בפברואר 2018, הוועדה הפדרלית לתקנת אנרגיה (FERC) אישרה פה אחד צו מס' 841 המחייב מפעילי מערכות עצמאיות (ISOs) להוריד חסמים לטכנולוגיות אחסון אנרגיה, וארגוני שידור אזוריים (RTOs) להעריך מחדש תעריפים כדי לעודד טכנולוגיות אחסון אנרגיה. פעולות אלו אמורות לעודד תחרות שוק גדולה יותר במגזר רשתות האנרגיה. בנוסף, במאי 2018, הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים של משרד האנרגיה (ARPA–E) התחייבה ל-30 מיליון דולר לחדשנות באחסון אנרגיה. הכסף הזה הוקצה לתוכנית DAYS, המתמקדת בפיתוח טכנולוגיות חדשות לאגירת אנרגיה.
גופרית סוללות
נתרן גופרית הן צורה פופולארית יותר ויותר של אחסון אנרגיה בגלל צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן. עם זאת, סוג זה של סוללה אינו חף מאתגרים. באקלים הנוכחי, שוק סוללות הנתרן–גופרית העולמי צפוי לצמוח בקצב מהיר, עם CAGR של 24.9% במהלך שבע השנים הבאות. במאמר זה, נבחן כמה מהאתגרים הללו, כמו גם פתרונות פוטנציאליים.
עקרון העבודה הבסיסי מאחורי סוללות נתרן–גופרית הוא שילוב אלקטרודת נתרן שלילית עם אלקטרודת גופרית חיובית כדי ליצור אלקטרוליט שלילי. סוללות נתרן גופרית משמשות לעתים קרובות בכלי רכב חשמליים, וניתן להשתמש בהן גם ביישומים נייחים. ביישומים מסוימים, הם שימושיים במיוחד לאחסון רשת. אבל בעיה אחת עם הסוללות האלה היא טמפרטורת הפעולה המוגבלת שלהן – מתחת ל-2000 מעלות צלזיוס, הן מפסיקות לתפקד, וגורמות לנזק מלחץ מכני. לכן יש לבודד סוללה כראוי על מנת למנוע התחממות יתר.
לסוללת הנתרן–גופרית מקורות רעיוניים בעידן מלחמת העולם השנייה, אך רק בשנות ה-90 פותחה הטכנולוגיה לאגירת אנרגיה מודרנית. מאמץ משותף בין חברת החשמל של טוקיו לבין מבודדי NGK פיתח את טכנולוגיית הסוללות ומסחר אותה. כיום, סוללת נתרן–גופרית טיפוסית במשקל 350 פאונד למכונית חשמלית אמורה לספק מספיק אנרגיה לפעול בקצב של 50 קילוואט–שעה (קוט"ש) למשך 125-200 מיילים. לסוללות נתרן גופרית יש זמן הפעלה מצוין ויעילות של 85%.
לסוללות נתרן–גופרית יש פוטנציאל שוק אדיר, במיוחד באסיה–פסיפיק. ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו בשילוב עם תחנות כוח מתחדשות כדי לייצב את הרשת ולאגור עודפי חשמל. סוללות נתרן–גופרית לאחסון אנרגיה הן גם פתרון חסכוני למערכות אחסון סוללות בקנה מידה שימושי.
סוללת NaS מורכבת מנתרן מותך וגופרית, המשמשים כאלקטרודה חיובית ושליליות, בהתאמה. גליל אלקטרוליט נתרן–אלומינה מפריד בין השניים, ומאפשר רק יוני נתרן בעלי מטען חיובי לעבור ביניהם. במהלך הפריקה, מתכת הנתרן משחררת אלקטרונים ויוצרת יוני–נתרן, העוברים דרך האלקטרוליט וזורמים אל תא האלקטרודות החיוביות. במקביל, גופרית מותכת סופגת אלקטרונים ויוצרת פולי גופרית.
סוללות נתרן–גופרית הן צורה חלופית של אחסון אנרגיה, עם אנרגיה ספציפית גבוהה יותר מאשר סוללות עופרת. לסוללות נתרן–גופרית יש גם חיי מחזור גבוהים. עם זאת, יש להפעיל אותם בטמפרטורות שבין 300 ל-350 מעלות צלזיוס, מה שמצריך ניהול תרמי. זה הכרחי כדי לשמר את שלמות המפריד הקרמי ואטם התא.
אלקטרוליזרי
PEM אלקטרוליזרי PEM יכולים להיות פתרון חסכוני לאחסון אנרגיה. התהליך משתמש בתגובה אלקטרוכימית לייצור מימן. תגובה כימית זו נטולת CO2 וניתן להשתמש בה ביעילות כפולה משיטות מסורתיות. מערכת זו גם יעילה וידידותית לסביבה. קו המוצרים האחרון שלה, ה–Silyzer 300, משתמש בעיצוב מודולרי כדי למזער את עלויות ההשקעה עבור מפעלי אלקטרוליזה בקנה מידה גדול. העיצוב המודולרי מאפשר גם יעילות גבוהה, זמינות וטוהר של מימן המופק מהתגובה.
אחסון מימן הוא אופציה מצוינת לאגירת אנרגיה לטווח ארוך. למימן יש צפיפות אנרגיה גבוהה וניתן לחשמל אותו מחדש ליצירת חשמל. מימן הוא בחירה אידיאלית למטרה זו בשל יכולת האחסון הגבוהה והתשתית המפותחת שלו. אלקטרוליזה מימן יכולה לשמש לייצור אלקטרו–סינתזה ישירה של CO2, ואילו מימן וגז סינת הם חומרי הזנה אידיאליים לסינתזת דלק.
מימן הוא אחד מנשאי האנרגיה היעילים והנקיים ביותר וניתן להשיגו ממקורות רבים ושונים. מקור אחד הוא מים, ואלקטרוליזה של מים היא אחת הדרכים הידידותיות ביותר לסביבה להשגת מימן. מימן המיוצר בשיטה זו הוא טהור ובעלות נמוכה, והתהליך מייצר חמצן בלבד כתוצר לוואי. מימן המופק מתהליך זה ניתן לשימוש ישיר בתאי דלק ויישומים אחרים לאחסון מימן. עם זאת, פיצול מים מייצר רק 4% מהמימן התעשייתי בעולם, וזה נובע מבעיות כלכליות.
אחסון
שאוב אחסון שאוב הוא אחת האפשרויות החסכוניות ביותר בקנה מידה שימושי לאחסון אנרגיה. הוא גם ספק חיוני של שירותים נלווים כגון בקרת תדרים ברשת וייצור רזרבות, שחשובים לאיזון חשמל על פני מערכות רשת גדולות. הטכנולוגיה מאפשרת לחברות שירות להגיב כמעט באופן מיידי לתנודות בחשמל הזורם במערכות שלהן. כתוצאה מכך, אחסון שאוב הוא מרכיב חיוני ברשת החשמל של המדינה שלנו. נכון לשנת 2016, יש יותר מ-20GW של קיבולת אחסון שאוב בארה"ב עם עוד 31 GW מתוכננים לפיתוח עתידי.
אמנם אין להכחיש את היתרונות של אחסון שאוב, אך ישנן גם מספר מגבלות. לדוגמה, ייתכן שמתקן אחסון שאוב לא יהיה גדול מספיק כדי לאחסן מספיק אנרגיה כדי להפעיל 135,000 משקי בית למשך שמונה שעות. פרויקט בסדר גודל כזה יכול לסייע בהפחתת פחמן של מערכת החשמל של המדינה ולמנוע הפסקות חשמל. בנוסף, זה יפתור בעיית אנרגיה מתחדשת משמעותית.
אחסון שאוב הוא טכנולוגיה המנצלת מים לאגירת אנרגיה. הוא משתמש בטורבינה הפיכה כדי לאחסן חשמל במאגר תחתון. מים זורמים דרך הטורבינה בשעות השפל, כאשר הביקוש לחשמל נמוך. כאשר הביקוש עולה, המים המאוחסנים משתחררים דרך טורבינה לייצור חשמל. בתור יתרון נוסף, פרויקטים של אחסון שאוב יכולים לספק מגוון שירותים נלווים המסייעים לרשת החשמל להישאר אמינה.
לכוח הידרו אגירה שאובה יש פוטנציאל עצום לאחסון. למעשה, דוח הכוח הידרו–סטטוס של ה–IHA צופה שהקיבולת הכוללת המותקנת של אנרגיית אגירה שאובה עשויה להגיע ל-158 ג'יגה–וואט עד 2019. המחקר ההולך וגדל בתחום זה מתמקד בשיפוץ מכרות שלא בשימוש ומערות תת–קרקעיות, כמו גם במפעלי הידרו קונבנציונליים. השוק העולמי לאחסון שאוב צפוי לגדול ביותר ממחצית עד שנת 2020. עם זאת, ישנם מספר חסמים המעכבים את התפתחות הטכנולוגיות הללו.
למרות עלותו, אחסון שאוב הופך לפתרון חשוב ליציבות הרשת. שלא כמו אחסון אנרגיה מסורתי, אחסון הידרו שאוב הוא זול ובקנה מידה גדול. זה גם גמיש וניתן להשתמש בו בשילוב עם מקורות אנרגיה מתחדשים אחרים כדי לטפל בסירוגין.
אחסון
מימן אגירת מימן היא טכניקה לאחסון כמויות גדולות של מימן גזי מתחת לאדמה. ניתן לעשות זאת באמצעות כיפות מלח, שדות נפט מדוללים ומערות. כמויות גדולות של מימן אוחסנו במקומות אלה במשך שנים. תהליך זה הופך במהירות לטכניקת אחסון אנרגיה חשובה.
לטכנולוגיה יתרונות רבים, כולל העלות הנמוכה יחסית לנפח. עלות אחסון המימן נמוכה מאוד, מה שהופך אותו לאופציה אטרקטיבית לאחסון אנרגיה לטווח ארוך. מימן גם קל יחסית לשינוע ולאחסנה. צוות המחקר של PNNL בוחן את השוק לאגירת אנרגיית מימן וטכנולוגיות אחרות, כגון הידרו שאוב.
היעילות של מערכת אחסון מימן תלויה במספר שלבי ההמרה שעליה להשלים. הביצועים שלו משתנים באופן משמעותי בהתאם לתנאי ההפעלה. לדוגמה, היעילות של תחנת כוח מבוססת טורבינות בעירה היא הטובה ביותר בעומס מלא, בעוד זו של מערכת אחסון מימן נעה בין 60% ל-55%.
ישנן שתי שיטות אחסון עיקריות למימן: נזילות ודחיסה. לראשון יש צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מאשר מימן נוזלי, אך שני התהליכים צורכים יותר אנרגיה. שימוש בכל אחת מהשיטות דורש בסביבות 9-12 אחוז מהאנרגיה הזמינה. דרישות האנרגיה הללו משתנות בהתאם לכמות, תנאים חיצוניים וגורמים אחרים. דרוש מחקר נוסף כדי לפתח שיטות טובות יותר הדורשות תשומות אנרגיה נמוכות יותר.
למרות שהטכנולוגיות לאחסון מימן עדיין בשלבים הראשונים שלהן, קיימות מספר אפשרויות אחסון מימן מסחריות. השיטה היקרה והמתאימה ביותר היא אחסון מערות, אשר נעשה בה שימוש רק במקומות בודדים בארה"ב ובאירופה. אחסון תת קרקעי של מימן אפשרי במערות מלח ובשדות נפט וגז מדוללים. לאחר אחסון המימן ניתן לחשמל מחדש ולצרוב בתאי דלק ביעילות של עד 50%.
אפשרות אחסון המימן צוברת פופולריות בתחומים רבים. בתעשיית האנרגיה, למימן יש פוטנציאל לשחרר את הפחמן של תעשיית האנרגיה כולה. למעשה, זה אפילו יכול לעזור להילחם בסירוגין שנוצר כאשר מקורות אנרגיה מתחדשים אינם מייצרים מספיק חשמל. זה יכול לשמש גם כאופציה זמנית לאחסון אנרגיה על ידי המרת כוח עודף למימן.