התמודדות עם משבר האקלים: טכנולוגיות אגירת חשמל

הקדמה

מקור האנרגיה העיקרי לייצור חשמל ממקורות מתחדשים בישראל הוא השמש, ומספר שעות השמש האפקטיביות לכך עומד על כ-1,600 בשנה ^[2]. לצורך הפחתה משמעותית ואיפוס פליטות גזי החממה על פי ההתחייבויות הבין-לאומיות שישראל לקחה על עצמה, תידרש אגירה רחבת-היקף כדי לספק חשמל ביתרת הזמן שאין בו ייצור חשמל ממקורות מתחדשים (מעל 80% מהזמן). אגירת אנרגיה היא טעינה ואחסון של אנרגיה לצורך שימוש בזמן מאוחר יותר. קיימות שיטות מגוונות בעלות מאפיינים שונים של אגירת אנרגיה, והן משתמשות באחת מארבע צורות של אנרגיה ^[21]: אנרגיה אלקטרוכימית (סוללות), אנרגיה מכנית (אגירה שאובה, אגירה כבידתית ואוויר דחוס), אנרגיה תרמית (מים חמים או קרים ומלחים מותכים) ואנרגיה כימית (מימן ירוק). אנו בוחנים את התאמתן לצרכים לפי פרמטרים שונים, כמו היקף האגירה הנדרש, היעילות של מִחזור האנרגיה, עלויות, אורך החיים של הטכנולוגיה, השפעתה על הסביבה והבטיחות הנדרשת.

שיקול עיקרי בבחירה בטכנולוגיית אגירה יהיה הכדאיות הכלכלית שתימדד בהשוואה פנימית בין טכנולוגיות האגירה השונות ובהשוואה לפתרונות המזהמים הקיימים. משך זמן האגירה הוא מאפיין מרכזי, והמונח אגירה לטווח ארוך (Long Duration Energy Storage – LDES) מתייחס לשיטות המאפשרות אגירה לעשר שעות ומעלה ^[27]. ההבנה המקובלת כיום על הרשויות והגורמים המקצועיים היא שאגירת חשמל היא תנאי הכרחי להפחתה ולאיפוס הפליטות, וששילוב רב-שכבתי בין טכנולוגיות אגירה שונות יהיה הכרחי. כיום אגירה שאובה היא עדיין הנפוצה ביותר, ובשנים הקרובות הצפי הוא לגידול נרחב במתקני אגירה מבוססי סוללות יוני ליתיום (lithium-ion batteries) המתאימות לאגירה למספר שעות. עקב התלות שלהן במינרלים קריטיים וסיכוני בטיחות אולי הן יוחלפו בהמשך בסוללות יוני נתרן (sodium-ion batteries). בו-בזמן, משאבי פיתוח ניכרים מושקעים בטכנולוגיות אגירה לטווח ארוך שאמורות לתת יתרון בעלויות במערכות אגירה מעבר למספר שעות. נסקור להלן את הטכנולוגיות הפוטנציאליות לשילוב אגירה ברשת החשמל (איור 1).

איור 1

סיווג טכנולוגיות אגירת אנרגיה

אגירת אנרגיה אלקטרוכימית באמצעות סוללות

סוללה ממירה אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית (ובסוללה נטענת קורה גם ההפך), והיא בנויה משלשה רכיבים מרכזיים. החומר הקתודי (שנמצא בקוטב החיובי), החומר האנודי (שנמצא בקוטב השלילי) וביניהם תווך שמבודד חשמל אבל מוליך יונים. בדרך כלל התווך הוא נוזל שבתוכו מומסים יונים. מתח הסוללה ייקבע על-ידי נטיית האנודה למסור אלקטרונים לקתודה במצב הטעון של הסוללה, והקיבול של הסוללה נקבע לפי משך התגובה הכימית, הצפיפות המשקלית והנפחית של שלושת הרכיבים ומספר האלקטרונים המעורבים בתגובה.

לצורכי אגירה נדרשות סוללות המיועדות לטעינה ולפריקה רב-פעמיות, וקיימות מספר משפחות של סוללות כאלה שנבדלות אחת מהשנייה בחומרים שהקטבים והתווך שביניהם עשויים מהם. הדבר גורם לשוני בפרמטרים כמו עלויות החומרים והייצור, יעילות הסוללות, כמות מחזורי טעינה/פריקה, צפיפות מול הספק חשמלי ועוד.

בתרחיש לאיפוס הפליטות של הסוכנות הבין-לאומית לאנרגיה המוצג באיור 2, האגירה על בסיס סוללות תגדל להספק של 1 טרה-ואט עד 2030 ולמעל 4 טרה-ואט עד שנת 2050 (מעל 40% מההספק הנדרש הכולל של צריכת החשמל העולמית). לפיכך, סוללות יהפכו להיות רכיב קריטי לאספקת חשמל וגם ליציבות הרשת, בייחוד ברשתות חשמל שמרכיב הייצור הסולארי בהן גבוה, ולפיכך הן רגישות לשינויים רגעיים. הסוללות ישמשו לאגירה יומית למשך 4–8 שעות, ולפיכך מדובר על כ-32 טרה-ואט-שעה.

איור 2

הספק מותקן עולמי לפי טכנולוגיה בתרחיש לאיפוס פליטות גזי חממה (NZE), לשנים 2030 ו-2050

האיור ממחיש כי גידול דרמטי בשימוש בסוללות לאגירת אנרגיה הוא תנאי להצלחה באיפוס פליטות. מעובד על בסיס הסוכנות הבין-לאומית לאנרגיה (IEA), 2024‏ ^[14].

סוללות יוני ליתיום

סוללות יוני ליתיום הן הטכנולוגיה המתפתחת ביותר לאגירה למספר שעות, והיא מתאימה במיוחד למדינות כמו ישראל, המשופעת בימי שמש שמאפשרים להפיק אנרגיה ממתקנים פוטו-וולטאיים באופן יציב. שני נושאים קריטיים לשימוש בסוללות יוני ליתיום לאגירת חשמל הם בטיחות ומִחזור, הנידונים במאמר נפרד בגיליון זה: בדרך לאיפוס פליטות במשק החשמל בישראל – אסדרת אגירת אנרגיה בסוללות בקנה מידה רחב. שני סוגי סוללות יוני הליתיום המתאימות לאגירה הן ליתיום-ברזל-זרחן (LFP) ותחמוצת ניקל-מנגן-קובלט (NMC) שלשתיהן אנודה מגרפיט והן נבדלות, כאמור, האחת מהשנייה בהרכב הקתודה. NMC הן סוללות נפוצות הנמצאות בשימוש במכשירים אלקטרוניים ניידים ובכלי רכב חשמליים, ויתרונן הגדול הוא בצפיפות האנרגיה הגבוהה שלה (סוללות קלות וקטנות יותר לאותה כמות של אנרגיה), מה שפחות קריטי באגירה. נקודה מרכזית היא אורך חיי הסוללות ובפרט כמות מחזורי הפריקה/טעינה: ה-LFP מאפשרת כ-5,000 מחזורי פריקה/טעינה השקולים לשימוש של עד 15 שנה לצורכי אגירה, לעומת 1,000–2,000 מחזורים בלבד בסוללות NMC. יתרון משמעותי נוסף של סוללות LFP על פני סוללות NMC הוא הבטיחות: התרכובת של ליתיום-ברזל-זרחן יציבה יותר מתחמוצת ניקל-מנגן-קובלט בטמפרטורות גבוהות המאפיינות את מדינת ישראל בחודשי הקיץ, והסיכוי של סוללות LFP לעלות באש נמוך בהרבה מסוללות NMC. מאחר שישנה ביקורת רבה על הנזקים לסביבה מדרכי ההפקה והעיבוד של קובלט, לסוללות LFP יש גם יתרון מבחינת החומרים המרכיבים אותן, ובפרט באי-שימוש בקובלט. כפועל יוצא מכך – עלותן נמוכה יותר. מתקנים מסחריים בקנה מידה של מאות מגה-ואט-שעה, המבוססים על סוללות יוני ליתיום, כבר פועלים כיום ברשתות חשמל בעולם.

סוללות יוני נתרן

בהינתן החסרונות שציינו לגבי סוללות יוני הליתיום ובפרט הקשיים שבאספקת חומרי הגלם והאיומים הסביבתיים, שוקדים מדעני חומרים ואלקטרו-כימאים על תחליפים ראויים, שהבולט שבהם הוא סוללות יוני הנתרן (Sodium-ion או NIB) שיתבססו על שימוש בנתרן, שהוא אחד החומרים הנפוצים בטבע, במקום בליתיום. עקרון העבודה האלקטרוכימי של הסוללה דומה לסוללות יוני ליתיום, רק שהקתודה בה עשויה מתרכובת נתרן במקום מתרכובת ליתיום, האנודה מחומר שאינו גרפיט אלא פחם, התא אינו כולל נחושת, והנוזל האלקטרוליטי מכיל מלחי נתרן. לסוללות יוני נתרן יש צפיפות אנרגיה נמוכה מסוללות יוני ליתיום, אבל יש להן יתרונות אחרים, כמו עמידות טובה בטעינה מהירה, עבודה טובה בטמפרטורות נמוכות, בטיחות משופרת והעיקר – אין מחסור בנתרן שהוא חומר הגלם העיקרי, ומחירו כ-1% ממחיר הליתיום, מה שאמור להוזילן ב-40% לפחות.

סוללות זרימה

סוללות זרימה (Redox Flow Batteries) הן טכנולוגיה לאגירת אנרגיה שבה האנרגיה מאוחסנת בנוזלים עם צורונים פעילים אלקטרוכימית שזורמים בין מכלים חיצוניים לתא תגובה. קיימים כמה סוגים עיקריים, בהם סוללות ונדיום-רידוקס, סוללות ברזל-כרום וסוללות אבץ-ברום. סוללות ונדיום-רידוקס נחשבות לבשלות ביותר בזכות יציבות כימית ואורך חיים גבוה. סוללות ברזל-כרום זולות יותר, אך סובלות מיעילות נמוכה יותר, ואילו סוללות אבץ-ברום מציעות צפיפות אנרגיה גבוהה יחסית, אך מורכבות מבחינה תפעולית.

היתרון המרכזי של סוללות זרימה הוא ההפרדה בין ההספק לאנרגיה: ניתן להגדיל את קיבולת האגירה על-ידי הגדלת נפח המכלים בלי לשנות את התא עצמו. נוסף על כך, הן בטוחות יחסית, בעלות אורך חיים ארוך, ומתאימות במיוחד לאגירה בקנה מידה גדול ולשילוב עם אנרגיות ממקורות מתחדשים. עם זאת, קיימים אתגרים משמעותיים: עלויות מערכת גבוהות, זיהומים פוטנציאליים לסביבה, צפיפות אנרגיה נמוכה לעומת סוללות יוני ליתיום ומורכבות הנדסית ותחזוקתית. לכן, השימוש בהן נפוץ בעיקר ביישומים נייחים גדולים מאוד ולא במערכות קטנות או במכשירים ניידים.

סוללות אחרות

סוללות עתידיות לאגירת אנרגיה המתבססות על מערכות של מתכת-אוויר או מתכת-גופרית, נמצאות עדיין ברמת בשלות טכנולוגית נמוכה יחסית, ויידרשו שנים רבות של פיתוח עד שנדע אם יש בהן יכולת להתחרות בסוללות המסחריות הקיימות. גם סוללות מצב מוצק, המבוססות על אלקטרוליט מוצק במקום נוזלי, ימצאו את דרכן בעיקר לעולמות הביטחון ורכבי היוקרה, וההיתכנות הכלכלית והטכנולוגית לשילובן במערכות אגירה רחבות-היקף ברשת החשמל עדיין לא ברורה.

אגירת אנרגיה כימית באמצעות מימן ירוק

מימן אינו מצוי בטבע בצורתו הטהורה, ויש להפרידו מן היסודות שהוא קשור אליהם. כיום רוב המימן מיוצר על-ידי פירוק כימי של גז טבעי בסביבת קיטור (Steam Methane Reforming – SMR), והמימן המתקבל מכונה 'מימן אפור' בשל פליטות הפחמן הדו-חמצני הנלוות לתהליך. הפקה באלקטרוליזה של מים, שתוצר הלוואי היחיד שלה הוא חמצן, מניבה 'מימן ירוק' כאשר החשמל לתהליך מגיע ממקורות מתחדשים. צפיפות האנרגיה של המימן גבוהה (כ-33 קילוואט-שעה לקילוגרם), והוא ניתן לשינוע ולאחסון לאורך זמן.

המעבר לשימוש נרחב במימן, המכונה 'כלכלת מימן', דורש השקעה משמעותית בתשתיות ייצור, אחסון, שינוע והמרה. תשתיות מקבילות כבר קיימות עבור סוללות, אך אינן ערוכות לשאת את כמויות האנרגיה הצפויות בעשורים הקרובים. השקעה זו, כמו כל השקעה בתשתיות גדולות, צריכה להיעשות על-ידי המדינה או בתמיכתה, כפי שנעשה במדינות אירופה, בדרום קוריאה, ביפן ובחלק ממדינות ארה"ב. מבחינה טכנולוגית שתי המגבלות המשמעותיות ביותר בהטמעה של כלכלת מימן הן עלות הייצור והאגירה. עלות ייצור המימן הירוק מוערכת כיום בין 3 ל-7 דולר לקילוגרם (כתלות בעלות החשמל הירוק ובזמינותו), לעומת מחיר מטרה של דולר אחד לקילוגרם, הקרוב לעלות הפקת מימן אפור מגז טבעי כיום; לאורך העשור האחרון נרשמו בכיוון זה שיפורים משמעותיים. המגבלה השנייה היא אגירה בכמויות גדולות. מימן נחשב כיום לבעל הפוטנציאל הגדול ביותר לאגירת אנרגיה בסקאלות גדולות לאורך חודשים וכמאגרים אסטרטגיים, לעומת סוללות הסובלות מפריקה עצמית ומשינוי בקיבולת עקב הפרשי טמפרטורות, המשאירים אותן במקטע השעתי–יומי. אגירה בסקאלות של עשרות ומאות טרה-ואט-שעה דורשת אמצעים להחזקת המימן, והפתרון המקובל כיום הוא מערות מלח המשמשות לאגירת גז טבעי ויכולות לשמש לאגירת מימן בלחץ בינוני (עד 100 אטמוספרות). מערות כאלה נוצרות רק בתנאים גאולוגיים מסוימים, ולכן נדרשות טכנולוגיות נוספות באזורים שאין בהם מערות מתאימות, ובהן מולקולות הקושרות מימן כמו אמוניה או מתכות הקושרות אותו בצורת מתכת-הידריד. בדרך כלל המימן אינו בא להחליף סוללות, אלא לתת מענה למקרים שבהם הן אינן מתאימות (זמינות חומרים, בטיחות, עלות, פריקה עצמית ועוד). לפיכך, נראה שהמימן יפתור את בעיית האגירה בכמויות גדולות, ואילו הסוללות ימשיכו לאגור כמויות קטנות יחסית לצורך ייצוב הרשת, משום שזמן התגובה שלהן, כלומר משך הזמן מרגע הדרישה ועד אספקת ההספק המלא, מהיר יותר מזה של תאי דלק הממירים את האנרגיה הכימית האצורה במימן לחשמל (טבלה 1).

אחת הדרכים להקמה ולהטמעה של תשתיות מימן היא "עמקי המימן" – תוכנית שמיושמת כבר יותר מעשור ברחבי האיחוד האירופי, ומטרתה ליצור מיקרו-אזורים מבוססי מימן לפי שלושה ארכיטיפים, הנבדלים ביכולת ייצור המימן, וכנגזרת ממנו, בשימושים לו. ארכיטיפ I: יכולת ייצור של 1–10 מגה-ואט שנועדה לשרת בעיקר תחבורה באותו אזור; ארכיטיפ II: יכולת ייצור של 10–300 מגה-ואט שנוסף לתחבורה תשרת גם תעשייה מקומית; ארכיטיפ III: יכולת ייצור של 250–1,000 מגה-ואט ומעלה שנוסף על כך גם תייצא מימן אל מחוץ לעמק. בתוכנית זו משתתפים כבר מעל ל-100 עמקים ברחבי אירופה, ומטרתה היא שבסופו של דבר העמקים יתחברו למערכת של ייצור, שינוע, אגירה ושימוש במימן בכל רחבי היבשת. התוכנית אומצה על-ידי ממשל ביידן בארה"ב במטרה להקים שבעה עמקי מימן שיהיו גדולים מאלה האירופים בהשקעה של עשרות מיליארדי דולרים. בשלהי שנת 2025 אושרה הקמת עמק מימן ראשון במדינת ישראל שיוקם בשיתוף פעולה בין החברה הלאומית לתשתיות אנרגיה (תש"א) והמרכז לאגירת אנרגיה באוניברסיטת בר-אילן במימון רשות החדשנות ^[3]. נוסף על כך, משרד האנרגיה הישראלי הצהיר על הקצאה של כ-40 מיליון ש"ח להשקעה בעמקי מימן בישראל ^[5].

אגירת אנרגיה מכנית

אגירה שאובה

אגירה שאובה (Pumped Hydroelectricity Storage, PHS) מבוססת על אנרגיה פוטנציאלית של כבידה. המערכת מורכבת משני מאגרי מים עם הפרשי גבהים ביניהם, בדרך כלל של מאות מטרים. החשמל מיוצר על פי הצורך באמצעות מים שנופלים אנכית מהמאגר העליון דרך טורבינה שנמצאת בפיר. בהמשך שואבים את המים מהמאגר התחתון לעליון (מעין "טעינה") על-ידי חשמל המופק ממקורות מתחדשים. ככל שהפרש הגבהים גדול יותר, כך יכולת אגירת האנרגיה רבה יותר.

השיטה נמצאת בשימוש מסחרי מעל מאה שנה, ועד לתחילת העשור הנוכחי כ-95% מסך פרויקטי האגירה בעולם התבססו עליה. הטכנולוגיה בשלה, מאפשרת הספק גבוה ומשך אספקה ארוך, ומותקנת במאות פרויקטים ברחבי העולם כולל בפרויקטים גדולים שמפיקים הספקי חשמל של 1 עד 4 ג'יגה-ואט כל-אחד. חסרונות השיטה טמונים בתלותה הבלעדית בתנאים טופוגרפיים וגאולוגיים ייחודיים, בפגיעה סביבתית ומקומית בטבע, בעלויות הקמה גבוהות, בזמני הקמה ממושכים ובאיבודי מים בשל התאדות.

עד סוף שנת 2024 הותקנו בעולם פרויקטים של אגירה שאובה בהספק כולל של 189 ג'יגה-ואט, ופרויקטים נוספים בסך של 90 ג'יגה-ואט צפויים להתווסף עד שנת 2030 ^[15]. לפרויקטים המוקמים יש בדרך כלל יכולת אגירה של בין עשר שעות למספר ימים. בעשר השנים האחרונות הושקעו בין 100 ל-150 מיליארד דולר באגירה שאובה, ועד 2030 יושקעו 230 עד 320 מיליארד דולר נוספים ^[22]. בישראל מיושמת יכולת אגירה שאובה בסך של כ-800 מגה-ואט בשני פרויקטים פעילים במעלה הגלבוע וכוכב הירדן ובפרויקט בהקמה במנרה ^[7]. כיום נבחנות גרסאות חדשות של אגירה שאובה ששואפות להפחית את התלות בתנאים הטופוגרפיים ולהשתמש במאגרי מים תת-קרקעיים ^[19].

אגירה כבידתית

באגירה כבידתית (Gravity Storage) מיישמים עקרונות פיזיקליים דומים לאגירה שאובה, אך משתמשים במסה מוצקה במקום במים. בסין פועל פרויקט מסחרי ראשון מסוגו בהספק של 25 מגה-ואט ובקיבולת של 100 מגה-ואט-שעה: מנופי ענק אוטומטיים עורמים בלוקים במשקל של עשרות טונות למבנה מגדל בגובה של כ-120 מטרים ^[23]. במקביל נבחנים ברחבי העולם פתרונות משלימים, כגון שימוש בפירים עמוקים של מכרות נטושים לצורך העלאה והורדה של משקולות כבדות במעמקי האדמה ^[13], וכן שימוש ברכבות חשמליות כבדות הנעות במעלה ובמורד מסילות משופעות כדי לאגור ולפרוק אנרגיה פוטנציאלית ^[9].

אגירה באוויר דחוס

אגירה באוויר דחוס (Compressed Air Energy Storage, CAES) מבוססת על הפעלה של כוח על חומר, שגורמת להעלאת האנרגיה הפוטנציאלית שלו. מדובר על דחיסה של אוויר, בדומה לניפוח בלון ושחרור מבוקר שלו. כשהבלון מתפוצץ, במצב אידיאלי האוויר הדחוס משתחרר ומבצע עבודה ששווה לעבודה שהשקענו בדחיסת האוויר לניפוחו. בפועל ישנם הפסדים, ומקבלים חזרה רק חלק מהעבודה שהושקעה. משתמשים בייצור חשמל ממקורות מתחדשים כדי לדחוס אוויר אל תוך מאגר בסיוע של מדחסים ובליווי של מערך מצננים שנועד למנוע התחממות, ולאחסנו בלחץ הרצוי. כשהאנרגיה נדרשת ברשת, האוויר משוחרר בלחץ נתון בעודו מחומם באמצעות שרפת דלק או על-ידי מִחזור החום הנוצר בעת הדחיסה, כדי להתגבר על ירידת הטמפרטורה בעת התפשטותו. בעולם מקובל להשתמש לצורך אגירת האוויר הדחוס במאגרים תת-קרקעיים טבעיים, כמו נקרות מלח גדולות, בארות נפט שהתייבשו או אקוות תת-קרקעיות של מים. חללים אטומים אינם נפוצים בטבע, ובפרט לא בישראל, מה עוד שמיקום המאגרים התת-קרקעיים הראויים צריך להתאים לדרישות רשת החשמל.

אגירת אנרגיה באוויר דחוס יכולה לעבוד בהספק גבוה. הטכנולוגיה מאפשרת אגירה לשעות וימים, יעילותה אינה גבוהה, וצפיפות האנרגיה קטנה. כיום בעת שחרור האנרגיה נעשה שימוש בשרפת גז או דלק מזהמים, ויש למצוא חלופות ללא פליטות מזהמות. כדי שהטכנולוגיה תהיה רלוונטית יש למצוא חלופה לאחסון בחללים גדולים טבעיים, למשל על-ידי שימוש במכולות מיוחדות במחירים תחרותיים.

אגירת אנרגיה תרמית

באגירה תרמית (Thermal Energy Storage, TES) משתמשים בהמרת חשמל לחום ובשימורו במדיום מתאים, כמו מים, מלחים מותכים או חומרים מוצקים. השיטה מבוססת על אגירת חום שמיוצר על-ידי אנרגיה ממקורות מתחדשים או על ניצול עודפי חום שנוצרים בתהליכים שונים (כדוגמת שרפת פסולת). אם ניקח לדוגמה מים, נחמם אותם עד קרוב לנקודת הרתיחה ונאחסן אותם, נוכל בהמשך לנצל את החום האגור להפקת אנרגיה. היות שטמפרטורת האחסון של המים אינה יכולה להגיע למאה מעלות, האתגר הוא למצוא חומרים שניתן לאגור אותם בטמפרטורות גבוהות בהרבה. ככל שטמפרטורת האחסון גבוהה יותר, כך ניתן לאגור יותר אנרגיה בנפח קטן יותר, ולהפיק ממנה חשמל ביעילות גבוהה יותר. זמן האגירה של המערכות הללו נע בין שעות לימים.

מים חמים וקרים

במדינות שונות בעולם ישנו מספר רב של פרויקטים המבוססים על אגירה תרמית של מים חמים (פינלנד, גרמניה, ארה"ב, קנדה, איטליה ועוד) לצד מערכות "אגירת קור" המייצרות קרח בלילה כדי לצנן בנייני משרדים במשך היום. בישראל פיתחה חברת נוסטומו אגירה מבוססת קרח לצינון מבנים ^[18], וחברת ברנמילר אנרג'י (כיום BrenX) פיתחה מערכות אגירה בסלעים מרוסקים ^[28]. דוגמה ליישום בשטח הוא מתקן האגירה של צה"ל בהר חריף שבנגב, שסלע מרוסק משמש בו חומר אגירה לאספקת צורכי החימום של הבסיס ^[1].

מלחים מותכים

טכנולוגיה נוספת היא אגירה באמצעות מלח מותך בתחנות כוח תרמו-סולאריות (Concentrating Solar Power, CSP). המערכות האלה משתמשות בתערובת מלחים (כגון חנקת נתרן וחנקת אשלגן) שמותכים למצב צבירה נוזלי בטמפרטורות גבוהות. האנרגיה התרמית המופקת מהשמש מועברת אל המלח המותך, והוא נשמר במכלי ענק מבודדים היטב השומרים על החום לאורך זמן. בעת הצורך המלח החם מוזרם למחלפי חום כדי לחמם מים, להפוך אותם לקיטור בלחץ גבוה ולהניע טורבינה לייצור חשמל. טכנולוגיה זו נחשבת לבשלה, מאפשרת אגירה בהיקפים גדולים לשעות ולימים, ומתאפיינת באורך חיים ממושך של כ-30 שנה.

בישראל פרויקט אשלים שבנגב כולל תחנה תרמו-סולארית המדגימה שימוש בטכנולוגיה זו ^[4]. התחנה פועלת בשיטת שוקת פרבולית ומספקת 121 מגה-ואט. היא משתמשת בשמן תרמי הזורם בצינורות המוקד של המראות לצורך קליטת החום, ומעבירה אותו למערכת אגירה מבוססת מלח מותך המאפשרת את המשך ייצור החשמל למשך כ-4.5 שעות לאחר השקיעה ^{[6, 8]}. באתר פועלת גם תחנה שנייה בטכנולוגיית 'מגדל שמש', ללא מערך אגירה.

השוואה בין טכנולוגיות האגירה

מן הנתונים המוצגים בטבלה 1 עולה בבירור קיומו של שקלול תמורות (trade-off) הנדסי וכלכלי מובנה בין קטגוריות האגירה השונות. מערכות אגירה אלקטרוכימיות, ובראשן סוללות יוני ליתיום ויוני נתרן, מתאפיינות בנצילות מחזורית גבוהה (RTE) ובזמני תגובה קצרים, דבר ההופך אותן לפתרון מיטבי לייצוב תדר הרשת ולאגירה תוך-יומית קצרה ^{[17, 25]}. עם זאת, אורך החיים הקצוב שלהן ודעיכת הביצועים לאורך זמן הם שיקול משמעותי בתכנון מערכות אגירה ארוכות-טווח.

מנגד, מערכות מכניות ופיזיקליות, כגון אגירה שאובה ואגירה באוויר דחוס (CAES), מתאפיינות בנצילות בינונית ובזמני תגובה איטיים יותר, אך מספקות יתרון של אורך חיים ממושך במיוחד המגיע לעשרות שנים, לצד יכולת הרחבה בעלות שולית פוחתת עבור משכי אגירה ארוכים. בתחום האגירה העונתית המימן הירוק עשוי לשמש פתרון מרכזי לשימור אנרגיה למשך חודשים, אף שנצילותו המחזורית נמוכה ^{[20, 25]}. מגוון מאפיינים זה מדגיש כי משק אנרגיה המבוסס על אנרגיה ממקורות מתחדשים יידרש לתמהיל המשלב בין פתרונות אלקטרוכימיים קצרי-טווח למערכות פיזיקליות וכימיות המסוגלות לספק אגירה ארוכת-טווח.

טבלה 1

השוואה בין טכנולוגיות האגירה השונות

ניתוח כלכלי, מדדי עלות ומגמות שוק בטכנולוגיות אגירת אנרגיה

הכדאיות הכלכלית של מערכות אגירת אנרגיה נבחנת באמצעות שלושה מדדים מרכזיים: עלות ההקמה הראשונית לקיבולת אנרגיה (Capital Expenditure, CAPEX), העלות המשוקללת של יחידת אנרגיה נפרקת לאורך חיי המערכת (Levelized Cost of Storage, LCOS) והנצילות המחזורית המגדירה את יחס האנרגיה הנפרקת לעומת האנרגיה המושקעת בטעינה (Round-Trip Efficiency, RTE).

סוללות יוני ליתיום מהוות כיום את הפתרון הנפוץ לאגירה לטווח קצר ובינוני, ובעקבות הרחבת כושר הייצור העולמי צפוי שעלויותיהן של מערכות אגירה המבוססות עליהן יֵרדו בממוצע בכ-5% בשנה עד שנת 2050 ^[10]. נתוני השוק הנוכחיים מראים כי מחירי סוללות לאגירה כבר יָרדו ל-70 דולר לקילו-ואט-שעה ^[11]. סוללות יוני נתרן מציגות פוטנציאל לעלות נמוכה יחסית, והערכות מצביעות על אפשרות לירידה בעלות תאי הסוללה לכ-40 דולר לקילו-ואט-שעה עם התרחבות הייצור ^[17]. סוללות זרימה נמצאות בשלבי מעבר מפיתוח למסחור ועלותן כיום גבוהה יחסית, אולם בהשקעות מתאימות ניתן יהיה להוזילן משמעותית (אף מתחת למחירן של סוללות יוני ליתיום) ^[26].

אף שסוללות יוני ליתיום מתאפיינות בנצילות גבוהה ובזמני הקמה מהירים, אורך חייהן מוגבל. נוסף על כך, הרחבת משך האגירה בהן גוררת עלייה ליניארית בעלויות, בניגוד לטכנולוגיות אגירה לטווח ארוך (LDES) שעלות יחידת האנרגיה השולית בהן פוחתת עם כל שעת אגירה מתווספת ^{[24, 26]}. ניתוח LCOS, המשקלל את אורך חיי המערכת לצד עלויות התפעול והחלפת הרכיבים, מראה כי לצד היתרון של סוללות באגירה תוך-יומית קצרה, קיימת כדאיות כלכלית ארוכת-טווח בהשקעה במערכות מכניות ופיזיקליות בעלות אורך חיים של עשרות שנים, כדוגמת אגירה שאובה ואגירה באוויר דחוס ^[26].

בתחום האגירה העונתית ארוכת-הטווח, מימן ירוק מסתמן כמרכיב תשתיתי מרכזי על אף נצילותו המחזורית הנמוכה. בעוד שהאתגרים ההנדסיים הכרוכים בהולכתו ובהפצתו של הגז ניתנים לפתרון טכנולוגי, המכשול הכלכלי העיקרי המונע הטמעה נרחבת של הטכנולוגיה נותר עלות הייצור הגבוהה שלו ^{[12, 16]}.

סיכום ומבט לעתיד

בעוד שמרבית פרויקטי האגירה בעולם נשענו היסטורית על אגירה שאובה, בשנים הקרובות צפוי גידול דרמטי בשימוש בסוללות יוני ליתיום לאגירה תוך-יומית בזכות עלויותיהן הנמוכות, המודולריות שלהן וזמני ההקמה המהירים. עם זאת, כדי להשיג רשת חשמל יציבה מבוססת אנרגיות ממקורות מתחדשים, קיים צורך בטכנולוגיות משלימות לאגירה לטווח ארוך. בתחום זה מסתמן המימן הירוק כפתרון מוביל, לצד חלופות מבטיחות, כמו סוללות יוני נתרן, אגירה באוויר דחוס (CAES) ואגירה תרמית במלח מותך.

קשה לחזות כיום אם השוק העולמי יתייצב על טכנולוגיה מובילה אחת או על תמהיל פתרונות משולב, אך ברור כי אגירת חשמל היא תנאי הכרחי להשגת יעדי איפוס פליטות גזי החממה, וכי מגזר זה צפוי לצמוח במהירות חסרת תקדים בעשורים הקרובים. הקמת תשתיות של אנרגיה נקייה כולל אגירה רחבת-היקף, היא אלמנט חיוני לצמצום משמעותי של זיהום האוויר ולהפחתה מתחייבת של תחלואה ותמותה באוכלוסייה.