כיצד לאגור חשמל מחוץ לרשת החשמל?

במהלך 50 השנים האחרונות, חלה עלייה מתמשכת בצריכת החשמל העולמית, עם צריכה מוערכת של כ-25,300 טרה-וואט-שעה בשנת 2021. עם המעבר לתעשייה 4.0, ישנה עלייה בביקוש לאנרגיה ברחבי העולם. מספרים אלה עולים מדי שנה, לא כולל את דרישות החשמל של מגזרים תעשייתיים ומגזרים כלכליים אחרים. שינוי תעשייתי זה וצריכת חשמל גבוהה מצטרפים להשפעות מוחשיות יותר של שינויי האקלים עקב פליטות מוגזמות של גזי חממה. כיום, רוב תחנות ומתקני ייצור החשמל מסתמכים במידה רבה על מקורות דלק מאובנים (נפט וגז) כדי לעמוד בדרישות אלו. חששות אקלימיים אלה אוסרים על ייצור אנרגיה נוסף בשיטות קונבנציונליות. לפיכך, פיתוח מערכות אחסון אנרגיה יעילות ואמינות הפך לחשוב יותר ויותר כדי להבטיח אספקה רציפה ואמינה של אנרגיה ממקורות מתחדשים.

מגזר האנרגיה הגיב על ידי מעבר לאנרגיה מתחדשת או פתרונות "ירוקים". המעבר נעזר בטכניקות ייצור משופרות, שהובילו למשל לייצור יעיל יותר של להבי טורבינות רוח. כמו כן, חוקרים הצליחו לשפר את יעילותם של תאים פוטו-וולטאיים, מה שהוביל לייצור אנרגיה טוב יותר לכל אזור שימוש. בשנת 2021, ייצור החשמל ממקורות פוטו-וולטאיים סולאריים (PV) גדל משמעותית, והגיע לשיא של 179 TWh ומייצג צמיחה של 22% בהשוואה לשנת 2020. טכנולוגיית ה-PV הסולארית מהווה כיום 3.6% מייצור החשמל העולמי והיא כיום מקור האנרגיה המתחדשת השלישי בגודלו לאחר אנרגיה הידרואלקטרית ורוח.

עם זאת, פריצות דרך אלו אינן פותרות חלק מהחסרונות הטבועים במערכות אנרגיה מתחדשת, בעיקר זמינות. רוב השיטות הללו אינן מייצרות אנרגיה לפי דרישה כמו תחנות כוח פחם ונפט. תפוקות אנרגיה סולארית, למשל, זמינות לאורך כל היום עם שינויים בהתאם לזוויות קרינת השמש ולמיקום פאנלים פוטו-וולטאיים. היא אינה יכולה לייצר אנרגיה במהלך הלילה, בעוד שתפוקתה מצטמצמת משמעותית במהלך עונת החורף ובימים מעוננים מאוד. אנרגיית הרוח סובלת גם מתנודות בהתאם למהירות הרוח. לכן, יש לשלב פתרונות אלו עם מערכות אגירת אנרגיה על מנת לקיים אספקת אנרגיה בתקופות תפוקה נמוכה.

מהן מערכות אגירת אנרגיה?

מערכות אגירת אנרגיה יכולות לאגור אנרגיה על מנת שתשמש בה בשלב מאוחר יותר. במקרים מסוימים, תהיה צורה של המרת אנרגיה בין אנרגיה מאוחסנת לאנרגיה המסופקת. הדוגמה הנפוצה ביותר היא סוללות חשמליות כגון סוללות ליתיום-יון או סוללות עופרת-חומצה. הן מספקות אנרגיה חשמלית באמצעות תגובות כימיות בין האלקטרודות לאלקטרוליט.

סוללות, או BESS (מערכת אחסון אנרגיה של סוללות), מייצגות את שיטת אחסון האנרגיה הנפוצה ביותר ביישומים בחיי היומיום. קיימות מערכות אחסון אחרות, כגון תחנות כוח הידרואלקטריות, הממירות את האנרגיה הפוטנציאלית של מים המאוחסנים בסכר לאנרגיה חשמלית. המים היורדים יסובבו את גלגל התנופה של טורבינה המייצרת אנרגיה חשמלית. דוגמה נוספת היא גז דחוס, כאשר עם שחרורו הגז יסובב את גלגל הטורבינה וייצר חשמל.

מה שמבדיל סוללות משיטות אחסון אחרות הוא תחומי הפעילות הפוטנציאליים שלהן. החל ממכשירים קטנים ואספקת חשמל לרכב ועד ליישומים ביתיים וחוות סולאריות גדולות, ניתן לשלב סוללות בצורה חלקה בכל יישום אחסון מחוץ לרשת החשמל. מצד שני, שיטות אנרגיה הידרואלקטרית ואוויר דחוס דורשות תשתיות גדולות ומורכבות מאוד לאחסון. זה מוביל לעלויות גבוהות מאוד הדורשות יישומים גדולים מאוד על מנת שזה יהיה מוצדק.

מקרי שימוש עבור מערכות אחסון מחוץ לרשת החשמל.

כפי שצוין קודם לכן, מערכות אחסון מחוץ לרשת החשמל יכולות להקל על השימוש וההסתמכות על שיטות אנרגיה מתחדשות כגון אנרגיית שמש ואנרגיית רוח. עם זאת, ישנם יישומים אחרים שיכולים להפיק תועלת רבה ממערכות כאלה.

רשתות חשמל עירוניות שואפות לספק את כמות החשמל הנכונה בהתבסס על ההיצע והביקוש של כל עיר. כמות החשמל הנדרשת יכולה להשתנות לאורך היום. מערכות אחסון מחוץ לרשת שימשו כדי להפחית תנודות ולספק יציבות רבה יותר במקרים של ביקוש שיא. מנקודת מבט אחרת, מערכות אחסון מחוץ לרשת יכולות להיות מועילות מאוד כדי לפצות על כל תקלה טכנית בלתי צפויה ברשת החשמל הראשית או במהלך תקופות תחזוקה מתוכננות. הן יכולות לעמוד בדרישות החשמל מבלי לחפש מקורות אנרגיה חלופיים. ניתן לציין לדוגמה את סופת הקרח בטקסס בתחילת פברואר 2023 שהותירה כ-262,000 איש ללא חשמל, בעוד שתיקונים התעכבו עקב תנאי מזג האוויר הקשים.

כלי רכב חשמליים הם יישום נוסף. חוקרים השקיעו מאמץ רב כדי לייעל את ייצור הסוללות ואת אסטרטגיות הטעינה/פריקה על מנת להאריך את תוחלת החיים וצפיפות ההספק של הסוללות. סוללות ליתיום-יון היו בחזית המהפכה הקטנה הזו ונמצאו בשימוש נרחב במכוניות חשמליות חדשות אך גם באוטובוסים חשמליים. סוללות טובות יותר במקרה זה יכולות להוביל לקילומטראז' גדול יותר אך גם לקיצור זמני הטעינה בעזרת הטכנולוגיות הנכונות.

התקדמות טכנולוגית אחרת כמו כטב"מים ורובוטים ניידים נהנו רבות מפיתוח סוללות. אסטרטגיות התנועה ואסטרטגיות הבקרה שלהן תלויות במידה רבה בקיבולת הסוללה ובכוח המסופק.

מה זה BESS

BESS או מערכת אחסון אנרגיה בסוללות היא מערכת אחסון אנרגיה שניתן להשתמש בה לאחסון אנרגיה. אנרגיה זו יכולה להגיע מרשת החשמל הראשית או ממקורות אנרגיה מתחדשים כמו אנרגיית רוח ואנרגיה סולארית. היא מורכבת מסוללות מרובות המסודרות בתצורות שונות (טוריות/מקביליות) ובגדלים בהתאם לדרישות. הן מחוברות לממיר המשמש להמרת זרם ישר (DC) לזרם חילופין (AC) לשימוש.מערכת ניהול סוללות (BMS)משמש לניטור מצב הסוללה ופעולת הטעינה/פריקה.

בהשוואה למערכות אחסון אנרגיה אחרות, הן גמישות במיוחד למיקום/חיבור ואינן דורשות תשתית יקרה במיוחד, אך הן עדיין מגיעות בעלות ניכרת ודושות תחזוקה שוטפת יותר בהתאם לשימוש.

גודל והרגלי שימוש של BESS

נקודה מכרעת שיש לטפל בה בעת התקנת מערכת אחסון אנרגיה בסוללות היא גודל הסוללה. כמה סוללות נדרשות? באיזו תצורה? במקרים מסוימים, סוג הסוללה יכול למלא תפקיד מכריע בטווח הארוך מבחינת חיסכון בעלויות ויעילות.

זה נעשה על בסיס כל מקרה לגופו, שכן היישומים יכולים לנוע בין משקי בית קטנים למפעלים תעשייתיים גדולים.

מקור האנרגיה המתחדשת הנפוץ ביותר עבור משקי בית קטנים, במיוחד באזורים עירוניים, הוא אנרגיה סולארית באמצעות פאנלים פוטו-וולטאיים. המהנדס בדרך כלל יביא בחשבון את צריכת החשמל הממוצעת של משק הבית ויעריך את קרינת השמש לאורך השנה עבור המיקום הספציפי. מספר הסוללות ותצורת הרשת שלהן נבחרים כך שיתאימו לדרישות משק הבית במהלך אספקת החשמל הסולארית הנמוכה ביותר של השנה, מבלי לרוקן לחלוטין את הסוללות. זאת בהנחה של פתרון שיבטיח עצמאות מוחלטת בחשמל מרשת החשמל הראשית.

שמירה על מצב טעינה בינוני יחסית או אי פריקה מלאה של הסוללות הן דבר שעשוי להיות לא אינטואיטיבי בהתחלה. אחרי הכל, למה להשתמש במערכת אחסון אם איננו יכולים למצות את מלוא הפוטנציאל שלה? תיאורטית זה אפשרי, אבל ייתכן שזו לא האסטרטגיה שממקסמת את התשואה על ההשקעה.

אחד החסרונות העיקריים של BESS הוא העלות הגבוהה יחסית של סוללות. לכן, בחירת הרגל שימוש או אסטרטגיית טעינה/פריקה שממקסמת את חיי הסוללה היא חיונית. לדוגמה, לא ניתן לפרוק סוללות עופרת חומצה מתחת ל-50% קיבולת מבלי לסבול נזק בלתי הפיך. לסוללות ליתיום-יון יש צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, מחזור חיים ארוך. ניתן לפרוק אותן גם באמצעות טווחי טעינה גדולים יותר, אך זה כרוך בעלות של עלייה במחיר. יש שונות גבוהה בעלות בין כימיקלים שונים, סוללות עופרת חומצה יכולות להיות זולות במאות עד אלפי דולרים מסוללת ליתיום-יון באותו גודל. זו הסיבה שסוללות עופרת חומצה הן הנפוצות ביותר ביישומים סולאריים במדינות עולם שלישי ובקהילות עניות.

ביצועי הסוללה מושפעים במידה רבה מהידרדרות במהלך חייה, אין לה ביצועים יציבים המסתיימים בכשל פתאומי. במקום זאת, הקיבולת המסופקת יכולה לדעוך בהדרגה. בפועל, חיי סוללה נחשבים כנגמרים כאשר הקיבולת שלה מגיעה ל-80% מהקיבולת המקורית שלה. במילים אחרות, כאשר היא חווה ירידה של 20% בקיבולת. בפועל, משמעות הדבר היא שניתן לספק כמות אנרגיה נמוכה יותר. זה יכול להשפיע על תקופות השימוש עבור מערכות עצמאיות לחלוטין ועל כמות הקילומטראז' שרכב חשמלי יכול לכסות.

נקודה נוספת שיש לקחת בחשבון היא בטיחות. עם ההתקדמות בייצור ובטכנולוגיה, סוללות מודרניות באופן כללי יציבות יותר מבחינה כימית. עם זאת, עקב התדרדרות והיסטוריה של שימוש לרעה, תאים עלולים להיכנס למצב של בריחה תרמית, דבר שעלול להוביל לתוצאות קטסטרופליות ובמקרים מסוימים לסכן את חיי הצרכנים.

זו הסיבה שחברות פיתחו תוכנות ניטור סוללות (BMS) טובות יותר כדי לשלוט בשימוש בסוללות אך גם לנטר את מצב הבריאות על מנת לספק תחזוקה בזמן ולמנוע השלכות מחמירות.

מַסְקָנָה

מערכות אחסון אנרגיה ברשת החשמל מספקות הזדמנות מצוינת להשיג עצמאות בחשמל מהרשת הראשית, אך גם מספקות מקור גיבוי לחשמל בזמני השבתה ותקופות עומס שיא. פיתוח זה יקל על המעבר למקורות אנרגיה ירוקים יותר, ובכך יגביל את השפעת ייצור האנרגיה על שינויי האקלים, תוך עמידה בדרישות האנרגיה עם צמיחה מתמדת בצריכה.

מערכות אחסון אנרגיה בסוללות הן הנפוצות ביותר והקלות ביותר להגדרה עבור יישומים יומיומיים שונים. הגמישות הגבוהה שלהן מתבטאת בעלות גבוהה יחסית, מה שמוביל לפיתוח אסטרטגיות ניטור כדי להאריך את תוחלת החיים שלהן ככל האפשר. כיום, התעשייה והאקדמיה משקיעות מאמצים רבים כדי לחקור ולהבין את התדרדרות הסוללות בתנאים שונים.