מימן כבקשתך

חוקרים בטכניון פיתחו שיטה חדשה לייצור מימן ממים באמצעות אנרגיה סולרית. השיטה החדשה תאפשר להפיק את המימן במרוכז הרחק מהחווה הסולרית באופן חסכוני ויעיל

ד”ר חן דותן (מימין) ופרופ’ אבנר רוטשילד במעבדה

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. הטכנולוגיה החדשה צפויה להפחית משמעותית את עלויות ייצור המימן והובלתו ללקוח.
את המחקר הובילו אביגיל לנדמן, דוקטורנטית בתכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון  (GTEP), ד”ר חן דותן מהמעבדה לחומרים והתקנים אלקטרוכימיים, יחד עם ד”ר גנדי שטר מהפקולטה להנדסה כימית. אביגיל 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 (המתוקצב על ידי ות”ת), 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:

• את המימן אפשר להפיק ממים, ולכן ייצורו אינו תלוי בגישה למחצבי טבע מתכלים.
• 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.
• בניגוד למנועי סולר ובנזין הפולטים זיהום רב לאוויר, תוצר הלוואי היחיד של מנועי מימן הוא מים.

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. ראוי לציין שתערובת של מימן וחמצן היא דליקה ונפיצה ולכן הפרדה זו חיונית.

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,” אומרת אביגיל. “על פי אומדן העלויות שערכנו, השיטה שלנו יכולה להתחרות בהצלחה עם שיטות קיימות של פירוק מים ולהוות פלטפורמה זולה ובטוחה לייצור מימן.”

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 האמור 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.

למחקר המלא בכתב העת Nature Materials

ד”ר חן דותן מהמעבדה לחומרים והתקנים אלקטרוכימיים

פרופ’ גדעון גרדר, דיקן הפקולטה להנדסה כימית בטכניון

פרופ’ אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון

הדוקטורנטית אביגיל לנדמן

לסרטון המסביר על המחקר:

בתרשים הראשון מודגם התקן פוטו-אלקטרוכימי קונבנציונלי, שבו מפרידה ממברנה בין שני התוצרים (חמצן מימין, מימן משמאל).

בתרשים השני מודגמת 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.

בתרשים השלישי מוצג 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. כך, במקום להוביל מימן דחוס מאתר הייצור לאתר המכירה, צריך יהיה רק להחליף מדי פעם את אלקטרודות העזר בין שני האתרים. חישובים כלכליים שבוצעו בשיתוף עם עמיתי מחקר מחברת Evonik והמכון לחקר אנרגיה סולרית במרכז החלל הגרמני DLR מצביעים על פוטנציאל לחיסכון משמעותי בעלויות ההקמה והתפעול השוטף של ייצור המימן.