7 ביולי 2017

האמת על אגירת אנרגיה.

כול חסיד של אנרגיה מתחדשת יודה, לפעמים, שהשמש לא זורחת בלילה, ולכן לא יכולה לספק חשמל בלילה. (למעשה השמש מספקת חשמל, באקלים מדברי ומלא שמש כמו שלנו – 20% מהזמן – כ 1750 שעות מתוך 8760 השעות בשנה, וזה נתון בדוק ואין ויכוח עליו. בארצות כמו גרמניה השמש מפיקה חשמל כ 10-12% מהזמן, ובאנגליה רק כ 8% מהזמן – על בסיס נתוני אמת). גם הרוח מספקת חשמל אולי 25% עד 30% מהזמן, לא יותר (תלוי במיקום הטורבינה, כלומר באקלים ומשטר הרוחות במקום, טורבינות ימיות מפיקות חשמל עד 40% מהזמן).

אז, איך אפשר לבנות מערכת אספקת חשמל שמבוססת על 100% שמש ורוח (או אפילו רק 80%)? (על פי היעדים שנחקקו בחוק בארצות שונות). מי יספק חשמל כאשר השמש לא זורחת והרוח לא נושבת? כול חסיד ירוק ידקלם מיד תשובה סטנדרטית: הפתרון הוא אגירת אנרגיה. יפה, אלא, שאגירת אנרגיה לא קיימת (בכמות משמעותית). זו סיסמה ריקה שהחסיד לא בדק ולא הבין. בואו ונבדוק מה המשמעות של אגירת אנרגיה (מבחינה כמותית) והאם קיים דבר כזה, או האם יכול להיות קיים בכלל.

ראשית נבהיר את יחידות המדידה. יש שתי יחידות: א. יחידת הספק הנמדדת ב kW, MW, GW  ו TW (כול אחד זה הקודם מוכפל ב 1000). זה מציין מה העוצמה המרבית של הזרם שמאגר (או מקור) יכול לספק ברגע נתון. ב. יחידת אנרגיה כוללת, המציינת מה הכמות הכוללת של אנרגיה שהמאגר מסוגל לספק. זה נמדד ב kWh, MWh , GWh ו TWh – ומציין מה הכמות הכוללת של אנרגיה במאגר. אם נעשה אנלוגיה למאגר מים: ההספק אומר מה גודל הצינור שדרכו ניתן למלא או לרוקן את המאגר, כלומר כמה מ"ק מים ניתן להזרים כול שעה. הכמות הכוללת היא מה כמות המים הכוללת במאגר במ"ק.

קיימים כיום שני אמצעים לאגירת אנרגיה: בטריות (מצברים) ומאגרי מים (אגירה שאובה). יש רעיונות על שיטות אגירה נוספות (כמו גלגלי תנופה, אוויר דחוס, או הפיכת חשמל למימן). אלה סיפורים, ספקולציות, לא משהו שקיים ופועל, ולא אתייחס אליהם כעת. גם לבטריות לא אתייחס. מתקן הבטריות לאגירת חשמל הגדול ביותר הקיים היום, הוא בהספק של 40 MW (בקליפורניה). הצריכה הממוצעת של חשמל בגרמניה (למשל) היא 60,000 MW, באנגליה וקליפורניה אולי 40,000 ובישראל כ 9,000. 40 MW  הם כמות זעירה וזניחה ביחס לצרכי רשת החשמל, לא רלוונטית. אז, אתעלם מבטריות ואבחן בהמשך את הנושא של שאיבה אגורה – כלומר מים.

הרעיון של האגירה השאובה הוא פשוט: בונים שני מאגרי מים, אחד תחתון ואחד עליון (על הר), ומחברים ביניהם עם צינורות, משאבות וטורבינות חשמל. כאשר יש עודף חשמל (השמש זורחת והרוח נושבת, או תחנות כוח העובדות בלילה) מפעילים בעזרתו משאבות ששואבות מים מהמאגר התחתון לעליון. כאשר יש מחסור בחשמל (אין שמש ורוח) מפילים את המים מהמאגר העליון לתחתון דרך טורבינה המייצרת חשמל. זה פשוט, וזה עובד, יש מאות מתקנים כאלה בעולם, הנה לדוגמה שלושה מהגדולים שבהם:

By Denis Egan - http://www.flickr.com/photos/theancientbrit/288064095/, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10795031

נתונים: הספק כולל: 1728 MW  ( 6 טורבינות של 300 MW  כ"א). כמות כוללת: המים מספיקים ל 6 שעות, כלומר האנרגיה הכוללת היא: 1728 X 6 = כ 10,000 MWh או 10GWh   , שנת הבנייה: 1974-1984, עלות הבנייה: 425 מיליון ליש"ט – שהם בדולרים של אז מעל למיליארד דולר, ובדולרים של ימינו – כ 1.5-2 מיליארד דולר. התחנה לא נבנתה כדי לגבות אנרגיות מתחדשות (שלא היו קיימות אז), אלא כדי לשמש מקור של יציבות ברשת, כלומר לספק חשמל במקרה של קפיצת פתע בביקוש. היא נועדה להחליף מה שנקרא spinning reserves – שפירושו: תחנות כוח פחמיות או גזיות ששורפות דלק ועובדות על ריק, בכוננות, רק כדי לספק רזרבה מידית לכיסוי קפיצות פתאומיות בביקוש החשמל.

נתונים: הספק כולל 1060 MW, כמות מים: 12 מיליון מ"ק במאגר העליון, כ 14 מיליון בתחתון, הפרש גובה 300מ'. נבנתה בים 1997 ל 2004, עלתה 600 מיליון אירו. כמות אנרגיה כוללת: 1060 X 8 שעות = כ 8000 MWh שהם כ 8 GWh. תכנון התחנה החל ב 1965 אבל ארגונים ירוקים התנגדו להקמתה בגלל הפגיעה בטבע. הדיונים והמשפטים נמשכו כ 30 שנה, עד שבנייתה בפועל החלה ב 1997.



נתוני התחנה במקרסבאך: הספק: 1045 MW (המתקן הגדול בגרמניה), נפח המאגרים 6.3 מיליון מ"ק, הפרשי הגובה: 288 מ'. אנרגיה כוללת – לא כתוב, אבל אפשר להניח (לפי גודל המאגר) שזה בערך חצי מגולדיסטל, כלומר כ 5 GWh. שנת בנייה: 1970-79.



מתקן אחר, בטורינגיה, גרמניה, בעל הספק של 320 MW. דו"ח מלא על אנרגיה שאובה של חברת ונטנפל נמצא כאן)
אלו היו דוגמאות לתחנות גדולות לייצור חשמל באגירה שאובה שקיימות ועובדות.
בגרמניה יש עוד מספר תחנות קטנות, ובסה"כ יש כושר ייצור של כ 6.8 GW  מאגירת מים שאובה. אם נניח שהקיבול הממוצע הוא כ 6 שעות, נפח האגירה השאובה הזמינה בגרמניה היום היא בערך 40 GWh. צריכת השיא בגרמניה היא כ 75 GW, והצריכה הכוללת בכול השנה היא כ 481 TWh.
באנגליה כושר הייצור השאוב הוא 2.8 GW ונפח האגירה האפשרי כ 17 GWh. צריכת השיא היא כ 55 GW, והצריכה השנתית הכוללת: כ 340 TWh.

נחשב כעת כמה אנרגיה שאובה דרושה כדי שנוכל לספק את כול צריכת החשמל מאנרגיית שמש ורוח + אגירה שאובה.

את החישוב ערך אדריו רוג'רס על בסיס נתוני 2015, עבור 4 ארצות. אני ערכתי חישוב נפרד על בסיס נתוני 2016 עבור גרמניה. החישובים התבססו על נתוני אמת של חברות החשמל, המפרטים את כמות החשמל מרוח ושמש שנוצרה בכול שעה משעות השנה, ואת הצריכה הכוללת באותה שעה. אנו בודקים מה היה דרוש כדי שנוכל להפיק את כול הצריכה באותה שנה (2015, או 2016) ממקורות מתחדשים. (לא עוסקים בתחזיות של צריכה בעתיד). לצורך זה אנו מניחים שניתן להגדיל את מספר מתקני השמש והרוח ככול הדרוש כדי לייצר הן את האנרגיה הדרושה לצריכה ברגע נתון, והן עודף אנרגיה שישמש לשאיבה למאגרי המים (בהם נשתמש כאשר אין שמש ורוח). בגרף שלמטה רואים את הייצור מרוח ושמש בצרפת מול הצריכה, מתוך הנחה שמגדילים את מתקני הרוח והשמש כך שהייצור השנתי שלהם ישווה לצריכה השנתית.

הכתמים הלבנים שמתחת לקו השחור (קו הצריכה) מסמנים את החשמל שצריך להיות מסופק על ידי אנרגיה מאוחסנת. (שאיבה אגורה).

נעשה עוד חישוב נוסף: נניח שמגדילים עוד יותר את כושר הייצור הסולארי והרוחני. במקרה הזה יהיה לנו ייצור עודף בשעות של רוח חזקה ושמש, שלא יהיה ניתן לניצול כי המאגרים כבר מלאים, אבל זה יאפשר לנו מאגרים יותר קטנים.
התוצאה של אנדריו: בגרמניה דרושים נפחי אגירה בין 5 ל 31 TWh  (תלוי בכמות השמש והרוח שהנחנו), באנגליה דרושים נפחי אגירה של בין 2 ל 18 TWh. במילים אחרות: בגרמניה דרושה אגירה שאובה בנפח בין פי 125 מהקיים היום (או 5000 מתקנים כמו גולדיסטל למעלה), לבין פי 750 מהקיים היום.
באנגליה דרושה אגירה בנפח בין פי 120 לבין פי 1000 מהמותקן היום. ( 1000 דינורביגים).
החישוב שלי לגבי גרמניה בשנת 2016 מניב תוצאות דומות: אם נניח כושר ייצור סולארי ורוחני פי 4.2 מהקיים היום נפח האגירה הדרוש הוא כ 11 TWh  שזה פי 275 מהקיים היום. כושר הייצור של כול מתקני האגירה השאובה צריך להיות קרוב ל 60 GW, כלומר בערך פי 10 מהיום. שימו לב שצוואר הבקבוק הוא נפח האגירה הכולל, ולא כושר ייצור של האגירה.

לגבי גרמניה – 2016 – אם מרשים שימוש כ 10% אנרגיה פחמית (רק 90% מתחדשת), אזי מספיקים 0.5 TWh של אגירה שאובה, אבל צריכים להחזיק כושר ייצור פחמי של כ 58 GW  (כלומר לא הרבה פחות מהקיים היום), שיהיה במצב תפעול (כוננות) אבל יופעל רק 10% מהזמן. כמות האגירה השאובה הדרושה תהיה "רק" פי 12 מהקיים היום.

סיכום: בגרמניה (הארץ הכי מתקדמת באנרגיה מתחדשת) יש כ 25,000 טורבינות רוח בכושר ייצור של כ 41 GW, ו 40 GW  של כושר ייצור סולארי, שהם כ 200-400 מיליון מ"ר של לוחות (בין 200 ל 400 קמ"ר – שטח אדיר). זה קיים, אבל מספק רק כ 23% מהחשמל (בחישוב שנתי). כדי להגיע למערכת של 100% אנרגיה מתחדשת (לפי ה"יעדים" עליה הכריזה גרמניה) היא צריכה להתקין פי 4 כושר ייצור רוחני וסולארי, ועוד כושר אגירה פי 200 (או יותר) ממה שיש. אם נבחן את היעד של 80% אנרגיה מתחדשת – צריך אולי פי 3 מתקנים סולאריים ורוחניים, פי 12 אגירה, ובנוסף – מערכת כמעט מלאה של תחנות פחמיות או גזיות.
היעדים לא ניתנים להשגה (מבחינה טכנית-מעשית) בטכנולוגיות שקיימות היום. וזאת לפני שמתחילים לחשב את הצד הכלכלי - כמה זה עולה להקים ולהחזיק 3 מערכות מלאות, נפרדות וחופפות (הייצור הרוחני-סולארי, הייצור הפחמי והאגירה) ומערכת הולכה הדרושה.

אכן קיימת היום טכנולוגיה לאגירת אנרגיה – אגירת מים שאובה. אבל, כאשר בודקים את הכמויות והמספרים – כמה מתקני אגירה שאובה נחוצים כדי להשיג 100% (או 80%) חשמל מתחדש – נתקלים בקיר. נוכח הסיבוכיות הטכנית, המגבלות הגיאוגרפיות (הפרשי גובה, זמינות המים) והקושי בהקמת מתקנים אלה אין אפשרות להקים כמות כזו. היעדים (שנחקקו בחוק) אינם ברי השגה.

יעקב








אין תגובות: