אגירת אנרגיה

סכר קניון גלן שבאריזונה המזין טורבינות חשמל
יצר מאחוריו את אגם פאוול ששטחו כ-660 ק"מ מרובע והוא מסוגל לאגור כ-27 ק"מ מעוקב מים

סוגים שונים של קבלים חשמליים

סוללות נטענות במרכז שרתי מחשב

גלגל תנופה המשמש במכוניות מרוץ של פורמולה 1

אגירת אנרגיה מתאר מכלול תהליכים שנועדו להמיר אנרגיה ולאגור אותה, בצורות שונות, באופן שיאפשר להשתמש בה (כמות שהיא או לאחר המרה) במועד מאוחר יותר על פי צורכי השוק. חלק משיטות אגירת האנרגיה נפוצות מאוד ומהוות חלק משמעותי בשוק האנרגיה (כמו תחנות כוח הידרואלקטריות) ולחלקן טרם נמצא יישום שיאפשר להן להיות משמעותיות בשוק האנרגיה (למשל מוליכי העל וגלגל התנופה).

אגירת אנרגיה בטבע

אגירת האנרגיה הראשונה שהתקיימה (ומתקיימת) היא היכולת של הגוף החי להמיר מזון לשומן בתקופות בה המזון נמצא בשפע ולהמיר את השומן בחזרה לאנרגיה בשעות מחסור.

אגירת אנרגיה בהיסטוריה

אגירת אנרגיה מתוכננת התקיימה על ידי האנושות עוד משחר ההיסטוריה כשהאדם אגר אנרגיה בצורות שונות, כחומר בערה כמו עץ ופחם (על מנת להשתמש בהם לשרפה בתקופת החורף), במהפיכה החקלאית כשהאדם זרע בתקופה אחת על מנת לצרוך בתקופה אחרת, מאוחר יותר כמזון מיובש/מומלח/משומר או כאגירת מים להפעלת טחנות קמח (ראו למשל את בריכת האגירה באתר שבע טחנות).

האתגרים באגירת אנרגיה

האתגרים באגירת אנרגיה בעולם המודרני כוללים:

• חוסר יכולת לאגור חשמל רשת בצורה הנפוצה של זרם חילופין.
• צורך בהיקף אגירה גדול שיאפשר המרה לזרם חשמלי לאורך זמן ובכמות משמעותית.
• אגירה והמרה אפקטיבית של אנרגיה כך שהתהליך לא ייקר את עלותה.

שיטות להמרת ואגירת אנרגיה

קיים מגוון טכנולוגיות תעשייתיות להמרה ואגירה של אנרגיה ולרובן מטרה משותפת והיא להוזיל את עלות הפקת החשמל על ידי ויסות היצור בין שעות עומס ושפל:

אנרגיה חשמלית פוטנציאלית

המתקן העיקרי שמסוגל לאגור אנרגיה חשמלית ישירה הוא הקבל שמאפשר לטעון מטען חשמלי ולפרוק אותו. היקף החשמל הפוטנציאלי האגור בקבל אינו גדול לכן טכנולוגיה זו משמשת ליישומים ספציפיים ואינה מהווה, עדיין, חלופה לאספקת חשמל לרשת. עם זאת, נעשים מחקרים לייצור קבל על לאגירת כמות גדולה של אנרגיה

אנרגיית דלקים

בקטגוריה זו כלולים כל הדלקים המשמשים מערכות לייצור חשמל מבוססות שרפה: סולר, מזוט, פחם, פצלי שמן, גזים דליקים (כולל גז טבעי, חמצן, מימן ועוד), כבול ושבבי עץ. את כל המשאבים האלו ניתן לאגור במיכלים רגילים (סולר, מזוט), מיכלי לחץ (גז) ומערומים (פחם, פצלים). ייצור חשמל מאנרגיה זו נעשית על יד שריפתם בתחנות כוח, טורבינות גז ותאי שרפה. יכולת האגירה שלהם מאפשרת ויסות הייצור בהתאם להיקף הצריכה.

אנרגיה גרביטציונית

קטגוריה זו מתייחסת לאנרגיה בעלת פוטנציאל גרביטציוני ולמתקנים המסוגלים לאגור אנרגיה זו. בדרך כלל מדובר על מתקנים כמו סכרים ומגדלים שמסוגלים לאגור מים במפלס גבוה ולהעבירם דרך טורבינות בתחנות כוח הידרואלקטריות על מנת לייצר חשמל. צורה זו של אגירת מים בסכרים מאפשרת ויסות ייצור החשמל בהתאם לעומסי הצריכה.

בתחילת המאה ה-20 הוקמה בישראל תחנת כוח הידרואלקטרית בנהריים ולשם כך הוקם בקרבתה מאגר לקליטת מי נהר הירמוך ונהר הירדן (דרך תעלת הטיה) להזנת הטורבינות. במסגרת התוכניות להקמת תעלת הימים מתוכננות תחנות כוח הידרואלקטריות לאורך מסלול התעלה וכן הקמת מאגרי מים לשירות התחנות.

בחלק מהמדינות, בהם קיימים מתקני אחסון מים, מתקיים תהליך של שאיבת אנרגיה בה מנוצל חשמל רשת בשעות של שפל בצריכה כדי לשאוב מים מתחתית המאגר לראשו ואז להשתמש במים אלו כדי לייצר חשמל בשעות עומס.

אנרגיה תרמית

קטגוריה זו, של אנרגיה תרמית, מתייחסת לאגירת אנרגיה בחומרים בעלי קיבולת חום/קור גבוהה ושימוש באנרגיה האגורה בשלב מאוחר יותר.

• אגירת חום:
  • המתקן הנפוץ ביותר בתחום זה הוא דוד השמש האוגר מים חמים בשעות היום תוך שימוש שתופית התרמוסיפון
  • חלק מהמתקנים הפועלים בשיטה זו קשורים למקורות אנרגיה חמים מאוד גבוה כמו אנרגיה גאותרמית, אנרגיה סולרית וכורים גרעיניים. החומרים המשמשים לאגירת החום הם שמנים סינתטיים ומלחים מותכים שמחוממים לטמפרטורות גבוהות (עד 1000 מעלות צלזיוס) וניתן לאגור אותם במיכלים ובתהליך הקירור שלהם ניתן לייצר קיטור וממנו חשמל בשעות העומס.
  • בחלק ממערכות החימום הביתיות נעשה שימוש בלבנים קרמיות המאופיינות בקיבולת חום גבוהה (חום כמוס). מערכות אלו מחממות את הלבנים בשעות שפל בביקוש לחשמל ומשחררות את החום במהלך היום.
  • קיימת טכניקה המכונה בריכת שמש המנצלת תופעה של אגירת חום בקרקעית בריכת תמלחת מרוכזת להפקת חשמל. תחנה כזו נבנתה על ידי אורמת בצפון ים המלח ואף פעלה מספר שנים.
  • קיימות בחנויות שקיות אטומות המכילות חומר בעל חום כמוס גבוה המאפשר לחמם או לקרר אותן ולשמר את הטמפרטורה שלהן לאורך זמן.
• אגירת קור
  • ישנם מתקנים שבשעות שפל בצריכה מקררים תמיסת מלח (אותה ניתן לקרר מתחת לאפס מעלות) למצב צבירה של קרח ואגירת הקרח הגרוס ואז שימוש בו לקירור בשעות העומס. השימוש בשיטה זו נפוץ במיוחד במכרות עמוקים שם שיטות המיזוג הקונבנציונליות (לפי מעגל קרנו) לא אפקטיביות.
  • מתקנים אחרים מקררים גזים, בשעות שפל, למצב צבירה נוזלי. חימום הגז, בשעות עומס, יוצר התפשטות הגז וניצולו לייצור חשמל בטורבינות גז.

אנרגיה כימית

קטגוריה זו, של אנרגיה כימית, מתייחסת למתקנים בהם ניתן לאגור אנרגיה על ידי המרה כימית דו כיוונית.

• הדוגמה הפשוטה ביותר היא סוללה חשמלית נטענת אותה ניתן לטעון בחשמל רשת ולהשתמש בה לצרכים שונים.
• טכנולוגיה זו נפוצה מאוד ביחידות עצמאיות שבהן יש דרישה לאספקת חשמל ללא הפרעה (אל-פסק) כמו למשל בחדרי בקרה, צוללות, אוניות, משאיות ועוד.
• טכנולוגיה זו מותקנת גם במכוניות היברידיות שם הסוללה החשמלית נטענת ונפרקת חליפות בהתאם למצב הנהיגה.
• מתקנים נוספים בקטגוריה זו הם מתקני אלקטרוליזה שם משתמשים בחשמל בשעות שפל להפרדת מים לחמצן ומימן. את התוצרים ניתן לאגור ולהשתמש בהם בתאי שרפה על מנת לייצר חשמל בשעות עומס.
• פיתוחים בתחום הסוללות יאפשרו, בעתיד, אספקת חשמל יותר משמעותית מסוללות

אנרגיה קינטית

קטגוריה זו, של אנרגיה קינטית, מתייחסת לאנרגיה אותה ניתן לאגור במתקנים מכניים (דוגמת קפיץ וגלגל תנופה) ולשחרר אותה באופן מבוקר בהתאם לצורך:

• השימוש העיקרי של קפיצים הם בשעונים מכנים נמתחים וכל ציוד מכני אחר הכולל שעון בתוכו (כמו כרונומטר, מטרונום ועוד). התפתחות הטכנולוגיה הביאה להחלפת הקפיץ בסוללה חשמלית כמקור לאנרגיה.
• גלגלי תנופה שימשו עם תחילת המהפכה התעשייתית להנעת ציוד תעשייתי וקטרים בעזרת קיטור. עם הכנסת מנועי דיזל, מנועי בנזין ומנועים חשמליים פחת השימוש בגלגלי התנופה. עם זאת, הם עדיין מותקנים במכוניות וברכבות ומשמשים לאגירת אנרגיה בבלימה ותוספת אנרגיה בהאצה.
• בציוד המבוסס על מטוטלת (כמו שעון מטוטלת) קיימת הפיכה תמידית של אנרגיה קינטית לאנרגיה פוטנציאלית ולהפך.

אנרגיה מגנטית

מחקרים שהחלו בתחילת המאה ה-20 בתחום מוליכות-על הראו שניתן לאגור אנרגיה בסליל ממוגנט המקורר קרוב לאפס המוחלט ולהשתמש באנרגיה זו בשלב מאוחר יותר. טכנולוגיה זו אפשרית אך יקרה מדי לשימוש תעשייתי.

אנרגיה גרעינית

הקטגוריה של אנרגיה גרעינית מתייחסת לפוטנציאל האנרגטי האגור בחומרים רדיואקטיביים מסוימים וליכולת לשלוט בהפקת אנרגיה זו בתהליך של ביקוע גרעיני בכורים גרעיניים המשמשים להפקת אנרגיה. מערכת הבקרה של תהליך הפקת האנרגיה מאפשרת לשלוט בכמות האנרגיה המופקת מהכור בהתאם להיקף הצריכה. יש לזכור שהמרת האנרגיה כאן היא חד כוונית.

אנרגיית לחץ

קטגוריה זו מתייחסת למתקנים המסוגלים לאגור אנרגיה בצורה של אוויר דחוס או נוזל דחוס.

• ברוב מדחסי האוויר קיימים מיכלים לאגירת אוויר בלחץ גבוה שמאפשר זמינות האוויר וחוסך בעלויות הפעלה של המדחס.
• קיימים בעולם מתקנים תעשייתיים לאגירת אוויר לחוץ בנפח גדול (בדרך כלל במכרות נטושים). האוויר נדחס למאגרים אלו על ידי מדחסים המופעלים בשעות שפל או על ידי מתקנים המספקים תנועה ישירה (טחנות רוח, אנרגיית גלים ועוד). שחרור האוויר הדחוס נעשה דרך טורבינת גז לייצור חשמל לאחר חימומו.
• אגירת האנרגיה בנוזל דחוס (למשל בבוכנה הידראולית) מאפשר לשמר לחץ תמידי גם ללא הפעלת המדחס ושחרור הלחץ בהתאם לצורך.

סינכרון לרשת החשמל

אחד מהאתגרים העומדים בפיתוח תהליכי אגירה של אנרגיה והמרתה לחשמל הוא הסנכרון מול זרם החילופין בו נעשה שימוש ברשת של חברת חשמל. במקרים בהם החשמל שנוצר הוא בזרם ישיר נדרש ביצוע מהפך מתח להמרה לזרם חילופין.

קיימות מספר יחידות ציוד שמסנכרנות את התדר של החשמל המיוצר עם תדר הרשת (50 הרץ/לשנייה בישראל) עד לנקודה בה מתאפשר החיבור לרשת. חיבור כזה דורש בדיקה ואישור של חברת החשמל לישראל.

מהפך מתח

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא אגירת אנרגיה בוויקישיתוף

• כיל החלה להשתמש בטכנולוגיית אגירת אנרגיה מבוססת-ברום באתר "תשתיות", 20 באוקטובר 2015
• אגירת אנרגיה היא המפתח לקיום משק של אנרגיות מחדשות בישראל באתר "תשתיות", 21 בנובמבר 2013
• פורום אילת אילות 2013 יעסוק בתחום אגירת האנרגיה באתר "תשתיות", 14 באוקטובר 2013
• ללא פתרונות אגירה, האנרגיות המתחדשות לא יהיו רלוונטיות באתר "תשתיות", 21 בנובמבר 2012
• ממשלת בריטניה משקיעה עוד 20 מיליון ליש"ט באגירת אנרגיה באתר "תשתיות", 21 באוקטובר 2012
• יורם גביזון, אורמת תקים 2 מערכות אגירת אנרגיה בארה"ב, באתר TheMarker‏, 17 באפריל 2018
• אגירת אנרגיה ביצור החשמל באתר "מוסד שמואל נאמן", 15 ביוני 2015
• אגירת אנרגיה תרמית באתר חברת החשמל לישראל