עגורן אוגר אנרגיה

איך מגדלים של קוביות בטון יכולים לאגור אנרגיה ירוקה ולספק אותה למשק החשמל בישראל בעת הצורך

ד”ר דניאל מדר, זווית – סוכנות ידיעות למדע ולסביבה

אנרגיות מתחדשות המופקות מקרינת השמש ומהרוח, הן כיום הפתרונות המקיימים ביותר להפקת אנרגיה עבור צורכי בני האדם. ההשפעה הסביבתית שלהן – על שינוי האקלים, זיהום האוויר, זיהום המים, שימוש במשאבים, פגיעה במערכות אקולוגיות ופגיעה בבריאות – היא מזערית לעומת הפגיעה שמייצרים דלקי מאובנים כמו גז טבעי, נפט ופחם. כמו כן, בשנים האחרונות המגמה התהפכה, והפקת חשמל משמש ומרוח הפכה זולה יותר מאשר מדלקי מאובנים.

עם זאת, נקודת התורפה של האנרגיות המתחדשות היא העובדה ש”אי אפשר לסמוך עליהן”. כלומר, הן לרוב לא מייצרות חשמל בקצב קבוע וידוע מראש לתקופה ארוכה, מהסיבה הפשוטה שהשמש לא זורחת לאורך כל שעות היממה, וגם בשעות היום היא אינה זורחת בעוצמה זהה, כאשר עננים או אבק מסתירים אותה. גם עוצמת הרוח משתנה באופן תדיר ולעתים בלתי צפוי. לכן יש מגבלות על החלק היחסי של האנרגיות הללו מתוך כלל משק החשמל: יש צורך להשקיע בתשתית חשמל מיוחדת שתדע להתמודד עם ההפכפכות הזו, ויש הכרח לשמור על הפעלת חלק ניכר ממשק החשמל באמצעות דלקי מאובנים, אנרגיה הידרואלקטרית או כורים גרעיניים כגיבוי.

פתרון לבעיה מרכזית זאת הוא אגירת אנרגיה: אנרגיה שמופקת בשעות שבהן יש רוח או שמש נאגרת, ונעשה בה שימוש מאוחר יותר, כאשר אין רוח או שמש. אנו מכירים פתרונות קטנים כאלו מחיי היומיום שלנו, בדמות סוללות חשמליות ומצברים. אולם, לאספקת חשמל לבתים, בניינים וערים, יש צורך בפתרונות רחבי היקף בהרבה. לכן, יש כיום מרוץ לפיתוח אמצעים שונים לאגירת אנרגיה בהיקפים גדולים – ופיתוח חדש של חברת סטארט-אפ שווייצרית, שעושה שימוש חכם בטכנולוגיה שכבר קיימת כיום, הוא צעד נוסף בדרך ליישום שלהם.

מייצרים חשמל ממים

במרוץ הטכנולוגי למציאת פתרונות לאגירת אנרגיה, עולים לכותרות לא פעם פיתוחם טכנולוגיים מתוחכמים, כמו מצברים ענקיים מבוססי-מתכות או חומרים אורגניים שונים ומשונים, או מצברים מבוססי גלגלי תנופה (רכיבים מכניים מסתובבים המשמשים לאגירת אנרגיה). פתרונות אלו מושכים הרבה תשומת לב תקשורתית ולכן גם הכי הרבה השקעות; אולם פתרונות אלו עדיין בפיתוח, ורוב הסיכויים שיהיו יקרים מאוד לפחות בתקופה הראשונה להפעלתם, בשל הפיתוח המורכב והארוך שלהם. ניתן לראות את התופעה הזו מתרחשת בשוק הרכב: מכוניות היברידות וחשמליות עדיין יקרות מאוד, מה שמקשה על חדירה מאסיבית שלהן לשווקים בעולם.

מצד שני, קיימים כבר כיום פתרונות פחות מתוחכמים, כמו למשל אגירת חום או קור, ואגירת אנרגיה פוטנציאלית של משקל בגובה רב (ועל כך בהרחבה בהמשך). אבל באלה עדיין לא נעשה שימוש בהיקף גדול. פתרון מסוג כזה קיים כבר כיום, אפילו בישראל, והוא מכונה אגירה שאובה: מים נשאבים ממאגר נמוך כלפי מעלה ונאגרים במאגר גבוה כאשר יש עודף של חשמל ברשת. כאשר נוצר צורך בחשמל במערכת, חשמל מופק מהפלת המים אל מאגר המים התחתון דרך טורבינה שמייצרת חשמל.

למערכת זו יתרון בשל זמן ההפעלה הקצר שמאפשר לייצר חשמל כבר תוך שניות מהפעלת המערכת (בניגוד לתחנות כוח פחמיות ואחרות, להן דרוש זמן הפעלה התחלתית ארוך בהרבה– דקות ארוכות ואף שעות) ויעילותה גבוהה יחסית ועומדת על 80 אחוז – כלומר, אם מעלים טון מים למאגר העליון, כאשר משחררים אותו מטה, מתקבלת 80 אחוז מהאנרגיה שהושקעה בהעלאתו, בעוד ש-20 אחוז מהאנרגיה אובדת בשל החיכוך בין חלקי המערכת ובגלל אובדן מים בצורה של אידוי או חלחול. חסרונות נוספים של התהליך הם הצורך בתשתית נרחבת של מאגרים ומנהרות, שלוקח זמן רב להקים ואשר פוגעת בטבע – חומרים רעילים עלולים לחלחל למי התהום במהלך כריית המנהרות, ושאיבת מים במהלך הכרייה עלולה לפגוע במאזן מי התהום. בנוסף לכך, לשם הקמת המערכת יש צורך בשטחים עם הפרשי גובה של מאות מטרים ביניהם, כמו הר סמוך לעמק, או מישור עם מכרה עמוק; על מנת שכל רשת החשמל הישראלית תישען על אנרגיות מתחדשות ואגירה שאובה, יהיה צורך בעשרות קמ”ר של מאגרי אגירה שאובה. שטח הינו משאב יקר שלא בטוח שיהיה ניתן לספק בישראל הקטנה והצפופה, אשר אינה משופעת בהרים נישאים.

זול ב-50 אחוז מכל טכנולוגיה אחרת

פיתוח חדש של חברת הסטארט-אפ השוויצרית Energy Vault יוכל אולי לספק אלטרנטיבה זולה וירוקה יותר לשיטת האגירה השאובה. החברה פיתחה לאחרונה עגורן אוטומטי, שבאמצעות יצירת ערימות של קוביות בטון – ממש כמו בלגו – מצליח לאגור אנרגיה פוטנציאלית, ולהפוך אותה לאנרגיה חשמלית בעת הצורך, שאותה ניתן להזרים בחזרה לרשת החשמל.

איך זה עובד? פשוט מאוד. העגורן יוצר ערימות של קוביות מבטון תוך שהוא משתמש בעודפי חשמל שקיימים ברשת החשמל הכללית (למשל במהלך הצהריים כאשר הספק הייצור של אנרגיה סולרית נמצא בשיאו). מנוע חשמלי מעלה את הקוביות למעלה ומניח אותן במעלה הערימה. כאשר יש צורך בתוספת חשמל לרשת, העגורן אוחז בקוביות ממעלה הערימה ומשחרר אותן לכיוון הקרקע (כאשר הן מחוברות לכבל שמחובר לגנרטור, מסובב אותו ומפיק חשמל), בפעולה שממירה את האנרגיה הפוטנציאלית (הפרש הגבהים) לאנרגיה חשמלית – בדומה למערכת האגירה השאובה שהוזכרה קודם.

איך זה עובד? העגורן של חברת Energy Vault

כל עגורן יכול לפעול באופן אוטומטי כאשר הוא מקבל פקודה לאגור או לשחרר אנרגיה. המערכת האוטומטית זוכרת היכן הניחה כל קובייה, והיכן עליה להניח את הקובייה הבאה באופן הכי יעיל. המערכת מודולרית וניתנת לבנייה במספר גדלים. כל עגורן מסוגל לאגור אנרגיה בהיקף של 10-35 מגהוואט־שעה (MWh) ויותר, ולספק אנרגיה בהספק של 2-5 מגהוואט. גודל מערכת זה מצוין להתקנה מודולרית בשלל אתרים, מבלי לתפוס שטח גדול (בניגוד לאגירה שאובה שזקוקה לשטחים נרחבים ו”מיוחדים” כגון הרים לצד עמקים). במערכת זו ניתן לאגור אנרגיה לזמן בלתי מוגבל, ללא אובדן אנרגיה, אבל תוך שמירה על זמן תגובה מהיר של עשרות שניות כאשר יש צורך בהזרמת חשמל לרשת.

חיסרון של הפיתוח החדש הוא שלא ניתן לבנות מערכות גדולות מאוד ממנו, בדומה למאגר אגירה שאובה אחד. אולם, עשרות ואף מאות עגורנים אוטומטיים כאלו יכולים להישלט על ידי אדם אחד בחדר בקרה אחר. לכן, הוצאות התפעול של מערכת זו נמוכות במיוחד, ולכל מערכת משך חיים של 30 שנים ויותר, עם 90 אחוז יעילות.

מכיוון שזו מערכת פשוטה להפליא, ומכיוון שכל חלקי המערכת נמצאים כבר עשרות שנים בשימוש אנושי והם יציבים ואמינים (בטון, פלדה, עגורנים), עיקר הפיתוח הוא יצירת התוכנות המתאימות לאוטומציה ולאופטימיזציה של המערכת. לפי החברה, המחיר של מערכת זו זול כיום בלפחות 50 אחוז אל מול כל טכנולוגיית אגירה אחרת שקיימת בשוק. בניית המערכת פשוטה יחסית ומהירה. את קוביות הבטון ניתן לייצר באתר הבנייה עצמו, או להוביל אליו. חומר אגירת האנרגיה (הבטון) אינו נעלם מהמערכת עם הזמן, לכן לא צריך לחדש אותו, בניגוד לאגירה שאובה, שבה המים מתאדים ומחלחלים מהמערכת. נוח להקים את המערכת בכל אזור תעשייה או בשטח עירוני עם בנייה לגובה (התקנה בשטח עירוני עם בנייה נמוכה או בשטחים פתוחים תגרום לפגיעה נופית).

בסיום חיי המערכת, ניתן להשתמש שוב בכל חלקיה בקלות. ניתן אף להשתמש בפסולת כבדה לשם יצירת הקוביות, במקום להטמינה. למשל, להשתמש בתערובת של אפר פחם, פסולת בניין, אספלט גרוס ועוד. המערכת בטוחה לשימוש, ללא סכנת דליפת חומרים מסוכנים וללא צורך בשימוש בטמפרטורות גבוהות. תיאורטית, ניתן אפילו להקים מתקנים אלו מתחת לפני הקרקע. אמנם התחזוקה והבנייה שלהם תהיה מסובכת ויקרה יותר, אבל כך ניתן יהיה שלא לבזבז עליהם שטח שיכול לשמש לחלופות אחרות, והם אפילו יהיו חסינים לאירועי לחימה.

לשנות את חוקי המשחק של רשת החשמל

ישראל נשענת כיום על רשת חשמל בהספק של כ-15 ג’יגהוואט ~15 GW, הצורכת כ-65 טרהוואט-שעה ~65 TWh חשמל בשנה. אם כל מערך ייצור החשמל של ישראל יהיה מבוסס על אנרגיות מתחדשות (בעיקר שמש), שכזכור אינן פועלות בקצב קבוע וידוע מראש ולכן יש לאגור אותן, יוכלו  5,000-10,000 עגורנים כאלו לאגור ולספק את כל צריכת החשמל של ישראל למשך למעלה מ-24 שעות, בלי כל מקור חשמל אחר. מערך מבוזר כזה אף יוכל לחסוך הקמה ותחזוקה של מערכת הולכת חשמל יקרה אשר מכסה את כל הארץ.

כיום משק החשמל בארץ ריכוזי ופגיע. פגיעה נקודתית בתחנת הכוח רבין בחדרה, למשל, אם כתוצאה מלחימה, מרעידת אדמה או מצונאמי, יכולה להשבית כ-20 אחוז מכלל היקף ייצור החשמל בישראל. פגיעה נקודתית באסדת אספקת גז או בצינור הולכה ראשי יכולים לשתק את אספקת הגז ל-60-70 אחוז מתחנות הכוח ולמפעלים רבים. אם ישראל תעבור לייצר את רוב החשמל שלה מהשמש על מבנים, כל עיר תוכל לייצר ולאגור את החשמל שלה. אבל גם אם לא, ניתן יהיה לאגור חשמל מהרשת הראשית לכל עיר. במקרה של השבתת מערכת החשמל הארצית, לכל עיר יכול להיות גיבוי והיא יכולה להמשיך ולתפקד.

יותר מכך, כ-11 אחוז מכלל החשמל שמיוצר כיום “נזרק לפח”, מכיוון שרשת החשמל תמיד מייצרת יותר חשמל מהיקף הצריכה באותו הזמן, על מנת להתמודד עם עליות פתאומיות בצריכה. החשמל העודף מוארק לקרקע, ואגירת אנרגיה תוכל לאגור עודפים אלו, ותאפשר בכל יום לייצר פחות חשמל.

טכנולוגיית מגדלי הבטון (או כאלו דומות לה) צפויה לשנות את חוקי המשחק של רשתות החשמל העולמיות. מרשתות ריכוזיות הנשענות על דלקי מאובנים יקרים ומזהמים הנשלטים על ידי תאגידים ומדינות, לרשתות מבוזרות, הנשענות על אנרגיה נקייה ואגירת אנרגיה לזמן בלתי מוגבל.