קיימות תוצרת הטכניון

קבוצת חוקרים מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון מציגה ב- Nature Materialsתהליך חדש לייצור מימן ירוק באמצעות אנרגיה מתחדשת. תהליך זה מגלם יתרונות משמעותיים על פני תהליכים אחרים המשמשים להפקת מימן ירוק, והמשך פיתוחו לכדי טכנולוגיה מסחרית עשוי להוזיל ולהאיץ את השימוש במימן ירוק כתחליף נקי ובר קיימא לדלק מחצבי. התהליך פותח על ידי איליה סלובודקין במסגרת עבודת המגיסטר שלו, בעזרת החוקרת הבכירה ד”ר ילנה דוידובה ובסיוע ד”ר אנה ברייטוס והמסטרנט מתן סאנאניס.

במאמר שהתפרסם מדווחים החוקרים על סדרת ניסויים המהווה הוכחת היתכנות ראשונית לתהליך המוצע ומציגים תוצאות המדגימות את יעילותו הגבוהה ויכולת עבודה בזרמים גבוהים שמשמעותם הפקת מימן בקצב גבוה. עם זאת, הדרך לפיתוח טכנולוגיה חדשה על בסיס פריצת הדרך המדעית המוצגת במאמר עוד ארוכה. טכנולוגיה שכזו עשויה להתגבר על המכשולים הרבים בדרך לייצור תעשייתי של מימן ירוק כתחליף בר-קיימא לדלק מחצבי.

תמונה קבוצתית מימין לשמאל: ד”ר אנה ברייטוס, מתן סאנאניס, ד”ר ילנה דוידובה ואיליה סלובודקין

מימן הוא דלק חלופי לפחם, לנפט ולגז, והשימוש בו צפוי לצמצם את השימוש במחצבים אלה ההולכים ואוזלים ואת פליטת גזי החממה ממקורות שונים ובהם תחבורה, ייצור חומרים וכימיקלים וחימום ביתי ותעשייתי. בניגוד לדלקים אלה, הפולטים לאטמוספירה פחמן דו-חמצני בשריפתם באוויר, השימוש במימן מייצר מים נקיים ולכן הוא נחשב דלק נקי.

הדרך הנפוצה לייצור המימן עצמו צורכת גז (מתאן) או פחם ופולטת לאטמוספירה כמות גדולה של פחמן דו-חמצני, וכך היא מבטלת את יתרונות השימוש בו כתחליף ירוק ובר קיימא לדלק מחצבי. הצריכה העולמית של מימן בשנה שעברה (2022) עמדה על כ-95 מיליון טונות, כמות המשמשת להשבחת מוצרי דלק שונים ובעיקר לייצור אמוניה הדרושה להפקת דשנים לחקלאות. כמעט כל המימן הנצרך מופק מדלק מחצבי ולכן הוא נקרא מימן אפור (מיוצר ממתאן) או שחור (מיוצר מפחם). ייצור המימן בשיטות אלה אחראי לכ-2.5% מהפליטה השנתית הגלובלית של פחמן דו-חמצני לאטמוספירה כתוצאה מפעילות מעשה ידי אדם. החלפת המימן האפור במימן ירוק נחוצה כדי לאפס את מקור הפליטה המשמעותי הזה ולהמיר את השימוש בדלק מחצבי מזהם במימן נקי ובר-קיימא.

הערכות שונות צופות שמימן ירוק עשוי לתפוס נתח של כ-10% ממשק האנרגיה הגלובלי במצב של אפס פליטות פחמן (net zero) – המצב הדרוש כדי למתן את שינויי האקלים ואת התחממות כדור הארץ כתוצאה מאפקט החממה הנוצר מעליית ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה. זה הרקע לחשיבותו הרבה של המימן הירוק במאבק הגלובלי בהתחממות כדור הארץ.

מימן ירוק מיוצר באלקטרוליזה – פירוק חשמלי של מים לחמצן ומימן תוך שימוש בחשמל ממקורות מתחדשים כגון רוח ושמש. האלקטרוליזה התגלתה לפני למעלה מ-200 שנה ומאז עברה התפתחויות ושיפורים רבים, אך היא עדיין יקרה מדי לייצור מימן ירוק לשימוש תעשייתי. אחד האתגרים הטכנולוגיים המגבילים את הרחבת השימוש באלקטרוליזה לייצור מימן ירוק בהיקף מספק – ההיקף הדרוש כדי לסייע במימוש התוכניות לאפס פליטות פחמן – הוא הצורך בממברנה וברכיבי איטום יקרים שיחצצו בין חצי-התא שבו מופק המימן בקתודה לבין חצי-התא שבו מופק החמצן באנודה.

פרופ’ אבנר רוטשילד

לפני שנים ספורות הציגו חוקרי הטכניון תהליך אלקטרוליזה חדשני ויעיל שאינו מצריך ממברנה וחציצה לשני חצאי-תאים משום שהמימן והחמצן נוצרים בשלבים שונים של התהליך בניגוד לאלקטרוליזה רגילה בה הם מופקים בו זמנית. תהליך זה, שקיבל את השם ETAC,  פותח על ידי ד”ר חן דותן וד”ר אביגיל לנדמן בהנחיית פרופ’ אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים ופרופ’ גדעון גרדר מהפקולטה להנדסה כימית ע”ש וולפסון. המשך הפיתוח התעשייתי לטכנולוגיה חדשה להפקת מימן ירוק מתבצע בחברת H2Pro  שהוקמה ב-2018 על ידי ד”ר דותן, פרופ’ רוטשילד ופרופ’ גרדר שחברו ליזם טלמון מרקו כדי לממש את יתרונות התהליך ולהביא ליישומו המסחרי.

פרטי הטכנולוגיה החדשה:

כעת, מציגים חוקרי הטכניון מקבוצת המחקר של פרופ’ רוטשילד תהליך חדש שבו המימן והחמצן נוצרים בו-זמנית בשני תאים נפרדים, בשונה מ-ETAC שבו הם נוצרים באותו התא אך בשלבים שונים. תהליך זה עוקף אתגרים תפעוליים ומגבלות קצב וקיבול של האלקטרודה המוצקה שבה נוצר החמצן בתהליך ETAC באמצעות החלפתה באלקטרוליט נוזלי של נתרן ברומי (NaBr) במים. החלפה זו סוללת את הדרך לפעולה רציפה (בניגוד לפעולה מנתית בתהליך ETAC), ומבטלת את הצורך לסחרר במערכת אלקטרוליט קר ואלקטרוליט חם לסירוגין. יוני הברומיד (Br –) באלקטרוליט מתחמצנים באנודה לברומאט (BrO3–) תוך כדי יצירת מימן בקתודה, ואלה זורמים עם האלקטרוליט הנוזלי לתא אחר בו הם מתחזרים בחזרה למצב המוצא שלהם תוך כדי יצירת חמצן, וחוזר חלילה. כך מימן וחמצן נוצרים בו זמנית בשני תאים נפרדים בתהליך רציף ללא שינויי טמפרטורה, בניגוד לתהליך ETAC. בנוסף, החמצן נוצר באלקטרוליט הנוזלי ולא באלקטרודה המוצקה כבתהליך ה-ETAC, ולכן הוא אינו תלוי במגבלות קצב וקיבול המאפיינות אלקטרודות שכאלו בדומה לסוללות נטענות.

פרופ’ רוטשילד הוא סגן המשנה הבכיר לנשיא לקיימות בטכניון. הוא חבר בתוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון (GTEP), במרכז הקיימות לקטליזה ע”ש סטיוארט ולינדה רזניק  (RSCC)ובמכון הלאומי הישראלי לאחסון אנרגיה. המחקר נתמך על ידי משרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה ופרס Climate Solution Prize של קק”ל-JNF.

למאמר בכתב העת Nature Materials לחצו כאן