בין השימושים האפשריים: ניצול אנרגיה סולארית ורוח והפעלת אנרגיה מרוכזת במתקנים אזרחיים וצבאיים

ד"ר משה אברבוך, חוקר ומרצה בכיר במחלקה להנדסת חשמל ואלקטרוניקה. צילום: אוניברסיטת אריאל

במסגרת כנס אנרגיה של אוניברסיטת אריאל ומשרד התשתיות הלאומיות, האנרגיה והמים הוצגו עבודות מחקר חדשות בתחום האנרגיה לשנה האחרונה. במסגרת זו הוצגה עבודת המחקר של ד"ר משה אברבוך, חוקר ומרצה בכיר במחלקה להנדסת חשמל ואלקטרוניקה. מחקרו של ד"ר אברבוך עוסק בנושא אולטרה קבלים – "קבלי על", קבלים גדולים במיוחד בעלי יכולת לאגור כמויות אדירות של אנרגיה.

קבלים קונבנציונאליים ידועים למעשה כבר ממחקר הפיזיקה במאה ה-18: קבל מסוגו הומצא ע"י המדען ההולנדי Pieter van Musschenbroek ב-1745-46 ובנפרד ע"י איש דת גרמני Ewald Georg von Kleist ב-1746. מהתפתחות תעשיית החשמל והאלקטרוניקה במאה ה-19 וה-20 קבלים שונים מצאו שימושים רבים, כעיקרון במעגלים של עיבוד או סינון אותות. קיבולת הקבלים הללו נמדדה מפיקו – עד לכמה מאות אלפי מיקרו-פרדות מקסימום.

לפני כשלושים שנה חלה מהפכה בתחום הזה עם המצאת "קבלי על", אשר קפצו שלושה סדרי גודל ביכולת שלהם לשמור מטען חשמלי. הערך הקיבולי שלהם הוערך במאות והיום כבר באלפים של פרדות. כתוצאה ממהפכה זו, נפתחו הזדמנויות להשתמש ב"קבלי על" במתקני אגירת אנרגיה חשמלית. בהשוואה לבטריות הנטענות הידועות (אופרת-חומצה, ליתיום-יון) הם עדיין מפגרים אחריהם אך רק בפרמטר אחד – כמות האנרגיה השמורה שנמדדת כיחס בין אנרגיה אגורה למסה או נפח של ההתקן. האיחור נמדד ביחס אחד ל-4-10. אבל ההספק הסגולי שלהם פי 100-200 חזק יותר עקב ההתנגדות הפנימית הנמוכה ואורך חיים פי 2000-4000 יותר מתמשך בהשוואה לאותן הבטריות קונבנציונאליות.

עם הזמן משפחת קבלי העל התרחבה והיום היא כוללת 3 קבוצות גדולות: Double-layer capacitors, Pseudocapacitors ו- Hybrid capacitors. תשומת לב החוקרים נתונה לקבוצה של קבלים היברידיים המכונים גם אסימטריים. אלה מבטיחים קיבול, מתח עבודה ואורך חיים הגדולים ביותר מבין כל קבלי על הקיימים היום. לצערם של החוקרים עדין לא ידועים הפרמטרים שלהם במדויק, כמו גם מגבלות השימוש, ואלה נמצאים בטווח רחב של מתחים וטמפרטורות. כמו כן לא פותחו מעגלי תמורה די אמינים בכדי לתת מענה על ההתנהגות הדינאמית שלהם.

כעת עוסקים החוקרים במחקר "קבלי על היברידיים" (תוצרת JSR) לאימות הפרמטרים ומגבלותיהם, לפיתוח מעגלי תמורה וזאת למקסום היכולת בעבודה באפליקציות שונות. בשלבים הבאים יפותחו אלגוריתמים ושיטות חישוב. בדרך המחקר ישנם מספר קשיים והם: התנגדות "קבלי על" נמוכה ממילי-אום, לא יציבה ותלויה בכמה גורמים כולל טמפרטורה, מתח וזרם. דבר אשר מייצר קשיי מדידה מדויקת ומסבך את מהלך הניסויים. ביחד עם תהליך אלקטרו-סטטי קיימת גם תגובות אלקטרו-כימיות שמקשה משמעותית בפיתוח מודל של התנהגות דינאמית.

"למרות הקשיים הקיימים במחקר, מסביר ד"ר אברבוך, ישנה מוטיבציה להמשיך ולהצליח בו כי ישנם תחומים מרובים בהם 'קבלי על' היברידיים יכולים לגרום להתפתחויות חדשות ופריצות דרך. בין השימושים נמדדים מתקני תיקון תדירות ומתחי קוו בניצול מסיבי של אנרגיה סולארית ורוח, מתקנים בהם נדרשת הפעלת מתקפי אנרגיה מרוכזת הן לאפליקציות רגילות והן צבאיות כגון: התנעת חירום, הזנת לייזרים, תותחים אלקטרומגנטיים ועוד.