אגירת אנרגיה אינה חדשה לאיש מאתנו. מהטלפון הסלולארי, דרך המצבר של הרכב, ועד שעון היד עם מנגנון הקוורץ והמכונית החשמלית, ותקצר היריעה מלהקיף את כל מגוון השימושים, אנחנו מוקפים בסוללות ומצברים שאוגרים אנרגיה ומקלים על חיינו.
אבל.. מה הקשר למערכות סולאריות...?
הקשר הינו שאחד הקשיים הגדולים במערכות לייצור חשמל מאנרגיות מתחדשות הינה העובדה שבניגוד לתחנות כוח פוסיליות, איננו שולטים במועד ובכמות הדלק הזורם למערכת (שמש, רוח...) – קרי איננו שולטים במועדים ובעוצמות של ייצור החשמל שלנו.
חברת החשמל זקוקה לחשמל שאנחנו מייצרים, אבל היא זקוקה לו בהתאם לדרישת הצרכנים ממנה, ולא בהתאם למועדי הייצור שלנו.
התוצאה עלולה להיות – כשחברת החשמל זקוקה לחשמל שלנו אין לנו מה לתת, ולהיפך: כשיש לנו חשמל בשפע חברת החשמל אינה זקוקה לו!
בעיה נוספת הינה העומס על קווי הרשת: בייצור חשמל מאנרגיה סולארית גרף הייצור אמנם ידוע לנו, אבל הוא אחיד (כמעט) עבור כל המערכות הסולאריות הפ"ו. כך נוצר מצב שבשעות הייצור הקו עמוס מאוד, ומחוץ לגרף הייצור יש שפע של מקום על הקו. במצב כזה אי אפשר לחבר עוד מערכות סולאריות על הקו, אפילו אם רוב היממה הוא אינו בקיבולת מלאה.
במאמר זו ננסה לענות השאלה כיצד אגירה תסייע לפתרון הבעיות הללו, מה מחיר הפתרון, ולפתוח לקוראים פתח להבנה של העולם המיוחד של האגירה החשמלית המסחרית.
שאלות מפתח
למה אגירת אנרגיה היא כ"כ חשובה ולמה לתעשיית האנרגיות המתחדשות אין עתיד בלי אגירה?
מטרות ושמושים לאגירה החשמלית: Shifting, Clipping, Peak Shaving, Frequency Stabilization, Voltage Stabilization.
שיטות אגירה. טכנולוגיות של מצברים.
טופולוגיות של מערכות אגירה: צימוד AC וצימוד DC.
מדוע האגירה כ"כ חשובה?
אנרגיות מתחדשות מציתות את הדמיון כי הן יוצרות תקווה לעתיד שבו ייצור אנרגיה ותנועת מכוניות אינם מזהמים. אולם, לאנרגיות מתחדשות יש גם, כמסתבר, חסרונות רבים, או אולי מוטב אתגרים רבים שעלינו להתמודד איתם.
0 שהפכו את המערכת הסולארית ל"מלכת" האנרגיות המתחדשות. הן זולות, נקיות, שקטות וסקלביליות (הכוונה, שניתן לבנות באותה טכנולוגיה מערכות קטנות מאוד, בינוניות וגדולות מאוד). תכונות אלו תרמו מאוד להפצתן על גגות של בתים פרטיים, מבני חקלאות, מבני תעשייה ואחסנה, מבני ציבור וקרקעות. בעצם – בכל מקום.
אבל, למערכות סולאריות יש גם 2 חסרונות קשים:
הן לא מייצרות חשמל בלילה.
הן מאוד לא יעילות. אולי הצורה הכי פחות יעילה של ייצור חשמל הידועה לנו.
על החיסרון השני מנסים להתגבר בשלל דרכים, אבל החיסרון הראשון הוא עדיין ללא פתרון. בלילה אין ייצור חשמל סולארי. למרבה המזל גם צריכת החשמל בלילה היא קטנה מאוד מאשר ביום, אבל היא בשום פנים ואופן לא 0. בנוסף, יש חיסרון נוסף שעליו דיברנו, והוא חוסר היכולת לשלוט במועדי הייצור ובעוצמת הייצור.
למערכות סולאריות יש גרף ייצור אופייני שנראה כפעמון שתחילתו בשעה 06:00 בערך, שיאו בשעה 12:00 (או 13:00 בשעון הקיץ), וסופו בשעה 18:00 בערך.
ובגרף:
אנו לא יכולים לשלוט בגרף הזה והוא כמעט אחיד לכל המערכות הסולאריות (למערכות סולאריות עם טרקרים יש גרף מעט שונה, גבוה יותר בבוקר ובערב, אך עדיין – הייצור הוא מהבוקר עד הערב). לכן, החל ב- 06:00 בבוקר המערכות הסולאריות בכל הארץ מתעוררות ומזרימות חשמל לרשת, בין אם הוא נדרש ובין אם לאו, ובשעה 18:00 הן דועכות, בין אם החשמל שלהן נדרש או לא.
בהסדרות הראשונות, כשכמות המערכות הסולאריות היתה קטנה, זה לא היה כ"כ חשוב, אבל כיום, כשהאנרגיות המתחדשות בישראל כבר הגיעו ל- 10%, ובשנת 2030 הן מתוכננות להגיע ל- 30%, זה לא יכול להמשיך.
המסקנה ברורה: למערכות סולאריות בהיקף כה גבוה חייבת שתהיה היכולת למסור את תפוקתן באופן גמיש לאורך היום והלילה.
איך עושים את זה? ע"י אגירת חשמל!
בלי זה – לא נוכל להמשיך ולפתח את משק האנרגיות המתחדשות כתחליף למשק האנרגיות המזהמות!
מהי אגירת חשמל?
יש יותר מדרך אחת לאגור אנרגיה, ובין שאר הדרכים ניתן למנות הרמת מים לגובה (אגירה שאובה), אגירת חום, אגירת אוויר דחוס (אוג ווינד) ועוד שיטות שונות, אבל בסופו של דבר, לפחות כיום כשאנחנו מדברים על אגירת חשמל אנחנו מדברים על אגירה כימית של חשמל במצברים (או בטריות, או סוללות). מדובר על מצברים שהאופן שבו הם בנויים, מבחינה פיזית וכימית, מאפשר להם לצבור חשמל, למסור אותו, ולהטען מחדש.
מטרות ושימושים לאגירה החשמלית
יש 4 שימושים עיקריים לאגירת חשמל:
השלה יזומה (Peak Shaving).
הסטה (Shifting).
אגירת עודפי ייצור סולארי (Clipping).
שיפור איכות החשמל – ייצוב מתח ותדר.
נעבור על כל אחד בנפרד, רק נאמר שבמערכת סולארית נתמכת אגירה יתכן ואף סביר שכמה מתוך 4 השימושים יקרו ביחד באותה המערכת.
השלה יזומה:
השלה יזומה הינה הפעלה של מקור הספק "רדום", כגון גנרטור או מערך אגירת חשמל וכד', בשעה שבה הצריכה מגיעה לשיא, כדי לסייע לחח"י להתגבר על השיא או ל"השיל" חלק מההספק הנדרש.
זה נראה ברור וטריוויאלי, אולם השלת הספק בפיקים הינה עניין הרבה יותר חשוב ממה שנראה במבט ראשון.
תחנות כוח לייצור חשמל מתאפיינות במבנה עלויות שנקרא "Capital Intensive", ז"א שחלק הארי מעלות הפקת החשמל בהן נובע מעלויות קבועות כמו עלות ההקמה, העלויות הקבועות של התפעול, עלויות כ"א קבוע וכיוצ"ב.
במצב כזה עלות החשמל בתחנה נגזרת מהפיק שהיא נבנתה לעמוד בו – גם כשהיא מספקת מעט חשמל יחסית.
לכן – יש העדפה ברורה לבנות תחנות קטנות יותר ולהשיל את הפיקים באמצעים שונים – בתוכם גם ע"י מערכי אגירה.
2. הסטה:
הסטה היא טעינה של מערך אגירת אנרגיה כאשר תעריף החשמל זול, ופריקתה לרשת כאשר תעריף החשמל יקר. הסטה אינה מבוצעת רק ע"י מצברים – אחת השיטות המפורסמות לבצע הסטה הינה אגירה שאובה, בה מעלים מים לגובה ע"י משאבות כשהחשמל זול ומורידים לתוך טורבינות כשהוא יקר.
אבל בהחלט ניתן לבצע הסטה גם ע"י סוללות.
הסטה הינה יעילה רק כאשר השעון הינו שעון תעו"זי. בשעונים אחידים (Flat) כמו בבתים שלנו אין שום משמעות להסטה כיוון שהתעריף זהה כל שעות היממה.
בעולם האנרגיות המתחדשות הסטה משמשת לא רק לביצוע ארביטראז' בין תעריפים, אלא גם לוויסות מסירת החשמל לרשת. כיוון שכל המערכות הסולאריות דוחפות את החשמל שלהן לרשת באותן שעות ובאותו פרופיל ייצור, הרשת "נסתמת" באזורים מסוימים בשעות מסוימות וחח"י אינה יכולה לאשר עוד שילוב מערכות סולאריות באותם אזורים. ומנגד – חח"י גם לא יכולה להקטין את תחנות הכוח שלה עבור שעות אחרות ביום.
הסטה מאפשרת להזרים חלק מההספק שלא בשעות הייצור ובכך לפרוס את העומס על הרשת על יותר שעות ביממה, לנצל את הרשת טוב יותר, וגם לאפשר לחח"י להקטין את תחנות הכוח שלה.
3. אגירת עודפי ייצור:
מערכות סולאריות בנויות כך שההספק המותקן של הפאנלים (DC) גדול ב 30-50% מההספק המותקן של הממירים (AC). דבר זה נעשה כדי לנצל טוב יותר את שעות האור החלש, בבוקר ובערב ובחורף, אבל יש לו גם צד שלילי: הדבר גורם לאובדן תפוקה בצהריים ובקיץ. התפוקה אמנם מיוצרת ע"י הפאנלים, אולם היא אינה נמסרת ע"י הממיר לרשת – ופשוט הולכת לאיבוד.
מערכות אגירה יאפשרו לנו לבנות הרבה מאוד DC על הממיר, לנצל עד למקסימום את מסירת ההספק לרשת, ועדיין לא לאבד את יתרת ההספק אלא לאגור אותו ולפלוט אותו לרשת מאוחר יותר ביממה.
4. ייצוב איכות החשמל:
תתפלאו, גם לחשמל יש "איכות". הכוונה ליציבות של התדר והמתח. כשהחשמל לא יציב הוא עלול לפגוע במכשירי ובמכונות חשמל ולגרום לנזקים לצרכנים. מערכות אגירה מסייעות לייצב את התדר והמתח ותורמות לשיפור איכות החשמל. חברות חשמל ברחבי העולם משתמשות באגירת חשמל כדי לייצב את איכות החשמל בקווי המתח שלהן. אגירה כזו נקראת אגירה "לפני המונה" כיוון שהיא נעשית בתחום קווי המתח של ההולכה והחלוקה, ולא בתחומי הצרכנים (שם נקראת האגירה "אחרי המונה").
טופולוגיות של אגירה
יש למעשה שתי צורות שבהן ניתן לבנות מערכת אגירה אנרגיה חשמלית:
צימוד AC – הכוונה היא שאת מערך מצברי האגירה מחברים לאחר הממיר הסולארי, בצד של המערכת הסולארית שבו החשמל הוא חשמל AC (זרם חילופין).
צימוד DC - הכוונה היא שאת מערך מצברי האגירה מחברים לפני הממיר הסולארי, בצד של המערכת הסולארית שבו החשמל הוא חשמל DC (זרם ישר).
ישנם מספר שיקולים האם לבחור טופולוגיה בצימוד AC או DC למערכת סולארית. זה תלוי בעיקר בשאלה האם המערכת הנה חד כיוונית, ז"א שהבטריות נטענות מהפאנלים הסולאריים בלבד, או שהמערכת דו כיוונית, ז"א שהבטריות יכולות להטען גם מהרשת וגם מהפאנלים הסולאריים. אם המערכת נטענת מהפאנלים הסולאריים בלבד אזי החשמל זורם בכיוון אחד – מהמערכת החוצה. ואם המערכת נטענת גם מהפאנלים הסולאריים וגם מהרשת (לפי הצורך) האי שהחשמל יכול לזרום גם מהמערכת החוצה אל הרשת, וגם מהרש פנימה אל המערכת.
כאשר אין טעינה מהרשת נבחר על פי רוב בצימוד DC, ואילו כאשר ישנה אפשרות גם לטעון מהרשת נבחן גם את האפשרות להתקין מערכת אגירה בצימוד AC. יש לזכור שמערכות אגירה בצימוד AC יקרות יותר משמעותית לרכישה והתקנה (בשיעור של כ- 20-25%), וזאת כיוון שיש להן 2 סטים של ממירים: אחד שאחראי על הוצאת חשמל מהפאנלים הסולאריים, ואחד שאחראי להוצאה והכנסה של חשמל מהבטריות. במערכת אגירה בצימוד DC זה נעשה על ידי אותו סט ממירים, אבל יעילות הטעינה מהרשת נמוכה יותר משמעותית.
לכן ההחלטה האם להצטייד במערכת אגירה בצימוד AC או DC תלויה בניתוח טכנו-כלכלי של המערכת ע"י יועצי אגירה שזו הכשרתם.
אימוץ ויישום של מערכת אגירה אינו פשוט כלל. מעבר לצורך לנתח את המערכת ולאפיין אותה ע"י יועצים יעודיים, המערכת עצמה יקרה מאוד לרכישה, והיא סובלת מירידת כושר אגירה (דגרדציה) לאורך השנים, שמחייב להוסיף לה יחידות אגירה כל כמה שנים כדי לשמור על "כוחה" (קיבוליות האנרגיה שלה). תוספת היחידות הללו נקראת אוגמנטציה (הגדלה), ולמעשה בונים את תוכנית ההגדלה הרב שנתית כבר בעת שמתכננים את המערכת על הנייר.
עקב המחיר הגבוה וקשיי התפעול מערכות אגירה מיושמות היום בעיקר אצל צרכנים בהיקף גדול, כמו קיבוצים, מפעלים גדולים או מחלקים. סוג שני של יישום הוא של מערכות אגירה תומכות רשת, עבור מערכת ההולכה (מתח עליון) או מערכת החלוקה (מתח גבוה). אצל בעלי מערכות קטנים יותר (כמה מאוד קילוואטים מותקנים) מערכות אגירת אנרגיה עדיין אינן בשלות מבחינה כלכלית ונצטרף להמתין עוד כ- 2-3 שנים עד שהן תחדורנה לתחום זה ותהפוכנה לחיזיון נפרץ בשוק.
כאשר מערכות האגירה תהפוכנה לעניין של יום יום במערכות הסולאריות ניפטר מהבעיה המעיקה של "תשובות המחלק", אותן תשובות שחח"י נותנת למי שמבקש להקים מערכת סולארית. במקרים רבים התשובה הינה שלילית בשעות היום בגלל עומס ברשת, אולם בשעות הלילה אין מגבלות כמעט לחלוטין ואגירה תאפשר לנו להזרים את החשמל לרשת, באופן מעשי ללא הגבלה.