מימן כדלק

ניסיון מוגבל לערוך סדר בנושא דלק מימני.

עליית מחירי הנפט ובעיות הסביבה העולמיות משמשים תמריצים וזרזים לפיתוח טכנולוגיות תחבורה חדשות המיועדות לשמש תחליפים לשיטה הנפוצה של שימוש במנועי בעירה פנימית המונעים על ידי דלקים מאובנים נוזליים. אחד היסודות הכימיים העולה כתחליף אפשרי לדלקים המאובנים הוא המימן. שימוש במימן להנעת כלי רכב הוא נושא מורכב, הכולל גילויים ופיתוחים מדעים וטכנולוגים פורצי גבולות, שחלקם הוכח כאפשרי וחלקם לא, חלקם התברר כבעל פוטנציאל לניצול כלכלי, ואילו אחרים יאלצו להמתין במעבדות ומכוני מחקר לשעת כושר מאוחרת.

מימן כדלק

תגובות כימיות מסוימות צורכות יותר אנרגיה מזו המושקעת ביצירתן ולעומתן אחרות פולטות יותר אנרגיה מזו המושקעת בהן. כאשר קיימים קשרים כימיים חלשים בין אטומים במולקולה, ניתן ליצור תגובה כימית שבה הקשרים החלשים מתפרקים והאטומים מתחברים מחדש בקשרים חזקים בזמן שנפלטת יותר אנרגיה מזו המושקעת בתהליך. מאידך, כדי לפרק קשרים כימיים חזקים לבניית מבנים בעלי קשרים חלשים נדרש להשקיע יותר אנרגיה מזו המתקבלת מהתהליך. חומרי הדלק המקובלים להנעת מכונות וכלי רכב הם חומרים אורגניים בהם מתקיימים קשרים כימיים חלשים, ולכן בעירתם פולטת יותר אנרגיה מזו המושקעת בתהליך. מנועי הבעירה ממירים את האנרגיה הכימית האגורה בחומרי הדלק לאנרגיה מכנית.

חומרי הדלק המקובלים הם צוברים של אנרגיה כימית הנוחים לטיפול, לאחסון ולשינוע. דלקים מאובנים, ובהם נפט ו-“גז טבעי” ( – מתאן), הם תרכובות ותערובות שונות בעלות אנרגיה כימית פוטנציאלית יחסית גבוהה, ולכן הם משמשים להפקה וניצול של אנרגיה. הדלקים המאובנים בנויים ממולקולות הכוללות פחמימנים, שהמרכיבים העיקריים שבהם הם פחמן ומימן. מכאן שבמנועי הבעירה הפנימית מתקיימות תגובות כימיות בהן המימן הוא שותף פעיל, אלא שבעירה זו אינה של מימן טהור, אלא של מימן המורכב ומעורב עם חומרים נוספים.

בספרי כימיה מופיעות דוגמאות לתגובות כימיות של פחמן ושל מימן, הפולטות אנרגיה בהליכי בעירה מושלמים:

* 1 ק”ג של מימן טהור (H2) + 8 ק”ג של חמצן (O2) יוצרים 9 ק”ג של אדי מים (H2O) + 33.3 קילוואט של אנרגיה.

* 1 ק”ג של פחמן (C) + 2.67 ק”ג של חמצן (O2) יוצרים 3.67 ק”ג של פחמן דו חמצני (CO2) + 9.4 קילוואט אנרגיה

בהקשר זה יש מקום לציין כי  1 ק”ג של דלק “ממוצע” + 3.5 ק”ג של חמצן (O2) יוצרים 3.1 ק”ג של פחמן דו חמצני (CO2) + 1.4 ק”ג של מים (H2O) + 13.2 קילוואט אנרגיה. נתונים אלה הם גסים, ומשתנים בהתאם לסוג הדלק ויעילות המנועים בהם נעשה שימוש, אך הם מספקים סדרי גודל למטרות השוואה, ומעידים על כך שלמימן חלק חשוב ביצירת האנרגיה מהליכי הבעירה של דלקים. יש לציין כי תהליכי בעירה של דלקים כוללים גם חומרים נוספים, ובהם חנקן, והם פולטים לחלל האוויר תרכובות רעלניות שונות שעלולות להזיק לבריאותם של בעלי חיים וצמחים, וכנראה גם לגרום לנזקים מצטברים וארוכי טווח לקיום החיים על פני כדור הארץ כתוצאה מפגיעה בשכבת האטמוספירה המגינה עליו.

מתיאור התגובות הכימיות עולה כי, כחומר דלק האוצר אנרגיה כימית, למימן הטהור שני יתרונות בולטים לעומת הפחמן:

* הקשרים הכימיים במימן הטהור חלשים מאלו שבפחמן, ולכן ניתן להפיק ממימן במשקל זהה לזה של פחמן בערך פי שלוש יותר אנרגיה.

* המימן הטהור מתרכב עם חמצן והופך למים, ואילו הפחמן הופך לפחמן דו-חמצני, הנחשב ל-“גז חממה”.

אין להתפלא אם כן כי נעשים ניסיונות להשתמש במימן כחומר דלק לניצול האנרגיה הכימית האגורה בו, ומספר חברות רכב יצרו רכבי ניסוי המונעים במימן.

הפקה ושימור מימן

קיימות שיטות שונות להפקת מימן טבעי על ידי פירוק תרכובות בהן הוא נמצא. ניתן לבודד מימן מתוך דלקים מאובנים, כמו גז טבעי, באמצעות שימוש בקיטור בעוצמה גבוהה המפרק מולקולות של מתאן למולקולות של פחמן חמצני ושל מימן טהור. שיטות אלו מפרקות חומרי דלק קיימים, כך שהליכי הפרדת המימן אינם יוצרים ערך אנרגטי מוסף, והם פולטים פחמן חד חמצני הנחשב כחומר המזיק לבריאות האדם ולגז חממה. ניתן לנצל חלק מהפחמן החד חמצני על ידי יצירת תגובה כימית בינו לבין מים, הפולטת מולקולות של פחמן דו-חמצני ושל מימן טהור.

ניתן לפרק מולקולות של מים למרכיביהם – מימן וחמצן, באמצעות אלקטרוליזה חשמלית, או בעזרת פירוק ביולוגי, העושה שימוש בתהליכים טבעיים המתקיימים בבקטריות, אצות או צמחים.

יתרונותיו של המימן הטהור כחומר דלק האוצר בחובו אנרגיה כימית רבה הם מקורות חולשותיו:

* מכיוון שהקשרים הכימיים בין אטומי המימן הטהור חלשים, הוא נדיר בטבע בצורה זו, אך מופיע בתרכובות בעלות קשרים חזקים עם חומרים אחרים. המימן הוא חומר זמין המשמש אחד המרכיבים במים, אך ניתוק הקשרים הכימיים החזקים המתקיימים במים בין אטומי המימן לאטומי החמצן דורש השקעת אנרגיה רבה. על פי “חוק שימור האנרגיה” לא ניתן לקבל כתוצאה מהפרדת מים יותר אנרגיה כימית מזו שהושקעה בתהליך, ולכן יצירת מימן טהור למטרות אנרגיה מעלה את השאלה הבסיסית, מה התועלת ביצירת מקור אנרגיה כימית אם נדרשת השקעת אנרגיה זהה או עודפת כדי ליצור את המקור?

* מכיוון שבאמצעות השקעת אנרגיה קטנה יחסית ניתן להפיק מהמימן הטהור אנרגיה רבה, יש לאחסן אותו באופן מבוקר וזהיר ובנפחים גבוהים יחסית, משום שדחיסתו עלולה לגרום להתפרצות אנרגיה, ואילו הפיכתו לנוזל דורשת השקעת אנרגיה מרובה. חולשתו של המימן כחומר נפץ התפרסמה כתוצאה מהתפוצצות בלון המימן של ספינת האוויר “הינדנבורג” לפני מלחמת העולם השנייה. התפוצצות זו הזיקה מחד ליחסי הציבור של המימן כחומר הניתן לאחסנה ולשימוש בטוחים, ומאידך הניעה את אנשי המדע להשכיל ולייצר אמצעי אחסנה בטוחים לשימור מימן.

החולשה הראשונה של הדלק המימני היא נקודת התורפה הבולטת שלו. הליך ייצור הדלק המימני דורש השקעת אנרגיה רבה ואינו יכול להתחרות בדלקים המאובנים הנכרים כמחצבים מהאדמה, כשהם כמעט ומוכנים לשימוש. הדרכים היצירתיות להתגבר על חולשה זו מצויות במספר מישורים.

היעילות הכלכלית של דלק מימני

אנרגיית המימן מעוררת את השאלה כיצד ניתן ליצור רווח או תועלת מצבירת אנרגיה כימית על ידי הפקה וצבירה של מימן טהור, אם לא נקבל יותר אנרגיה מזו שהושקעה בתהליך הייצור? התשובה לשאלה זו נמצאת בחלקה בעולם הכלכלה ולא בעולמות הפיזיקה, הכימיה, המדעים וההנדסה. ספקולנט בבורסות למסחר אינו יצרן ואינו תורם כל ערך מוסף, אך הוא עשוי לגרוף רווחים ולרכז הון על חשבון סוחרים אחרים, אם ידע לכלכל צעדיו על ידי איסוף סחורה זולה כאשר אחרים מזלזלים בה ומכירתה ביוקר כאשר היא נדרשת. בספקולציה הטהורה אין כל ערך חברתי, אך התנהלות כלכלית שקולה מחייבת עריכת פעולות המנוגדות לנטיות לב טבעיות של רבים והיא בעלת ערך חברתי חשוב. כך לדוגמא, סוחר המשקיע את הונו בבניית אסמי תבואה כדי לאגור תבואה זולה בעתות שפע, על מנת למכור אותה כסחורה יקרה בשנות בצורת הוא לא רק ספקולנט תאב בצע, אלא גם אדם שקול הנוטל סיכונים מחושבים במקום שאחרים רצים כעדר שוטים ואינם מכלכלים את צעדיהם מתוך אחריות לעתיד.

ערכם הכלכלי של מוצרים ושירותים נובע מחסרונם בזמן ובמקום מסוים ולא מחסרונם המוחלט. כך לדוגמא, האדם עשוי לחפוץ בחום השמש דווקא בימי הקרה, ובקור השלג דווקא בימות החום, באור השמש בלילה, ובחשכת הליל ביום. אגירת אנרגיה במצבורים כימיים בשעות בהן היא זמינה, כדי לנצל אותה בתקופות בהן היא חסרה, לא תיצור אנרגיה יש מאין, אך תיצור מוצר בעל ערך ותועלת כלכליים, ומכאן חשיבותה של כלכלת המימן הטהור. חשיבותו של היסוד הכימי מימן טמונה ביכולתו לאגור אנרגיה כימית, הניתנת לניצול בשעת צורך, במיוחד כאשר התגובה הכימית בתהליך בעירתו אינה פולטת בסביבתה גזים רעילים, אלא מים זכים.

את המימן ניתן לנצל כחומר בעירה רב עוצמה באמצעות השיטות המקובלות במנועי הבעירה הפנימית הנפוצים. בנוסף לכך ניתן, בתהליך כימי הפועל כהיפוך להפרדת מימן ממים בשיטת האלקטרוליזה, להפוך את האנרגיה האצורה במימן לאנרגיה חשמלית בטכנולוגיה המכונה “תאי דלק”, ולתרגם אנרגיה זו למנועים חשמליים, שיעילותם עשויה לעלות על זו של מנועי הבעירה.

תחרות בין צבירת אנרגיה כימית לאופני צבירה אחרים – חלק מהיתרונות והחסרונות של צבירת אנרגיה כימית על ידי הפרדת מימן ואחסונו פורטו לעיל, אלא שמלבד הדלקים המאובנים המתחרים הטבעיים במימן, קיימות ומתפתחות צורות נוספות של אגירת אנרגיה המתחרות במימן, ובהן סוללות הצוברות אנרגיה חשמלית, גלגלי תנופה הצוברים אנרגיה קינטית, קפיצים האוגרים אנרגיה מכנית, או תאי לחץ אוויר או שמן הניתנים לשחרור מבוקר. בטכנולוגיות שונות מפותחים מנועים מגוונים המנסים לקרוא תגר על מנועי הבעירה הפנימית השולטים בשוק התחבורה.

הפקת מימן באמצעים זמינים וזולים

כדי להתגבר על מגבלות התועלת הכלכלית של הפקת מימן תוך השקעת אנרגיה מדלקים מאובנים או חומרי בעירה יקרים, נערכים מחקרים המנסים להפיק מימן באמצעות שימוש במקורות אנרגיה זמינים וזולים, כמו אנרגיית השמש, או שימוש בבקטריות ואנזימים הפועלים ביעילות וללא דרישות של שכר ותנאים נלווים, בעולם החי והצומח לאגירת אנרגיה.

שימוש באנרגיות מתחדשות – מקור האנרגיה העיקרי של כדור הארץ היא השמש, המצויה בשפע ומספקת חום ואור, גורמת למשבי רוח ולגלי ים, מניעה את מחזור המים הגורם לזרימת נהרות ונחלים ומספקת אנרגיה לחי ולצומח על פני האדמה. את אנרגיית השמש לא ניתן לאגור ככזו, אך ניתן לצבור אותה במצברים של אנרגיה כימית, חשמלית, מכנית או קינטית. בתהליכים שונים ניתן לתרגם את אנרגיית השמש ולהמיר אותה למצברי אנרגיה כימית על ידי יצירת מימן ואגירתו. את אנרגיית השמש קשה לנצל בפרצי עוצמות מבוקרות במנועי בעירה, אך תרגומה לאנרגיה כימית האגורה במימן מקנה אפשרות להפוך בתהליכים איטיים מקורות אנרגיה מפוזרים למקורות אנרגיה מרוכזים וזמינים לניצול בעת הצורך.

ניצול עולם החי והצומח – מולקולות עתירות באנרגיה נפוצות בעולם הצומח והחי, משום שהחי והצומח מסוגלים בעזרת אנזימים ותהליכים מורכבים, שהמדע לא הצליח לחקותם, לייצר באופן יעיל מצבורי אנרגיה כימית. התיאוריה המדעית המקובלת היא כי דלקים מאובנים הם משקעים של מצבורי אנרגיה כימית שנוצרו במשך מאות אלפי שנים כתוצאה מהפיכת מים ופחמן דו חמצני למצבורים של פחמימנים על ידי צמחים ובעלי חיים באמצעות אנרגיית השמש. מסיבה זו, הדרך הפשוטה והזולה ביותר היא לאסוף ולחצוב את מצבורי האנרגיה הכימית הנמצאים מן המוכן, אלא שלטענת מדענים רבים השימוש המופרז במקורות מוכנים ובשלים אלו מחזיר לאטמוספירה במהירות כמויות מופרזות של פחמן דו-חמצני שנספגו באדמה בתהליכים איטיים במשך עשרות שנים והחזר זה מסכן את קיום החיים עלי אדמות.

כדי לא לעשות שימוש מופרז בדלקים המאובנים ישנם מחקרים המנסים לפענח את סודותיו של עולם החי ביצירה יעילה של מצבורי אנרגיה כימית, אך מחקרים רבים יותר, מנסים למצוא סוכנים קיימים במרחב הביולוגי ולנצל אותם להפקת אנרגיה כימית, בדומה לניצול הקדום שעשה האדם שהשתמש בחיות משק לשירותו, או בבקטריות ושמרים להפקת אלכוהול או לחם. המחקרים העוסקים בתפרים שבין הביולוגיה לכימיה רבים ומגוונים וחלקם נשמעים כמדע בדיוני. קיימים מחקרים המנסים למצוא מגוון של צמחים, אצות או בקטריות וחיידקים שבכוחם להפיק מימן ממים, פחמן דו חמצני וחמצן המצויים בטבע באמצעות אנרגיית השמש. מחקרים נועזים יותר מנסים לבודד גנים מבקטריות קיימות ולפתח באמצעי הנדסה גנטית יצורים חדשים שישמשו סוכנים יעילים להפקת מימן. מחקרים אלו מעוררים לא רק תקוות, אלא גם שאלות קשות של מדע ואתיקה, משום שקיימות סכנות כי האדם ייצור יצורים חדשים שיהיו גולם שיקום על יוצרו ומקור להשפעות הרסניות ובלתי צפויות.

Leave a Reply