הפקת מימן

קובץ:Hydrogen AI.png

דימוי ויזואלי של מולקולת מימן (H₂) המוצגת בצבע כחול, מוקפת בסימני טביעות פחמן שחורות, המסמלות פליטות פחמן דו-חמצני (CO₂).

הפקת מימן הוא תחום מפתח בתחום האנרגיה הירוקה, בעל פוטנציאל לשמש תחליף לדלקים מאובנים כמקור אנרגיה נקי.^[1]תבנית:הערה כאשר מימן מופעל בתאי דלק, הוא מייצר אנרגיה חשמלית בתהליך בו מים הם התוצר היחיד, וכתוצאה מכך השפעתו הפחמנית בשלב השימוש נחשבת זניחה.^[2] עם זאת, תהליך הפקת המימן עצמו עשוי לכלול פליטות פחמן, בהתאם לשיטת ההפקה, דבר שמדגיש את הצורך להבחין בין השיטות השונות ולהעריך את השפעתן על מאזן הפחמן העולמי. כיום, כ־95% מהמימן בעולם מופק בשיטת רפורמינג במים-מתאן, תהליך המייצר כמויות משמעותיות של פחמן דו־חמצני.^[3] לעומת זאת, מימן ירוק, המופק ממקורות אנרגיה מתחדשים, נחשב לפתרון בעל פליטות נמוכות יותר, אך עלויותיו הגבוהות וזמינותו המוגבלת ביישומים מסחריים מגבילים את השימוש בו.^[4] בנוסף, שיטות חדשניות כגון פירוליזה של מתאן נתפסות כמבטיחות בשל פוטנציאל הפחתת הפליטות, אך הן נתונות למחלוקות בנוגע ליעילותן ולעלויותיהן, וטרם הגיעו לשלב מסחרי נרחב.

נכון לשנת 2023, פחות מ־1% מייצור המימן הייעודי הוא דל-פחמן, כלומר מימן כחול, מימן ירוק, ומימן המיוצר מביומסה.^[5]

בשנת 2020, יוצרו ברחבי העולם כ־87 מיליון טון מימן^[6] לשימושים שונים, כגון זיקוק נפט, ייצור אמוניה באמצעות תהליך הבר-בוש, וייצור מתנול על ידי חיזור של פחמן חד־חמצני. שוק ייצור המימן הגלובלי הוערך בכ־155 מיליארד דולר בשנת 2022, וצפוי לצמוח בקצב צמיחה שנתי מצטבר (CAGR) של 9.3% בין השנים 2023 ל־2030.^[7]

רקע

מימן הוא יסוד כימי וגז דליק בעל חשיבות רבה בתעשייה ובאנרגיה. אף על פי שמימן אינו מקור אנרגיה ראשוני (כלומר, הוא אינו מצוי חופשי בכמויות משמעותיות בטבע), הוא משמש כנושא אנרגיה יעיל: ניתן להפיק אנרגיה רבה משריפתו או מהגבתו בחמצן, ותוצר הלוואי היחיד הוא מים.^[8]תבנית:הערה תכונותיו הופכות אותו לדלק נקי פוטנציאלי ולאבן בניין בתעשייה הכימית.תבנית:הערה מדי שנה מיוצרים עשרות מיליוני טונות של מימן לצרכים שונים – לפי סוכנות האנרגיה הבינלאומית, בשנת 2018 הייצור העולמי של מימן טהור עמד על כ־74 מיליון טונות, כאשר כ־38 מיליון טון שימשו בזיקוק נפט וכ־32 מיליון טון שימשו לייצור אמוניה בתהליך הבר-בוש.^[9] כמו כן, מיליוני טונות של מימן נצרכים כתערובת עם גזים אחרים (למשל בסינתזת מתנול ובתהליכי הפקת פלדה).^[9] המימן משמש כחומר גלם מרכזי בתעשייה הפטרוכימית (למשל בהסרת גופרית מבנזין ובייצור דשנים), וכמו כן כדלק בתאי דלק לייצור חשמל ובהנעת כלי רכב חשמליים מבוססי תאי דלק. הוא אף מנוצל כדלק רקטות וכאמצעי לאגירת אנרגיה ממקורות מתחדשים.תבנית:הערה^[10]

שיטות הפקת מימן

קיימות שיטות מגוונות להפקת מימן, הנבדלות במקור חומרי הגלם ובתהליכים הפיזיקליים-כימיים. באופן כללי, ניתן לחלקן לתהליכים תרמוכימיים (המבוססים על חום ותגובות כימיות), תהליכי אלקטרוליזה (פירוק מים בחשמל), תהליכי פוטוליזה ישירה בהשפעת אור, ותהליכים ביולוגיים. כל שיטה מאופיינת ביתרונות, בחסרונות ובמידת בשלות טכנולוגית שונה.

רפורמציה של מתאן עם קיטור (SMR)

רפורמציה בקיטור של מתאן (SMR) תבנית:אנ היא השיטה הנפוצה ביותר כיום לייצור מימן.^[11] בתהליך זה, מחממים גז טבעי (שעיקרו מתאן, $C H_{4}$ ) עם קיטור בלחץ ובטמפרטורה גבוהים בנוכחות זרז, ובכך גורמים לפירוק המתאן למימן ולפחמן חד־חמצני. תגובת האתחול היא:^[12]

$C H_{4} + H_{2} O ⟶ C O + 3 H_{2}$

לאחריה מתבצעת תגובת Shift תבנית:אנ בה הפחמן החד־חמצני מגיב עם מים ליצירת מימן נוסף ופחמן דו־חמצני:^[12]

$C O + H_{2} O ⟶ C O_{2} + H_{2}$

גז התוצר העיקרי הוא מימן, שמופרד מטווח הגזים (לרוב בעזרת ספיחה בלחץ – PSA – לסילוק הפחמן הדו־חמצני ותוצרי לוואי אחרים). תהליך ה־SMR מתבצע בטמפרטורות של כ־700–1,000 מעלות צלזיוס ובלחץ של עשרות בר, תוך שימוש בזרזים על בסיס ניקל.^[13] לעיתים קרובות נשרף חלק מהגז הטבעי כדי לספק את החום הגבוה הדרוש לתהליך.^[13]

הרפורמציה בקיטור היא טכנולוגיה ותיקה ומבוססת, עם תשתית תעשייתית מפותחת וניסיון מצטבר רב. עלות הייצור באמצעות SMR נמוכה יחסית בהשוואה לשיטות אחרות – בין השאר בזכות המחיר הנמוך של גז טבעי והיקפי הייצור הגדולים. למשל, בארצות הברית עלות ייצור קילוגרם מימן ב־SMR (ללא לכידת פחמן) הוערכה סביב 1.0$–1.5$ בלבד.^[14]

החיסרון המרכזי של SMR הוא הסתמכותו על דלק מאובנים (גז טבעי) ופליטת כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני בתהליך. לפי אומדנים, הפקת קילוגרם מימן באמצעות SMR גוררת פליטה ישירה של בערך 9 קילוגרם פחמן דו־חמצני שקול (ללא אמצעי לכידה) – נתון ההופך את "המימן האפור" למקור פליטות משמעותי (כ־900 מיליון טון פחמן דו-חמצני בשנה בעולם). בנוסף, יעילות הניצול האנרגטי אינה גבוהה: חלק ממתקן ה־SMR נדרש לשריפת גז ליצירת החום, דבר שמבזבז נתח מתכולת האנרגיה של חומר הגלם. לבסוף, שוק הגז הטבעי התנודתי משפיע על עלויות הייצור. קיימות וריאציות המשפרות היבטים מסוימים, כגון רפורמציה אוטותרמית (ATR) או חמצון חלקי (POX) של מתאן, וכן שילוב לכידת פחמן לייצור "מימן כחול" המפחית את הפליטות, אולם אלו מוסיפים למורכבות ולעלות.^[13]

איור המתאר את הקלטים והפלטים של רפורמציה בקיטור של גז טבעי, תהליך לייצור מימן. נכון לשנת 2020, שלב לכידת הפחמן אינו נמצא בשימוש מסחרי.

אלקטרוליזה של מים

אלקטרוליזה של מים היא שיטה מבוססת לפירוק כימי של מים למרכיביהם – מימן וחמצן – באמצעות זרם חשמלי. בתהליך זה מזרימים זרם דרך תמיסה מימית או ממברנה ייעודית (בתא אלקטרוליטי), וכתוצאה מהתגובה החשמלית-כימית מתפתחים גזי מימן (בקתודה) וחמצן (באנודה):

$2 H_{2} + O_{2} \overset{E}{\to} 2 H_{2} O$

תהליך האלקטרוליזה היה אחד היישומים הראשונים להפקת מימן כבר במאה ה־19, אך הוא דורש השקעת אנרגיה חשמלית משמעותית. אם מקור החשמל הוא רשת החשמל הרגילה (המבוססת בחלקה על דלק מאובנים), אזי גם למימן המופק נלווית טביעת רגל פחמנית. לעומת זאת, כאשר האלקטרוליזה מונעת בחשמל ממקורות מתחדשים (שמש, רוח, מים וכו'), המימן המתקבל מכונה "מימן ירוק" והוא נקי מפליטות בפועל.^[15]

ישנם סוגי טכנולוגיות אלקטרוליזה שונים, ביניהם תא אלקלי (ALK) ותא עם ממברנת חילוף פרוטונים (PEM), ונמצאים בפיתוח גם אלקטרולייזרים בטמפרטורה גבוהה (SOEC) היכולים לשפר את יעילות התהליך.^[15]

אלקטרוליזה מאפשרת ייצור מימן נקי לחלוטין מפליטות כאשר היא מנוצלת עם אנרגיה מתחדשת. השיטה גמישה מאוד – ניתן להפעיל ולכבות מערכי אלקטרוליזה במהירות, דבר המאפשר לקלוט חשמל ממקורות מתחדשים משתנים בהתאם לזמינות (למשל, ניצול חשמל סולארי עודף בצהריים להפקת מימן).^[15] גמישות זו תומכת באיזון רשת החשמל ובאגירת אנרגיה עודפת בצורה כימית של מימן. בנוסף, אלקטרוליזה אינה תלויה בדלק מאובן ומתאימה למדינות המעוניינות להסתמך על מקורות אנרגיה מתחדשים מקומיים ייצור דלק עתיר אנרגיה.

החיסרון העיקרי הוא העלות הגבוהה של ייצור מימן באלקטרוליזה כיום. עלות החשמל, לצד מחיר האלקטרולייזרים וטכנולוגיות ההספק הנלוות, הופכים את ה"מימן הירוק" ליקר פי 2–7 בהשוואה לייצור מימן מגז טבעי ללא לכידת פחמן.תבנית:הערה התהליך גם אינו יעיל ב־100% מבחינה אנרגטית – יש הפסדי אנרגיה בהמרת אנרגיה חשמלית לאנרגיה כימית (יעילות אלקטרוליזר טיפוסי היא 60%–80%). כאשר משווים שרשרת הסבת אנרגיה חשמלית למימן ובחזרה לחשמל (למשל טעינת חשמל → אלקטרוליזה למימן → צריבה או תא דלק לחשמל), הנצילות הכוללת יכולה לרדת לכ־30%–40% בלבד.תבנית:הערה מעבר לכך, התלות בזמינות מקורות מתחדשים מהווה אתגר: ייצור המימן תלוי בתנאי מזג האוויר (רוח, שמש), אלא אם כן קיימת רשת חשמל יציבה או אגירה מספקת. לבסוף, קיים צורך בהשקעה ראשונית גבוהה בתשתיות אלקטרוליזה והולכת חשמל עבור ייצור מסחרי רחב-היקף.^[16]

פירוק פוטוכימי (פוטוליזה)

פוטוליזה של מים היא שיטה להפקת מימן באמצעות האנרגיה של קרינה אלקטרומגנטית (הפוטונים באור) לפירוק ישיר של מולקולות מים. באופן תאורטי, כאשר מולקולת מים בולעת פוטון באנרגיה מספקת (מעל 285 קילוג'ול למול, המתאים לאור בתחום על־סגול עמוק, סביב 190 ננומטר) היא יכולה להתפרק למימן וחמצן.^[17] עם זאת, פירוק פוטוכימי טהור של מים דורש אנרגיות גבוהות או זרזים ייחודיים, שכן רוב הפוטונים באור השמש אינם באנרגיה כה גבוהה.

בהקשר מעשי יותר, פוטוקטליזה היא הטכנולוגיה הנחקרת לפירוק מים באמצעות אור שמש: שימוש במוליכים למחצה (כמו תחמוצת טיטניום – $T i O_{2}$ , תחמוצות אבץ או קדמיום וכדומה) הקולטים אור ויוצרים זוגות אלקטרון-חור המעודדים תגובות הפירוק של מים. במערכות אלו, האור (לרוב על-סגול או אור נראה בעל אנרגיה גבוהה) מאפשר הפקת מימן וחמצן על פני שטח הזרז. אחת התגליות הראשונות בתחום הייתה אפקט הונדה-פוג'ישימה (1972) תבנית:אנ שהדגים פוטוקטליזה עם $T i O_{2}$ וקרינת UV לפיצול מים.^[18] מאז פותחו חומרים רבים הרגישים יותר לאור הנראה, ונעשים מאמצים להעלות את נצילות הפוטוקטליזה. שיטה קרובה היא תאים פוטו-אלקטרוכימיים (PEC) שבהם אלקטרודה סולארית מבצעת את פירוק המים תחת הארה, שילוב של תא שמש ותא אלקטרוליטי.

לפוטוליזה ופוטוקטליזה יש פוטנציאל לייצר מימן באופן נקי וישיר מאור השמש ללא שלבי ביניים של ייצור חשמל. מקור האנרגיה – אור שמש – שופע, מתחדש וחינמי. אם יפותחו חומרים ותגובות יעילים, ניתן יהיה לייצר מימן באופן מבוזר ופשוט יחסית רק באמצעות קולטי שמש כימיים, ללא צורך בתשתיות חשמליות נרחבות. השיטה תאורטית יכולה להשיג ייצור מימן עם טביעת רגל אקולוגית מזערית, שכן לא נעשה שימוש בדלקים ואפילו לא בחשמל מרשת החשמל.

הטכנולוגיה נמצאת בשלבי מחקר ופיתוח מוקדמים, וניצולות ההמרה של אנרגיית שמש למימן עדיין נמוכות מאוד (סדר גודל של אחוזים בודדים ואף פחות מכך).^[19] אחד האתגרים הוא שהפוטונים האפקטיביים הם בתחום העל-סגול, המהווה אחוז קטן מקרינת השמש המגיעה לפני כדור הארץ, ולכן נדרשים חומרים מיוחדים להגביר ספיגה בתחומי האור הנראה. כמו כן, מערכות פוטוליטיות מתמודדות עם בעיות יציבות – רבים מהזרזים נוטים להתפרק או לאבד יעילות לאורך זמן עקב חשיפה לקרינה ותגובות כימיות. ישנה תלות מלאה בזמינות שמש, ולכן הייצור הוא לסירוגין (לא רציף בלילה או בימים מעוננים). עקב חסרונות אלו, הפוטוליזה טרם הגיעה ליישום מסחרי, והצפי הוא ששיטות פוטוכימיות ישירות יבשילו לשימוש תעשייתי רק בעשורים הקרובים עם פריצות דרך מדעיות.^[20]

הפקה ביולוגית

קיימים אורגניזמים ונתיבים ביוכימיים היכולים לייצר מימן כמרכיב מטבולי. שני נתיבים עיקריים נחקרים:

ביו־פוטוליזה – הפקת מימן באמצעות פוטוסינתזה מימית של אצות או ציאנובקטריה.
תסיסה חשוכה תבנית:אנ – הפקת מימן מפירוק אנאירובי של חומר אורגני על ידי חיידקים.

בביו־פוטוליזה, רעיון המחקר הוא לנצל את מנגנוני הפוטוסינתזה הטבעיים של מיקרואורגניזמים לפיצול מים ולייצור מימן במקום פחמימות. למשל, ידוע כי אצות ירוקות מסוימות (כגון Chlamydomonas reinhardtii) מסוגלות, בתנאי עקה, לנתב את האלקטרונים שנוצרים בפוטוסינתזה לייצור מימן באמצעות האנזים הידרוגנאז. קיימים ניסויים בהם מגדלים אצות במערכות שקופות ומפיקים מהן מימן וחמצן כאחד. בביו־פוטוליזה בלתי־ישירה, ניתן תחילה לגדל ביומסה צמחית באמצעות פוטוסינתזה רגילה, ואז בתהליך שני לפרק את התוצר האורגני להפקת מימן (שילוב של ביומסה ותסיסה).

בתסיסה חשוכה, חיידקים מפרקים חומר אורגני (כגון פסולת אורגנית, ביומסה, שפכים) בתנאים אנאירוביים ומשחררים מימן. לדוגמה, מינים של חיידקי Clostridium יכולים בתהליך פירוק סוכרים להפיק מימן יחד עם תוצרי לוואי כמו פחמן דו־חמצני וחומצות אורגניות. תהליך זה דומה לעיכול אנאירובי המוכר בביוגז, אך מותאם להגברת פליטת המימן על חשבון מתאן. שיטה זו מכונה גם ביו-מימן. בעשור האחרון פותחו אף תאי אלקטרוליזה מיקרוביאליים (MEC) בהם חיידקים מיוחדים על אנודת תא אלקטרוכימי מפרקים מצע אורגני, ומשחררים אלקטרונים ופרוטונים שמנוצלים לייצור מימן בקתודה במתח חשמלי נמוך מאוד. טכנולוגיית MEC הוגדרה על ידי משרד האנרגיה האמריקאי ככיוון פיתוח מבטיח לייצור מימן ירוק בעלות תחרותית בעתיד.

הפקה ביולוגית עשויה לאפשר ניצול פסולת אורגנית או מקורות מתחדשים (ביומסה) לייצור מימן, ובכך לטפל בשני יעדים בו־זמנית: סילוק פסולת והפקת דלק נקי. תהליכים אלו פועלים בטמפרטורות ולחצים נמוכים בהרבה מתהליכים תרמוכימיים, ולעיתים קרובות אינם דורשים תשומות אנרגיה חיצוניות גדולות (מלבד שמירה על תנאי הגידול). חומרי הגלם – פסולת, שפכים, בוצה – זמינים וזולים. בנוסף, התהליכים הביולוגיים יכולים להיות נייטרליים פחמן במידה ומקור הפחמן הדו־חמצני שנפלט הוא בחומר צמחי שספג אותו מהאטמוספירה.

הבעייתיות העיקרית היא שקצבי ייצור המימן ונצילות האנרגיה בתהליכים ביולוגיים נמוכים יחסית. כמויות המימן המופקות לליטר תמיסה בתסיסה או לביומסה של אצות הן קטנות, ולכן נדרשים נפחי מיכלים גדולים מאוד כדי להגיע לתפוקה תעשייתית. הדבר מקשה על הכלכליות והסקלת התהליך. בנוסף, רגישות המערכות הביולוגיות גבוהה – שינוי קטן בתנאי החומציות, הטמפרטורה או זיהום יכול לשבש את פעילות החיידקים או האצות. הפקת מימן על ידי אצות מוגבלת גם היא לתנאי תאורה אופטימליים ודורשת שטחי גידול נרחבים. מעבר לכך, בתהליכי תסיסה נוצרים לעיתים תוצרי לוואי לא רצויים שצריך להפריד (כמו פחמן דו־חמצני, חומצות אורגניות או מתאן בכמויות קטנות). למרות שיש ניסיונות פיילוט, "חוות מימן" ביולוגיות טרם קיימות בקנה מידה משמעותי, והתחזיות הן ששיטה זו תהפוך רלוונטית מסחרית בעשורים הקרובים ככל שהטכנולוגיה תשתפר.

שיטות נוספות (גזיפיקציה, פירוליזה ותהליכים תרמוכימיים)

בנוסף לשיטות העיקריות לעיל, קיימות שיטות נוספות להפקת מימן, ביניהן:

גזיפיקציית פחם – חימום פחם בטמפרטורה גבוהה עם חמצן או קיטור ליצירת "גז סינתזה" (תערובת של מימן, $H_{2}$ , פחמן חד־חמצני, $C O$ , ועוד), ולאחר מכן הפקת מימן מהגז באמצעות תגובת Shift תבנית:אנ והפרדה. זוהי שיטה ותיקה ששימשה במאה העשרים לייצור "גז עירוני". גם כיום במדינות עם עתודות פחם גדולות (כגון סין) מופק חלק ניכר מהמימן בשיטה זו. ב־2020 כ־22% מייצור המימן העולמי הגיע מפחם. לשיטה זו טביעת רגל פחמנית גבוהה עוד יותר מ־SMR עקב השימוש בפחם, אלא אם משלבים בה לכידת פחמן.
גזיפיקציה של ביומסה – תהליך דומה לגזיפיקציית פחם, אך מבוצע על ביומסה (פסולת עץ, גזם, חקלאות וכדומה) או פסולת מוצקה אחרת. מתקבל גז סינתזה עשיר במימן שממנו ניתן להפריד מימן. היתרון הוא שימוש במקור מתחדש ונייטרלי-פחמן; החיסרון הוא שתכולת המימן לגולגולת ביומסה נמוכה יחסית, ותכולת הלחות וההטרוגניות של חומרי הפסולת מקשים על תהליך יציב.
פירוליזה של מתאן – פירוק תרמי של מתאן (המרכיב העיקרי בגז טבעי) בהיעדר חמצן, כך שהתוצרים הם מימן ופחמן מוצק (ללא פחמן דו־חמצני, $C O_{2}$ ). התהליך מכונה לעיתים "מימן טורקיז" בשל מיקומו כגישת ביניים בין מימן אפור לכחול/ירוק. בטמפרטורה גבוהה מאוד (בסביבות 1000 מעלות צלזיוס) מתפרק מתאן ישירות ליסודותיו: $C H_{4} ⟶ 2 H_{2} + C$ . התוצר הוא מימן גזי ופחמן מוצק (למשל בצורת אבקה או סיבי פחמן). היתרון הבולט הוא היעדר פליטת פחמן דו־חמצני בתהליך עצמו, שכן כל הפחמן שבמתאן מופרש כחומר מוצק שניתן לאסוף. כך ניתן תאורטית לקבל מימן נקי מפליטות תוך ניצול תשתיות הגז הטבעי הקיימות. בנוסף, הפחמן המוצק יכול לשמש כחומר גלם (פחמן שחור לתעשייה, אלקטרודות וכו') או להיטמן.
גרפיקה של תהליך תעשייתי הממחישה את הקלטים לאלקטרוליזה לייצור טון אחד של מימן ואת יתר הפלטים.
תהליכים תרמוכימיים מחזוריים – משפחת תהליכים בהם משתמשים במעגל כימי המונע על ידי חום גבוה כדי לפרק מים לשני מרכיביהם: חמצן ומימן. במקום אלקטרוליזה חשמלית, כאן החום (למשל מחום שמש מרוכז או מכור גרעיני בטמפרטורה גבוהה) מניע סדרת תגובות כימיות הממחזרות מגיבים. דוגמה היא מחזור גופרית-יוד (מחזור SI), בו מים מגיבים עם יוד וגופרית בטמפרטורות שונות לקבלת מימן בחלק אחד של המחזור וחמצן בחלק אחר, תוך מחזור היוד והגופרית חזרה. תהליכי תרמוכימיה נמצאים בשלבי מחקר, ומטרתם להשתלב עם כורי דור חדש או מתקני שמש תרמיים כדי לייצר מימן ביעילות גבוהה וללא פליטות. האתגר הוא דרישת טמפרטורות קיצוניות (לעיתים מעל 800°C) וחומרים עמידים, וכן מורכבות הנדסית גבוהה של מערכת רב־שלבית.

אתגרים בהפקת מימן

על אף הפוטנציאל העצום של מימן כמקור אנרגיה נקי וכחומר גלם, ניצבים מספר אתגרים בדרך למעבר נרחב לכלכלת מימן.

הפקת מימן ירוק יקרה כיום משמעותית מדלקים מאובנים. ייצור מימן מאנרגיה מתחדשת עשוי לעלות פי כמה מייצורו מגז טבעי, והפער הכלכלי הזה מעכב את אימוץ המימן הנקי.תבנית:הערה

מימן הוא גז קל במיוחד – צפיפות האנרגיה לנפח שלו נמוכה פי כמה ממקורות דלק אחרים. בגז בלחץ אטמוספירי, תכולת האנרגיה של מימן היא כ־10 מגהג'ול בלבד למטר מעוקב, לעומת כ־36 מ"ג למ"ק של מתאן ותכולות אנרגיה גבוהות אף יותר בדלקים נוזליים.^[21] לכן, כדי לאחסן מימן באופן יעיל יש לדחוס אותו ללחצים גבוהים (לעיתים 700 בר בכלי רכב) או לקרר לנקודת הרתיחה שלו (ולהגיע למימן נוזלי ב־℃253). שתי השיטות יקרות ודורשות אנרגיה: דחיסה דורשת חשמל, והנזלה מאבדת כ־30% מתכולת האנרגיה בקירור. בנוסף, מימן הוא גז מאכל שיכול לחדור ולהחליש פלדות (תופעת התפצלות מימן), דבר שמחייב שימוש בחומרים מיוחדים במיכלים וצינורות. פתרונות כמו אחסון מימן בחומרים כימיים (אמוניה, מתנול, LOHC) או במוצקים (הידרידים) נמצאים בפיתוח, אך טרם הבשילו באופן מלא לשימוש רחב.

מעבר לכלכלת מימן דורש הקמה של רשת תשתיות חדשה או הסבה של קיימות. יש צורך במתקני ייצור מבוזרים או מרוכזים של מימן ירוק, בצינורות או באמצעי שינוע (מכליות גז, מכולות למימן נוזלי או אמוניה), ובתחנות תדלוק למימן לכלי רכב. מרבית צנרת הגז הטבעי הנוכחית יכולה לשאת מימן רק בשיעור תערובת מוגבל, אחרת נדרשת החלפה להתאמה ללחצים גבוהים ולקורוזיביות. פריסת תחנות תדלוק מימן גם היא בחיתוליה ברוב המדינות. מעבר לכך, היבטי בטיחות מציבים אתגר: מימן דליק ונפיץ בטווח ריכוזים נרחב באוויר, ודליפות קשות לזיהוי (הוא גז שקוף, חסר ריח וצבע, והוא בוער בלהבה כמעט בלתי־נראית). לפיכך, דרושים תקני בטיחות מחמירים, חיישני זיהוי ותכנון זהיר למניעת תאונות במערכות מימן.

על אף שמימן כאנרגיה נקי מפליטות פחמן בשימוש, ייתכנו השפעות אקולוגיות עקיפות. למשל, ייצור מסיבי של מימן ירוק יצריך כמויות גדולות של מתכות נדירות עבור אלקטרולייזרים (פלטינה, אירידיום) ותאי דלק, דבר המעורר חשש לזמינות חומרים ולנזק סביבתי בכרייה. כמו כן, דליפות מימן לאטמוספירה עלולות להשפיע על כימיית האטמוספירה (מימן עשוי להגיב בגובה ולהאריך את משך החיים של מתאן וגזי חממה אחרים באטמוספירה). תחומים אלו נחקרים כדי לוודא שהשפעתם אינה משמעותית, אך מצריכים תשומת לב ברגולציה עתידית.

שימושים של מימן

שימושים תעשייתיים

בשל תכונותיו הכימיות, מימן משמש כחומר גלם וכחומר מסייע במגוון תהליכים תעשייתיים. השימוש התעשייתי הבולט ביותר הוא בייצור אמוניה ( $N H_{3}$ ) בתהליך הבר-בוש, בו מימן מגיב עם חנקן בלחץ גבוה ליצירת אמוניה – תרכובת המשמשת בעיקר לדשנים חנקתיים ובעלת חשיבות רבה בעולם המודרני. ייצור האמוניה צורך למעלה מ־30 מיליון טון מימן בשנה,תבנית:הערה ומהווה פלח משמעותי מהביקוש העולמי למימן. שימוש מרכזי נוסף הוא בזיקוק נפט: בבתי זיקוק משתמשים במימן לתהליכים כמו הידרו-קרקינג תבנית:אנ (פיצוח מולקולות כבדות לדלקים קלים יותר) והידרו-דסולפוריזציה תבנית:אנ (סילוק גופרית מדלקים על ידי מימן). כ־38 מיליון טון מימן בשנה משמשים בממוצע בתעשיית הזיקוק.תבנית:הערה

בנוסף, מימן נדרש בייצור מתנול ( $C H_{3} O H$ ) על ידי תגובת מימן עם פחמן חד־חמצני $C O$ או דו־חמצני $C O_{2}$ ; חלק מתעשיית המתנול בעולם מסתמכת על מימן ממקורות חיצוניים (כתריסר מיליון טון מימן בתערובת גז סינתזה נצרכו לכך ב־2018).^[22]

בתעשיית הפלדה המודרנית מתחילה חדירה של מימן כתחליף לפחמן בתהליך חיזור ישיר של ברזל (DRI), שבו משתמשים במימן כחומר מחזר להפקת ברזל מתכתי מעפרות ברזל, במקום פחם/קוק. תהליכים אלה, המצויים בחוד החנית, יכולים להפחית דרסטית את פליטות הפחמן הדו־חמצני בענף הפלדה, ופרויקטי פיילוט באירופה (כגון HYBRIT בשוודיה) מדגימים פלדה "ירוקה" המבוססת על מימן כמחזר. עוד תחום הוא תעשיית המזון – מימן משמש בהידרוגנציה של שמנים צמחיים (הפיכתם למוצקים כמו מרגרינה), ובתעשייה הפארמצבטית לחיבור קבוצות כימיות (ריאקציות הידרוגנציה שונות). גם בתעשיית האלקטרוניקה ובייצור זכוכית מימן משמש ליצירת אטמוספירה מחזרת בתנורים למניעת התחמצנות.

שימושים באנרגיה

השימוש במימן כדלק אנרגטי צובר עניין בעיקר בהקשר של הפחתת פליטות וגיוון מקורות האנרגיה.

תאי דלק

אחד היישומים המרכזיים הוא בתאי דלק – רכיבים אלקטרוכימיים המייצרים חשמל ישירות ממימן וחמצן. בתא דלק, מימן מוזן לאנודה, עובר יינון (פליטת אלקטרונים) ויוצר זרם חשמלי חיצוני, ומתאחד עם חמצן בקתודה ליצירת מים. תאי דלק מאפשרים הנעת כלי רכב בחשמל שמקורו במימן: אוטובוסים, מכוניות (כגון Toyota Mirai), ומשאיות המונעות בתאי דלק כבר פועלים בערים שונות בעולם. היתרון בדלק מימן הוא טווח נסיעה גדול ותדלוק מהיר, בדומה לרכב בנזין, אך ללא פליטות מזהמים מצינור הפליטה (רק מים). נכון לשנת 2021, חלה ירידה נמשכת במחירי תאי הדלק ועלייה במכירות הרכבים המונעים במימן,^[23]^[24] אם כי מספרם עדיין קטן ביחס לרכבי בנזין או לרכבים חשמליים.

ייצור חשמל

תחומים נוספים בו מימן עשוי לשחק תפקיד חשוב בעתיד הוא ייצור חשמל. מימן יכול לשמש כדלק לשריפה בתחנות כוח או במנועי בעירה פנימית, בדומה לגז טבעי. שריפת מימן מייצרת אנרגיה תרמית שמומרת לחשמל (למשל בטורבינות גז מוסבות למימן) עם פליטת אדי מים. אתגר בשריפה ישירה של מימן הוא היווצרות תחמוצות חנקן ( $N O x$ ) בשל טמפרטורות הלהבה הגבוהות, אך באמצעות ניהול בעירה נכון ניתן לצמצם זאת. מספר פרויקטים ניסיוניים משלבים מימן בתחנות כוח – כגון טורבינות גז השורפות תערובת של מימן וגז טבעי בערב הסעודית וביפן.

אגירת אנרגיה

מעבר לכך, מימן עשוי להועיל גם באגירת אנרגיה. מימן נחשב אמצעי מבטיח לאגור חשמל ממקורות מתחדשים בצורה כימית. כאשר יש עודפי חשמל (למשל בשעות שמש שיא או רוחות חזקות), ניתן באמצעות אלקטרוליזה להמיר את החשמל העודף למימן ("power-to-gas"). את המימן אפשר לדחוס ולאחסן במכלים או במאגרים תת־קרקעיים (למשל מאגרים ששימשו לגז טבעי), ולאחר מכן להשתמש בו להפקת חשמל בעת הצורך (בתאי דלק או בתחנות כוח).תבנית:הערה בצורה כזו המימן משמש כסוללת ענק עונתית לשמירת אנרגיה. בגרמניה, לדוגמה, מתבצעים ניסויים בהזרמת מימן למערכת חלוקת הגז הטבעי באחוזים נמוכים (blending) כדי לאגור אנרגיה ברשת הגז. בנוסף, מומרים כמויות מימן לייצור אמוניה או דלקים סינתטיים (כגון דלק מטוסים סינתטי) המקלים על אחסון לטווח ארוך. אמוניה ( $N H_{3}$ ) במיוחד נחשבת נשא מימן מבטיח, שכן ניתן לנצל תשתיות קיימות שלה (מיכליות, צינורות) ולהפוך אותה בחזרה למימן בצריכה הסופית; למרות שאמוניה כשלעצמה יכולה גם לשמש כתחליף דלק (למשל לשריפה בתחנות כוח או במנועי ספינות).

מחקרים ופיתוחים עתידיים

תחום המימן רואה פעילות מחקרית ענפה מתוך כוונה לשפר טכנולוגיות קיימות ולפתח חדשות. אחד הכיוונים הוא שיפור אלקטרולייזרים – פיתוח אלקטרולייזרים יעילים וזולים יותר, למשל שימוש בממברנות חליפיות למתכות יקרות (להפחתת תלות בפלטינה, אירידיום וכדומה) או אלקטרולייזרים בטמפרטורה גבוהה המשתלבים עם חום תעשייתי. מטרה רווחת היא להגיע לעלות ייצור מימן ירוק מתחת ל־2$ לק"ג ואף 1$ לק"ג (יעד "Hydrogen Shot" של משרד האנרגיה האמריקאי) כדי להתחרות בדלק מאובנים.תבנית:הערה

בתחבורה, מעבר לכלי רכב כבדים, יש מאמץ להכניס מימן גם לתחומים כמו תעופה וימייה. מספר חברות (כולל איירבוס) חוקרות עיצוב מטוסי נוסעים המבוססים על מימן נוזלי כדלק, עם צפי למטוסי הדגמה בעשור הקרוב. בתחום הימי, אמוניה ומימן נבחנים כדלק לספינות מטענים כדי להפחית פליטות, ופרויקטים לבניית מנועי אמוניה נמצאים בפיתוח.

בתעשייה, כאמור, מפותחים תהליכי פלדה ירוקה באמצעות מימן במקום פחם, ומפעלים חלוציים כבר מייצרים פלדה בקנה מידה קטן עם פליטות מופחתות. גם ייצור מלט וכימיקלים אחרים בתהליכים מונעי מימן נחקרים.

אחד האתגרים המדעיים הוא מציאת חומרים לאחסון מימן במצב מוצק או בתרכובת כימית קלה לפירוק (כלומר, שלא תדרוש הרבה אנרגיה לפרק, ושכן תיתן הרבה אנרגיה כאשר זה קורה). חומרי ספיחה כמו MOF (מסגרות אורגניות-מתכתיות) או תרכובות מתכת-הידריד (כגון תבנית:קישור שפה, $N a B H_{4}$ ) נחקרים כ"אבקות" שיספחו מימן בבטחה וישחררו אותו לפי דרישה. כך ניתן יהיה לאחסן מימן בצפיפות גבוהה יותר ובלחץ נמוך. כיוון נוסף הוא נוזלי נשאי מימן אורגניים (LOHC) – תרכובות נוזליות שיכולות לקלוט מימן כימית ולשחררו בעת הצריכה.

גם בפוטוקטליזה ובביולוגיה המחקר נמשך: חוקרים מחפשים זרזים פוטוכימיים הרגישים לאור נראה כדי להגדיל את נצילות פיצול המים, ומהנדסים גנטית מיקרואורגניזמים עמידים ויעילים יותר לייצור ביו-מימן. תחום ה־MEC (תאי אלקטרוליזה מיקרוביאליים) מתפתח במטרה להשתמש בשפכים וביוב כמקור לייצור מימן תוך צריכת אנרגיה מזערית.^[25]

מדיניות עולמית וקידום טכנולוגיות מימן

בעקבות הפוטנציאל של מימן להפחתת פליטות ולהחלפת דלק מאובנים, מדינות רבות וגופים בינלאומיים רבים מגבירים את המאמצים לקידום טכנולוגיות מימן.

כראיה, אף על פי שבשנת 2019 היו רק שלוש מדינות (צרפת, יפן וקוריאה הדרומית) עם אסטרטגיה לאומית בנוגע למימן, הרי שבשנת 2021 כבר הכריזו 17 ממשלות על אסטרטגיות מימן רשמיות, ועוד כעשרים מדינות נוספות הצהירו שהן מפתחות תוכניות בתחום.^[26] מדינות אלו כוללות את גרמניה, שסימנה את המימן הירוק כנדבך במעבר לאנרגיה מתחדשת, את יפן, המשקיעה בפריסת תאי דלק וייבוא אמוניה, ואת אוסטרליה, הרואה עצמה יצואנית מימן עתידית (באמצעות אמוניה נוזלית) בשל פוטנציאל אנרגיית השמש והרוח שלה. באיחוד האירופי פורסמה "אסטרטגיית מימן" בשנת 2020, הקוראת להקמת אלקטרולייזרים בהיקף 40 גיגוואט עד 2030 וייצור מיליוני טונות של מימן ירוק, לצד הקמת "ברית המימן הנקי" להשקעות משותפות. סין הכריזה ב־2022 על תוכנית לפתח תעשיית מימן ולהעמיד תחנות תדלוק רבות עד אמצע העשור.^[26] גם במדינות המפרץ ובצפון אמריקה נרשמת התעוררות: בארצות הברית הוכרז פרויקט Hydrogen Earthshot שמטרתו להוריד את עלות המימן הנקי לדולר אחד לקילוגרם תוך עשור.^[27]

ארגונים בינלאומיים כמו סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA) וסוכנות האנרגיות המתחדשות (IRENA) תבנית:אנ מדגישים בדוחותיהם את הצורך בהאצת אימוץ המימן. IEA ציינה בדוח "מבט המימן העולמי 2021" שהייצור הנוכחי של מימן דל־פחמן הוא מזערי, ושיידרשו צעדי מדיניות אגרסיביים כדי לסגור את פער העלויות מול מימן ממקורות מזהמים.^[26] הסוכנות צופה ירידת עלויות עם שיפורי טכנולוגיה והגדלת קנה המידה, ומדגישה שהגעה ליעדי אקלים (נטו-אפס פליטות ב־2050) כרוכה בעלייה דרמטית בייצור מימן נקי – כ־80 מיליון טון עד 2030 במסלול הנטו-אפס, לעומת פחות מ־1 מיליון טון כיום. חלק מהמאמצים העולמיים מתמקדים גם בהגדלת הביקוש למימן נקי: תמיכות בפרויקטים להפקת פלדה ללא פחמן, עידוד רכישת כלי רכב מימניים, תקני דלק נמוכי-פליטות המחייבים שימוש במימן, באמוניה וכדומה.^[26]

קישורים חיצוניים

תבנית:ויקישיתוף בשורה

הערות שוליים

תבנית:הערות שוליים

[1] תבנית:קישור כללי

[2] תבנית:קישור כללי

[3] תבנית:קישור כללי

[4] תבנית:קישור כללי

[:23-5] תבנית:Cite web

[Leigh2021-6] תבנית:Cite web

[7] תבנית:Cite web

[8] תבנית:קישור כללי

[:0-9] 9.0 ^9.1 תבנית:קישור כללי

[10] תבנית:קישור כללי

[11] תבנית:קישור כללי

[:1-12] 12.0 ^12.1 תבנית:קישור כללי

[:2-13] 13.0 ^13.1 ^13.2 תבנית:קישור כללי

[14] תבנית:קישור כללי

[:4-15] 15.0 ^15.1 ^15.2 תבנית:קישור כללי

[16] תבנית:קישור כללי

[17] תבנית:קישור כללי

[18] תבנית:קישור כללי

[19] תבנית:צ-מאמר

[20] תבנית:קישור כללי

[21] תבנית:קישור כללי

[22] תבנית:קישור כללי

[23] תבנית:קישור כללי

[24] תבנית:קישור כללי

[25] תבנית:קישור כללי

[:3-26] 26.0 ^26.1 ^26.2 ^26.3 תבנית:קישור כללי

[27] תבנית:קישור כללי

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

הפקת מימן

תוכן עניינים

רקע