מנוע בצורת צינור ודלק מימני: ההמצאות שישימו אותנו על מפת האנרגיה - מגזין

עקוב
פורסם ב-20.06.21
העולם, כפי שאנחנו מכירים אותו, ישתנה לחלוטין בעשורים הקרובים. ארובות, שנחשבו לפני 100 שנה לפאר התעשייה והפיתוח, הן כעת סמל של זיהום ולכלוך, ועתידות ליהפך ללא יותר מתזכורת לאופן המסוכן שבו ייצרנו חשמל בעבר נטול המודעות הסביבתית. כדי שהן ייהפכו להיסטוריה, המוח הישראלי שוקד על המצאות חדשניות ומיוחדות שמציתות את הדמיון ויעזרו לנו להמציא את החשמל מחדש. המדען הראשי במשרד האנרגיה הוציא השנה 19 מיליון שקל לתמיכה ב־41 פרויקטים הבוחנים שינויים מהותיים בתחום. המטרה היא לגרום לרעיונות בסיסיים ליהפך לטכנולוגיות יישומיות, שימושיות ובעלות פוטנציאל מסחרי.
"חיזוק ההון האנושי בתחומי המדע הקשורים באנרגיה – מסטודנטים ועד חוקרים מוכשרים – מביא לכך שידע רב נצבר. גם אם מחקר מסוים לא מצליח, הידע כבר ימצא את מקומו בסטארטאפ אחר", אומר ד"ר גדעון פרידמן, המדען הראשי בפועל במשרד האנרגיה. "התמיכה מאפשרת לקדם נושאים שהמשרד רואה בהם חשיבות: החל במחקרים בכימיה ופיזיקה, דרך הנדסה וחקלאות טכנולוגית, ועד לתחומי הכלכלה והחברה".
אם נתיב אחד לעבר עתיד ירוק יותר קשור לייצור חשמל ממקורות אנרגיה מתחדשים ולא מזהמים, כמו שמש, רוח ומים, נתיב אחר חוקר את האפשרות שמימן הוא "דלק העתיד". נכון להיום כיוון זה אינו כדאי מבחינה כלכלית וכרוך בסיכונים רבים. אלה שתיים מהסיבות לכך שפרופ' אלכס שכטר, מהמחלקה למדעי הכימיה באוניברסיטת אריאל בשומרון, מנסה לבחון את אפשרויות השימוש באמוניה, תרכובת חנקן ומימן שהיא אחד הכימיקלים התעשייתיים הנפוצים בעולם.
"המחקר מנסה לצאת מהקיבעון המחשבתי לפיו חייבים להשתמש בפחמן כדי לספק אנרגיה", הוא אומר. "שריפת דלק היא לא אפשרות בת־קיימא. צריך לחשוב על נשא אנרגיה או דלק חלופי. אילו יכולנו להשתמש במימן, זה היה הדלק האולטימטיבי, אולם יש לו בעיות אחסון, מחיר ושינוע, ובעיית בטיחות שעדיין לא לגמרי פתורה".
לדברי שכטר, העולם עדיין לא מתקדם מספיק כדי להישען על כלכלת מימן במובן הרחב של המילה, אך כדי לייצר מימן לא חייבים להשתמש בפחמן. "האלטרנטיבה שחשבנו עליה היא חנקן. כלומר, לעבור ממעגל פחמן למעגל חנקן, ולהשתמש במולקולה שמכילה פחמן כנשא אנרגיה". הוא מסביר ששימוש בפחמן דו־חמצני לצורך ייצור מימן אינו מהלך כלכלי, כי הריכוז שלו באטמוספירה נמוך מאוד, אבל חנקן, שמהווה 78% מהאטמוספירה, זה סיפור אחר – "החנקן נמצא בכל מקום ובכמויות לא מוגבלות". לכן, השאלה כעת היא איך לוקחים מולקולת חנקן והופכים אותה לנשאית אנרגיה כמו באמוניה – תרכובת הכוללת אטום אחד של חנקן ושלושה אטומים של מימן (NH3) – כך שניתן יהיה לייצר ולאגור באמצעותה חשמל.
"בהתחלה רציתי למצוא פתרון למכל האמוניה בחיפה", מספר שכטר. "לא חשבתי על שימושי אנרגיה. המטרה היתה הפקת אמוניה בכמויות קטנות, רק איפה שצריך, כי זו תרכובת שעלולה ליהפך למפגע סביבתי. אמוניה היא חומר שניתן להפוך לנוזל בקלות יחסית. את המימן, לשם השוואה, חייבים לקרר לטמפרטורה נמוכה יותר ממינוס 200 מעלות כדי להנזיל אותו ולשמור עליו ככה. זה דורש השקעת אנרגיה שמשמעותה ירידה בכדאיות הכלכלית. לכן, במקום לאחסן את המימן כגז, אפשר לאחסן אותו כמולקולה של אמוניה נוזלית".
השלב הבא הוא שימוש באמוניה בתא הדלק, שהוא סוללה שמפיקה חשמל ופולטת חזרה לאוויר את החנקן. "בחזון שלנו, זו תהיה מערכת סגורה שתיקח חנקן מהאוויר, תהפוך אותו לאמוניה, תאגור באמצעותה אנרגיה, תייצר חשמל ותפלוט החוצה את החנקן", אומר שכטר. לדבריו, הדרך היעילה ביותר לאגירת אנרגיה כיום היא באמצעות מולקולות שמומרות אחר כך למולקולות אחרות.
בנוסף לסוללה, הפרויקט עוסק בייצור אמוניה בכמויות הנדרשות במקום אחסונה במכלים גדולים שעלולים לסכן את הסביבה. "אנחנו עובדים בשני הכיוונים: גם מפרקים אמוניה לצורך הפקת חשמל, וגם לוקחים חנקן מהאוויר והופכים אותו לאמוניה", מוסיף שכטר. "בשני התהליכים האלקטרוכימיים הללו לוקחים חומר, מוסיפים לו אלקטרונים ומימנים שמקורם במים. מפיקים אמוניה, אוגרים אותה, ואז בשעות שבהן אי אפשר לייצר חשמל מהשמש, למשל, מכניסים את האמוניה למתקן אלקטרוכימי שמפיק חשמל. כך, למעשה, נמנע הצורך בשימוש בפחמן דו־חמצני".
עברו לתצוגת גלריה
תחנת כוח גרעינית בצרפת. חמישית מהשטח שנדרש כדי לייצר אותה כמות של חשמל באמצעות שדה סולאריצילום: בלומברג
שכטר מציין כי הפרויקט אמור להיות מושלם בשנתיים הקרובות, אך "עד שזה ייהפך למוצר יידרש עוד זמן". עם זאת, לדבריו, השימוש בתא דלק של אמוניה יהיה יעיל יותר מבחינה כלכלית ביחס לסוללות רגילות, הדורשות השקעה גדולה, והוא סבור כי "בשנים הקרובות אמוניה תהיה מטבע מרכזי במשק האנרגיה".
זמין 100% מהזמן
כשמדברים על אנרגיה ירוקה בישראל מתייחסים בדרך כלל לחשמל סולארי – עד 2030, כ־30% מהחשמל המיוצר בישראל אמורים לבוא מהשמש. אבל יש בעיה מרכזית עם אנרגיה סולארית – אי אפשר לייצר באמצעותה חשמל בלילה או בימים מעוננים. לצורך כך ניתן להקים סוללות שיאגרו את החשמל וישחררו אותו למערכת בשעות שאין בהן שמש – אבל הסוללות האלה מספיקות בדרך כלל לשעות ספורות והתקנתן יקרה מאוד. בנוסף, בחורף ייתכן מצב שבו יהיו כמה ימים ללא שמש בכמות המספיקה לייצור חשמל – ולצורך גיבוי נדרשת הקמה של מערכת ייצור חשמל כפולה בגז טבעי.
כדי לייתר את הצורך במערכת שלמה נוספת, פרופ' כרמל רוטשילד מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון מפתח מנוע קטן ויעיל שיוכל לפעול באמצעות חום השמש, ובהיעדרה – גם באמצעות מקור חום חיצוני. "מצאנו כי הבעיה במנועים בעולם היא שהם בנויים על גזים בלבד", אומר רוטשילד. מטרת הגזים היא לייצר את העבודה התרמו־דינמית של מנוע חום ולהביא את האנרגיה למנוע, אלא שכאן טמון גם הכשל: "במנוע בעירה פנימית כמו ברכב אין בעיה, כי צפיפות האנרגיה של אדי דלק היא אדירה", מסביר רוטשילד, "אך כשהגזים צריכים להביא את החום למנוע ולבצע עבודה, קיבול החום המזערי שלהם ליחידת נפח גורם לגזים להתקרר במהלך ההתפשטות, וזה פוגע ביעילות.
עברו לתצוגת גלריה
פרופ' יעל פרג, המרכז הבינתחומי הרצליהצילום: אלעד רפאלי
" כיום חלק גדול מהאיומים בתחום האנרגיה נוגעים לצורך להגן על תשתיות ואסדות הגז. אבל בעוד 30 שנה לא יהיה גז ולא יהיו אסדות. צריך לשאול מה כן יהיה"
"בפתרון שלנו, אנחנו לוקחים את הנוזל לאחר שהתחמם באור השמש למאות מעלות, ומערבבים אותו עם בועות אוויר בתוך נחיר, שהוא למעשה צינור מתוחכם, שם מתבצעת האינטראקציה. הבועות, שסופגות את החום מהנוזל, מתפשטות באופן איזותרמי. ההתפשטות של האוויר מאיצה את הנוזל בנחיר וממירה אותו לאנרגיה קינטית ומשם לחשמל, בטכנולוגיה הדומה להפקת חשמל הידרו־אלקטרי, וביעילות של 40%. זה מנוע מהפכני בפשטותו ובפוטנציאל שלו. הוכח שהנוזלים מספקים חום לבועות בקצב מהיר ומייצבים את הטמפרטורה במהלך ההתפשטות. בצורה זו היעילות מוכפלת ביחס להתפשטות גז ללא חימום".
הפיתוח לא מתיימר להחליף מנועי בעירה פנימית שנמצאים למשל בכלי רכב – אלא מערכות גדולות יותר, המשמשות למשל להפקת חשמל או ייצור מימן. מאחר שהמנוע יוכל לספק חשמל באופן קבוע – ייצורו יהיה זול הרבה יותר. גם ייצור מימן ירוק בצורה רציפה יוריד את עלותו בצורה משמעותית. "המנוע הזה יוכל לעבוד באמצעות חום השמש, וכשאין שמש, הוא יכול להשתמש למשל באגירה תרמית זולה. בימים הבודדים שאין בהם קרינה חזקה, המנוע יכול לעבוד באמצעות בעירת מימן, ביו־דיזל או גז – וכך להיות זמין במשך 100% מהזמן", אומר רוטשילד.
הוספת אנרגיה סולארית בהיקף גדול דורשת שינוי של תמהיל מקורות החשמל, המתבסס כיום על רוב של טורבינות גדולות ויעילות, וטורבינות קטנות בהיקף קטן יותר. שינוי התמהיל הזה במצב הנוכחי אינו רצוי. אלא שאם המנוע יוכיח את יעילותו, הוא יאפשר להסתפק בטורבינות הגז והפחם הגדולות ולוותר על טורבינות הגז שפועלות ביעילות מופחתת. החוקרים עוברים כעת מהוכחת האפקט הפיזיקלי לבניית אבטיפוס, מתוך כוונה להציג אבטיפוס כזה עד סוף השנה הנוכחית.
בטוח יותר, נפיץ פחות
לצד הפיתוחים העתידיים, יש תחומים שבהם המהפכה החשמלית כבר כאן. התחבורה למשל, היא דוגמה טובה לכך. קורקינטים חשמליים ואופניים חשמליים נהפכים פופולריים יותר ויותר, ומכוניות חשמליות מגדילות אט־אט את נתח השוק שלהן. עם זאת, כלי רכב חשמליים סובלים עדיין מכמה נקודות תורפה: מרחק הנסיעה מוגבל, הסוללה יקרה וקיים חשש מפני התלקחות. בשנים האחרונות התפרסמו בתקשורת ידיעות על מקרים שבהם סוללות של אופניים חשמליים התפוצצו בעת טעינה, או על מכוניות חשמליות שנשרפו והיה קשה לכבותן. בעיית המרחק מטרידה לקוחות פוטנציאליים רבים החוששים להיתקע, במיוחד בעת נסיעות לאזורים שבהם אפשרויות הטעינה מצומצמות או לא קיימות.
פרופ' מלאכי נוקד מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בר־אילן מנסה להתמודד עם האתגרים האלה. "סוללה מורכבת משלושה אלמנטים חשובים: אלקטרודה שלילית (אנודה), אלקטרודה חיובית (קתודה) והחומר שביניהן – אלקטרוליט – שחייב להיות מבודד ולהוליך יצורים אחרים שהם לא אלקטרונים", הוא מסביר. "כיום, הסוללה מסוגלת לאחסן כמות אנרגיה שנחשבת גבוהה, אבל היא עדיין מוגבלת". לדבריו, האנודה מכילה כיום בעיקר גרפיט וניתן לאחסן בה כמות מוגבלת של אלקטרונים; הקתודה עשויה מתחמוצת של מתכות מעבר שאחת מהן היא קובלט – מתכת יקרה ונדירה יחסית; ואילו האלקטרוליט הוא נוזל אורגני, נפיץ ודליק, שהשימוש בו כרוך בבעיות בטיחות.
במעבדה של נוקד מתנהלים כמה פרויקטים שעוסקים בכל אחד מהרכיבים בנפרד ובשילוב ביניהם. במקביל, במעבדות אחרות באוניברסיטה מפתחים בהובלת פרופ' דוד זיתון ופרופ' דורון אורבך סוללות ליתיום שנחשבות יעילות ובטוחות יותר.
"באמצעות הפיתוח הזה ניתן יהיה להציע זמן אגירה זהה, אבל בנפח קטן הרבה יותר, מחיר נמוך הרבה יותר ובטיחות רבה יותר. היישומים הם כלי רכב חשמליים, אגירת אנרגיה וגם מכשירים ניידים"
עברו לתצוגת גלריה
פרופ' מלאכי נוקד, אוניברסיטת בר אילן. להמציא מחדש את הסוללהצילום: יורם רשף
לדברי נוקד, המחקרים יובילו לכך שהקתודה תוכל לאגור 40% יותר אנרגיה בתוכה ביחס לקתודות שנמצאות כיום בסוללות, וזאת מבלי להכיל קובלט; האנודה לא תהיה מבוססת רק על גרפיט ותהיה מסוגלת לאגור עד פי חמישה אנרגיה; ובנוגע לאלקטרוליט מפותחים חומרים אי־אורגניים שיהיו בטוחים יותר ונפיצים פחות.
"היישומים הם כלי רכב חשמליים, אגירת אנרגיה וגם מכשירים ניידים", מסביר נוקד. לדבריו, אחת הבעיות המרכזיות בשוק החשמל היא הקושי לאגור אנרגיה בסוללות כך שניתן יהיה להשתמש במקורות סולאריים גם בשעות ללא אור שמש. בנוסף, הפתרונות שקיימים כיום תופסים שטחים רבים, מוגבלים בנפח ועלולים להוות מפגע בטיחותי. "באמצעות הפיתוח הזה ניתן יהיה להציע זמן אגירה זהה, אבל בנפח קטן הרבה יותר, מחיר נמוך הרבה יותר ובטיחות רבה יותר", הוא אומר. אם כיום מקדמים פרישה של סוללות שיכולות לאגור אנרגיה למשך ארבע שעות, הרי שלפי נוקד, בעתיד סוללות בנפח דומה יוכלו לאגור אנרגיה למשך עשר שעות.
נוקד, זיתון ואורבך חברים גם במרכז אנרגיה ישראל־ארצות הברית שממומן ביותר מ־18 מיליון דולר על ידי קרן בירד וחברות אמריקאיות, ומלווה על ידי משרדי האנרגיה של שתי המדינות. אף שאחת הבעיות המרכזיות כיום היא טווח הנסיעה המוגבל וזמן הטעינה הארוך – בהשוואה כמובן לשימוש בדלק – לא בטוח שבעתיד ייוצרו מכוניות עם טווח נסיעה ארוך בהרבה, בגלל שינויים באיפיון שוק הרכב העולמי והרגלי הנהגים. "כשחושבים על הנהג הממוצע כיום, ההנחה היא שרכב צריך להיות מסוגל לנסוע 300 ק"מ ברציפות. אבל כלי רכב רבים עושים למשל רק 70 ק"מ, ואז הסוללה תהיה זולה מאוד. המטרה שלנו היא שהרכב יהיה בטוח יותר ושהסוללה תכיל חומרים נפוצים הרבה יותר, ולכן גם זולים", אומר נוקד.
"תמיד יש מחיר סביבתי"
השינויים בסוגי הדלקים, אופי ייצור החשמל והשימוש בו, מחייבים את ישראל לחשיבה אסטרטגית ארוכת טווח. כך למשל, מה יקרה בעידן שבו יאזל הגז הטבעי באסדות הקידוח, אבל ייצור החשמל הסולארי עדיין לא יהיה מפותח מספיק? המחקר של פרופ' יעל פרג, סגנית הדקאן בבית הספר לקיימות במרכז הבינתחומי בהרצליה, מנסה להתמודד עם שאלות מעין אלה. "נקודת המוצא היא שמה שהיה – הוא לא מה שיהיה", אומרת פרג. "אנחנו עוברים ממערכת מוטת דלקים מאובנים למערכת של דלקים אחרים. למשל, כיום חלק גדול מהאיומים בתחום האנרגיה נוגעים לצורך להגן על תשתיות ואסדות הגז. אבל בעוד 30 שנה לא יהיה גז ולא יהיו אסדות, וצריך לשאול מה כן יהיה".
לדברי פרג, כשדנים בהיבטים אסטרטגיים הכרוכים בביטחון האנרגטי של ישראל בעתיד, יש להביא בחשבון גם שינויים מרחיקי לכת ברמה הגיאו־פוליטית. "אם הולכים למערכת מוטה לסולארי, זה אומר שנדרשת אגירת אנרגיה רבה. ואז, אנחנו תלויים בסוללות שכדי לייצר אותן דרושים מינרלים מסוימים. מדינות שיש להן את המינרלים האלה יהיו חזקות הרבה יותר. המשמעות היא שגם האיומים משתנים".
המחקר בתחום עדיין בראשיתו, מעידה פרג, אבל כבר ברור כי כדי לשמור על ביטחון אנרגטי בעתיד, צריכים להתקיים ארבעה פרמטרים: זמינות, אמינות, מחיר סביר וקיימות סביבתית. "חשוב שניתן יהיה לצרוך חשמל בהתאם לביקוש, ושהאיכות שלו תהיה טובה. שאם תוקעים את המחשב לחשמל במטולה או באילת, הזרם מהרשת לא יפגע בו; שלא נחשוב עשר פעמים לפני שנשתמש ברשת. לגבי המחיר הסביבתי, תמיד יש מחיר כזה, אבל צריך שהוא לא יהיה מוגזם".
דוגמה למחיר סביבתי שכזה אפשר למצוא בפאנלים הסולאריים שהכרחיים לייצור אנרגיה מהשמש. "הפחתה של פחמן דו־חמצני חשובה, אבל היא לא הכל", אומרת פרג. "עבור מערכת חשמל שהיא רק של אנרגיה סולארית, צריך הרבה מאוד שטח. יש לשקול מהן החלופות. לדוגמה, כדי לייצר ג'יגה־ואט חשמל מאנרגיה סולארית דרוש שטח גדול פי חמישה מהשטח שנדרש עבור ייצור ג'יגה־ואט חשמל מאנרגיה גרעינית. צריך לחשוב גם על ההשלכות של שימוש בסוללות לצורכי אגירת אנרגיה. יש כל מיני פתרונות, כמו שדות סולאריים על שטחים חקלאיים ושימוש דואלי בקרקע, אבל צריך לבדוק היתכנות ואם זה פוגע בחקלאות. אני בונה מסגרת אסטרטגית לאופן שבו כדאי להתבונן על זה באופן מערכתי, ולא רק סביב פתרון מסוים. צריך גם לבחון איומים בטווח הקצר והארוך, כמו מזג אוויר קיצוני, מתקפת טרור או משהו לא צפוי אחר. צריך לחשוב מה יחליף את הגז. אנחנו יודעים שהביקושים יעלו כי האוכלוסייה גדלה והביקוש גדל, גם בגלל שינויים כמו המעבר למכוניות חשמליות. צריך לבחון מהם התרחישים והאפשרויות של ישראל, להעריך את הסכנות ולתת להן ערך כלכלי".
תגיות:

Related Keywords

United States ,Herzliya ,Tel Aviv ,Israel ,Yael ,Hadarom ,Brown Sun ,David Zeitoun ,Elad Rafaeli ,Carmel Rothschild ,R Gideon Friedman ,Yoram Reshef ,Alex Schechter ,Bloomberg Schechter ,Doron Auerbach ,University Ariel West Bank ,Department Chemistry University Bar ,Department Science ,Other University ,Future Green More ,Low More ,Currency Central ,Professor Carmel Rothschild ,Note Sun ,Professor Malachi ,Professor David Zeitoun ,Auerbach Friends ,Professor Yael ,Metula Or Eilat ,ஒன்றுபட்டது மாநிலங்களில் ,தொலைபேசி அவிவ் ,இஸ்ரேல் ,யேல் ,அலெக்ஸ் ஸ்கீச்சர் ,துறை அறிவியல் ,அதர் பல்கலைக்கழகம் ,குறைந்த மேலும் ,