הפיתוח הישראלי להפחתת עלויות ייצור המימן

חוקרים בטכניון פיתחו גישה חדשה לייצור מימן ממים באמצעות אנרגיה סולרית. במאמר המתפרסם בכתב העת Nature Materials מסבירים החוקרים כי גישה זו תאפשר להפיק את המימן במרוכז בנקודת המכירה - למשל בתחנת תדלוק של רכב חשמלי המונע במימן - גם אם היא רחוקה מהחווה הסולרית. בטכניון אומרים כי הטכנולוגיה החדשה צפויה להפחית משמעותית את עלויות ייצור המימן והובלתו ללקוח.

את המחקר הובילו אביגיל לנדמן, דוקטורנטית בתוכנית האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP), וד"ר חן דותן מהמעבדה לחומרים והתקנים אלקטרוכימיים. לנדמן עובדת על הדוקטורט בהנחיית פרופ' אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים ופרופ' גדעון גרדר, דיקן הפקולטה להנדסה כימית. המחקר נתמך על ידי מרכז המצוינות (I-CORE) למחקר בדלקים סולריים, משרד התשתיות הלאומיות, האנרגיה והמים, המיזם האירופי המשותף לתאי דלק ומימן (FCH-JU), תכנית האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP) , התורם אד סאטל וקרן אדליס.

דלק העתיד

מימן נחשב לאחד מנשאי האנרגיה המבטיחים להנעת רכב ולצרכים שונים, וזאת בשל יתרונותיו הבולטים:

א. את המימן אפשר להפיק ממים, ולכן ייצורו אינו תלוי בגישה למחצבי טבע מתכלים.

ב. שימוש בדלק מימן יצמצם את התלות בדלקים מחצביים כגון נפט וגז טבעי, שזמינותם תלויה בגורמים גיאוגרפיים, פוליטיים ואחרים, ויגדיל את האנרגיה הזמינה לאוכלוסיית כדור הארץ.

ג. בניגוד למנועי סולר ובנזין הפולטים זיהום רב לאוויר, תוצר הלוואי היחיד של מנועי מימן הוא מים.

תקן פוטו-אלקטרוכימי קונבנציונלי, שבו מפרידה ממברנה בין שני התוצרים (חמצן מימין, מימן משמאל)(הדמיה: דוברות הטכניון)

הטכנולוגיה שפותחה בטכניון: החמצן והמימן נוצרים ונאגרים בתאים נפרדים לגמרי. לדברי אביגיל, אפשר להחליף את אחת האלקטרודות (אנודה) באלקטרודה רגישה לאור (פוטו-אנודה), כך שהמרת המים ואנרגיית השמש לדלק מימן תבוצע ישירות, כלומר בתהליך אחד.(הדמיה: דוברות הטכניון)

בשל יתרונות ההנעה במימן משקיעות מדינות רבות ובראשן יפן, גרמניה וארה"ב סכומי עתק בתכניות לפיתוח טכנולוגיות "ירוקות" (ידידותיות לסביבה) לייצור מימן. מרבית המימן מופק כיום מגז טבעי בתהליך הפולט לאוויר פחמן דו-חמצני, אולם אפשר להפיק מימן גם בפירוק מולקולות מים למימן ולחמצן בתהליך הנקרא אלקטרוליזה ("פירוק באמצעות חשמל"). עם זאת, מאחר שייצור החשמל עצמו הוא תהליך יקר ומזהם, חוקרים בטכניון וברחבי העולם מפתחים תא פוטו-אלקטרוכימי המנצל את אנרגיית השמש לפירוק המים באופן ישיר ללא צורך בחשמל.

אתגר ההפרדה

האתגרים המרכזיים בפיתוח חוות סולריות לייצור מימן הם ההפרדה בין המימן לחמצן, איסוף המימן ממיליוני תאים פוטו-אלקטרוכימיים והובלתו לנקודת המכירה. חוקרי הטכניון פתרו את הבעיה באמצעות פיתוח שיטה חדשה לפירוק פוטו-אלקטרוכימי של מים. בשיטה זו נוצרים המימן והחמצן בשני מכלים נפרדים, המחוברים ביניהם בחיבורים חשמליים בלבד. זאת בניגוד לשיטה הקונבנציונלית, שבה נצברים המימן והחמצן בתוך מיכל (תא) אחד, כאשר ממברנה דקה מפרידה ביניהם ומונעת מהם להתערבב זה בזה. יש לציין שתערובת של מימן וחמצן היא דליקה ונפיצה ולכן הפרדה זו חיונית.

החזון של קבוצת המחקר - פיצול גיאוגרפי בין האתרים בהם נוצרים החמצן והמימן: באתר אחד תפעל חוות הקולטים הסולריים שתאסוף את אנרגיית השמש ותייצר חמצן, ובאתר אחר (תחנת דלק למשל) יופק המימן(הדמיה: דוברות הטכניון)

בטכניון הסבירו כי התהליך החדש מאפשר הפרדה גיאוגרפית בין החווה הסולרית, המורכבת ממיליוני תאים פוטו-אלקטרוכימיים המייצרים חמצן בלבד, לאתר שבו המימן מיוצר באופן מרוכז, חסכוני ויעיל. במילים אחרות, שיטה זו מאפשרת לקצור את אנרגיית השמש במקום אחד ולהפיק את המימן באתר אחר - תחנת דלק, לדוגמה. כל מה שנדרש הוא צמד אלקטרודות עזר מניקל הידרוקסיד, חומר זול המשמש בבטריות נטענות, וחוט מתכת המקשר ביניהן.

"במאמר הנוכחי אנחנו מתארים יצירת מימן בשיטה החדשה תוך הפרדה פיזית של ייצור המימן מייצור החמצן", מסבירה לנדמן. "על פי אומדן העלויות שערכנו, השיטה שלנו יכולה להתחרות בהצלחה עם שיטות קיימות של פירוק מים ולהוות פלטפורמה זולה ובטוחה לייצור מימן".

פרופ' אבנר רוטשילד, הדוקטורנטית אביגיל לנדמן ופרופ' גדעון גרדר(צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון)

ד"ר חן דותן (מימין) ופרופ' אבנר רוטשילד במעבדה(צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון)

מבט לעתיד

השיטה שפותחה בטכניון להפרדה בין ייצור המימן וייצור החמצן היוותה את הבסיס לפיתוח טכנולוגיה חדשה לאלקטרוליזה דו-שלבית. טכנולוגיה זו, אשר פותחה על ידי ד"ר חן דותן, מאפשרת ייצור מימן ביעילות חסרת תקדים ובלחץ גבוה, וכך מוזילה משמעותית של עלויות ייצור המימן. כעת נמצאת הטכנולוגיה החדשה בשלבי פיתוח טרום-תעשייתים.

הדוקטורנטית אביגיל לנדמן הציגה לאחרונה את המחקר בתחרות Three Minute Thesis באוסטרליה. הרצאה זו זיכתה אותה במקום הראשון בקטגוריית אנרגיה. בתחרות, המתקיימת ביוזמת אוניברסיטת קווינסלנד, נדרשים המשתתפים להציג מחקר פורץ דרך בשלוש דקות בלבד.