פורום אנרגיה 51: אתגר רשת החשמל – הולכה, ניצול אופטימלי של משאבי הרשת וייצור מקומי

פרופ' גרשון גרוסמן, נעמה שפירא

צטט כ:
גרוסמן גרשון, שפירא נעמה. פורום אנרגיה 51: אתגר רשת החשמל – הולכה, ניצול אופטימלי של משאבי הרשת וייצור מקומי חיפה, ישראל, מוסד שמואל נאמן, 2022. https://neaman.org.il/Energy-Forum-51-The-power-grid-challenge

קבצים להורדה:

פורום אנרגיה 51: אתגר רשת החשמל – הולכה, ניצול אופטימלי של משאבי הרשת וייצור מקומי(2190KB)

לאור משבר האקלים, יעדי הפחתת פליטות גזי החממה העולמיים ייעשו יותר שאפתניים עם הזמן, ומדינת ישראל לצד כל מדינות העולם, תדרש להעמיק את יעדיה.

באוקטובר 2020 החליטה ממשלת ישראל להגדיל את היעד לייצור חשמל מאנרגיה מתחדשת בשנת 2030 ל-30%, עם יעד ביניים של 20% בשנת 2025. במדינת ישראל אנרגיה מתחדשת היא בעיקר אנרגיה סולארית – על פי רשות החשמל, בסוף שנת 2020 ההספק המותקן הכולל של אנרגיות מתחדשות במשק עמד על כ-2.5 ג'יגה-ואט, כאשר אנרגיה סולארית (מתקנים פוטו-וולטאיים קרקעיים ובדו שימוש, ומתקנים תרמו סולאריים) מהווה למעלה מ-95% מהספק זה. על פי התחזית של רשות החשמל, בכדי לעמוד ביעד הביניים בסוף שנת 2025 ההספק הכולל של אנרגיות מתחדשות צפוי לגדול עד שנה זו פי 4 (לכ-9.8 ג'יגה-ואט). על פי התחזית של משרד האנרגיה, כדי לבסס משק אנרגיה דל פחמן בשנת 2050 (שילוב של 87% אנרגיה סולארית בתמהיל הדלקים) ההספק הסולארי הנדרש בשנה זו יגיע ל-109 ג'יגה-ואט.

לאנרגיות מתחדשות בכלל, ולאנרגיה סולארית בפרט, תועלות רבות הן בהיבט הכלכלי והן בהיבט הסביבתי, עם זאת, אנרגיה סולארית אשר מיוצרת בהיקפים גדולים בזמנים מסוימים, אך לא נותנת מענה כלל בזמנים אחרים, מעמידה אתגרים חדשים ומשמעותיים לניהול רשת החשמל, אתגרים אלו ניתן לחלק לשלוש קטגוריות:

אתגר איזון הספק ברשת – בייצור חשמל באמצעות מקורות קונבנציונליים יש אפשרות להתאים את הייצור לצריכה, אך יכולת השליטה מוגבלת כאשר מדובר על אנרגיות מתחדשות כגון סולארי ורוח, ובזמנים מסוימים עשוי להיווצר עודף או מחסור באנרגיה. הדבר נכון במיוחד בישראל שבה רשת החשמל אינה מחוברת למדינות שכנות (אי אנרגטי), מה שמצמצם את יכולתה לאזן את ההספקים באמצעות סחר בחשמל. לפיכך, יש לשפר את יכולת השליטה בפרופיל הייצור ו/או הצריכה, לדוגמה באמצעות מנגנוני ניהול עומסים או אגירה.
אתגר הולכת אנרגיה – באופן מסורתי, תחנות כוח גדולות בעלות כושר ייצור של עשרות או מאות מגה-ואטים צורכות יחסית מעט שטח וניתן למקם אותן בסמוך למרכזי הצריכה. כתוצאה מכך, מבנה הרשת המסורתי הוא כזה שיכולת העברת ההספק היא גבוהה בסמוך לתחנות הכוח במרכזי הצריכה, ויורדת עם ההתרחקות לאזורים פריפריאליים. עם זאת, אנרגיה מתחדשת מחייבת התייחסות שונה מניהול הרשת המסורתי.
מצד אחד, מתקני אנרגיה מתחדשת בעלי יכולת ייצור גדולה תופסים הרבה שטח ולכן מתבקש למקם אותם בפריפריה, אלא שאז נתקלים באחת הבעיות המשמעותיות שהיא בעיית החיבור לרשת, שיכולה להתבטא בשני אופנים – גודש בהולכה (רשת ההולכה עמוסה ואינה מאפשרת חיבור באזור זה) או גודש בהשנאה (מתקנים המוקמים במתח גבוה אינם יכולים להתחבר למתח העליון, שכן תחנות ההשנאה גדושות).
מצד שני, בגלל מחסור בשטח ישנה שאיפה לביזור המתקנים – למקם מתקנים סולאריים קטנים יותר על שימושי קרקע קיימים (מגורים, תעשייה, חקלאות, תשתיות ועוד). זה אמנם מקרב את הייצור לצריכה, וכביכול מצמצם את הצורך בפיתוח הרשת, אך בשעות של ייצור גבוה וצריכה נמוכה יכול ליצור עומס על הרשת.

בהקשר הישראלי אתגר הולכת האנרגיה הוא אולי לא הכי חשוב אבל בהכרח הכי דחוף.

אתגר של דינמיקה ובקרה – הייצור צריך להיות שווה לצריכה בכל רגע נתון, אחרת מקבלים שינויים בתדר. יציבות התדר היא קריטית לפעולה תקינה של המערכת. כיום, יציבות התדר נשמרת באמצעות שני מנגנונים – מנגנון של אינרציה ומנגנון של מערכות בקרה אוטומטיות. במתקני אנרגיה מתחדשת אין כיום מנגנונים כאלה, אך ניתן להוסיף אותם. כמובן שהוספת מנגנונים כאלה כרוכה בעלות כלכלית ולכן נדרשת רגולציה שתחייב את התקנתם לתמיכה בפעולה תקינה של המערכת.

מכאן שיישום נרחב של אנרגיה סולארית מחייב הוספת פתרונות תומכים, כגון, אגירה שעתית ואף עונתית, ופיתוח משמעותי של רשת ההולכה, תהליך שלוקח שנים רבות וכרוך באתגרים כלכליים ותכנוניים לא מבוטלים. כבר היום, אתגר הרשת מהווה צוואר בקבוק לשילוב אנרגיות מתחדשות, ולאור יעדים שאפתניים של שילוב אנרגיה סולארית, הבעיה צפויה להחמיר עם השנים. מעבר למתן מענה לאתגרים הטכניים של רשת ההולכה, הגשמת יעדי הממשלה מחייבת, במיוחד במדינה קטנה וצפופה כמו ישראל, גם התייחסות לסוגיות עקרוניות הקשורות למשאב הקרקע שנמצא במחסור.

המלצות הפורום:

פתרונות לטווח הקרוב – בטווח הבינוני והארוך ניתן יהיה לראות ניצנים של תוכנית פיתוח הרשת החדשה, אך בטווח הקרוב מומלץ לגבש תוכנית מערכתית להגשמת הפוטנציאל המשקי – תוכנית שתבחן בצורה שיטתית את החסמים ותאפיין את הפתרונות המומלצים, כולל קידום שינויים רגולטוריים ויישום אמצעים טכנולוגיים, שיאפשרו את מיצוי הרשת הקיימת. יש לשקול פתרונות שנותנים מענה מיידי גם במחיר של כדאיות כלכלית.
מפת דרכים ליישום – מומלץ לגבש עקרונות לשילוב אנרגיות מתחדשות במשק החשמל בשיתוף כל הגורמים הרלוונטיים, אשר יתבססו לצד ההיבטים הטכנו-כלכליים גם על היבטים תכנוניים, חברתיים וסביבתיים, תוך התייחסות לסוגיות של ייצור מרוכז למול ייצור מבוזר, פריסה גאוגרפית, פיתוח קרקעי בשטחים הפתוחים למול פיתוח על שימושי קרקע קיימים, ועוד.
שילוב אנרגיות מתחדשות – יש לבחון מודלים שונים לתמיכה בשילוב אנרגיות ומתחדשות, ובתוך כך – יצירת תוכנית פיתוח לרשת החלוקה אשר מוכוונת לקליטת אנרגיות מתחדשות בשטחים מבונים ובדו-שימוש (בגגות, קירות וגדרות ובשימושי קרקע מגוונים), ותוך ניהול צד הצריכה; יצירת תמריצים (תעריפיים ואחרים) לייצור האנרגיה הסולארית קרוב לאיזורי הביקוש; ובחינת מודלים של סחר המקובלים בעולם המאפשרים חיבור יצרנים נוספים על רשת קיימת.
אגירה – מומלץ לקדם מכרזים של אגירה במתח גבוה, כולל מכרזים של stand alone, מכרזים במתקנים קיימים של אנרגיה סולארית, ומתקנים בדו-שימוש. למתקני אגירה יש שימושים רבים כגון איזון הספק, איזון תדר, והפחתת העומס על הרשת, ועל כן מומלץ להוסיף אגירה ולחסוך בעלויות של פיתוח הרשת.
רגולציה ותקינה – יש לקדם תקינה ורגולציה הרלוונטיות לתחום שיבטיחו ניצול אופטימלי של הרשת והמנעות מהשקעות עודפות בעתיד, ובתוך כך – לקבוע אמות מידה אחידות לסקרי חיבור סולארי, ובפרט ליחס הספק סולארי-שנאי; ולקדם רגולציה שמחייבת ניהול טעינה של רכבים חשמליים. עם זאת, נדרשת רגולציה שתאפשר חדירה של טכנולוגיות חדשות ללא צורך בשינויים רגולטוריים תכופים.
קידום חדשנות – יש לתמוך בבחינה תאורטית ומעשית (יישום פיילוטים) של טכנולוגיות שונות – טכנולוגיות לייצור חשמל נקי (מימן ירוק, אנרגיה גרעינית), טכנולוגיות אגירה, טכנולוגיות הולכה (הולכה במימן, הולכה בזרם ישר), טכנולוגיות ניהול, ועוד.