האתגר: עקומת הברווז
גישה חישובית שפותחה בטכניון תאיץ את שילובם של מקורות אנרגיה מתחדשים ברשת החשמל
נועה זרגרי. צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון
החלפת מקורות האנרגיה המזהמים באנרגיה ירוקה ומתחדשת שמקורה ברוח, בשמש, בים וכן הלאה היא אתגר כלל עולמי המעסיק ממשלות, ארגונים, מדענים ומהנדסים. השאיפה: פיתוח פתרונות בני-קיימא לצריכת האנרגיה ההולכת וגוברת.
אז מה הבעיה? אם מדובר בשינוי כה מתבקש וחיוני, מדוע הוא אינו מתקדם מהר יותר? האם מדובר רק בעניינים שבחקיקה וברגולוציה?
התשובה, לדברי המסטרנטית נועה זרגרי מהטכניון, שלילית. זרגרי, החוקרת את הנושא בהנחייתו של פרופ’ יואש לברון מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי, מסבירה. “אין ספק שחקיקה ורגולציה חיוניות כדי לתמוך בשינויים משמעותיים בתהליכי ייצור חשמל, אבל מלבדם יש גם אתגרים טכנולוגיים מורכבים מאוד בשילובם של מקורות מתחדשים ברשת החשמל. אחת הבעיות במקורות אנרגיה מתחדשים הוא אי-יציבותם – קרינת השמש, לדוגמה, משתנה במהלך היום ומתאפסת בלילה. השינויים ברוח צפויים אף פחות, ברוב המקומות. אם בייצור האנרגיה המסורתי, הנשען על שריפת דלק מאובנים כגון נפט, מיוצר הספק מוצא מבוקר, הרי שמקורות מתחדשים מאופיינים במזג הפכפך וההספק שהם מספקים לרשת אינו קבוע וניתן לחיזוי במידה מוגבלת. כל זה פוגע בעיקרון מרכזי באספקת חשמל: איזון בין ייצור לצריכה.”
האיזון האמור פירושו שייצור החשמל צריך להתאים לצריכה בכל רגע נתון. כך, אם ידועה בקירוב הצריכה בכל רגע נתון, תחנות הכוח המסורתיות מתאימות את עצמן כך שיספקו את אותו הספק חשמלי דרוש. מקורות מתחדשים אינם ניתנים לבקרה מדויקת כזאת. יתר על כן, מאחר שכיום הם מספקים רק חלק מהדרישה ברשתות החשמל, חיוני לשלבן ברשתות אלה יחד עם מקורות האנרגיה המסורתיים.
מערך היברידי כזה, המשלב את שני סוגי המקורות, עשוי להיתקל בשתי בעיות כאשר האיזון בין ייצור לצריכה אינו מתקיים: האחת, כאשר הצריכה גבוהה מדי מכדי להישען על מקורות מתחדשים בלבד, ונדרשת הפעלה מסיבית ומיידית של גנרטורים קונבנציונליים; והאחרת, כאשר הצריכה נמוכה הרבה יותר מההספק המשותף של מקורות האנרגיה, ואז נוצרת סכנה של עודף ייצור, הספק חשמלי עודף לאורך זמן יזיק לכל רכיבי ההפעלה, השינוע והתשתית.
יחסי הגומלין בני שני הסוגים של מקורות האנרגיה מובילים לעקומת ייצור המכונה “עקומת הברווז” בשל צורתה **. עקומה זו מתארת את השינויים בצריכת האנרגיה במהלך היממה. צריכת החשמל הביתית, לדוגמה, נמוכה יחסית בשעות הצהריים אולם עולה בחדות בשעות הערב. כאשר התגובה לשינוי זה מתמצה בהגברת הייצור הקונוונציונלי נוצר עומס רב על תחנת הכוח המסורתית, ועומס זה מלווה בעלויות חריגות ובפליטה מוגברת של מזהמים. זהו אחד המכשולים העיקריים ביישום מקורות אנרגיה מתחדשים.
אחד הפתרונות הפשוטים למצב של עודף הספק ממקורות מתחדשים, המאיים כאמור על תקינותה של רשת החשמל, הוא קטימת הֶסְפֵּק, שפירושה צמצום מכוון של הספק ממקורות מתחדשים. פתרון זה כמובן אינו רצוי, שכן הוא מפחית את חלקה של האנרגיה המתחדשת בכלל האנרגיה המופקת ומשאיר על כנו את השימוש במקורות אנרגיה מזהמים.
בגרף: עקומת הברווז ב-31 במרץ בשנים שונות. אפשר לראות הן את התנודתיות ברמה השעתית (ירידת צריכה בצהריים ועליה תלולה בערב) והן את הקצנתה של תנודה זו במהלך השנים – בשנת 2020 אפשר לראות שירידת הצריכה בצהריים הובילה לסכנה של ייצור יתר ואילו עליית הצריכה בשעות הערב מחייבת תגבור של ייצור החשמל בדרך הקונוונציונלית.
אז מה עושים? הפתרון הפשוט לכאורה הוא אגירה של עודפי האנרגיה המתחדשת בשעות השפל לטובת שימוש בשעות העומס. עם זאת, אגירת אנרגיה בהיקף גדול אינה פשוטה לא מבחינה כלכלית ולא מבחינה סביבתית.
כאן נכנסות לתמונה שיטות חדשניות של אופטימיזציה, המאפשרות “להחליק” את התנודות בייצור אנרגיה מתחדשת באמצעות הסטה של העומס ברשת על פי הצריכה. האנרגיה האמורה נאגרת בשעות של צריכה נמוכה, ובשעת הצורך הספק חשמלי “מוזרק” לרשת.
אחד מכלי האופטימיזציה המוכרים והיעילים הוא תכנות דינמי. חסרונו – בקושי החישובי שכרוך ביישומו במערכות מרובות משתנים. חוקרי הטכניון פיתחו שיטת בקרה אופטימלית המבוססת על תכנות דינמי, שתוכננה במיוחד כדי להשיג ביצועים טובים, כאשר מתחשבים במגבלת קצב הייצור. הרעיון העיקרי באלגוריתם שפותח הוא להגביל את מספר החישובים על ידי “תהליך ניפוי” מתמשך, המגביל את מספר ערכי האנרגיה הרלוונטיים לסריקה. ערכים נבחרים אלה מנופים על ידי תכנות דינמי סטנדרטי, והפתרון המתקבל מובטח להיות אופטימלי, אם הוא קיים.
במחקר הנוכחי נבחרה הרשת הישראלית להדגמה של רעיון זה. לדברי זרגרי, “ביצענו הערכה של עקומת הייצור עבור שנת 2030 על בסיס יעדי משרד האנרגיה: ייצור של 17% מהאנרגיה על בסיס מקורות מתחדשים ועלייה שנתית של 2.7% בצריכת האנרגיה. הערכת מאגרי האנרגיה מבוססת על מאגרים קיימים בישראל ומאגרים המתוכננים להיבנות כדי לתמוך בשילוב המקורות המתחדשים. הסימולציות מראות כי שימוש במאגרי אנרגיה יגדיל את הגמישות של אמצעי ייצור קונבנציונליים, דבר שיאפשר לשלב היקף גדול יותר של אנרגיה מתחדשת ברשת.”
בגרף: עקומת הברווז ב-31 במרץ בשנים שונות. אפשר לראות הן את התנודתיות ברמה השעתית (ירידת צריכה בצהריים ועליה תלולה בערב) והן את הקצנתה של תנודה זו במהלך השנים – בשנת 2020 אפשר לראות שירידת הצריכה בצהריים הובילה לסכנה של ייצור יתר ואילו עליית הצריכה בשעות הערב מחייבת תגבור של ייצור החשמל בדרך הקונוונציונלית.
למאמר:
https://ieeexplore.ieee.org/document/9774874
את המחקר הנ”ל ערכה נועה זרגרי, בוגרת תואר שני בפקולטה להנדסת חשמל, במסגרת עבודת התזה שלה. המחקר נערך בשיתוף פעולה עם חלק מחברי קבוצת המחקר תחת הנחייתו של פרופ’ יואש לברון, והוא התפרסם בעיתון המדעי IEEE Transactions on Control Systems Technology (TCST)