שתפו‬        

סוללות העתיד: מהפכה חשמלית

סוללות העתיד יהיו גדולות כמו בית וחזקות כמו תחנת כוח והן ישנו משמעותית את השוק המסורתי של יצור החשמל. כתבה שנייה בסדרה  
19 ביוני 2015



Andy Armstrong.flickr
Andy Armstrong.flickr

בכתבה הקודמת בסדרה סקרנו את ההתפתחויות הטכנולוגיות בתחום ייצור סוללות המיועדות למכשירים ניידים ולכלי רכב חשמליים. במקביל, מדענים וחוקרים מפתחים כיום סוללות שיוכלו לפתור בעיות אנרגיה בקנה מידה גדול הרבה יותר ושישפיעו באופן משמעותי על תחום האנרגיה המתחדשת.

האנרגיות המתחדשות המובילות כיום בעולם הן אנרגיה סולארית, שהופכת את אור השמש לאנרגיה חשמלית בעזרת פאנלים סולאריים, או לאנרגיה תרמית בעזרת מתקנים תרמו-סולאריים; ואנרגיית רוח, שמפעילה טורבינות מחוללות חשמל. לאנרגיות אלו יש עקב אכילס שפוגע ביעילות שלהן ושעד היום לא באמת נפתר – הן הפכפכות, בדיוק כמו מזג האוויר שעליו הן מתבססות ולא תמיד עומדות לרשותנו. לכן, הן פחות אמינות מאשר החלופה האנרגטית המזהמת של דלקי מאובנים.

פחם כגיבוי

בתחנות כוח רגילות שורפים דלקי מאובנים לפי ביקוש החשמל בכל רגע נתון. כאשר הביקוש עולה, שורפים יותר ומייצרים יותר אנרגיה. לא כך הדבר עם האנרגיות המתחדשות, שלא מיוצרות ברציפות ובהתאמה לביקוש החשמל בכל רגע נתון. בישראל, למשל, יצור חשמל מקסימאלי מאנרגיית שמש מתקבל בתקופת הקיץ בשעות הצהריים, כאשר קרינת השמש הכי חזקה. צריכת החשמל המקסימאלית בקיץ, לעומת זאת, מגיעה בשעות אחרי הצהריים – בעיקר לשם קירור בעזרת מזגנים. לכן, יש צורך בהחזקת ובהפעלת תחנות כוח מבוססות דלקים מאובנים (גז, פחם, נפט) כגיבוי לשעות העומס ולשעות הלילה, שבהן אין כלל יצור חשמל מאנרגיה סולארית.

תחנת כוח פחמית ליד סן חוסה, ארה"ב. צילום: Don McCullough.flickr
תחנת כוח פחמית ליד סן חוסה, ארה"ב. צילום: Don McCullough.flickr

בגלל מגבלה זו, גם מדינות שמקדמות אנרגיות מתחדשות נאלצות להשאיר תחנות כוח שפועלות על פחם ועל גז כגיבוי לתחנות של אנרגיה מתחדשת. כמו כן, לקצב התזזיתי שבו משתנה ייצור החשמל מרוח ומשמש יש השפעה שלילית על יציבות רשת החשמל: יש צורך במנגנונים שיודעים לשלוט, להדליק ולכבות תחנות ייצור חשמל בתדירות גבוהה וגם הבלאי לתחנות ייצור החשמל מתגבר בשל הדלקה וכיבוי תכופים. בעיות אלו גוררות הוצאות כספיות לא מבוטלות מעבר להשקעות באנרגיות המתחדשות עצמן. הפתרון העיקרי לכך הוא אחסון אנרגיה חשמלית, או אחסון אנרגיה מתחדשת. ברגע שיהיו אמצעים מוצלחים לאחסון אנרגיה מתחדשת בקנה מידה גדול, כבר לא יהיה משנה מתי ואיפה יוצרה אותה אנרגיה, כי פשוט יהיה ניתן לאחסנה ולהשתמש בה לפי צורך.

ישנם כמה כיוונים מסקרנים לאחסון אנרגיה מתחדשת בקנה מידה גדול. בכתבה זו ניגע בתחום המתפתח והגמיש ביותר כיום – סוללות ענק. הרעיון שעומד מאחוריהן הוא פשוט ומבריק: לייצר סוללות בגודל של חדר, בית ואף בניין ענק, שיאפשרו את אחסון האנרגיה המתחדשת בקנה מידה גדול, ואת פיזורה אל רשת החשמל לפי הצורך.

הנה מספר דוגמאות לטכנולוגיות של סוללות ענק:

סוללת הזרימה

סוללת הזרימה (flow battery) היא דוגמה טובה לסוללת ענק מוצלחת. סוללת זרימה משתמשת ברעיון המוכר והידוע של הסוללה האלקטרו-כימית, שבה 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. גודל מיכל האגירה של סוללות זרימה מוגבל בעצם במחיר ששווה להשקיע בהן. אמנם, חלק ניכר מסוללות הזרימה המפותחות כיום משתמשות באותה טכנולוגיה יקרה יחסית ומאוד מזהמת 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 צפויה להיות לא מזהמת ולא יקרה.

מידע נוסף על סוללת הזרימה

סוללת מתכות ומלח מותכים

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-050 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.

מידע נוסף על סוללת מתכות ומלח מותכים

דגם של סוללת מתכת נוזלית. קרדיט: Felice Frankel. הסוללה נשמרת בטמפרטורה גבוהה ששומרת את המתכות במצב נוזלי. המרכיבים השונים בסוללה מסתמכים על צפיפותם השונה ע"מ לשמור על המבנה הפנימי (כמו ששמן צף על מים), מה שמפשט את הייצור.  שכבה עליונה: ליתיום מותך (הקתודה השלילית). שכבה אמצעית: מלח ליתיום מותך (האלקטרוליט), בו שקוע צמר ברזל אשר מוליך את הזרם. שכבה תחתונה: עופרת מותכת (האנודה החיובית).
דגם של סוללת מתכת נוזלית. קרדיט: Felice Frankel.
הסוללה נשמרת בטמפרטורה גבוהה ששומרת את המתכות במצב נוזלי. המרכיבים השונים בסוללה מסתמכים על צפיפותם השונה ע"מ לשמור על המבנה הפנימי (כמו ששמן צף על מים), מה שמפשט את הייצור.
שכבה עליונה: ליתיום מותך (הקתודה השלילית).
שכבה אמצעית: מלח ליתיום מותך (האלקטרוליט), בו שקוע צמר ברזל אשר מוליך את הזרם.
שכבה תחתונה: עופרת מותכת (האנודה החיובית).

Frankel Sadoway.jpg

הסוללה הקינטית

הסוללה הקינטית (kinetic battery) מציעה טכנולוגיה שונה לגמרי. הרוב המוחץ של טכנולוגיות החדשניות לסוללות-על מבוססות על הפיכת אנרגיה חשמלית לאנרגיה כימית, ולהיפך. החברה הישראלית chakratec המציאה סוללת ענק מהפכנית 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. סוללה כזו אמורה להחזיק כ-20 שנים, אך יש לה חסרון של איבוד אנרגיה משמעותי 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.

מידע נוסף על הסוללה הקינטית

מהפיכת החשמל

דו"ח של בנק ההשקעות Citygroup שפורסם לאחרונה גורס ששיפור והוזלת טכנולוגיות סוללות הענק בשנים הקרובות יביאו להתרסקות במחירי דלקי המאובנים, לשינוי רדיקלי בשוק המסורתי של יצור חשמל על ידי חברות חשמל גדולות, למעבר לייצור חשמל מקומי, וליצירת שוק חדש של אחסון אנרגיה בשווי של 400 מיליארד דולר כבר ב-2030 (פתרונות אגירת אנרגיה נוספים שישנו את מפת ייצור האנרגיה נוכחית הם שאיבת מים למאגר גבוה ושחרור המים לשם יצירת חשמל לפי הצורך, דחיסת אוויר ושחרורו לשם יצור חשמל, ואגירת אנרגיית חום במסה תרמית מבודדת).

אין ספק שכאשר יחל הייצור המסחרי של סוללות ענק, שוק החשמל בעולם צפוי לעבור מהפיכה. מלבד פריחה צפויה לשוק האנרגיות המתחדשות, צפוי שטכנולוגיות אלו יאפשרו גם הקמת רשתות חשמל קטנות ועצמאיות שמייצרות, אוגרות ומשתמשות בחשמל שלהן במנותק מרשת החשמל המרכזית.

 




שתפו‬