מהפיכת המימן: כבר לא רק חלום

ההישרדות של ישראל תלויה בטכנולוגיות נקיות של אנרגיה חלופית

הלית הוניג וליאור אלבז / המחלקה לכימיה, אוניברסיטת בר אילן

מאז הקמתה מתמודדת מדינת ישראל עם סביבה קשה שאין לה כמעט אח ורע, סביבה שאיימה על עצם קיומה. בשל מצבה הגיאופוליטי – כמדינה שמוקפת מכל עבר בארצות עוינות – נאלצה ישראל לפתח עצמאות כמעט בכל תחום. כפי שציין ראש הממשלה הראשון: לצד ענייני הביטחון, ניצבת ישראל בפני שתי בעיות עיקריות: מחסור במים ומחסור באנרגיה.

בראשית ימיה סיפקה ישראל מים לאזרחיה בכל דרך שעמדה לרשותה, גם כשהתחילה לפתח את התפלת המים, אחת הטכנולוגיות החלוציות של המדינה. בזכות טכנולוגיה זאת הייתה ישראל לאור לגויים במלוא מובן הביטוי. כיום יותר מ-80 אחוזים ממי השתייה בישראל מופקים בהתפלה וטכנולוגיה זאת נותרה חשובה כשהייתה: האזור כולו עובר בימים אלה בצורת חריפה, זה חמש שנים ברציפות. אבל יש מחיר להתפלה. ולמחיר קוראים “אנרגיה”.

סוגיית העל ושמה אנרגיה

בהצהרתו בשנת 1956 אמר בן גוריון שאנרגיית השמש תהיה מקור האנרגיה האיתן ביותר בכדור הארץ ושיש לנצל את השפע הזה, בעיקר כאן, במדינה הקטנה שלנו במזרח התיכון.

אנחנו ניצבים כיום בצומת מכריע. בוועידת האקלים בפריז ב- 2015, החליטו הארצות המפותחות לקבל אחריות על מדיניות האנרגיה שלהן ולנסות להסיט את העולם ממסלול ההרס. הצדדים הסכימו שיש לעשות זאת באמצעות מעבר לאנרגיה מתחדשת, לצד צמצום השימוש בדלקים מאובנים לרמה ששואפת לאפס. בעקבות זאת התחילו כמה מהארצות המתועשות ביותר להשקיע מאמצים ומשאבים בטכנולוגיות לאנרגיה חלופית, כמו הידרו-אנרגיה, אנרגיה גאותרמית, אנרגיית רוח ואנרגיה סולארית. יפן הצביעה בעד השקעה של עשרה מיליארד דולר אמריקאי בכלכלת המימן וזה כשמונה שנים שהיא נמנית עם הארצות שפועלות ברצינות בנושא.

כלכלת המימן: הכי זולה, הכי נקייה

אחת הבעיות העיקריות שמתלוות לרוב האנרגיות החלופיות קשורה בזמינות. האנרגיה שאפשר להפיק מאור השמש ומהרוח יכולה אמנם לענות על כל צרכי האנרגיה שלנו, אבל איסוף האנרגיה הסולארית מוגבל לשעות האור ואנרגיית הרוח מושפעת ממזג האוויר. לכן יש לאחסן את העודפים שמיוצרים בשעות השיא, לשם שימוש בשעות השפל של טורבינות הרוח והלוחות הסולאריים.

בארה”ב, קוריאה, יפן והאיחוד האירופי בחנו את כל הטכנולוגיות הקיימות לאחסון אנרגיה ומצאו שהטכנולוגיה היעילה, הנקייה והחסכונית ביותר היא הפקת מימן בהידרוליזה של מים בעזרת עודפי אנרגיה חלופית בזמני שיא. הידרוליזה של מים מפיקה מימן וחמצן ואת אלה אפשר להשיב למצב של מים דרך הפקה נקייה של אנרגיה באמצעות טכנולוגיה שנקראת תאי דלק מימניים

פס ייצור של ב-מ-וו מבוסס מימן

לייפציג, גרמניה: תדלוק של מכוניות בתאי דלק מימן ממש ליד פס היצור במפעל של ב-אם-וו. באותו יום יצא לדרך צי של 70 משאיות של החברה, כולן מופעלות במימן. מקור: יאן וייטאס / גטי אימג’ז

הפקת מימן

מים, דלקים מאובנים וביומסה, כל אלה מכילים מימן. לא חסר מימן, אבל כדי למצות אותו ממקורות אלה דרושה אנרגיה. צורות האנרגיה שבכוחן להניע תהליכים להפקת מימן ניתן לחלק לארבע קטגוריות: אנרגיית חום, אנרגיית חשמל, אנרגיית פוטונים ואנרגיה ביוכימית.

תהליכים תרמו-כימיים משלבים חום ומעגלים כימיים סגורים ומפיקים מימן מחומרים פחמימניים. השיטות התעשייתיות השכיחות ביותר בימינו הן פירוק של גז מתאן בתהליך שנקרא Steam Methane Reforming, וגזיפיקציה של פחם. בשיטות אלו נוצרת חד-תחמוצת הפחמן, שעשויים להיות לה שימושים תעשייתיים, אך נחשבת לרעילה ולגז חממה ולכן פחות מועדפת כפתרון נקי.

לעומת זאת, אלקטרולייזרים נחשבים לנקיים ויעילים יותר ומייצרים מימן דרך פיצול מים בעזרת חשמל למימן וחמצן. בדומה לתאי דלק, האלקטרולייזרים מורכבים מאנודה ומקתודה שמופרדים על ידי אלקטרוליט. כשמזרימים חשמל למערכת, המים מגיבים באנודה ויוצרים חמצן. בינתיים חוברים יוני המימן בקתודה לאלקטרונים מהמעגל החיצוני ויוצרים גז מימן. טכנולוגיה זו מייצרת אפס פליטות של גזי חממה וזה היתרון העיקרי שלה, בנוסף ליכולת צבירת אנרגיה עודפת (עודפי אנרגיה חשמלית מומרים לאנרגיה הכימית הנצורה במימן).

בין השיטות שנמצאות כרגע רק בשלב המחקר המוקדם מאוד, ובכל זאת טומנות בחובן פוטנציאל להפקה בת קיימא של מימן ובעלת חותם סביבתי נמוך, נמנים גם התהליכים הפוטוקליטיים. בשיטה זאת מפצלים מים למימן וחמצן על גבי משטחים קטליטיים, בעזרת השמש ישירות. קיימים גם תהליכים ביולוגיים שאפשר להפיק באמצעותם מימן, בעיקר מחומרים אורגנים.

ככול שהעניין בעולם גובר, כך עולה מספר השחקנים בתחום. לפני כחודשיים הצהיר המדען הראשי של משרד המדע האוסטרלי על כוונתה של מדינתו להפוך ליצרנית האמוניה, כנשא מימן, הגדולה בעולם. בכוונתה להשתמש במדבריות שבמרכז המדינה לייצור אנרגיה סולרית ושימוש באנרגיה זו לייצור אמוניה. הסיבה לשימוש באמוניה כנשא למימן היא עלויות שינוע – לפי חישוביהם, יהיה זול יותר לשנע אמוניה מאשר מימן דחוס או נוזלי. מדינה נוספת שעשויה להפוך ליצרנית גדולה היא ערב הסעודית, העומלת כיום על הקמת השדה הסולארי הגדול בעולם.

 

 

אחסון מימן

כלכלת המימן מצריכה אחסון יעיל ובטוח ככל האפשר של מימן בכמויות גדולות ובדחיסות הגבוהה ביותר בנפח.

אחסון המימן לטווח הקרוב מתמקד באחסון גז דחוס בכלי לחץ מתקדמים מחומרים מרוכבים ומחוזקים בסיבים שמסוגלים לאחסן מימן בלחץ של 700 בר – הבחירה הנוכחית של ענף התחבורה. האחסון לטווח הרחוק מתמקד באחסון של מימן בלחץ קריוגני בכלי לחץ מבודדים או במערות מלח ששימשו בעבר לצבירה ואחסון של גז טבעי וכעת מומרות לאחסון של מימן בלחץ בינוני (40-80 אטמ’). שאר האופציות כוללות טכנולוגיות לאחסון מימן מבוסס חומרים, על בסיס סורבנטים, חומרים לאחסון מימן כימי והידרידים מתכתיים. אבל כדי להעריך את הכדאיות של תחום זה יידרשו מחקר ופיתוח נוספים. ההתפתחויות הצפויות בטכנולוגיה, לצד הביקוש העולה, אמורות להוריד את עלויות השימוש במימן אל מתחת לעלויות מחיר הדלק בעולם.

אינפוגרפיקה של כלכלת מימן

 

 

 

חלוקת המימן

שימוש נרחב במימן יצריך תשתית חדשה ונרחבת שתאפשר לנפק ולחלק אותו למגוון מטרות. לצורך שינוע של כמויות גדולות, נשקלת כבר האפשרות למשל להקים רשת צינורות. האנרגיה שנדרשת כדי להזרים מימן בצינורות גבוהה פי 4.5 בערך מהאנרגיה הדרושה להזרמת גז טבעי לשם ייצור יחידת אנרגיה. לכן לא בטוח שהובלה למרחקים ארוכים לשם אספקת אנרגיה תהיה תחרותית. בטווח הרחוק מימן שמופק במתקנים גדולים ומוזרם בצינורות יהיה האופציה הזולה ביותר, אבל ההון השוטף ועלויות התפעול מעמידים משוכה רצינית. לאור ההתפתחויות הטכנולוגיות שבפתח, לצד הביקוש העולה, צופים שתחול ירידה בעלויות ההובלה לקילוגרם מימן.

לעומת זאת, את המימן בצורתו הנוזלית או הדחוסה אפשר להוביל במשאיות, ברכבת או באנייה ולאחסן אותו בתחנות תדלוק. בתחנות אלה יצטרכו להתקין מכלים מיוחדים לאחסון המימן, וכן משאבות ומדחסים. כשמדובר בכמויות קטנות, זול יותר לשנע את הדלק במצב צבירה גזי, אך אז צפיפות האנרגיה תהיה נמוכה יחסית. עיבוי מצריך השקעת הון גבוהה יותר, אבל הוא מגדיל בצורה משמעותית את נפח המימן שאפשר להוביל בכל נסיעה.

 

שימוש קצה: תאי דלק מימן

תאי דלק מימניים ממירים לחשמל את האנרגיה הכימית שמאוחסנת במולקולת המימן. המימן מוזרק לאנודה של תא הדלק ועובר תגובת חמצון ומייצר פרוטונים ואלקטרונים, והחמצן עובר חיזור בקתודה. תגובות אלה מייצרות כוח חשמלי ומים מזוקקים. תאי הדלק השכיחים ביותר הם תאי דלק מימניים בטמפרטורה נמוכה (כ- 80 מע”צ), שמתאימים למגוון רחב של יישומים, החל ברחפנים, עבור בתחבורה וכלה באספקת כוח ראשית.

תאי הדלק בטמפרטורה גבוהה (כ- 700 מע”צ), קטגוריה נוספת של תאי דלק, משתמשים במימן אבל גם בדלקים פחממניים כמו גז טבעי. תאי דלק אלה נחשבים יעילים מאוד, אבל בשל תנאי ההפעלה הקשים שלהם, ובשל רגישותם לתנאים אלה, הם מתאימים יותר להפקת חשמל רציפה ברשתות חשמל ארציות.

 

 

העולם מהמר על עתיד שצועד על דלק מימן

בוועידת פריז שהתקיימה ב-2015, 195 מדינות חתמו על הסכם שמטרתו להגביל את ההתחממות העולמית לפחות משתי מעלות צלזיוס, יעד שאפתני שדורש ממשתמשי קצה, כמו ענף התחבורה, לעבור דה-קרבוניזציה משמעותית. הסכם זה היה אחד הגורמים העיקריים להשקת מועצת המימן, המאמץ הגדול ביותר מטעם הענף לפתח את כלכלת המימן, הפועלת לשינוי נרחב במערכת האנרגיה מייצור חשמל למשתמשי קצה מכל המגזרים. המהפך מתחיל בהפצת הבשורה, במטרה לגייס תמיכה והכרה מצד ממשלות וגורמים משפיעים בתרומה של המימן למעבר לאנרגיות שונות וכדי לפעול למען תכנית יישום אפקטיבית – פריסת מימן והפירות שללא ספק תניב. בין הארגונים החשובים שמקדמים טכנולוגיות של תאי דלק ומימן נמצאת הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה, שמפעילה מספר קבוצות עבודה ונספחים בנושאים אלה.

 

יפן הקדימה להוביל את המהלך לקראת כלכלת מימן

משהתבררו לאשורם המחיר והסיכונים של האנרגיה הגרעינית, לאחר התקלה במפעל בפוקושימה, הכריזה יפן שהמימן יהיה לה מקור אנרגיה משמעותי. במרץ 2016 קבע משרד הכלכלה, המסחר והתעשייה של יפן יעד של 40,000 כלי רכב שמופעלים בתאי דלק מימן בכבישים ו-160 תחנות תדלוק עד שנת 2020. בנוסף, ממשלת יפן סימנה את האולימפיאדה בטוקיו באותה השנה כתחילת המהפכה, וכול הכפר האולימפי, התחבורה בו ואליו ואפילו הלהבה האולימפית יתבססו על מימן.  

הצפי הוא שחברה שלמה שתצעד על מימן תיצור אדוות כלכליות חיוביות, במיוחד בשל ההשפעה הגלובלית של יפן על שוק התחבורה. המעבר למקור אנרגיה חדש ייצור מטבע הדברים ביקוש למוצרים של ענף זה. תאי דלק, נוסף על השימוש המסורתי בהם, יוכלו לעזור בהתמודדות עם אסונות טבע: מכוניות שמונעות בתאי דלק מייצרות חשמל להפעלת המנוע על בסיס המימן שבמכל הדלק ובמקרה של הפסקת חשמל בשל אסון טבע, כלי רכב יוכלו לשמש גנרטורים ניידים גדולים. עובדה זאת מוסיפה למימן נקודות זכות מבחינת יפן, ארץ שיש בה מודעות גבוהה למוכנות לאסון ולחשיבותה.

כלי טיס שמופעל באמצעות מימן

קליפורניה, מאי 2019: מודל של אבטיפוס לכלי הטיס SKAI הראשון בעולם אשר פועל באמצעות מימן ואף ממריא ונוחת אנכית. מקור: מארק רלטסון / גטי אימג’ז

גרמניה תחנוך את האנרגיה המתחדשת

לפני מספר חודשים האיחוד האירופי הצהיר על תכניותיו להשקעה מאסיבית של כ- 65 מיליארד יורו בכלכלת מימן במהלך השנים הקרובות. ממשלת גרמניה היא בין המובילות של התהליך. הרייכסטאג, משכן הפרלמנט הגרמני בברלין, עומד להיות בניין הפרלמנט הראשון בעולם על טהרת האנרגיה המתחדשת. בגרמניה מבינים שהשינוי מחייב שיתוף פעולה בין הפוליטיקה למדע. משרד הסביבה של גרמניה השיק את תכנית Energiewende (‘תמורות באנרגיה’), כולל מתווה להפיכתה של גרמניה לכלכלה הגדולה הראשונה בעולם שמושתתת על אנרגיה מתחדשת.

התכנית נועדה להפיק שימוש מיטבי ממשאבי הרוח הטבעיים של גרמניה, שמרוכזים לאורך רצועת החוף הצפונית, וכן מאנרגיה פוטו-וולטאית והידרואלקטרית. כמו כן מתחולל כיום שינוי של ממש במדיניות האנרגיה של גרמניה – מעבר מייצור ריכוזי לייצור מקומי.

יתר על כן, מקורות האנרגיה המתחדשת הולכים וצוברים השפעה במדיניות האנרגיה המוניציפלית. בתעשיית האנרגיה המסורתית נהוג שמספר חברות גדולות בעלות תחנות כוח ריכוזיות גדולות בהתאם חולשות על השוק, ואילו את תחנות הרוח והמערכות הפוטו-וולטאיות הציבוריות יכולים להקים גם יזמים בודדים.

מסיבה זאת נרשם כיום בגרמניה עודף אנרגיה בשעות השיא (כשהרוחות חזקות והשמש זורחת) ולכן מחפשים שם פתרון שיאפשר לאגור את עודפי האנרגיה העצומים שמיוצרים בשעות אלו ולהשתמש בהם בעת הצורך. לאור הפעולות וההשקעות שנקטה לאחרונה ממשלת גרמניה, נראה שהיא בוחרת בפתרון המימן – על ידי ייצורו מאנרגיה עודפת ושימוש בו, כפי שתיארנו כאן.

היישומים הרבים שנכנסו בשנים האחרונות לשוק ולכלכלה בגרמניה כוללים את הרכבת הראשונה שכבר פועלת על ידי תאי דלק. הרכבת יכולה לגמוא עד אלף קילומטרים בין תדלוקי מימן ומגיעה למהירות מרבית של 140 קמ”ש (כך לדברי היצרן, Alstom Partners). בנוסף, כיום פרוסות בגרמניה מעל ל- 70 תחנות תדלוק מימניות לרכבים פרטיים, כך שניתן להגיע לכול נקודה בגרמניה ללא חשש מבעיית תדלוק.

ארה”ב משתתפת במהפכה

משרד האנרגיה של ארה”ב משקיע מאמצים ניכרים בהגברת המודעות למהפכת המימן. המשרד הכריז שב-8 לאוקטובר (10.08, כפי שנהוג לכתוב בארה”ב, בדומה למסה המולקולרית של המימן, 1.008 גרם/מול) יהיה יום המימן והוא מעודד שימוש בכלי רכב חשמליים שמונעים בתאי דלק בכבישים המהירים, בעיקר בקליפורניה, לצד פיתוח של תשתית נרחבת לתדלוק מימן.

כמו כן, במסגרת החתירה לשדרג את שדה הקרב מבחינה טכנולוגית, חבר צבא ארה”ב ל- General Motors ונכנס לשוק של רכבי תא הדלק. להנעה במימן יתרונות רבים מבחינת הצבא: הפעלה כמעט שקטה שמאפשרות חתימה אקוסטית וחתימת חום מופחתות, מומנט פיתול גבוה בכל המהירויות דרך הנעה חשמלית וצריכת דלק נמוכה על פני טווח הפעולה, כולל מים כתוצר לוואי  השימוש בשטח. כמו כן, אפשר לחבר את כלי הרכב לרשתות זעירות וכך לספק אנרגיה לפעולות נייחות.

כלכלת המימן בקוריאה הדרומית

לפני כשלושה חודשים הצהירה ממשלת קוריאה הדרומית על מפת הדרכים המימנית שלה. גם היא מתכננת להשקיע בייצור חשמל ממקורות חלופיים ואגירת עודפי האנרגיה במימן. ממשלת דרום קוריאה הכריזה על השקעה של מיליארדי דולרים בטכנולוגיות מימן ורתמה את תעשיית הרכב החזקה שלה למהלך זה. יונדאי הצהירה לאחרונה כי בכוונתה לייצר עד 2040 מעל ל- 600 מיליון רכבים שמונעים ע”י תאי דלק. כפי שהחברה רואה זאת, מדובר באלטרנטיבה היחידה שיכולה לספק רכב עם הספק גבוהה, צפיפות אנרגיה גבוהה וללא פליטת מזהמים לסביבה. כחלק מהמאמץ של יונדאי לעשות מהפכה בשוק הרכב, היא הצהירה לאחרונה על ניסוי רחב היקף שיתקיים בשוויץ, שבו תפעיל כ- 1500 משאיות שיחליפו חלק נכבד מצי המשאיות במדינה.

ההשקעה של דרום קוריאה בכלכלת מימן תהיה רחבה ותכלול גם יישומים מעבר לתחבורה, שיכללו הספקת חשמל לתעשייה ולבתים פרטיים על בסיס טכנולוגיות מימן ותאי דלק.

 

 

ישראל היא המקום ובר אילן המוסד המוביל

לישראל יש הרבה מה להציע מבחינה זאת ואנחנו צריכים להתכונן למהפך שיחסל את התלות שלנו בדלקי מאובנים. לאחרונה קבע משרד ראש הממשלה שאוניברסיטת בר אילן תרכז את כל פעילויות המחקר בתחום האנרגיה המתחדשת בישראל, ומרכז המחקר להנעה אלקטרוכימית (INREP) והקונסורציום הישראלי לתאי דלק (IFCC) יקיפו את כל הטכנולוגיות לאנרגיה מתחדשת, החל בסוללות, עבור בתאים סולאריים וכלה בתאי דלק. אוניברסיטת בר אילן מתנאה במומחים מובילים ובעלי שם עולמי בתחום והחליטה לפתוח את שעריה למדענים מובילים ממוסדות אקדמיים אחרים להצטרף למאמץ הלאומי המאתגר והחשוב. כל המוסדות המובילים בישראל (22 קבוצות מחקר) מיוצגים ב-INREP וב-IFCC ואנחנו קוראים למוסדות ממשלה, לענף ולאקדמיה לחבור אלינו בשיתוף פעולה.

פרופסור ליאור אלבז הוא בעל תואר בוגר, תואר מוסמך ותואר דוקטור בהנדסה כימית מאוניברסיטת בן גוריון. תוך כדי לימודיו לתואר מוסמך רכש אלבז מומחיות באלקטרוכימיה ובאלקטרוקטליזה ויישם אותה בפיתוח טכנולוגיות אנרגיה. כשהשלים את לימודי הדוקטורט הצטרף לקבוצת MPA11 במחלקה לפיזיקת חומרים ויישומים במעבדה הלאומית לוס אלמוס, ארה”ב, מוסד מוביל בפיתוח טכנולוגיית תאי דלק. שם פיתח קטליזטורים וחומרים חדשים לתאי דלק, במטרה להפחית את מחיריהם ולשפר עמידותם. כעבור כמעט ארבע שנים בלוס אלמוס, חזר ליאור לארץ והתמנה לראש המעבדה לאנרגיה חלופית של המחלקה לכימיה באוניברסיטת בר אילן. ליאור עומד בראש הקונסורציום הישראלי לתאי דלק (12 חוקרים מובילים בתחום תאי הדלק בישראל), חלק ממרכז המחקר להנעה אלקטרוכימית – ,INREP, שניהם ממונים ע”י המנהלת לחלופות דלקים ותחבורה חכמה במשרד ראש הממשלה וע”י הוועדה לתכנון ותקצוב. ליאור הוא גם הנציג הישראלי בתחום תאי דלק מתקדמים של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה.

הילה הוניג היא סטודנטית מצטיינת במחלקה לכימיה, אוניברסיטת בר-אילן. הילה החלה את עבודתה במעבדתו של פרופ’ ליאור אלבז כבר בשנה הראשונה של התואר הראשון וכיום נמצאת באמצע התואר השני ומתכוננת לתואר השלישי.