דלק העתיד

פריצת דרך בטכניון: חוקרים פיתחו טכנולוגיה זולה, ידידותית לסביבה ובטוחה יותר להפקת מימן

טכנולוגיית E-TAC water splitting משפרת את הנצילות האנרגטית של תהליך הפקת מימן ממים לשיא חסר תקדים, 98.7%, ומצמצמת משמעותית את פליטת הפחמן דו-חמצני. חברת הסטארטאפ H2Pro המבוססת על הפיתוח תתרגם אותו ליישום מסחרי

קבוצת המחקר. מימין לשמאל: פרופ’ גדעון גרדר, פרופ’ אבנר רוטשילד, אביגיל לנדמן וד”ר חן דותן. קרדיט צילום: חן גלילי, דוברות הטכניון

חוקרים בטכניון פיתחו טכנולוגיה חדשנית נקייה, זולה ובטוחה לייצור מימן. הטכנולוגיה משפרת משמעותית את נצילות הפקת המימן – מכ-75% בשיטות המקובלות היום לנצילות אנרגטית חסרת תקדים של 98.7%. המחקר נערך במסגרת תוכנית האנרגיה ע”ש ננסי וסטיבן גרנד בטכניון (GTEP) על ידי פרופ’ אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים ופרופ’ גדעון גרדר מהפקולטה להנדסה כימית יחד עם ד”ר חן דותן והדוקטורנטית אביגיל לנדמן. תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת Nature Energy.

האלקטרוליזה התגלתה לפני למעלה מ-200 שנה, ומאז עברה אוסף מצטבר של שיפורים נקודתיים. כעת מציגים חוקרי הטכניון שינוי דרמטי שיוביל להערכתם להפקת מימן זולה, נקייה ובטוחה מאוד. לדבריהם, התהליך החדש עשוי לחולל מהפכה בייצור מימן, תוך התבססות על אנרגיה נקייה ומתחדשת כגון אנרגיה סולרית או אנרגיית רוח.

החוקרים פיתחו תהליך חדשני וייחודי, E-TAC water splitting (Electrochemical – Thermally-Activated Chemical water splitting), המבוסס על פעולה מחזורית, שבה משתנה לסירוגין ההרכב הכימי של האנודה (האלקטרודה שבה מתרחש תהליך החמצון במערכת). בשלב הראשון, הקתודה (האלקטרודה שבה מתרחש תהליך החיזור במערכת) מייצרת מימן והאנודה משנה את הרכבה הכימי בלי לייצר חמצן; בשלב השני הקתודה פסיבית ואילו האנודה מייצרת חמצן. בסוף השלב השני חוזרת האנודה למצבה ההתחלתי והמחזור מתחיל מחדש. על סמך טכנולוגיה זו הקימו החוקרים את חברת הסטארטאפ H2Pro העוסקת בתרגומה ליישום מסחרי.

קבוצת המחקר. מימין לשמאל: ד”ר חן דותן, פרופ’ אבנר רוטשילד, אביגיל לנדמן ופרופ’ גדעון גרדר. קרדיט צילום: חן גלילי, דוברות הטכניון

ברחבי העולם מיוצרות בכל שנה כמויות מימן עצומות: כ-65 מיליון טונות בשווי של כ-130 מיליארד דולר, השקולות מבחינה אנרגטית לכ-9 אקסה-ג’אול (EJ) שהם כ-2,600 טרה-וואט-שעה (TWh). כמויות אלה גדלות בהתמדה וצפויות לשלש את עצמן ב-20 השנים הבאות; בשנת 2030 צפויה צריכת המימן לעמוד על 14 אקסה-ג’אול ובשנת 2040 על 28.

כ-53% מהמימן המופק כיום משמש בייצור אמוניה לדשנים ולחומרים אחרים, 20% משמש בבתי זיקוק, 7% בייצור מתנול ו-20% בשימושים אחרים. בעתיד צפוי המימן לשמש ביישומים נוספים, שחלקם נמצאים בשלבי פיתוח מואצים: מימן כדלק לכלי רכב חשמליים המכילים תאי דלק (FCEV), מימן כדלק לאגירת אנרגיה ממקורות מתחדשים (P2G), מימן חימום תעשייתי וביתי ועוד.

כ-99% מהמימן המופק כיום מקורו בדלק מחצבי (fossil fuel), והפקתו כרוכה בתהליכים הפולטים לאטמוספרה פחמן דו-חמצני (CO₂) – גז שנוכחותו העודפת באטמוספרה מאיצה את ההתחממות הגלובלית. המימן מופק בעיקר על ידי חילוצו מגז טבעי (SMR) בתהליך המשחרר כ-10 טונות CO₂ על כל טונה של מימן ולכן אחראי לכ-2% מסך פליטות ה-CO₂ לאטמוספירה שמקורן בפעילות אנושית. זה הרקע לצורך הדחוף בחלופות נקיות, וידידותיות יותר לסביבה, של הפקת מימן.

החלופה העיקרית הקיימת כיום להפקת מימן באופן נקי וללא פליטות CO₂ היא אלקטרוליזה של מים (water electrolysis). בתהליך זה מוצבות שתי אלקטרודות, אנודה וקתודה, במים המועשרים בבסיס או בחומצה המגבירים את מוליכותם החשמלית. בתגובה להעברת זרם חשמלי בין האלקטרודות מתפרקות מולקולות המים (H₂O) ליסודותיהן הכימיים ומשחררות גז מימן (H₂) בקרבת הקתודה וחמצן (O₂) בקרבת האנודה. התהליך כולו מתרחש בתא אטום המחולק לשניים – בחלק אחד נאסף המימן ובחלק אחר החמצן.

הפקת מימן בדרכים נקיות, בניגוד להפקתו מגז טבעי בתהליך SMR, נתקלת בשורה של אתגרים טכנולוגיים. אחד מהם הוא הפסד אנרגטי משמעותי; הנצילות האנרגטית של תהליכי אלקטרוליזה כיום עומדת על כ- 75% בלבד, והמשמעות: צריכה גבוהה של חשמל. קושי נוסף קשור בממברנה המחלקת את תא האלקטרוליזה לשניים; ממברנה זו, הנדרשת כדי לאסוף את המימן בצד אחד ואת החמצן בצד השני, מגבילה את הלחץ בתא האלקטרוליזה ל-10 עד 30 אטמוספרות בשעה שבמרבית היישומים נדרש לחץ של מאות אטמוספרות; לדוגמה, בכלי רכב חשמליים המכילים תאי דלק נדרשת דחיסה של המימן בלחץ של 700 אטמוספרות. כיום מוגבר הלחץ באמצעות מדחסים גדולים ויקרים המסבכים את התפעול ומגדילים את עלויות ההתקנה והאחזקה של המערכת. בנוסף, נוכחותה של הממברנה מסבכת את הרכבת מתקן הייצור וכך מעלה מהותית את מחירו. מעבר לכך הממברנה דורשת תחזוקה והחלפה תקופתית.

לטכנולוגיה E-TAC water splitting כמה יתרונות משמעותיים על פני אלקטרוליזה:

1. הפרדה כרונולוגית מוחלטת בין ייצור המימן לייצור החמצן – שני תהליכים אלה קורים בזמנים שונים. ההשלכות:

• ביטול הצורך בממברנה החוצצת בין האנודה לקתודה בתא האלקטרוליזה. מדובר בחיסכון משמעותי בהשוואה לאלקטרוליזה, שכן הממברנה יקרה, מסבכת את תהליך הייצור ומצריכה שימוש במים מזוקקים ותחזוקה שוטפת כדי שלא תיסתם.
• תהליך בטוח, המונע את הסיכון שבמפגש הנפיץ בין החמצן למימן, מפגש העלול להיווצר בתהליך האלקטרוליזה הרגיל במקרה שהממברנה המפרידה אינה אטומה לגמרי.
• השימוש הנוכחי בממברנות מגביל כאמור את הלחץ בתהליך הפקת המימן. הטכנולוגיה שפותחה בטכניון מייתרת את הממברנה וכך מאפשרת דחיסה של המימן כבר בשלב ההפקה. כך נחסכות גם חלק מהעלויות הגדולות הכרוכות בדחיסה מאוחרת של המימן.

2. בתהליך החדש נוצר החמצן בתגובה כימית ספונטנית בין האנודה הטעונה והמים, ללא הפעלת זרם חשמלי באותו שלב. תגובה זו חוסכת את הצורך בחשמל בשלב יצירת החמצן ומגדילה את נצילות התהליך מכ-75% בשיטות המקובלות לנצילות אנרגטית חסרת תקדים: 98.7%.

3. טכנולוגיית E-TAC צפויה להוזיל לא רק את עלויות התפעול אלא גם את עלות הציוד.
   ב-H2Pro מעריכים שעלות ציוד להפקת מימן בתהליך ה-E-TAC תהיה כמחצית מעלותו של ציוד המבוסס על טכנולוגיות קיימות. ההערכות הראשוניות מצביעות על אפשרות לייצור מימן בקנה מידה תעשייתי בעלויות ייצור תחרותיות בהשוואה להפקה מגז טבעי בתהליך SMR, וזאת כאמור ללא פליטת CO₂ לאטמוספירה.

מפתחי הטכנולוגיה, פרופ’ גדעון גרדר, פרופ’ אבנר רוטשילד וד”ר חן דותן, חברו למייסדי חברת Viber והקימו את חברת H2Pro, העוסקת במסחור הטכנולוגיה החדשה. החברה, הפועלת בפארק התעשייה בקיסריה, קיבלה רישיון בלעדי למסחור הטכנולוגיה מ- 3T יחידת המסחור של מוסד הטכניון וגייסה הון התחלתי ראשוני בהובלת חברת יונדאי. החברה מעסיקה יותר מ-20 עובדים, רובם בוגרי הטכניון.

המחקר נתמך על ידי תוכנית האנרגיה ע”ש ננסי וסטיבן גרנד בטכניון (GTEP), תרומת אד סאטל, קרן אדליס, משרד האנרגיה והנציבות האירופית (תוכנית המסגרת 2020 של האיחוד האירופי).

למאמר המלא ב-Nature Energy  לחצו כאן

פרופ’ אבנר רוטשילד. קרדיט צילום: חן גלילי, דוברות הטכניון

פרופ’ גדעון גרדר. קרדיט צילום: חן גלילי, דוברות הטכניון

הדוקטורנטית אביגיל לנדמן. קרדיט צילום: חן גלילי, דוברות הטכניון

ד”ר חן דותן. קרדיט צילום: חן גלילי, דוברות הטכניון

איור של פיצול מים בתהליך קונבנציונלי (משמאל) ובתהליך ה-ETAC (מימין). בפיצול מים קונבנציונלי המימן והחמצן מיוצרים בו-זמנית ובאותו התא, ומופרדים על ידי ממברנה. לעומת זאת, בתהליך ה-ETAC המימן והחמצן מיוצרים בשני שלבים שונים: בשלב הראשון, המתרחש בטמפרטורה נמוכה, רק מימן מיוצר באופן אלקטרוכימי; בשלב השני, המתרחש בטמפרטורה גבוהה, רק חמצן מיוצר באופן כימי וספונטני.

“פיצול מים” – אילוסטרציה. בתהליך ה-ETAC מפצלים את המים למימן ולחמצן בשני שלבים שונים וביעילות גבוהה של 98.7%. )קרדיט איור : תם קריב(

לסרטון המסביר את המחקר