לשמור את החשמל

בחודש מרץ האחרון עלתה על סדר היום הציבורי סוגיה שמעטים שמעו עליה לפני כן: "חשמל כשר". דובר על תקצוב פרויקט שעלותו נאמדת בעשרות מיליוני שקלים, ומטרתו לספק חשמל בשבתות וחגים לאוכלוסייה החרדית באזור המרכז. זה ייעשה באמצעות סוללות ליתיום-יון ענקיות שנטענות במשך השבוע, ובשבת מסוגלות לספק חשמל לתושבי בני ברק בלי ייצור של אנרגיה חדשה, כך שאין הפרה של האיסור ההלכתי על עבודה בשבת. עד כה, נעזרה האוכלוסייה החרדית במתקנים כשרים פרטיים שנכנסים לפעולה בשבת ומחליפים את הרשת הארצית.

אולי כדי לשכך את הסערה הציבורית שהתעוררה סביב מימון למגזר מסוים, העלתה חברת החשמל לאתרה הסבר מפורט על מהות החשמל הכשר. לדבריהם, "בניגוד למה שהשם מרמז, המשמעות של חשמל כשר היא הרבה יותר מהלכתית [...] התועלת של מתקני אגירה נוגעת גם לאיכות הסביבה של כולנו [...] מתקני האגירה יבטיחו אספקת חשמל בטוחה ומפוקחת לשכונות החרדיות, ויעזרו לכולנו להתקדם לטכנולוגיה ירוקה, חכמה ובטוחה".

מתקני החשמל הכשר, שמבוססים כאמור על סוללות גדולות, נטענים מרשת החשמל הארצית. המתקן הראשון יוקם בבני ברק, ולדברי חברת החשמל, הוא צפוי לשרת לא רק את העיר החרדית אלא גם את סביבותיה. בהמשך, אם וכאשר יראו כי טוב, יוקמו מתקנים נוספים. עוד טוענת חברת החשמל כי במתקנים הללו טמון גם יתרון סביבתי, בוודאי בהשוואה ללוחות סולריים אשר אינם נטענים בחושך או במזג אוויר מעונן, וגם אינם מאפשרים אגירה של אנרגיה עודפת לשימוש מאוחר יותר.

בחודש יוני האחרון הזהיר מנכ"ל חברת נגה, האחראית על ניהול מערכת החשמל בישראל, כי בתרחיש של מלחמה בצפון – המדינה אינה ערוכה לפגיעה באספקת החשמל. הבהלה שנוצרה גרמה לכמה וכמה אנשים להתעניין ברכישת גנרטור ביתי. אולי ברקע הדברים הללו, אגירת חשמל נשמעת כרעיון לא רע, לא רק עבור המגזר החרדי.

ואכן, מעט לפני התבטאותו של מנכ"ל נגה, קיבלה חברת החשמל ממשרד האנרגיה היתר ראשון מסוגו להיכנס לתחום האגירה, שהיה נתון עד אז בידי חברות פרטיות ויזמים בתחום האנרגיה. לפי התכנון, חברת החשמל תוכל להקים עד 15 אחוז ממתקני אגירת החשמל במדינה.

מטרת ה"חשמל הכשר" – לספק חשמל בשבתות ובחגים לעיר בני ברק לא מהרשת הארצית, בלי הרת האיסור על עבודה בשבת. רחוב בבני ברק | צילום: MICHAEL HATZALAM, Shutterstock

אז מהי בעצם אגירת חשמל? 

אנרגיה היא דבר שאפשר לאצור ולאגור, ובטבע יש לכך דוגמאות רבות, מצבירת השומן של בעלי חיים המאפשרת להם להעביר בתרדמת חורף את העונה שאין בה הרבה מזון זמין, ועד מבנה השרירים של בעלי חיים מסוימים, המאפשר לאצור את האנרגיה ולשחרר אותה בבת אחת, בזינוק מרשים.  

אנרגיית הגובה, היא האנרגיה הפוטנציאלית שאצורה בנהר שפוגש סכר, מומרת לעיתים רבות לחשמל בכך שהיא מניעה טורבינות. לכן, סכירת הנהר ותיעול של המים למתקנים ייעודיים בקרבת הסכר, הם בפועל אגירת אנרגיה חשמלית. השיטה הההידרואלקטרית הזו עמדה בבסיסה של תחנת הכוח בנהריים, שהקים פנחס רוטנברג ב-1932, וסיפקה את צרכי החשמל הארצישראליים עד קום המדינה. 

מעבר לכך, אפשר לאגור חשמל בעזרת מים בלי צורך בסכרים או בנהרות: כשיש חשמל זמין, או מקור אנרגיה אחר, אפשר להזרים כמויות מים גדולות למכלים במקומות גבוהים, וכשמעוניינים לייצר חשמל  - מאפשרים להם לזרום מטה והאנרגיה הפוטנציאלית שלהם מומרת לאנרגיה חשמלית.

ברבות השנים הומצאה שיטה חלופית, שבה המים מוחלפים באוויר דחוס. כשיש עודף חשמל משתמשים בו לדחיסת אוויר בלחץ גבוה בתאים ייעודיים, ובשעת הצורך משחררים את הלחץ דרך פתחים זעירים, ומשתמשים בו להנעת טורבינה לייצור חשמל. 

דרך נוספת לאגור חשמל, שאינה ותיקה במיוחד במונחים היסטוריים אך מצויה כמעט בכל התקן אלקטרוני, היא באמצעות קבל: רכיב חשמלי קטן, שמורכב עקרונית משני לוחות מתכת שביניהם חומר מבודד. הקבל מסוגל להיטען באמצעות אלקטרונים, שמוזרמים לכיוונו – ובהתאם גם להיפרק תוך פרק זמן מסוים, שמוגדר על ידי תכונותיו הגיאומטריות והכימיות, והתכונות הפיזיקליות של המעגל החשמלי שאליו הוא מחובר.

בסוללה, בשונה מקבל, ייצור האנרגיה הוא תוצר של תהליך כימי, כלומר מעבר של אלקטרונים בתוך תמיסה מוליכה. הפרש המתחים בין האלקטרודות שטבולות בתמיסה מתבטא בייצור אנרגיה חשמלית. בסוללה נטענת, תהליך הפריקה הוא הפיך ואפשר להשיב את האלקטרונים למצבם הראשוני באמצעות העברת זרם, כך שהמתח בסוללה נבנה מחדש בכל מחזור טעינה.   

שיטה נוספת לאחסון חשמל היא באמצעות גלגלי תנופה. היא מבוססת על רוטורים שמנוע מסובב אותם במהירות גבוהה. חלק מהאנרגיה הקינטית הסיבובית שלהם מומר לייצור חשמל לפי הצורך, מה שמאט אותם באופן זמני.  כאשר יש פחות ייצור חשמל הגלגלים מואצים בחזרה.

ועוד שיטה היא אחסון תרמי: אגירת אנרגיה בחומרים בעלי קיבול חום גבוה. חומרים אלה מסוגלים לספוג חום מבלי להינתך. כך למשל פועלות לבנים קרמיות במערכות הסקה מרכזיות, אשר מתחממות בשעות שבהן הצריכה מועטה, וכשצריך לייצר חשמל אפשר לשחרר מהן חום באופן מבוקר. 

הפקת חשמל הידרואלקטרי באמצעות הזרמת מים דרך סכר באופן מבוקר. אפשר גם לאחסן את המים במקום גבוה, וכך לאגור את האנרגיה לייצור חשמל במועד אחר | צילום: Evgeny_V, Shutterstock

שטח מתפתח 

כשמדובר על אגירת חשמל בהיקף גדול, מה שמשותף לכל התהליכים הוא הצורך לאזן בין ייצור וצריכה. הרעיון הוא  לייצר יותר חשמל כאשר יש זמינות של מקור האנרגיה הראשוני וצריכה נמוכה, ולספק יותר חשמל אגור כאשר זמינות המקור נמוכה והצריכה גבוהה. ההיגיון הזה מאפשר מרחב פעולה לספק האנרגיה, ומצמצם את הסיכוי למצבים שבהם הצריכה גבוהה מכושר הייצור, למשל גלי חום שבהם יש הפעלה רבה של מזגנים זוללי חשמל. 

לדברי משרד האנרגיה האמריקאי, ברחבי ארצות הברית יש די אחסון חשמל כדי לייצר הספק של 25 גיגה-ואט למשך כחודשיים, זאת נכון למרץ 2018. זהו ייצור אנרגיה עצום, שבעזרתו אפשר לספק את צריכת החשמל של כמעט 19 מיליון איש, כלומר כחמישה אחוזים מאוכלוסיית ארצות הברית. מתוך ההספק האדיר הזה, 94 אחוזים מגיעים מאחסון הידרואלקטרי, והיתר בשיטות האחרות. 

על אף הפוטנציאל שטמון במתקני האגירה, יש לזכור שאפילו במעצמה הגדולה בעולם, מדובר בפרויקטים מקומיים – שנפוצים בעיקר בקליפורניה, ובכמה מדינות נוספות כמו מסצ'וסטס וניו יורק - ומטרתם להבטיח רציפות תפקודית של רשת החשמל, למתן שינויים חדים בצריכה ובייצור ולשמש כוח עזר חלופי לרשת הישנה. בהיקפי אגירת החשמל בארצות הברית צפויים לתפוח פי שלושה עד 2030, הן במגזר הפרטי הן בתעשייה, כך שתוך שנים אחדות האגירה תהפוך מנחלתם של מעטים יחסית, לשטח אנרגטי שרבים רועים בו.   

בינתיים מדובר רק במיזמים מקומיים שנועדו לתמוך ברשת החשמל הכללית. סוללות אגירה במתקן ייצור חשמל סולרי | צילום: Dorothy Chiron, Shutterstock

יתרונות וחסרונות 

האתר של הסוכנות האמריקאית להגנת הסביבה  (EPA) תומך לכאורה בעמדה של חברת החשמל בנוגע ליתרונות האגירה.  "אגירת חשמל יכולה לספק תועלת סביבתית עקיפה", נאמר באתר ה-EPA. "למשל, היא יכולה לתרום לשילובה של יותר אנרגיה מתחדשת לתוך רשת החשמל. אגירת חשמל יכולה אף לסייע לתשתיות הייצור לפעול בצורה אופטימלית ובכך להפחית את השימוש ביחידות ייצור פחות יעילות, אשר אחרת היו פועלות רק בשיא הצריכה. מעבר לכך, הקיבולת המוגדלת שמספקת אגירת החשמל, יכולה לחסוך את הצורך בבנייה של תחנות כוח נוספות וכן תשתיות הובלה והפצה של חשמל".

לצד היתרונות האפשריים של אגירת חשמל, יש גם כמה חסרונות שצריך לקחת בחשבון, ודאי בפרויקט בסדר גודל לאומי. ראשית, הקמה, תפעול ותחזוקה של מתקני האגירה כרוכים בעלויות לא מבוטלות. שנית, השימוש בחומרי גלם כגון ליתיום ועופרת עלול לייצר סכנות סביבתיות, מאחר שהמתכות הללו לא מתכלות ולא ממש ניתנות למיחזור. על כך נוספות הסכנות בפיצוצים ושריפות שעלולים להתרחש כתוצאה מחימום יתר של הסוללות, כפי שכבר ראינו שמתרחש בסוללות של מכוניות חשמליות. כמו כן, פרויקטים כאלה עלולים להתעכב ולהתייקר עקב חסמי רגולציה, בעיקר במדינות כמו ישראל. 

פרויקט החשמל הכשר, אם וכאשר ייצא לפועל – בהחלט עשוי לייצר השלכות סביבתיות מזיקות, והמאזן בינן לבין היתרונות יהיה תלוי מאוד באופן ההקמה של מערך האגירה, תפעולו, ניהולו ותחזוקתו. כפי שהוא מוצע כעת, על בסיס אגירה בסוללות של חשמל מהרשת הארצית, לא נראה כי הפרויקט יספק יתרון סביבתי, אנרגטי או כלכלי בולט. הוא פשוט יאפשר לנצל בשבת את החשמל שמיוצר במחיר מלא בימי חול, עם עלות נוספת להקמתו ותפעולו.

פיצוצים ושריפות עלולים להתחולל. סרטון קצר על מכונית טסלה חשמלית שהסוללה שלה התלקחה בעמדת טעינה:

טכנולוגיות חדשות

חלק מהשיטות לאגירת חשמל ותיקות יחסית, וחלקן חדשות יותר, אך שיטות חדשות מפותחות כל העת. בעשורים הבאים צפוי גידול ניכר בצריכת החשמל, ולאור מצבה העגום של הסביבה ואתגרי ההתחממות של כדור הארץ, רצוי מאוד שהביקוש יסופק בעזרת אנרגיה ירוקה ולא מזהמת. כאן בדיוק אגירת החשמל יכולה לסייע בהתמודדות עם העלייה בצריכה.

אחד מאפיקי המחקר בתחום הוא פיתוח סוללות חדשניות, שיתבססו, למשל, על אלקטרוליט מוצק במקום התמיסות הכימיות, שמצויות בשימוש נרחב בסוללות ליתיום-יון: אלה הסוללות שמצויות כיום בשימוש של כמעט כל מכשיר נטען, מטלפון נייד ועד מכוניות חשמליות או היברידיות, וגם במתקני אגירת חשמל. השימוש באלקטרוליט מוצק הוצע כבר לפני עשרות שנים. ככלל, עקרון הפעולה שלו דומה לזה של סוללות רגילות, אך האלקטרוליט עצמו גם משמש כחומר מפריד בין אזור האנודה לאזור הקתודה, ובכך מונע היווצרות קצרים. הטכנולוגיה הזו סובלת מבעיות כמו צפיפות אנרגיה נמוכה, שמנעו את הפצתו הנרחבת. שימוש בפולימרים אורגניים ובחומרים אחרים כמו תחמוצות של טיטניום או מנגן, עשוי להפוך את סוללות האלקטרוליט המוצק לדבר הגדול הבא בעולם הסוללות, שכן השימוש בהן עשוי להיות ממושך יותר, בטיחותי יותר ובתקווה גם עם צפיפות אנרגיה גבוהה.

סוללות נוספות שעומדות על הפרק הן סוללות גרפן. הגרפן הוא חומר שכבתי חדשני וחזק, שיכולת ההולכה שלו עשויה להפוך אותו לבעל יכולת טעינה מצוינת ומהירה, ובעל מחזורי פריקה ארוכים בהרבה בהשוואה לאלה של סוללות הליתיום-יון.

המוליכות החשמלית אופכת את הגרפן למועמד מצוין לייצור סוללות יעילות יותר מהקיימות. שכבת גרפן | איור: 3DStach, Shutterstock

יש עוד כמה הצעות, כגון שימוש בקבלי-על – שכבר מצויים בכלי רכב היברידיים ובתעשייה הצבאית. אלה קבלים בעלי קיבול גדול במיוחד, בזכות נקבוביות זעירות שמגדילות מאוד את שטח הפנים שלהם. טכנולוגיה חדשנית אחרת מבוססת על התקנים מגנטיים מסוג SMES (קיצור של (superconducting magnetic energy storage)– שאוגרים אנרגיה בשדה המגנטי שנוצר כתוצאה מזרמים בסלילים מוליכי-על, וזאת בטמפרטורה נמוכה ביותר. הטכנולוגיה הזו מסובכת ודורשת תשתיות יקרות, לכן – גם מצויה בשימוש מצומצם למדי כיום, בעיקר כהתקנים לשיפור איכות החשמל בתעשיות הדורשות זאת (כגון תעשיית השבבים הזעירים).

לאגירת החשמל, אם כן, יש פוטנציאל רב בתגבור רשתות חשמל גדולות, ובניצול יעיל יותר של מקורות אנרגיה מתחדשים, גם כאלה שיעילותם משתנה עם הזמן. אבל מימוש הפוטנציאל הזה תלוי ביכולת שלו להניב יתרון אנרגטי, תפעולי וירוק, מה שמתברר כמשימה לא פשוטה בהתחשב בנסיבות. פרויקט החשמל הכשר, שהוא הגרסה הישראלית לעולם העשיר של אגירת החשמל, מבטא שיקולים סקטוריאליים, שכפי שציינו עשויים להעמיד בצל כמה יתרונות, וכלל לא בטוח שאלה עמדו – או יעמדו – לנגד עיניהם של מקבלי ההחלטות.