה של שנות ה- 1970, הייתה ארה"ב בקידמת המחקר היישומי של הפצ"ש. הממשל קידם פעילויות מחקריות וחברות רבות תכננו והקימו מתקנים לשריפה ולניצול של פצ"ש, אשר הושבתו לאחר תקופה קצרה בעקבות הירידה במחירי האנרגיה. עדנה נוספת לפעילות מחקרית-יישומית והשקעות נלוות חל בשנות ה- 2000, עם פיתוחן ויישומן של טכנולוגיות חדשניות להפקת נפט וגז ותחילת המהפך במשק האנרגיה העולמי. אולם 'עדנה אנרגטית' זו לא התממשה בארה"ב בתחום פצלי-השמן.

ניצול כלכלי של פצ"ש קיים כיום באסטוניה ובסין, בה מושקעים מאמצים רבים בפיתוח טכנולוגיות חדשניות,  וכן, בהיקפים מצומצמים למדי, בברזיל, ברוסיה, בגרמניה, ברומניה ובישראל.

בין המדינות בהן מתקיים ניצול כלכלי של פצלי-שמן, אסטוניה היא בעלת ייחוד רב. במדינה זו הביא ניצול לא זהיר של פצ"ש, בהיקפים גדולים ובמשך כמעט 100 שנים, לנזקים סביבתיים של ממש. אסטוניה למדה מטעויותיה ובשלושת העשורים האחרונים, בסיוע מקצועי ונדיב של האיחוד האירופי, עברו תעשיות הפצ"ש במדינה מהפך אדיר. פותחו טכנולוגיות חדישות בהן ההתייחסות לסביבה היא בקדמת התהליכים. הפצ"ש הם כיום משענת מרכזית למשק האנרגיה הלאומי של אסטוניה; המכרות, שהם פתוחים וגם תת-קרקעיים, תחנות הכוח ומתקני הניצול הם כיום מקור גאווה למדינה, שבה נכרים פצ"ש בכמות הגדולה בעולם (כ-15 מיליון טונות לשנה) והתעשיות המבוססות על פצ"ש (תחנות כוח, מתקני ייצור לשמן-פצלים ולמיחזור משולב של פסולות, ייצור צמנט ועוד) תורמות כ- 4-5% לתל"ג. טכנולוגיות שפותחו באסטוניה מיושמות במדינות נוספות; דוגמא מאזורנו - ירדן.

פצלי שמן בישראל

פצלי-שמן קרוגניים להם תכולה גבוהה של חומר אורגני מצויים בכמה מקומות בישראל וגם במדינות שכנות. המקור העיקרי של החומר האורגני הוא במיקרו-אורגניזמים שונים. הסלע העשיר בחומר אורגני נמצא כיום במבנים גיאולוגיים של קערים (סינקלינות). במרבית הסלעים שאליהם מתייחסים בישראל כאל פצ"ש, המרכיב האי-אורגני העיקרי הוא קרבונטי (גירני) - קירטון, קירטון-חווארי ולעתים גם גיר.

החתך של פצלי-השמן בנגב מתאפיין בעלייה הדרגתית של תכולת החומר האורגני עם הירידה בעומק; תכולת החומר האורגני מגיעה עד לכ- 26% בחלקו התחתון של החתך. היפקי נפט בטווח של  45-100 ליטר/טון מבטאים את איכותם של הפצ"ש במרבצים שבנגב הצפוני.

סלע הפצ"ש בישראל מתאפיין בשיעורי רטיבות (מים בלתי קשורים) גבוהים, כ- 20%, לעתים אף יותר.

עשרות מרבצים של פצלי-שמן התגלו עד היום בישראל; חלקם חשופים בפני השטח או נמצאים בשכבות רדודות ומאפשרים כרייה פתוחה. המרבצים הראשונים שנחקרו בארץ היו בנבי-מוסא, שם נעשה שימוש היסטורי בפצ"ש למטרות חימום ביתי, ובעין-בוקק, בשנות ה-1950.

מרבץ פצלי-השמן במישור-רותם ותופעות נוספות בנגב הצפוני והמרכזי אותרו ברובם במהלך הביצוע של סקרים לאיתורם ואפיונם של שדות פוספטים, הנמצאים ברובם בשכבות סלע שמתחת לשכבות הפצ"ש. במחצית הראשונה של שנות ה- 1980 נערכו סקרים ייעודיים לפצ"ש באתרים שונים בנגב הצפוני. באזור מישור-רותם התנהלה הפרוספקציה החל מסוף שנות ה- 1970, כולל פעילויות קדיחה לקראת פיתוח מכרה לשם הכנת התשתית להמשך הכרייה ובדיקות נוספות אשר נמשכות עד היום. סך הכל נערכו במישור-רותם יותר מ-500 קידוחי מחקר לפצ"ש. מרבץ הפצ"ש במישור-רותם משתרע גם דרומה יותר, באזור מישור-ימין.

על פי המידע שנצבר ניתן להעריך כי מרבצי הפצ"ש משתרעים בתת-הקרקע על פני כ- 15% משטחה של מדינת ישראל.

*להגדלה לחץ כאן

בישראל עתודות פצלי שמן עצומות, ראוי לנצל את חלקן

בישראל אותרו מרבצי פצלי-שמן ובהם כמויות גדולות מאוד. העתודות האפשריות נאמדות במאות מיליארדי טונות, המתורגמות לכמויות נפט עצומות. מעתודות אלה ניתן, תיאורטית, לספק את צריכת האנרגיה של ישראל למשך מאות שנים. עם זאת, סביר כי כמויות הפצ"ש שאותן ניתן לנצל בפועל כיום, מהוות רק חלק קטן מסך העתודות האפשריות.

הכדאיות הכלכלית הגוברת, לצד העליות הצפויות במחירי הדלק בטווח הבינוני והארוך, כמו גם פיתוחים טכנולוגיים חדשים בעולם ובארץ, יאפשרו הפקה של אנרגיה מפצ"ש בדרכים בטוחות לסביבה. טכנולוגיות כאלה עשויות להביא גם לתרומה מהותית בתחומי המיחזור של פסולות תעשייה, בנפחים הולכים וגדלים. כל אלה מצדיקים התייחסות לפצ"ש כמרכיב מהותי במאגר מקורות האנרגיה העתידיים של ישראל.

מומלץ לייעד לטווח הארוך שטחים לכרייה של פצ"ש, זאת בהתחשבות בהיבטים סביבתיים. ייצור נפט וחשמל מפצ"ש בטכנולוגיות מתקדמות נראה כיום אפשרי וכלכלי, וראוי שייעשה בכרייה רב-שכבתית של מרבצי פצלי-השמן והפוספטים באתרים בהם זה מתאפשר, כגון באזור מישור-רותם.

כותב המאמר: ד"ר צָבי מינסטר, גיאולוג, גמלאי המכון הגיאולוגי; מומחה בגיאולוגיה כלכלית, סביבתית ומקורות אנרגיה.  ד"ר צֶבי מינסטר עוסק בנושאי גיאולוגיה-כלכלית ופצלי-שמן יותר מ- 40 שנה. מאז פרישתו משירות המדינה (בשנת 2013) מספק שירותי ייעוץ לגופים וחברות שונות, גם בהקשרים של מרבצי פצלי-השמן בישראל.