• מליתיום ועד מימן: כך נראה המסע אל הדור הבא של הסוללות

    כשיכולות המכשירים החכמים הולכות וגדלות, הופכת התלות באנרגיה לקריטית מאי פעם • במרכז המאמץ עומד שיפור יכולותיה של סוללת הליתיום־יון הקלאסית, אך חברות בכל העולם כבר עובדות על אלטרנטיבית מבטיחות, שעשויות לעצב עתיד חשמלי חדש
    06/12/2018 | דניאל שמיל

    אם תזדמנו לכנס בענף האנרגיה, סביר שתפגשו שם הרבה מאוד מצגות על שדות סולאריים, טורבינות רוח וצינורות להובלת גז טבעי. אבל מאחורי הקלעים מתנהל במרץ מחקר ופיתוח של אמצעים חדשים לאחסון ולטעינה של אנרגיה, שחיוני לתחומים רבים בחיינו.

    הכתבה פורסמה כחלק מפרויקט האתגרים הטכנולוגיים הגדולים, והיא מופיעה בגיליון נובמבר 2018 של פורבס ישראל

    לרכישת גיליון חייגו 077-4304645

    לרכישת מנוי למגזין פורבס ישראל

    לכל העדכונים, הכתבות והדירוגים: עשו לנו לייק בפייסבוק

    סוללות, כלי הקיבול המוכרים לחשמל, משמשות אותנו כבר שנים רבות ועברו שינויים אדירים בשני העשורים האחרונים, אבל השינויים לא גדולים מספיק. לפני 20 שנה ויותר הכרתם בעיקר סוללות אצבע שנתחבו לתוך מכשירי חשמל ויועדו לשימוש חד פעמי. במכונית היה (ועדיין קיים) מצבר מסורבל ממולא בנוזל. מרבית מכשירי החשמל פעלו רק כשחיברתם אותם לשקע, והניידות שלהם היתה תלויה באורך הכבל המאריך.

    הסוללות לא עומדות בקצב של המכשירים | צילום: shutterstock

    הכל השתנה כשסוללות ליתיום־יון הפכו לזולות ונפוצות יותר ואפשרו להפוך את המחשבים ומוצרי האלקטרוניקה לניידים באמת. סוללות כאלה משתמשות, כמשתמע משמן, ביוני ליתיום שעוברים בין שתי אלקטרודות: במהלך הפריקה של הסוללה יוני הליתיום עוזבים את האנודה (האלקטרודה השלילית) ונעים לעבר הקתודה (האלקטרודה החיובית), מה שיוצר זרם אלקטרונים - או במילים אחרות, חשמל. כשהסוללה נטענת, יוני הליתיום נעים בכיוון ההפוך. היתרון הגדול של סוללות ליתיום־יון, מלבד קיבולת האנרגיה הגבוהה שלהן (יחסית), היא היציבות המבנית גם במשך טעינות ופריקות רבות, בזכות מבנה האלקטרודות המזכיר שריג. היונים יכולים להיכנס ולצאת מהן מבלי להרוס את המבנה שלהן.

    אבל אחרי שהשתחררנו מהשקע והתחלנו להשתמש בסוללות ליתיום־יון בכל המכשירים החשמליים שלנו, מתברר כי קצב ההתקדמות שלהן לא מספק את הדרישות ההולכות וגוברות שלנו. השיפור בסוללות כאלה הוא מדוד ואיטי, אחוזים בודדים בשנה לכל היותר (על אף שקיימות לא מעט חברות העוסקות במשימה זו ומגייסות סכומים מרשימים למדי). אנחנו רגילים לכך שהטלפונים שלנו הופכים למהירים ומתוחכמים יותר משנה לשנה, בזכות השיפור במעבדים שלהם, אבל הסוללות לא עומדות בקצב. לכן הטלפון מחובר למטען בבית, במכונית ובמשרד, ורבים גם מסתובבים עם סוללה ניידת כגיבוי נוסף.

    תא דלק מבוסס מימן? אופציה שמתחילה להתגשם | צילום: Shutterstock

    קיבולת האנרגיה הנמוכה של הסוללות מגבילה את השימוש בהן גם בתחבורה. כלי הרכב מונעי הסוללה הנפוצים ביותר הם קטנים וקלים - אופניים וקורקינטים. אמנם מכוניות חשמליות נכנסות לשוקי המערב ולסין במספרים גדלים, אך הטווח המוגבל והמחיר הגבוה שלהן מונעים מהן לכבוש את השוק. גם רכבות, כלי הרכב היבשתיים הגדולים ביותר, הן חשמליות. הקטרים זקוקים למומנט שרק מנוע חשמלי יכול לייצר, אך החשמל שצורך המנוע מסופק בידי מנועי דיזל שמשמשים כגנרטורים או בידי תשתית חשמלית ומסובכת לביצוע (כפי שמוכיחה כעת רכבת ישראל).

    עניין של זמן

    לסוללות ליתיום־יון יש כמה חסרונות, אך המרכזיים שבהם, כשמדובר בכלי רכב, הם זמן הטעינה הארוך והיעילות הפוחתת, שתהפוך אותן לבלתי שימושיות בתוך שנים ספורות בלבד. אלה שני מכשולים שאפשר להתגבר עליהם אם נשנה את תפיסת השימוש במכונית - למשל, טעינה ארוכה בחניה במקום תדלוק מהיר בתחנת הדלק ויותר מכך - שינוי מבנה הבעלות על מכוניות, כך שלא נהיה הבעלים של הסוללה, שערכה פוחת כה מהר.

    למעשה, כך בדיוק חשב שי אגסי עם בטר פלייס - לפרוס רשת של עמודי טעינה ולהיות הבעלים של הסוללות, שיוחלפו במהירות בתחנות החלפת סוללות, אם נדרשת הארכת טווח מהירה. הבעיה (ואולי אחת מהן) היא שעלות ההשכרה של הסוללה היקרה הפכה את השימוש במכונית חשמלית ליקר לא פחות משימוש בדלק. המודל של בטר פלייס לא נזנח לחלוטין - טסלה ניסתה להשכיר סוללות, וכך גם מתכננת יצרנית הרכב הסינית ניאו. קימקו הטייוואנית מנסה את המודל בקטנועים חשמליים, אך מרבית היצרנים מתכננים סוללות גדולות יותר, שמתאימות במיוחד לדגם מסוים ומציעות טווח נסיעה ארוך, שגם אם יישחק, הפגיעה במשתמשים לא תהיה גדולה מדי.

    סוללת ליתיום-יון. רוב המאמץ מתרכז בשיפורה | צילום: Shutterstock

    אבל הטעינה הארוכה (יותר משמונה שעות) אינה רק עניין של שינוי הרגלים - היא גם מונעת הארכה מהירה של טווח הנסיעה. בניסאן ליף, משפחתית חשמלית וזולה (יחסית), טווח הנסיעה הוא 240 ק"מ, שעלולים להתקצר בנהיגה מאומצת יותר. זה די והותר להתנהלות יומיומית, אך עלול להיות בעייתי בנסיעות ארוכות יותר. הפתרון המקובל לכך היא טעינה מהירה, שבה אפשר לטעון 80% מתכולת הסוללה בתוך כחצי שעה. הטעינה הזו מעניקה טווח של עוד מאות ק"מ חיוניים. פרק זמן של חצי שעה הוא זמן סביר להפסקה, הרי גם אנחנו (הנהגים) זקוקים למנוחה אחרי נהיגה ארוכה, אלא שלטעינה הזו יש מחיר - היא מקצרת עוד יותר את חיי הסוללה.

    על הדרך

    אלה הבעיות שאיתן מתמודדים התאגידים הגדולים וחברות סטארט־אפ בתחומי אגירת האנרגיה - ניסיונות לשפר את הטעינה המהירה או להאריך את אורך חיי הסוללות. סטורדוט הישראלית, למשל, מפתחת סוללות עם חומרים אורגניים, שאותן אפשר לטעון בחמש דקות מבלי לפגוע באורך חיי הסוללה. Sila Nanotechnologies פיתחה אנודה מסיליקון, שמחליפה את הגרפיט הקלאסית ואמורה להגביר את ביצועי הסוללה בכ־40%, מבלי להגדיל את שחיקת האנודה.

    שיפורים כאלה ישנו וישפרו גם את השימוש שלנו במכשירים חשמליים. חשבו, למשל, על מזגן שאפשר להפעיל באוהל בטיול בשטח או על מיקרוגל נייד וגם על שעון חכם, שיכול להחזיק מעמד שבועות ארוכים. אפילו המנורות, המצלמות או הרמקולים שנתלים על קירות לא ידרשו עוד קידוחים מסובכים בדרך לחיבור אל רשת החשמל, רק טעינה מדי פעם. כל זאת לפני שדיברנו על טלפונים שיוכלו להציע הרבה יותר.

    יש גם חברות שמנסות לגרום לטעינה להפוך לאגבית, כך שיהיה אפשר, למשל, לטעון כלי רכב תוך כדי נסיעה. אחת החברות העוסקות בכך היא Electreon הישראלית, שמנסה ליצור תשתית לכבישים שתאפשר טעינה אלחוטית לאוטובוסים חשמליים תוך כדי נסיעה. יצרניות כלי רכב כבדים, כמו סקניה, ששואפות להקטין את משקל הסוללות במשאיות (וכך להגדיל את משקל המטען שהמשאית יכולה להוביל), הציגו אבות טיפוס למשאיות עם פנטוגרף, שמעביר זרם מכבלי חשמל עיליים למשאית (בדומה לרכבת קלה) ומאפשר לה לטעון את הסוללות ולחצות את יבשת אירופה מבלי לפלוט מזהמים. סימנס הגרמנית מקדמת פריסה של כבלי חשמל כאלה מעל כבישים מהירים באירופה.

    טעינה אגבית מסוג אחר היא טעינה אלחוטית בחניה. מרצדס, ב.מ.וו וקיה מקדמות פתרונות כאלה, שאמנם לא יחליפו טעינה מהירה, אך ישפרו את הנוחות של הנהגים ויכולים גם להחליף את עמדות הטעינה המסורבלות בחניות בתים ובחניוני בניינים.
    בדרך למהפכה החשמלית יצרניות הרכב פועלות גם בכיוונים אחרים. למשל, תא דלק שמפיק חשמל מחמצון מימן. רכב שיונע בטכנולוגיה כזאת יצטרך תדלוק מהיר במימן מזוקק, ותוצר הלוואי היחידי של תהליך הפקת החשמל יהיה מים. אבל האחסון וההולכה של מימן דחוס במצב צבירה נוזלי הם מסובכים ויקרים ואף עלולים להיות מסוכנים. כמה מיזמים מיועדים לשנות זאת, עם רעיונות, כמו מימן מוצק או מימן המומס במים, ובמקביל יצרניות רכב, כמו טויוטה ויונדאי, כבר משווקות מכוניות עם תאי דלק כאלה.

    פריצת הדרך תגיע מעולם הרכב? | צילום: Shutterstock

    כיוון פעולה נוסף, שהוא בבחינת הבטחה גדולה, הוא מה שמכונה סוללות "מצב מוצק". מדובר על סוללות שבהן גם האלקטרודות וגם האלקטרוליט (החומר בעל המטען החשמלי העובר בין האלקטרודות) הם מוצקים. הטכנולוגיה הזו עוברת התפתחות איטית כבר עשורים רבים, אך בשנים האחרונות חלו כמה פריצות דרך, תוך שימוש בסוגים שונים של חומרים כאלקטרודות ואלקטרוליטים.

    אחת השחקניות הבולטות בתחום היא QuantumScape, שגייסה מפולקסווגן כ־100 מיליון דולר ביוני האחרון. היא בונה סוללות על בסיס ליתיום מתכתי מוצק ומתמודדת בעיקר עם אתגר לא פשוט - שמירה על החומר המאוד ריאקטיבי מפני הסביבה, כך שיוכל להמשיך ולתפקד לאורך זמן.

    יש לציין, שלא הכל עובד כמתוכנן. דייסון למשל נטשה לאחרונה את אחת ההבטחות בתחום - חברת Sakti3, שאותה רכשה ב־2015.

    צרכן־יצרן

    הניסיונות לשפר את אחסון החשמל לא ישפיעו רק על מוצרים ניידים (מטלפון ועד משאית), אלא יכולים לחולל שינוי אדיר גם באספקת אנרגיה לבתים ולתעשייה.
    המהפכה האמיתית צפויה להתרחש כאשר תשתנה הפרדיגמה של הפקת חשמל בתחנות כוח גדולות, הולכתו על פני מאות קילומטרים וחלוקתו לצרכנים. "הבעיה העיקרית בחשמל היא שצריך לצרוך אותו מיידית", אומר ד"ר עמית מור, מנכ"ל ובעלים של חברת אקו־אנרג'י, ייעוץ כלכלי־אסטרטגי. "יהיה אפשר ליצור יישובים אוטונומיים אנרגטית.

    החשמל ייוצר באנרגיה מתחדשת, ייאגר והשימוש בו יהיה בשעות שבהן צריך אותו. נעבור לייצור מבוזר של אנרגיה". שימוש כזה ידרוש פיתוח מואץ של יכולות אגירה יעילות.
    בעולם האנרגיה מדברים כעת על צרכנים שהם גם יצרני חשמל, או יצרכנים בעברית (Prosumers), מערכות סולאריות ביתיות יפיקו את החשמל, והוא ייאגר בסוללות מקומיות. מערכות גדולות להפקת חשמל יתוחזקו רק למקרי חירום או לתנאי אקלים קשים.
    אחסון אנרגיה תעשייתי נחוץ כדי לאפשר הפקה של חשמל ממקורות טבעיים, כמו שמש או רוח, ולשמור על זרימה רציפה של חשמל גם כאשר השמיים מעוננים והרוחות חלשות.

    סוללות תעשייתיות יחליפו גם את הגנרטורים בבית חולים, מתקנים ביטחוניים, חוות שרתים ובכל תחום שבו אספקת חשמל רציפה היא חיונית. האתגרים הטכנולוגיים אינם במהירות הטעינה של הסוללות (שיהיו הרי מחוברות לאספקת חשמל רציפה), אלא כמה זמן הן יוכלו לאגור את האנרגיה - בעיה אמיתית באחסון חשמל בקנה מידה רחב. כיום, תחנות לאחסון חשמל (Battery Storage Power Station) יכולות לאגור חשמל למשך שלוש עד שבע שעות בלבד.

    למרות ההבטחה הגדולה בתחום זה, צריך לקחת בחשבון שהכסף הגדול מגיע מחברות הרכב, כחלק מרצון להיות בחזית עולם הרכבים החשמליים והרכבים האוטונומיים. כך שסביר להניח שפריצות הדרך הראשונות בעולם הסוללות יגיעו מהתחומים הללו.

    הכתבה פורסמה כחלק מפרויקט האתגרים הטכנולוגיים הגדולים, והיא מופיעה בגיליון נובמבר 2018 של פורבס ישראל

    לרכישת גיליון חייגו 077-4304645

    לרכישת מנוי למגזין פורבס ישראל

    לכל העדכונים, הכתבות והדירוגים: עשו לנו לייק בפייסבוק

  • גלריות
    מדורים
    דירוגים
    ראשי