פתרון לייצור מימן ירוק

במונחים כלליים, מימן יכול לשמש כדלק בשתי דרכים עיקריות. ניתן לשרוף אותו כדי לייצר חום, או שניתן להזין אותו לתא דלק מימן להפקת חשמל. החדשות הטובות הן שברגע שמיוצר מימן כחול או ירוק, יש לו מגוון יישומים שונים:
תַחְבּוּרָה:מימן כבר משמש לדלק אוטובוסים וצורות אחרות של תחבורה ציבורית, במיוחד ביפן. זה יכול לשמש גם להנעת משאיות משא ורכבות, בעוד שדלקים מבוססי מימן כמו אמוניה יכולים לשמש בתעופה ובספנות. שימוש נרחב יותר במימן להנעת כלי רכב יהיה תלוי במחירם של תאי דלק מימן וזולים יותר ותחנות תדלוק מימן יהפכו נפוצות יותר.

ייצור חשמל:מימן יכול לשמש להפיכת מקורות אנרגיה מתחדשים לדלק שניתן לאחר מכן לאחסן ולהוביל למרחקים ארוכים. מימן ואמוניה יכולים לשמש גם בטורבינות גז ובתחנות כוח פחמיות כדי להפחית את פליטתן.

חימום מבנים:למימן פוטנציאל עצום להחליף גז טבעי לחימום מבנים ביתיים ומסחריים באמצעות תשתית גז טבעי קיימת. דודי מימן ותאי דלק מימן ביתיים דורשים פיתוח נוסף אך עשויים למלא תפקיד חשוב בעתיד.

תַעֲשִׂיָה:מימן משמש כיום במגוון רחב של תהליכים תעשייתיים חשובים. אלה כוללים זיקוק בנזין, ייצור פלדה, טיפול במתכות וייצור מגוון כימיקלים.

שלא כמו מימן אפור, מימן ירוק מתחדש לחלוטין הן בחומר המקור שלו והן באספקת האנרגיה שלו. עבור חומר מקור, מימן ירוק כיום נוצר בדרך כלל ממים באמצעות תהליך המכונה אלקטרוליזה, המשתמש בזרם חשמלי כדי לפצל מים למולקולות המרכיבות של מימן וחמצן. הדבר נעשה באמצעות מכשיר הנקרא אלקטרוליזר, אשר מנצל קתודה ואנודה (אלקטרודות בעלות מטען חיובי ושלילי). תהליך זה מייצר רק חמצן - או קיטור - כתוצר לוואי. באשר לאספקת אנרגיה, כדי להיחשב "מימן ירוק", מקור החשמל המשמש לאלקטרוליזה חייב לנבוע מאנרגיה מתחדשת, כגון אנרגיית רוח או שמש.

ישנם שלושה סוגים עיקריים של אלקטרוליזרים:אלקליין, קרום חילופי פרוטונים (PEM) ותחמוצת מוצקה. אלה משתנים באופי החומר האלקטרוליט המשמש. אלקטרוליזרים אלקליינים משתמשים בתמיסה מימית עם מלח דמוי אלקליין כדי לאפשר מוליכות חשמלית, בעוד שמכשירי PEM משתמשים בממברנה פולימר מוצק (אלקטרוליט). אלקטרוליזרי תחמוצת מוצקים משתמשים בחומר קרמי מוצק כאלקטרוליט, מה שמאפשר להם לפעול ביעילות חשמלית גבוהה יותר ובטמפרטורות גבוהות בהרבה. זה מאפשר שימוש בקיטור ובחום חיצוני כמקורות אנרגיה במקום להסתמך על חשמל. לפיכך, אלקטרוליזה של תחמוצת מוצקה מאפשרת עלות נמוכה משמעותית של פעולות, שכן חום הוא בדרך כלל זול יותר ולעתים מופק באופן טבעי כתוצר לוואי של תהליכים תעשייתיים מסוימים.

לפני שנים, מימן נתפס רק כפתרון לאבולוציה של כלי רכב ירוקים יותר. ככל שרכבים חשמליים צברו יותר אחיזה, מימן נתפס יותר ויותר כפתרון לתעשיות אחרות.

הביקוש למימן ממשיך לגדול ככל שהשימוש בו מתרחב על פני תעשיות תעשייה וייצור למגוון מטרות, כולל זיקוק נפט, ייצור פלדה וייצור מלט. עם זאת, ככל שהפופולריות של מימן גדלה, לא ניתן להפריז בחשיבותו של מימן ירוק. באופן מדאיג, 98% מהמימן עשוי מדלקים מאובנים ללא בקרות או תקנות של פליטת פחמן דו חמצני. אבל למימן ירוק יש פוטנציאל לשנות את זה - לתמיד.

מעשן ייצור מפעל מסחרי ועד אדי פליטה של ​​מכוניות מונעות בנזין ודיזל, ייצור מימן ירוק מפחית או מבטל את הצורך במקורות אנרגיה של דלק מאובנים המשחררים כמויות גדולות של פחמן דו חמצני לאוויר. בתעשיית מרכזי הנתונים, כאשר מערכות אחסון מפתחות מימן, ניתן להשתמש בו במקום מחוללי גיבוי מונעי דיזל כדי להמריץ את מרכזי הנתונים העתידיים. כתוצאה מכך, יתרונות המימן הירוק בשפע, המאפשרים לממשלות וארגונים לחזק את ביטחון האנרגיה הלאומי, לחסוך בדלק, להפחית את הפליטות הכוללות ולגוון את אפשרויות האנרגיה בתחבורה ממכוניות למערכות תחבורה ציבורית רחבות ידיים.

טכנולוגיית מימן ירוק לא הייתה יכולה להיות מוצגת בזמן טוב יותר. מינהל המידע האמריקאי לאנרגיה צופה שהביקוש העולמי לאנרגיה יגדל ב-47% עד 2050. הדרך היחידה לקזז את הביקוש הזה בצורה של ייצור אנרגיית נפט ופחם היא על ידי אימוץ שיטות ירוקות יותר, כמו מימן ירוק.

ובזכות פריצות הדרך הטכנולוגיות שגרמו להפחתת הפחמן של ייצור המימן, חברות רבות פונות לקיזוז פחמן הממנף מימן ירוק כדי להפחית את טביעת הרגל הפחמנית שלהן ולעמוד ביעדי ESG אגרסיביים.

תהליך יצירת מימן ירוק מגיע עם יתרונות. סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA) קובעת כי מימן ירוק חוסך כ-830 מיליון טונות של פחמן דו חמצני שנפלט מדי שנה בהשוואה לזמן הפקת הגז בשיטות דלק מאובנים מסורתיות. זה שווה ערך לפליטות של שנה שלמה מבריטניה ואינדונזיה ביחד!

בדיוק כמו בכל טכנולוגיה חדשה, יש כמה אתגרים שצריך להתגבר עליהם כאשר בום המימן הירוק תופס. כמה נושאים שיש לקחת בחשבון כוללים יעילות תהליך ועלויות ייצור בקנה מידה גדול, בנוסף להקמת פתרונות אחסון בלחץ לטווח ארוך. מלבד אתגרים, מימן ירוק הוא טכנולוגיה חדשה ומלהיבה שיכולה לעזור לאזן את ההפקה בקנה מידה גדול של אנרגיה ירוקה.

חלק גדול מהמעבר מדלק מאובנים כרוך בחשמל של חלק מהמכונות היומיומיות בהן אנו משתמשים המופעלות על ידי נפט וגז - מכוניות ותחבורה מקומית, וחימום לבתים במדינות מסוימות, למשל. עבור אלה שכבר מחושמלים, כמו מחשבים ומכשירי חשמל ביתיים, חשמל מאנרגיה גרעינית ומתחדשות כמו רוח ושמש מחליפים את הפחם.

אבל יש כמה תעשיות שדורשות כל כך הרבה אנרגיה שאנרגיה מתחדשת מסורתית לא יכולה לענות על הביקוש שלהן. זו בעיה, כי תעשיות אלו הן בין הפולטות המובילות של גזי חממה.

זה המקום שבו מומחים אומרים למימן ירוק יש פוטנציאל עצום.
"חשמל ממקורות כמו רוח, שמש וגרעין חיוני להפחתת פחמן של מערכת האנרגיה שלנו - אבל זה לא יכול לעשות את זה לבד, ותחבורה למרחקים ארוכים ותעשיות כבדות הן ביתם של הפליטות שהכי קשה להפחית", אמר אנליסט אנרגיה ב- סוכנות האנרגיה הבינלאומית.

"מימן הוא רב-תכליתי מספיק כדי למלא חלק מהפערים הקריטיים הללו - באספקת חומרי גלם חיוניים לתעשיות הכימיקלים והפלדה או מרכיבים חיוניים לדלקים דלי פחמן למטוסים וספינות", אמר רמי ל-CNN.

הפעלת מטוס או ספינה גדולה, למשל, דורשת כל כך הרבה אנרגיה שכל סוללה המשמשת לאגירת חשמל משמש או רוח תהיה כנראה גדולה וכבדה מדי עבור כלי השיט. מימן ירוק, לעומת זאת, יכול להגיע בצורה נוזלית והוא קל יותר. לפי איירבוס, המפתחת מטוס מסחרי אפס פליטות, צפיפות האנרגיה של מימן ירוק גבוהה פי שלושה מדלק סילוני שאנו משתמשים בהם כיום.

בעוד שמימן ירוק נוזלי יפלוט אפס פחמן, יש לו כמה מגבלות. כאשר הוא נשרף באטמוספירה הפתוחה הוא משחרר כמות קטנה של תחמוצת חנקן, שהוא גז חממה חזק. אם המימן יוזן דרך תא דלק, לעומת זאת, הוא יפלוט רק מים ואוויר חם.

כמה מטוסים קטנים הצליחו לטוס עם תאי דלק המוזנים במימן, אם כי הטכנולוגיה עדיין לא הוגדלה מבחינה מסחרית.

כרגע הכל בידיים על הסיפון כדי להשיג את יעדי האקלים. המעבר האנרגטי באמת צריך דחיפה גדולה. מימן יכול לתרום לכך תרומה חשובה. שיתוף פעולה חיוני על מנת להיות מסוגל להשתמש במימן בהצלחה, למשל, כדי לתרום להפחתת CO2 בתעשייה, דלק אלקטרוני למטוסים ושימוש בסביבה הבנויה. אבל יש צורך בהשקעות ויש שאלות.

מהו מימן?
מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום שלנו. בנסיבות רגילות הוא גזי ואנו מדברים על גז מימן (H2). מימן הוא גם הגז הקל ביותר שאנו מכירים ולכן יש לו צפיפות אנרגיה נמוכה ליחידת נפח (ב-m3). למשקל (בק"ג), למימן אכן יש צפיפות אנרגיה גבוהה של 120 מגה ג'ול (MJ) לק"ג. זה כמעט פי שלושה מהגז הטבעי (45 MJ לק"ג). מימן נמצא לעתים קרובות בלחץ. עם זאת, לחיצה (דחיסה) של גז מימן דורשת גם את האנרגיה הדרושה (כ-10%).

מהו מימן אפור וכחול?
כמעט כל המימן המיוצר כיום ברחבי העולם הוא מה שמכונה 'מימן אפור'. הייצור מתבצע כעת באמצעות Steam Methane Reforming (SMR). כאן קיטור בלחץ גבוה (H2O) מגיב עם גז טבעי (CH4) וכתוצאה מכך מימן (H2) וגז החממה CO2. בהולנד, כ-0.8 מיליון טונות של H2 מיוצרים בדרך זו, תוך שימוש בארבעה מיליארד מטרים מעוקבים של גז טבעי ויוצרים פליטת CO2 של 12.5 מיליון טונות.
המונח 'מימן כחול' או 'מימן דל פחמן' משמש כאשר ה-CO2 המשתחרר בתהליך של ייצור מימן אפור נלכד ומאוחסן במידה רבה (80-90%). זה נקרא גם CCS: Carbon Capture & Storage. זה יכול לקרות בשדות גז ריקים מתחת לים הצפוני. בשום מקום אחר בעולם לא מייצרים מימן כחול בקנה מידה גדול.

מהו מימן ירוק?
מימן ירוק, הידוע גם בשם 'מימן מתחדש', הוא מימן המיוצר באנרגיה בת קיימא. הידועה ביותר היא אלקטרוליזה, שבה מים (H2O) מתפצלים למימן (H2) ולחמצן (O2) באמצעות חשמל ירוק. מספר רב של גורמים בהולנד מתנסים עם האלקטרוליזטורים הללו בקנה מידה מגה וואט. מימן משתחרר גם במהלך גיזוז ביומסה בטמפרטורה גבוהה.

מהו מימן טורקיז?
מימן המופק מגז טבעי באמצעות מה שנקרא טכנולוגיית פירוליזה של מתכת מותכת נקרא 'מימן טורקיז' או 'מימן דל פחמן'. גז טבעי מועבר דרך מתכת מותכת המשחררת גז מימן כמו גם פחמן מוצק. האחרון יכול למצוא יישום שימושי, למשל, בצמיגי רכב. טכנולוגיה זו נמצאת עדיין בשלב המעבדה ויעברו לפחות עשר שנים עד שהמפעל הפיילוט הראשון יתממש.

מהם ההבדלים הבסיסיים הנוספים בין כחול לירוק?
בנוסף לשיטת הייצור, ישנם מספר הבדלים מרכזיים נוספים:
רק מימן ירוק המיוצר באמצעות אלקטרוליזה מבטיח שכמויות גדולות של חשמל בר קיימא המיוצר בים וביבשה יכולות להשתלב כראוי במערכת האנרגיה שלנו. רק אלקטרוליזה יכולה להמיר חשמל למימן בצורה גמישה (לפי דרישה) ואז לאחסן אותו.
בנוסף, פיתוח של אלקטרוליזה בקנה מידה גדול יסייע לספק את הביקוש הגובר לחשמל ובכך לעורר את הצמיחה של אנרגיה בת קיימא.
יש גם הבדל באיכות. למימן ירוק יש דרגת טוהר גבוהה יותר וניתן להשתמש בו באופן מיידי, למשל בתא הדלק של רכב. למימן כחול יש רמת טוהר נמוכה יותר, המספיקה ליישום תעשייתי.
ייצור מימן כחול הוא דרך ל'דה-קרבוניזציה' של התעשייה, כלומר הפחתת CO2, בקנה מידה גדול ובעלות נמוכה יחסית.

מימן לבן מהאדמה מקור האנרגיה הנקי של העתיד?
אנחנו כבר מכירים מימן אפור, כחול וירוק, אבל כעת נראה שגם מימן לבן או טבעי זמין. זה מגיע מהאדמה, בדיוק כמו גז טבעי. כאשר מימן נשרף עם חמצן, רק מים משתחררים. מימן לבן הוא מימן טבעי מתחת לפני השטח שיש לו פוטנציאל להפוך למקור אנרגיה חשוב של העתיד אם הוא מיוצר על ידי אלקטרוליזה של מים עם כוח רוח או שמש (ירוק).
אז הוא לא עשוי מאפר טבעי או פחם (אפור), אפילו לא על ידי לכידת ה-CO2 (כחול). הגז משמש בעיקר לחימום תהליכים בתעשייה הכימית ובייצור פלדה ודשן. במעבר מאנרגיה מאובנים לירוקה, הוא יכול לשמש חיץ אגירה לחשמל בתקופות ללא שמש ורוח.

איזה תפקיד מימן ממלא במעבר האנרגיה?
בתמהיל האנרגיה הנוכחי שלנו, כ-20% מסופקים בצורת חשמל ו-80% בצורת גז טבעי או דלק מאובנים נוזלי (בנזין, סולר). יעדי האקלים שלנו הולכים לשנות את המצב הזה באופן ניכר בעתיד הקרוב. חלקו של החשמל המופק מכוח הרוח והשמש יגדל בחדות. למספר יישומים כמו הובלה כבדה, תהליכים בטמפרטורה גבוהה בתעשייה ובתעופה, עדיין חסר פתרון חשמלי טוב ועדיין יש צורך בגז בר קיימא. מימן יכול לשחק כאן תפקיד שימושי. בנוסף, מימן חשוב בצורה של אחסון בקנה מידה גדול לאותם רגעים בהם אין רוח ומעונן.

אילו מדינות גם עובדות על מימן?
מדינות כמו נורווגיה, אוסטרליה, מרוקו, צ'ילה, ערב הסעודית, סין ויפן פעילות מאוד עם מימן ירוק, בעיקר בגלל שיש זמינות ניכרת (פוטנציאלית) של אנרגיה מתחדשת זולה מרוח, שמש או כוח הידרו להפקת מימן ירוק. חריגה לכך היא יפן, שתלויה במידה רבה ביבוא לצורך אספקת האנרגיה שלה ופיתחה אסטרטגיה לייבא מימן (ירוק) בקנה מידה גדול. תפקידו המרכזי בפיתוח טכנולוגי. הולנד נמצאת בעמדה טובה בין היתר הודות לידע שלנו בטכנולוגיית הגז והאלקטרוליזה, הפוטנציאל הגדול לאנרגיית רוח בים הצפוני והתעשייה עתירת האנרגיה שצריכה להתחייב לקיימות.

בשביל מה אנחנו הולכים להשתמש במימן?
מימן חשוב במיוחד לתעשיית התהליכים. כיום הוא משמש בעיקר לייצור דשן אך בעתיד הוא יכול לשמש גם לתהליכים בטמפרטורה גבוהה כמו ייצור פלדה שעבורם משתמשים כיום בגז טבעי או בפחם. בנוסף, מימן ישחק תפקיד בניידות, למשל עבור אוטובוסים בין-עירוניים שצריכים לעבור מרחקים ארוכים יותר ושם נהיגה חשמלית אינה פתרון.

מה המשמעות של מימן עבור האזרח?
בטווח הקצר לא יתגלה הרבה. השימוש במימן בבתים, למשל, יעבור זמן רב אם זה יקרה בכלל. עבור רוב הבתים, רשת חום קולקטיבית או משאבת חום חשמלית מציעות פתרון טוב יותר. בפקק יגדלו אט אט מספר מכוניות המימן (כיום פחות ממאה) ומספר תחנות התדלוק במימן (בשנת 2018: 3).

מהם הסיכונים?
מימן הוא גז קל מאוד, דליק מאוד ומשמש בניידות בלחצים של עד 700 בר. בדיוק כמו כל גז אחר, חשוב לטפל בו בזהירות במהלך הייצור, ההובלה והשימוש, ולהשאירו אך ורק לחברות מקצועיות. אם יש להשתמש במימן בצינורות גז קיימים, חשוב להמשיך ולחקור כיצד מימן 'מתנהג' בפועל בפועל. מימן קל יותר מגז טבעי ויכול לברוח בקלות רבה יותר משסתומים ואטמים.

מה TNO עושה במונחים של מחקר מימן?
TNO הוא ארגון עצמאי המבצע מחקר יישומי חדשני. המחקר על מימן מתמקד בייצור, תשתיות ויישומים (המרה ושימוש קצה). בשנת 2020, TNO ביצעה יותר מ-50 פרויקטים הקשורים לנושאים אלו. קישורים למבחר מפרויקטים אלו ניתן למצוא להלן (פריט 15).

עד כמה רחוקה התפתחות המימן הירוק?
כ-230 פרויקטי אלקטרוליזה נכנסו לפעולה בין השנים 2000 ל-2018 בהספק כולל של כ-100 מגוואט (מקור: IEA 2019, העתיד של המימן). בשנת 2020, ההספק המותקן העולמי היה 200 MW וכ-2,400 MW עד סוף 2023. הנתונים האלה מראים שאנחנו רק מתחילים ושאנחנו צריכים לפתח שרשרת אספקה ​​חדשה לגמרי.
אנחנו צריכים חברות חדשות, ספקים חדשים ויצרנים חדשים כדי לפתח חומרים ורכיבים למערכות אלקטרוליזה גדולות יותר והדור הבא. זוהי הזדמנות פז לתעשיית ההייטק ההולנדית. מטרת האיחוד האירופי היא להתקין קיבולת אלקטרוליזה של 40 GW באיחוד עד 2030 ועוד 40 GW בצפון אפריקה. השגת מטרה זו תחייב אותנו להאיץ את קצב החדשנות הטכנולוגית והפרויקטים בפועל.

מהם האתגרים הטכניים הגדולים ביותר שמציבה האלקטרוליזה?
במונחים של אלקטרוליזה של מים, קיימות כיום ארבע טכנולוגיות זמינות (AEM, SOE, PEM ו-Alkaline), כל אחת עם היתרונות, החסרונות ורמת הבשלות הספציפיים שלה. עיין בסרטון שלנו על ייצור מימן באמצעות אלקטרוליזה (נפתח בחלון או בכרטיסייה חדשה) (מתייחס לאתר אחר). עבור כל ארבע הטכנולוגיות, שלושת אתגרי המחקר העיקריים הם:
לצמצם את ההוצאה ההונית הקשורה למערכת
לשיפור יעילות המערכת
להתגבר על מחסומים לייצור בקנה מידה גדול, כך שניתן יהיה להשיג קיבולת שנתית של ייצור אלקטרוליזרים ברחבי העולם של 30 GW עד 2030.

המוצרים נמכרים בכל אזורי סין ומיוצאים למדינות ברחבי העולם. הם נמכרו ביותר מ-20 מדינות ואזורים כולל ארצות הברית, גרמניה, מרוקו, קניה, ערב הסעודית, וייטנאם, אלג'יריה, הודו, טנזניה וטייוואן. סיפק בהצלחה ארגונים ידועים כמו China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ומפעלים ידועים אחרים. ישנן תחנות הידרוגנציית מימן ירוקות רבות כגון Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming וכו' מספקות פרויקטים ירוקים ויצירת מימן.