ביליתי יותר מדי שעות בקריאת ניירות לבנים ודפי מפרט בנושאאגירת אנרגיה. והנה מה שהבנתי: כל הנוף מבולגן ומעניין יותר ממה שרוב הכתבות נשמעות לו.
כולם מדברים על סוללות. די בסדר-הם נמצאים בכל מקום עכשיו. אבל אגירת אנרגיה? זו שיחה הרבה יותר גדולה. אנחנו מדברים על הכל, ממאגרי מים עצומים שיושבים על פסגות הרים ועד חתיכות מתכת מסתובבות בתאי ואקום. חלק מהטכנולוגיות הללו קיימות מאז שהסבים והסבתות הגדולים שלך-היו ילדים. אחרים קיימים בעיקר במעבדות ובמצגות PowerPoint.
תן לי להדריך אותך במה שבאמת יש שם בחוץ.
סוס העבודה הישן שאף אחד לא מדבר עליו
אחסון הידרו שאוב. נשמע משעמם, נכון? שני מאגרים בגבהים שונים, כמה טורבינות, מים זורמים למעלה ולמטה. פיזיקה פשוטה.
אבל הנה הדבר-הטכנולוגיה ה"משעממת" הזו מטפלת בכ-95% מכל אחסון האנרגיה בקנה מידה של-רשת ברחבי העולם. תשעים-חמישה אחוזים. כשאנשים מתלבטים בכימיה של סוללות ומתווכחים על ליתיום מול נתרן, הידרו שאוב פשוט עושה את העבודה שלו ברקע.
הקונספט פשוט כמעט מביך. כשהחשמל זול (בדרך כלל בלילה, או כשהשמש קופחת ופאנלים סולאריים מתניעים), אתה שואב מים במעלה הגבעה למאגר. כאשר המחירים עולים או עליות הביקוש, אתה נותן למים האלה לזרום בחזרה למטה דרך הטורבינות. היעילות נעה סביב 70-85%, וזה לא מושלם, אבל קיבולת האחסון היא עצומה. אנחנו מדברים על מתקנים שיכולים לאחסן ג'יגה וואט-שעות אנרגיה. לא מגוואט-שעות. ג'יגה-ואט-שעות. נסה לעשות את זה עם ליתיום-יון.
כמובן, יש מלכוד. אתה צריך גיאוגרפיה. אתה צריך שני מאגרים. אתה צריך את הפרש הגבהים הנכון. אתה לא יכול בדיוק לבנות אחד כזה בקנזס. ההיתר הסביבתי לבדו לוקח שנים. והעלויות מראש? אסטרונומי. אבל ברגע שהם נבנים, המפעלים האלה פועלים במשך 50, 60, לפעמים 80 שנה. המתקן במחוז באת' בווירג'יניה פועל מאז 1985 ולא מראה סימני עצירה.
אוויר דחוס: הגישה התת-קרקעית
אחסון אנרגיית אוויר דחוס (CAES) הוא בן דודו המוזר של הידרו. במקום להזיז מים, אתה דוחס אוויר לתוך מערות תת-קרקעיות-כיפות מלח, שדות גז טבעי מדוללים, אקוויפרים, כל תצורות גיאולוגיות שזמינות במקרה.
בשעות לא-השיא, מדחסים חשמליים דוחפים אוויר לחללים התת-קרקעיים הללו בלחצים שיגרום לאוזניים שלך לקפוץ רק מלחשוב עליהם. כאשר אתה צריך חשמל, האוויר הדחוס משתחרר, מתחמם (בדרך כלל עם גז טבעי, שהוא החלק הלא-כל כך-ירוק), ועובר דרך טורבינות.
כרגע פועלים רק שני מפעלי CAES מסחריים. דוּ. אחד בגרמניה שפועל מאז 1978, ואחד באלבמה מ-1991. הטכנולוגיה עובדת, ברור. אבל הדרישות הגיאולוגיות הן קפדניות, והכלכלה לא עמדה בעיפרון במקומות רבים. ובכל זאת, החוקרים ממשיכים לעבוד על גרסאות מתקדמות-מערכות אדיאבטיות הלוכדות ומשתמשות מחדש בחום מהדחיסה, ומבטלות את הצורך בגז טבעי. אלה קיימים בעיקר בפרויקטי פיילוט לעת עתה.
גלגלי תנופה: יופי מכני טהור
אני מודה ש-גלגלי תנופה הם האהובים עליי. יש משהו אלגנטי באחסון אנרגיה כתנועה סיבובית.
מערכת גלגלי תנופה היא בעצם רוטור כבד המסתובב בתא ואקום, תלוי על ידי מיסבים מגנטיים כדי למזער את החיכוך. כאשר יש לך עודף חשמל, מנועים סובבים את גלגל התנופה מהר יותר. כשצריך להחזיר כוח, המסה המסתחררת הזאת מניעה גנרטור. הפיזיקה נקייה, אינטואיטיבית.
גלגלי תנופה מצטיינים בדברים שסוללות שונאות: מחזורי טעינה-מהירים, מיליוני מחזורים לאורך החיים שלהם, זמני תגובה מיידיים הנמדדים באלפיות שניות. הם מושלמים לוויסות תדרים-ההתאמות הזעירות והקבועות שהרשת צריכה כדי להישאר יציבה בדיוק ב-60 הרץ (או 50 הרץ, תלוי איפה אתה גר).
במה הם לא טובים? אגירת אנרגיה לתקופות ארוכות. אפילו עם המסבים המגנטיים הטובים ביותר ושואבי אבק קרובים ל-מושלמים, גלגלי התנופה מאבדים אנרגיה מחיכוך עם הזמן. השאר ישיבה אחת ליום ואיבדת נתח משמעותי מהאנרגיה המאוחסנת שלך. השאר את זה לשבוע ובכן, אל תטרחי.
אז גלגלי תנופה תופסים נישה ספציפית: יישומים קצרים-למשך זמן,-עם עוצמה גבוהה. מרכזי נתונים משתמשים בהם ככוח גשר במהלך השניות הספורות שלוקח לגנראטורים דיזל להיכנס. מערכות תחבורה מסוימות משחזרות אנרגיית בלימה לגלגלי תנופה ופורקות אותה בחזרה למסילה השלישית תוך שניות. נאס"א שיחקה איתם עבור חלליות.
סוללות: הקטגוריה שכולם באמת אכפת ממנה
בסדר, בוא נדבר על סוללות. האפשרויות האלקטרוכימיות התפוצצו בשנים האחרונות, ולמען האמת זה נהיה מבלבל.
יון-ליתיוםשולט בשיחה מסיבה טובה. צפיפות אנרגיה גבוהה פירושה יותר אחסון בפחות מקום. חיי מחזור הגונים, במיוחד עם כימיה חדשה יותר. העלויות צנחו-כאילו, ירדו ב-90% מאז 2010 די צנחו. הטלפון שלך, המחשב הנייד שלך, כלי הרכב החשמליים, ויותר ויותר, אחסון הרשת פועלים כולם על וריאציות של ליתיום-יון.
אבל "ליתיום-יון" הוא לא דבר אחד. זו משפחה. ליתיום ברזל פוספט (LFP) מקריב צפיפות אנרגיה מסוימת למען בטיחות טובה יותר וחיים ארוכים יותר-ללא קובלט, מה שחשוב הן מבחינה אתית והן מבחינה כלכלית. היצרנים הסיניים הלכו על הכל- על LFP, ועכשיו זה משתלט. בינתיים, ניקל-מנגן-קובלט (NMC) מכיל יותר אנרגיה לקילוגרם, מה שחשוב כשאתה מנסה להעניק טווח הגון למכונית חשמלית.
הצד האפל של יון-ליתיום? בריחה תרמית. סוללות אלו עלולות להתלקח בצורה מרהיבה אם ניזוקות, נטענות יתר על המידה או סתם חסרות מזל. הייצור הוא עתיר אנרגיה-. לרשתות האספקה של ליתיום וקובלט יש מטען אתי משלהן. ולמרות שתשתיות המיחזור משתפרות, רוב הסוללות המבזבזות עדיין מגיעות למזבלות.
זרימת סוללותלנקוט בגישה אחרת לגמרי. במקום לאגור אנרגיה באלקטרודות מוצקות, הם משתמשים באלקטרוליטים נוזליים במיכלים חיצוניים. רוצים יותר קיבולת אנרגיה? פשוט תשיג טנקים גדולים יותר. הכוח והאנרגיה מנותקים, מה שמשנה את כל פילוסופיית העיצוב.
סוללות זרימת חיזור ונדיום (VRFB) הן הגרסה הבוגרת ביותר. הם נמשכים כמעט לנצח-אנחנו מדברים על 15,000 עד 20,000 מחזורים, אולי יותר. אין השפלה מהפרשה עמוקה. האלקטרוליט אינו נשחק; זה פשוט משתולל קדימה ואחורה דרך ערימת התאים. עשרים- שנים בתוך, אתה יכול לנקז את האלקטרוליט, לשלוח אותו למקום אחר ולהמשיך להשתמש בו.
אבל סוללות זרימה הן מגושמות. צפיפות אנרגיה נמוכה פירושה שהם לא הגיוניים עבור כלי רכב או יישומים ניידים. גם הוונדיום לא זול. לאחסון בקנה מידה של רשת- שבו טביעת הרגל לא חשובה ואריכות ימים כן? הם יותר ויותר אטרקטיביים.
חומצת-עופרתהיא הסוללה הנטענת המקורית, ללא שינוי בעצם מאז 1859. המכונית שלך מתחילה עם אחת. הם זולים,-מובנים היטב ו-98% ניתנים למחזור. אבל חיי המחזור בינוניים, צפיפות האנרגיה ירודה והם כבדים. עבור יישומי רשת, הם הוחלפו ברובם, אבל הם עדיין שולטים במערכות כוח גיבוי שבהן העלות חשובה יותר מכל דבר אחר.
יון-נתרןהאם העולה החדש מקבל תשומת לב רצינית. נתרן נמצא בכל מקום-ממש במי ים-ולכן חששות שרשרת האספקה נעלמים בעצם. תהליך הייצור יכול לעשות שימוש חוזר בציוד קיים של ליתיום-יונים. הביצועים עדיין לא ממש ברמות -יון ליתיום, אבל הם מצמצמים את הפער במהירות. CATL התחילה בייצור המוני בשנת 2023. בתוך חמש שנים, נתרן-יון יכול לגזור נתח שוק רציני עבור אחסון נייח.
אני צריך להזכירניקל-קדמיום(עדיין בשימוש ביישומים תעשייתיים מסוימים, למרות שקדמיום רעיל והאיחוד האירופי הגביל אותו),ניקל-מתכת הידריד(זוכרים את הפריוס לפני שהפך לליתיום?), ונתרן-גופרית(מערכות-בטמפרטורה גבוהה שחברות יפניות דחפו בחוזקה בשנות ה-2000). אבל בשלב זה אני מפרט דברים רק כדי לרשום אותם. המציאות המעשית היא שסוללות-יון וזרימה של ליתיום הן המקום שבו מתבצעת הפעולה, כאשר יון-נתרן עולה מהר.
אחסון תרמי: חום כסוללה
הנה קטגוריה שלא זוכה לה מספיק תשומת לב: אחסון אנרגיה כחום (או קור).
אחסון מלח מותךכך פועלות תחנות כוח סולאריות מרוכזות בלילה. מראות ממקדות את אור השמש אל מגדל, ומחממות מלח מותך ל-500-600 מעלות. המלח הזה מאוחסן במיכלים מבודדים, וכאשר אתה צריך חשמל, אתה משתמש בו כדי ליצור קיטור ולהפעיל טורבינה. מפעל Gemasolar בספרד יכול לייצר חשמל במשך 15 שעות לאחר השקיעה. דיונות סהר בנבאדה מחזיקות מספיק חום ל-10 שעות של ייצור.
הדבר המגניב במלח מותך הוא שאחסון חום זול. הרבה יותר זול לקוט"ש מאשר סוללות. הדבר הלא-מגניב הוא -היעילות הלוך ושוב- שאתה מאבד הרבה בהמרה מחום לחשמל ובחזרה.
אחסון קרחהוא המקבילה התרמית לשינוי הזמן-. בניינים מסחריים מקפיאים מים למשך הלילה כאשר תעריפי החשמל נמוכים, ואז משתמשים בקרח הזה כדי לספק מיזוג אוויר בשעות השיא של אחר הצהריים. זה לא זוהר, אבל זה עובד. דיסני וורלד משתמש בו. הרבה בנייני משרדים באקלים חם משתמשים בו. אתה בעצם משתמש בקרח כסוללה לדרישת קירור.
ישנם גם מושגים חדשים יותר:סוללות קרנושאוגרים חשמל כחום וממירים אותו בחזרה באמצעות מנועי חום, מיכלי מים חמים שפעם-מעבירים חימום חשמלי, אחסון תרמי עונתי לשכונות שלמות. היקום התרמי עמוק באופן מפתיע.
מימן: התו הכללי
לאגירת אנרגיה מימן יש תומכים נלהבים ומבקרים חריפים, ולמען האמת, לשניהם יש נקודות תקפות.
הערעור פשוט: השתמש בעודף חשמל מתחדש כדי לפצל מים למימן וחמצן (אלקטרוליזה). אחסן את המימן. כאשר אתה צריך חשמל, העביר אותו דרך תא דלק או שרוף אותו בטורבינה. מימן יכול לאגור כמויות עצומות של אנרגיה לפרקי זמן ארוכים מאוד -שבועות, חודשים ואפילו עונות.
הביקורת פשוטה באותה מידה: יעילות-הלוך ושוב היא נוראית. אתה מאבד 30% באלקטרוליזה. אתה מפסיד יותר בדחיסה או בהנזלה. אתה מפסיד יותר בהמרה חזרה לחשמל. מסוף-עד-תוכל לקבל בחזרה 30-40% מהאנרגיה המקורית שלך. השווה את זה ל-85-90% עבור ליתיום-יון.
אז מתי מימן הגיוני? כאשר אתה צריך לאגור כמויות אדירות באמת של אנרגיה לתקופות ממושכות. כאשר אתה משחרר פחמן תהליכים תעשייתיים שצריכים חום גבוה. כאשר אתה צריך נושא אנרגיה שניתן להוביל למרחקים ארוכים. כשאפשרויות אחרות ממש לא יכולות לעשות את העבודה.
גרמניה הימרה בכבדות על מימן. כך גם יפן. אוסטרליה בונה תשתית יצוא כדי לשלוח מימן ירוק לאסיה. האם ההימור הזה משתלם תלוי בעלויות שיורדות מהר יותר ממה שהסוללות משתפרות-והסוללות משתפרות במהירות.
הדברים האולטרה-Short-Duration Stuff
קבלי-עללאגור אנרגיה אלקטרוסטטית ולא אלקטרוכימית. הם יכולים להיטען ולהתפרק כמעט מיידי, להתמודד עם מיליוני מחזורים ולספק צפיפות כוח מגוחכת. מה שהם לא יכולים לעשות זה לאגור הרבה אנרגיה. בנק קבלי-על בגודל של מכולה למשלוח עשוי לאחסן את מה שמכיל חבילת סוללות בגודל של מזוודה.
הנקודה המתוקה שלהם היא-התפרצויות קצרות במיוחד: בלימה מתחדשת במערכות תחבורה, החלקת אספקת חשמל במתקנים מתחדשים, מתן שבריר-שניה מהכוח ש-UPS צריך לפני שהסוללות משתלטות.
אחסון אנרגיה מגנטית מוליך-על(SMES) הוא אפילו יותר אקזוטי. אחסן אנרגיה בשדה מגנטי שנוצר על ידי סלילים מוליכים-על מקוררים לטמפרטורות קריוגניות. כמעט-תגובה מיידית, ללא השפלה, למעשה חיי מחזור אינסופיים. אבל העלויות והמורכבות של שמירה על טמפרטורות מוליכות-על השאירו את SMES ביישומי נישה-בעיקר איכות חשמל עבור יצרני מוליכים למחצה ומתקנים אחרים שבהם אפילו צניחה רגעית במתח עלתה מיליונים.
אחסון כוח הכבידה: הרעיון הישן החדש
עוד קטגוריה אחת ששווה להזכיר: מערכות מבוססות כבידה- שאינן משאבות הידרו.
כספת אנרגיהבונה מערכות מנוף שעורמות ומפרקות את קוביות בטון מאסיביות. הרם את הבלוקים כאשר האנרגיה זולה, הורד אותם באמצעות גנרטורים כאשר אתה צריך חשמל. זה נשאב הידרו בלי המים, בעצם.
חברות אחרות חוקרות מוקשים נטושים-המשקלים נמוכים במורד הפיר, מעלים אותם בחזרה. או מגדלים ייעודיים-בנויים. או אפילו מושגים הכוללים קרונות עמוסים בסלעים על פסים משופעים.
ועדת המושבעים עדיין לא יודעת אם אלה יכולים להתחרות כלכלית. צפיפות האנרגיה של אחסון כוח הכבידה היא מטבעה נמוכה-צריך הרבה מסה וגובה כדי לאחסן אנרגיה משמעותית. אבל התומכים טוענים ששימוש בחומרים זולים (בטון, חצץ) ובמכניקה פשוטה יכולים לנצח את הסוללות בעלות עבור יישומים ארוכים-.
אז מה בעצם חשוב?
אם קראתם עד כאן, אולי אתם תוהים: איזו טכנולוגיה מנצחת?
שאלה לא נכונה.
אחסון אנרגיה אינו מנצח-קח-כל השוק. טכנולוגיות שונות מתאימות לנישות שונות בהתבסס על משך זמן תגובה, מיקום, מבנה עלויות ויישום.
צריך ויסות תדרים באלפיות שניות? גלגלי תנופה או סוללות. זקוק לארבע שעות גיבוי למפעל סולארי? סוללות ליתיום-יון או זרימה. צריך להעביר עודפים עונתיים מתחדשים? כנראה מימן, או הידרו שאוב אם הגיאוגרפיה מאפשרת. צריכים לקרר בניין בזמן שיא הביקוש? אחסון קרח.
הרשת של העתיד לא תפעל על טכנולוגיית אחסון אחת. זה יכלול מספר טכנולוגיות-קבלי-על לתגובה מיידית, סוללות לדקות עד שעות, הידרו שאוב לרכיבה יומית, מימן או תרמי למשך זמן ארוך יותר. כל משבצת בספקטרום משך הזמן יתמלא ככל הנראה על ידי כל טכנולוגיה שתציע את הכלכלה הטובה ביותר עבור היישום הספציפי הזה.
החלק המרגש הוא שהעלויות נופלות כמעט בכל הקטגוריות הללו. עלויות סוללת ליתיום- גדלו. אלקטרוליזרים עוקבים אחר עקומת למידה דומה. ייצור סוללות זרימה הולך ומתרחב. אפילו הידרו שאוב רואה חדשנות עם מערכות לולאה סגורות- ומאגרים תת-קרקעיים.
לפני עשר שנים, כל זה לא נראה כדאי מבחינה כלכלית בקנה מידה. עַכשָׁיו? אחסון הוא הפלח המהיר ביותר-במגזר האנרגיה.