פתרונות קיימים לאגירת אנרגיה – בקנה מידה גדול


קיימות בעולם טכנולוגיות רבות לאגירת אנרגיה המשתמשות בעקרונות פיזיקליים ותרמו דינמיים מגוונים, אסקור את המובילות שבהם ואלו בעלי ההיתכנות לאגירה בקנה מידה גדול.

עבודת סמינר זו נכתבה ע”י יובל בנטוב במסגרת סמינר אנרגיה מתחדשת, בהנחיית פרופ’ איתי סנד, מכללת אפקה, מרץ 2017.

1. סוללת זרימה (flow battery)

סוללת זרימה היא סוללת ענק בעלת יכולת אגירה משמעותית. סוללת זרימה משתמשת ברעיון המוכר והידוע של הסוללה האלקטרו-כימית, אנרגיה אלקטרו-כימית מאוחסנת בכימיקלים בתוך נוזל ומומרת לאנרגיה חשמלית בזכות מעבר אלקטרונים בין האלקטרודות שבסוללה. בסוללה רגילה, כל הנוזל האלקטרו-כימי מצוי בתוך הסוללה עצמה, עובדה שמגבילה את כמות האנרגיה הפוטנציאלית בסוללה (כמו במצבר רגיל של רכב). בסוללות זרימה, לעומת זאת, רוב הנוזל מצוי מחוץ לסוללה, במיכל אגירה. לכן, כמות האנרגיה הפוטנציאלית מוגבלת רק בגודל מיכל האגירה. אמנם, חלק ניכר מסוללות הזרימה המפותחות כיום משתמשות באותה טכנולוגיה יקרה יחסית ומזהמת של סוללות קיימות המבוססת על יוני מתכת (עופרת, ניקל, קדמיום), אך יש גם פיתוח של סוללת זרימה שמבוססת על חומרים אורגניים לא רעילים ונפוצים, שמקורם בצמחים. סוללה כזו יתכן ותהיה לא מזהמת ולא יקרה.

תרשים סוללה נוזלית

סוללה נוזלית

2. סוללת מתכות ומלח מותכים

(molten metal battery). סוללות רגילות מורכבות מאלקטרודות מתכת מוצקות היושבות בתוך נוזל אלקטרוליטי. חיסרון אחד של סוללות אלו הוא שטעינות ופריקות חוזרות ונשנות לאורך זמן גורמות לבלאי שמביא לסדקים או לשברים בסוללות. לכן, יש חוקרים שמפתחים סוללות שבהן האלקטרודות הן מתכת נוזלית בתוך מלח נוזלי בטמפרטורה של כ-500 מעלות צלזיוס. היתרון בטכנולוגיה זו הוא שמכיוון שמדובר בסוללה נוזלית, ניתן יהיה תיאורטית להעביר אותה אלפי מחזורי טעינה ופריקה מבלי שתתפרק, והיא תוכל להחזיק עד כ-20 שנה. כך, לא יהיה צורך לייצר סוללות חדשות כל הזמן ולהשליך את הישנות. החיסרון הוא שהרבה אנרגיה תלך לאיבוד בהחזקת הסוללה בטמפרטורה גבוהה כל כך במשך כה זמן ממושך.

תרשים סוללת מתכות ומלח מותכים

3. הסוללה הקינטית

(kinetic battery) מציעה טכנולוגיה שונה לגמרי. רוב הטכנולוגיות החדשניות לסוללות-על מבוססות על הפיכת אנרגיה חשמלית לאנרגיה כימית, ולהיפך. החברה הישראלית  ‘Chakratec‘ המציאה סוללת ענק שממירה אנרגיה חשמלית לאנרגיה קינטית, ולהיפך. באמצעות טכנולוגיה זו, בעת טעינה של הסוללה זרם חשמלי מגביר את מהירות סיבובו של גלגל תנופה, ששומר על מהירותו הגבוהה. בעת שימוש בסוללה, גלגל התנופה מעביר אנרגיה קינטית למחולל אנרגיה חשמלית שמספק אנרגיה לצרכני חשמל. לסוללה יש חסרון משמעותי – איבוד אנרגיה של כאחוז בשעה, עובדה שגורמת לה להתרוקן תוך ארבעה ימים. יתרון נוסף של סוללה זו הוא העדר שימוש בכימיקלים רעילים ו/או יקרים כמו בסוללות קיימות: עופרת, ליתיום, ניקל וקדמיום. סוללה זו כיום מסוגלת להמיר חשמל לאנרגיה קינטית וחזרה לחשמל בנצילות מרשימה של 85%. חסרונה העיקרי של סוללה זו הוא אבדן מהיר מאד של האנרגיה (כאחוז ביום) ובמשקלה הרב (250 ק”ג ל3 MWh).

4. אגירה באמצעות אויר דחוס (CAES)

בשיטה זו משתמשים במדחס כדי לדחוס אויר לחללים גדולים (בד”כ מתחת לקרקע). כאשר מעוניינים להשתמש באנרגיה שוב האוויר הדחוס יוצא ומסובב טורבינה המפיקה חשמל. בהתאם לתהליך בו מבצעים את הדחיסה (דיאבטי או אדיאבטי) ניתן להגיע לנצילות גבוהה המגיעה עד ל – 70% בתנאים אופטימליים. ישנם הפסדי חום רבים בתהליך אך גם כיום בהשוואה לאגירה שאובה שיטה זו היא עדיין תחרותית מבחינה אנרגטית וכלכלית.

5. הפקה ואגירת אנרגיה בתחנת כוח סולארית עם צינורות פאראבוליים.

תחנת כוח זו מחממת תמיסת מלח מיוחדת (60% סודיום, 40% פוטסיום) אשר משמשת כמאגר תרמי של אנרגיה. האנרגיה נשמרת כאנרגיה תרמית עד לניצולה בהתאם לצריכה במחליפי החום של התחנה. קיימת תחנה מסוג זה בדרום ספרד בהספק של 150 מגה וואט. החסרונות בתחנה מסוג זה: אובדן האנרגיה הוא מהיר (תלוי בטמפ’ הסביבה אך מדובר על כ – 8 שעות), צריכה גבוהה של מים 5 liter/Kwh, תחנה יקרה מאד לבניה ולאחזקה, דורשת שטח נרחב, דורשת אקלים ייחודי. יתרונותיה הן באשרות להימנע מהמרת אנרגיה חשמלית וחזרה אלא ביכולתה לשמור את האנרגיה כתרמית וכך לשמור על נצילות הקרובה להפקה רגילה מאנרגיית שמש ללא אגירה (כ-15%).

6. אגירה שאובה

זוהי אחת השיטות המוכרות ביותר והפשוטות ביותר לאגירת אנרגיה בקנה מידה גדול. כל הדרוש הוא גיאוגרפיה מתאימה, וניתן לבנות מערכת הבנויה ממאגר עליון, מאגר תחתון, צנרת, משאבה וטורבינה. שיטה זו מאפשרת לאגור תיאורטית כמות אינסופית של אנרגיה. הטכנולוגיה קיימת ובשימוש נרחב כבר עשרות שנים (סכרים הידרו אלקטריים). בגלל פשטות השיטה (באופן יחסי) וזמינות רכיביה  מאגרי אגירה מסוג זה פזורים בכל רחבי העולם ובשימוש כבר היום באופן נרחב.