מימן - הדלק של העתיד

המשבר האקלימי מציב בפנינו אתגר: למצוא מקורות אנרגיה חלופיים שאינם פולטים גזי חממה ואינם מזהמים את האטמוספירה. למעשה, החיפוש אחר מקורות אנרגיה חלופיים החל עוד קודם, והמניע הראשוני שלו היה הצורך למצוא מקורות אנרגיה בלתי מתכלים והפסקת התלות של האנושות בחומרי גלם שיחדלו לעמוד לרשותה בעתיד הלא רחוק. מקורות אנרגיה בלתי מזהמים ובלתי מתכלים כאלה מצויים בטבע בשפע, וניכרים בתופעות הבסיסיות ביותר שלו: שמש, רוח, גלי הים וחום טבעי שקיים בעומק האדמה.

ואולם, שתי בעיות יסוד מוסיפות להקשות את המעבר הנחוץ כל כך לאנרגיות מתחדשות. ראשית, אנרגיות כאלה תלויות בדרך כלל במיקום ובזמן, ושנית, אנרגיות מתחדשות אינן ניתנות לאחסון, והפקתן מקוטעת בדרך כלל. אנרגיה סולרית מופקת רק כל עוד השמש זורחת, כלומר, לעולם לא בלילה, ולא כשהשמיים מעוננים, ואנרגיית רוח תלויה במצב הרוחות. מלבד היותן מקוטעות, אנרגיות מתחדשות אינן יבילות. שלא כמו דלק, שאפשר לאחסנו בחבית ולשלוח מקצה לקצה בעולם, אנרגיות מתחדשות יכולות לספק חשמל רק בסביבה הקרובה להן, והטכנולוגיה מאפשרת לאגור אותן למשך לילה לכל היותר.

שחקן חדש: מימן

בנקודה זו נכנס המימן למשחק. מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ, אולם הוא מצוי בטבע לא בצורת היסוד שלו אלא תמיד כחלק מתרכובת - כאחד משני המרכיבים של המים. מאחר שמימן קיים בטבע כחלק מתרכובת, הפיכתו למקור אנרגיה היא תהליך המצריך אנרגיה, ומן הסתם אין טעם להפיק מימן כחלופה לדלקי מאובנים כל עוד הדבר מחייב שריפת דלקי מאובנים באותו היקף פחות או יותר שהמימן המופק יוכל להחליף.

הודות להתפתחות ולשיפורים בטכנולוגיות להפקת אנרגיות מתחדשות בשנים האחרונות, המימן זוכה לתשומת לב מוגברת כמקור אנרגיה יביל, שאפשר לאחסן לטווח ארוך אחרי שהופק על ידי עודפי אנרגיות שהופקו ממקורות מתחדשים. כלומר עודפי אנרגיות ממקורות מתחדשים שאי אפשר לאחסן או להעביר למקום אחר, יכולים לשמש להפקת דלק מימן, ודרך הפקת דלק מימן תיפתר בעיית היבילות והאחסון של האנרגיות ממקורות מתחדשים.

דלק מימן מצוי כעת בתנופה: האיחוד האירופי התחייב לבנות מיתקני אלקטרוליזה בקיבולת כוללת של 40 GW בעשור בהשקעה של 24 מיליארד יורו, והוא שוקל לייבא מימן בקיבולת זהה ממדינות כגון מרוקו, שעלויות ייצור המימן בהן נמוכות. הניו-דיל של קוריאה כולל התחייבות ליעד של 200,000 כלי רכב מבוססי מימן ו-250 תחנות תדלוק עד 2030. גם ממשל ביידן מציב את המימן כשחקן מרכזי במאבק במשבר האקלים.

המועצה למימן מייעדת שישה תפקידים למימן במעבר לאנרגיה בלתי מזהמת: 1. חומר גלם כימי לייצור אמוניה ומתנול. 2. דלק להנעת כלי רכב ובעיקר משאיות. 3. ספק חום בייצור צמנט ובתהליכים תעשייתיים אחרים. 4. חימום מבנים. 5. חומר גלם בייצור פלדה ודלקים סינתטיים. 6. הפקת חשמל. כל אלה יחד יכולים לגלם 18% מהביקוש הכולל לאנרגיה ב-2050.

אלקטרוליזה להפקת מימן

קיים מגוון של טכנולוגיות להפקת מימן, והטכנולוגיה שתשתרש היא זו שתאפיל על האחרות בערכים של הפחתת עלויות, מסחריות, גמישות והיעדר או מיעוט פליטות. אפשר להפיק מימן נקי באמצעות אלקטרוליזה. מכשיר אלקטרוליזה מורכב מאנודה, קתודה ואלקטרוליט או ממברנה. מים שמוכנסים למכשיר מפורקים באמצעות חשמל למימן ולחמצן. את המימן שנוצר בתהליך מאחסנים כגז דחוס, ואת החמצן משחררים לאוויר בדרך כלל.

ישנם שלושה סוגים של אלקטרוליזה: אלקטרוליזה אלקלית, אלקטרוליזה של ממברנת אלקטרוליט פולימרי (PEM) ואלקטרוליזת תחמוצת מוצקה - SOEC (Solid Oxide electrolysis Cell). ספקית האנרגיה בלום אנרג'י (Bloom Energy) מפתחת טכנולוגיה של תחמוצת מוצקה בעלת יתרונות מסוימים יחסית לשיטות האחרות להפקת מימן.

הגורם החשוב ביותר שמבדיל את אלקטרוליזת התחמוצת המוצקה מהסוגים האחרים הוא הטמפרטורה התפעולית שלה, הגבוהה בהרבה מזו של אלקטרוליזות אחרות - 900-700 מעלות צלזיוס לעומת פחות ממאה באחרות. הבדל זה מביא ליתרון ברמת היעילות - יותר מימן מופק לכל יחידת תשומה של חשמל. יתרון זה ביעילות הוא גורם חשוב להפחתת עלויות הייצור של דלק מימן. האפשרות לשלב את הייצור עם פסולת חום נטולת עלויות מתהליכי ייצור או מכורים גרעיניים, מגלמת הפחתה משמעותית נוספת בעלויות הייצור.

יתרון אחר של SOEC הוא עקומת למידה תלולה. בכל פעם שהייצור הכולל הכפיל את עצמו, עלויות הציוד נפלו ב-28% בממוצע. עקומת למידה זו מהירה פי שניים מעקומות של שיטות אחרות. היא הביאה להפחתת עלויות ממוצעת של 15-10 אחוזים מדי שנה.

הפלטפורמה של בלום גמישה ומתאימה לעבודה עם יישומי מימן רבים. האלקטרוליזה של בלום יכולה לעבוד עם אנרגיה סולרית, אנרגיית רוח, אנרגיית הידרו ואנרגיה גרעינית. היא גם יכולה להמיר דלקים אחרים כגון גז טבעי או ביו-גז למימן, ובשילוב של מיתקן ללכידת פחמן, תהליך ההמרה יהיה נטול פליטות ואף בעל ערך פחמן שלילי אם ממירים ביו-גז.

לוורסטיליות הזו יש משמעות כלכלית. כל יישום פוטנציאלי מגדיל את נפח הייצור, וכפועל יוצא מכך מנמיך את עלויות הייצור. וכמו במעגל קסמים, כל יישום הופך את הטכנולוגיה לכדאית יותר ליישומים האחרים.

להלן שלושה מקרי מבחן להמחשת יתרונות הטכנולוגיה של SOEC:

ייצור מימן באמצעות חשמל ממקורות מתחדשים: כל טכנולוגיות האלקטרוליזה יכולות לעבוד עם חשמל ממקורות מתחדשים, אך SOEC תוכל לעשות זאת בעלויות נמוכות יותר ב-20% עד 2030, לפי מודל החיזוי של בלום אנרג'י.

מרכיבי מפתח בשילוב SOEC עם חשמל ממקורות מתחדשים: 1. בידוד טוב שימנע אובדן חום בשעה שמיתקן האלקטרוליזה אינו פועל. אסטרטגיה זו מתאימה לתכונת הסרוגיות של מקורות החשמל המתחדשים, שכן היא מבוססת על הרעיון שמיתקן האלקטרוליזה יהיה כל הזמן בכוננות "חמה", מוכן לשוב לפעולה בהשקעה אנרגטית מינימלית. 2. שילוב תוכנות ואמצעי בקרה לחיזוי השינויים בעומס האנרגטי ממקורות מתחדשים, כך שיתאפשר להתכונן אליהם מבעוד מועד. 3. אחסון אנרגיה, כלומר המימן כדלק יביל משמש לאחסון בעקיפין של אנרגיה מתחדשת בלתי יבילה.

ייצור מימן בכור גרעיני: כורים לייצור חשמל גרעיני מאותגרים מהירידה במחירים של אנרגיה מתחדשת, ורבים מהם נאלצים לבחור בין הפסקת ייצור לייצור במחירי הפסד. מימן יכול לסייע לכורים הגרעיניים האלו, שכן אנרגיה גרעינית זולה ובלתי מזהמת עשויה לשמש להפקת דלק מימן. טכנולוגיית SOEC בפרט, בשל הטמפרטורה התפעולית הגבוהה שלה, יכולה לנצל את החום הנפלט בכורים להפקת מימן, ובדרך זו להגדיל את הכלכליות שלהם. למעשה, האפשרות לנצל פליטות חום מתהליכי ייצור ומכורים גרעיניים היא מהיתרונות החשובים של SOEC בהשוואה לשיטות האלקטרוליזה האחרות, שהטמפרטורה התפעולית שלהן נמוכה בהרבה.

דה-קרבוניזציה של תעשיית הפלדה: למימן מייחסים תפקיד מרכזי בדה-קרבוניזציה של ענפי תעשייה שתלויים בחום גבוה או בדלק יביל. ייצור פלדה לבדו אחראי ל-8% מפליטות הפחמן המזהמות, ומסיבה זו קיים בימינו עניין רב בטכנולוגיות לייצור נקי של פלדה.

לייצור פלדה יש שני נתיבים: תנור רם לתנור חמצן בסיסי BF-BOF וברזל בחיזור ישיר לתנור קשת חשמלית DRI-EAF)). בנתיב השני אפשר להחליף דלקי מאובנים במימן בעבור שלב הברזל בחיזור ישיר. באירופה, שבה עלויות גבוהות יחסית של חשמל ואנרגיה, מעדיפים ייצור פלדה בנתיב הראשון, ועל כן שילוב מימן בייצור הפלדה יצריך החלפה של מיתקני הייצור ויהיה כרוך בעלויות גבוהות. בארצות הברית נוהגים לייצר פלדה בנתיב השני, ועל כן שילוב המימן בתהליך יהיה זול יותר.

אלקטרוליזה בטכנולוגיית SOEC יכולה לנצל את האדים החמים הנפלטים מתהליך ייצור הפלדה, וכך אפשר להוזיל את עלויות ייצור המימן שמשמש לייצור פלדה נקייה יותר. עניין זה מוסיף ליתרונות ה-SOEC על פני אלקטרוליזות אחרות.

בכל מקרה, שינויים מתבקשים אלה בתעשיית הפלדה מצריכים השקעה עצומה במיתקנים ובתשתיות, שתוחזר רק כעבור שנים רבות. על כן הם לא יתאפשרו בלי התערבות ממשלתית בחקיקה ובמימון.

מקורות: האתר של Bloom Energy