כניסת אנרגיה מתחדשת לתודעה ולשימוש נרחב צוברת תאוצה וגדלה בקצב מעריכי בעשור האחרון. הטכנולוגיה מתקדמת, המחירים יורדים (ובחלק מהמקרים כדאיים אף יותר מייצור מדלקים מאובנים) והמודעות בקרב האזרחים וממשלות העולם עולים בנוגע לנזקים הגלומים בהמשך הפקת אנרגיה ממקורות מזהמים. כל אלו, גורמים לביקושים הולכים וגוברים להתקנה והמרה של אנרגיה מתחדשת כמקור ראשוני להפקת חשמל ברשתות בכל רחבי העולם.
עבודת סמינר זו נכתבה ע”י יובל בנטוב במסגרת סמינר אנרגיה מתחדשת, בהנחיית פרופ’ איתי סנד, מכללת אפקה, מרץ 2017.
כדי להפוך את האנרגיה המתחדשת למקור האנרגיה העיקרי להפקת חשמל ישנם שלושה תחומים בעלי השפעה מכרעת אשר כל אחד בנפרד הוא עולם תוכן שלם בפני עצמו. בכדי להגיע ליעד זה יש לשפר ולמצוא פתרונות מגוונים המתאימים לשונויות על פני הגלובוס – גיאוגרפיות, אקלימיות, תרבותיות, כלכליות, פוליטיות וכו’. שלושת הנושאים הם:
1. המרת האנרגיה – ישנם פיתוחים רבים בהמרות מאנרגיות מתחדשות שונות: רוח, גלים, ביומסה, גיאותרמי וכמובן סולאר. תחום זה חווה פריצת דרך (כלכלית) משמעותית בשנה האחרונה (2016) כאשר הפקת קילוואט באמצעות אנרגיה סולארית (PV) גברה בכדאיות כלכלית על הפקת אנרגיה (חשמל) באמצעות תחנות גז. זו מהווה סנונית ראשונה לגידול המסיבי הצפוי בשימוש באנרגיה מתחדשת בהיקפים גדולים של 50% ואף יותר מצריכת אנרגיה חשמלית. אין ספק שככל שתתפתח הכדאיות של הפקת אנרגיה מסוגים שונים הן טכנולוגית והן כלכלית התפוצה תגדל ואיתה עליית השימוש באנרגיה מתחדשת כמקור עיקרי לחשמל וחימום.
2. ייעול אנרגטי – זהו עולם תוכן שלם המתייחס לצידה השני של המשוואה. כמה אנו צורכים והאם אנו צורכים ביעילות. ניכר שחיינו בעולם המערבי דורשים כמויות אדירות של אנרגיה יחסית והתקדמות רמת החיים בכל רחבי הגלובוס מאותת כי הדרישה תעלה משמעותית בעשורים הקרובים ועלינו להידרש גם לחסכון ניכר בצד הצריכה ולא רק בייעול ההפקה. נקודה זו היא משמעותית מאד ונשענת בנוסף על טכנולוגיה, מדיניות וכלכלה גם על חינוך חברתי. המרכיב האישי והקהילתי בנושא הייעול האנרגטי הוא קריטי להצלחה בהתמודדות עם צריכה הולכת וגוברת של אנרגיה.
3. אגירת האנרגיה – בנקודת זמן זו, שכפי שצוין – המרת האנרגיה (הסולארית) כדאית כלכלית ותהליכי ייעול אנרגטי צוברים תאוצה נותר מרכיב אחד מכונן כדי להפוך את האנרגיה המתחדשת למקור העיקרי של אנרגיה בעולמנו – אגירת האנרגיה לאורך זמן. החיסרון המשמעותי ביותר של אנרגיה מתחדשת הוא זמינותה החלקית – בין אם לאורך היממה ובין אם לאורך השנה. זו אינה תחנת כוח שניתן להפעיל ולכבות כאוות נפשנו והנעלם המשמעותי הוא כיצד לאגור את האנרגיה שאנו מייצרים.
ברשומה זו אתמקד בתחום השלישי המצוין לעיל, תבוצע סקירה לגבי חלק מהדרכים הנחקרות והמיושמות כיום בעולם לאגירה בקנה מידה גדול. נדון ביתרונות, במגבלות ובחסרונות של כל שיטה.
מדוע נדרשת אגירת אנרגיה?
אנרגיה מתחדשת הינו שם כולל לאנרגיה המוזנת באמצעות כוחות, זרמים וקרינה מהטבע באופן מחזורי כך שאינם מתכלים. רוב האנרגיה הזו מגיעה לכדה”א באמצעות קרינת השמש והיא שאחראית על הטמפ’ ומשטרי הזרימה (אויר וים). בבואנו להפיק חשמל בהיקפים משמעותיים כך שיהוו את החלק הארי בעוגת ייצור החשמל עלינו להכיר את מגבלות הרשת החשמלית ואת מגבלות המרת אנרגיה מאנרגיה מתחדשת.
רשת החשמל וניהול אספקת החשמל – רשתות חשמל בעולם מתפקדות פעמים רבות כחזאים המנסים להעריך כמיטב יכולתם על פי המידע שברשותם מה תהיה צריכת האנרגיה בכל רגע נתון ביממה. מכיוון שרובן המכריע של הרשתות אינו מסוגל לאגור אנרגיה חשמלית, כל הפקה של KW שאינה נצרכת ע”י לקוח בקצה הרשת, נאבדת כפוטנציאל חשמלי הזורם לקרקע או כחום במערכת.
ניקח כדוגמה את חברת החשמל בארץ. חברת החשמל מתפקדת כ”אי” חשמלי, דהיינו רשת חשמלית אחת המספקת את כל צורכי החשמל של מדינת ישראל (כולל גם את יו”ש וחלק מצריכת החשמל של עזה). היא אינה מחוברת לרשתות חשמל נוספות היכולות לגבות אותה במידה וישנו עומס על המערכת או להעביר אנרגיה לרשת אחרת במידה וקיימים עודפי הפקה. על חברת החשמל לספק בעזרת תחנותיה את כל דרישת החשמל של כל צרכני הארץ מבלי לדעת בוודאות מראש כמה אנרגיה תידרש. לצורך כך קיימות עקומות ביקוש וניתוח רב שנתי של צריכת אנרגיה בכל אחד מהמגזרים בארץ – אזרחי, מסחרי, תעשייתי וכו’ ניתנת התחשבות לחגים ולאירועים מיוחדים וכמובן משקל משמעותי למזג האוויר המשפיע מהותית על צריכת החשמל. במידה וצריכת האנרגיה עולה על ייצור האנרגיה ברגע נתון החברה מנתקת באופן יזום את החשמל לאזורים מסוימים כדי לעמוד בביקוש. טיב יכולת אספקת החשמל בעולם נמדד ע”פ משך הזמן המצטבר השנתי הממוצע לאדם בו היו ניתוקי רשת – חברת חשמל עומדת על כ – 90 דקות בשנה. (להמחשה של מערכת מהמתקדמות בעולם: ביפן עומדים על כ – 6 שניות בשנה).
לחברת החשמל יש מספר מקורות להפקת אנרגיה חשמלית ובהם מחזורים משולבים (מחז”מ) של תחנות כוח גדולות (פועלות בעיקר על פחם כיום), טורבינות גז ורכישה של אנרגיה מתחדשת מתחנות כוח פרטיות.
הקושי בניהול נובע ממספר מגבלות:
1. תחנת מחזור משולב דורשת כ 24 שעות להנעה עד להגעה לתפוקה אופטימלית. היא חייבת להישאר ברמה זו אחרת נצילותה יורדת משמעותית. היתרון בתחנה זו היא הפקה משמעותית של אנרגיה (מאות מגה וואטים) וכיום פועלת בעיקר על פחם זול (ומזהם), נצילות הפקת האנרגיה של תחנה מסוג זה היא די גבוהה.
2. טורבינות גז נכנסות לפעולה מהר יותר ולוקח כ 20 דקות עד שהן מפיקות חשמל בנצילות אופטימלית. זהו הפתרון המקובל כיום להתמודד עם שיא מקומי של צריכת אנרגיה. מאידך, התפעול בשיטה זו הוא יקר יותר ופחות יעיל.
3. הסתמכות על אנרגיות מתחדשות – תלוי מזג אויר, אינו יציב לאורך שעות היממה ואינו יציב לאורך עונות השנה.
לאור האתגרים המתוארים לעיל ניתן להבין כי קיימות מגבלות מובנות בשיטת ההפעלה אשר מגבילות את היכולת בשילוב אנרגיות מתחדשות. ישנן הערכות (דן ויינשטוק) כי הרשת הקיימת כיום ללא גיבוי יכולה לספוג מבלי לפגוע באספקת החשמל עד כ – 15% מהפקת האנרגיה ממקורות מתחדשים. זהו שיפור ניכר ביחס להיום (כ – 3% הפקה ממקורות מתחדשים) אך לא מספיק כדי להפוך את האנרגיה המתחדשת ל”שחקן” הפקת האנרגיה המשמעותי בשוק.
נחדד את המגבלות של האנרגיה המתחדשת בעיני רשת החשמל:
– הפקה חלקית לאורך שעות היממה.
– הפקה חלקית לאורך עונות השנה.
– שינויים דרמטיים באספקת המתח בהתאם לשינוי מזג האוויר.
– חוסר יכולת בהעלאת התפוקה בהתאם לצורך.
למגבלות אלו ניתן לתת מענה ע”י ויסות וחיזוי אך רק באופן מוגבל וכאמור עד כ – 15%, לכן חשיבות אגירת אנרגיה כנדבך משלים לאנרגיה מתחדשת חיוני. זוהי האופציה היחידה (הידועה כיום) שנותנת מענה מלא לכל המגבלות של אנרגיה מתחדשת ומעמידה אותה כאופציה העדיפה להפקת אנרגיה חשמלית.
המשך קריאה: לסקירה של פתרונות אגירה קיימים בקנה מידה גדול