הבנת אחסון מימן: מדריך גלובלי מקיף

מימן מוכר יותר ויותר כנשא אנרגיה מרכזי במעבר העולמי לעתיד בר קיימא. הפוטנציאל שלו להפחית את פחמן במגזרים שונים, לרבות תחבורה, תעשייה וייצור חשמל, משמעותי. עם זאת, האימוץ הנרחב של אנרגיית מימן תלוי בפיתוח פתרונות אחסון יעילים וחסכוניים. מדריך זה מספק סקירה מקיפה של השיטות השונות לאחסון מימן, האתגרים שלהן וההתקדמות האחרונה המניעה חדשנות בתחום קריטי זה.

למה אחסון מימן חשוב

מימן, למרות שהוא בשפע, קיים בעיקר בתרכובות כמו מים (H2O) או פחמימנים (למשל, מתאן, CH4). הפקת מימן טהור דורשת אנרגיה, ואחסונו מעלה אתגרים ייחודיים בשל הצפיפות הנמוכה והדליקות הגבוהה שלו. אחסון יעיל הוא חיוני מכמה סיבות:

• הפיכת תחבורה המונעת על ידי מימן לאפשרית: אחסון מספיק מימן על גבי כלי רכב הוא חיוני להשגת טווחי נסיעה מעשיים עבור כלי רכב חשמליים בתאי דלק (FCEVs).
• שילוב מקורות אנרגיה מתחדשים: מימן יכול לשמש כמאגר אנרגיה, לאחסן עודף אנרגיה מתחדשת (למשל, שמש, רוח) בתקופות של ייצור גבוה ולשחרר אותה כאשר הביקוש גבוה, ולתרום ליציבות הרשת.
• הפחתת פחמן בתהליכים תעשייתיים: תהליכים תעשייתיים רבים דורשים מימן כחומר גלם. אחסון יעיל מאפשר אספקה אמינה של מימן המיוצר ממקורות מתחדשים, תוך הפחתת ההסתמכות על דלקים מאובנים.
• יצירת כלכלת מימן עולמית: פתרונות אחסון יעילים חיוניים להקלת הסחר הבינלאומי במימן, ומאפשרים למדינות עם משאבי אנרגיה מתחדשת בשפע לייצא מימן לאלה עם דרישות אנרגיה גבוהות יותר.

שיטות לאחסון מימן

טכנולוגיות אחסון מימן ניתנות לחלוקה נרחבת לשיטות אחסון פיזיקליות וכימיות. לכל גישה יש את היתרונות והחסרונות שלה מבחינת קיבולת אחסון, יעילות אנרגטית, עלות ובטיחות.

1. אחסון פיזיקלי

אחסון פיזיקלי כרוך באחסון מימן כגז או נוזל בתנאי טמפרטורה ולחץ ספציפיים.

א) גז מימן דחוס

אחסון גז מימן דחוס כרוך בדחיסת מימן ללחצים גבוהים (בדרך כלל 350-700 בר, ואף עד 1000 בר ביישומים מסוימים) ואחסונו בכלי לחץ חזקים. זוהי טכנולוגיה בוגרת יחסית עם פתרונות זמינים מסחרית.

יתרונות:

• טכנולוגיה פשוטה יחסית.
• זמני תדלוק מהירים.
• תשתית מבוססת היטב לטיפול בגז.

חסרונות:

• צפיפות אנרגיה נפחית נמוכה (בהשוואה לדלקים נוזליים).
• צריכת אנרגיה גבוהה לדחיסה.
• חששות בטיחות הקשורים לאחסון בלחץ גבוה.
• מיכלי אחסון כבדים ומגושמים.

דוגמאות:

מימן דחוס נמצא בשימוש נרחב ב-FCEVs. לדוגמה, ה-NEXO FCEV של יונדאי משתמש בשלושה מיכלי מימן בלחץ גבוה עם קיבולת אחסון של 6.33 ק"ג ב-700 בר, המספקים טווח של מעל 600 ק"מ (תקן WLTP).

ב) מימן נוזלי

אחסון מימן נוזלי כרוך בקירור מימן לנקודת הרתיחה הקריוגנית שלו (-253 מעלות צלזיוס) כדי לעבות אותו לנוזל. זה מגדיל משמעותית את צפיפות האנרגיה הנפחית בהשוואה לגז דחוס.

יתרונות:

• צפיפות אנרגיה נפחית גבוהה יותר מגז דחוס.
• לחץ אחסון נמוך יותר.

חסרונות:

• צריכת אנרגיה גבוהה לנזילות.
• אובדן נידוף (אידוי של מימן עקב דליפת חום לתוך המיכל).
• תשתית קריוגנית מורכבת ויקרה.

דוגמאות:

מימן נוזלי משמש בתוכניות חלל (למשל, מעבורת החלל של נאס"א) ונחקר עבור יישומי תחבורה למרחקים ארוכים, כגון מטוסים ואוניות. לדוגמה, איירבוס מפתחת מטוס המונע במימן שישתמש באחסון מימן נוזלי.

2. אחסון כימי

אחסון כימי כרוך באחסון מימן בתרכובות כימיות, המשחררות מימן בתגובה עם טריגר, כגון חום או זרז.

א) מתכת הידרידים

מתכת הידרידים הן תרכובות הנוצרות על ידי תגובת מימן עם מתכות או סגסוגות מסוימות. מימן מאוחסן בתוך סריג המתכת וניתן לשחרר אותו על ידי חימום ההידריד.

יתרונות:

• צפיפות אנרגיה נפחית גבוהה יותר מגז דחוס.
• אחסון בטוח יחסית.
• פוטנציאל לאחסון הפיך (טעינה מחדש עם מימן).

חסרונות:

• משקל גבוה של חומר מתכת הידריד.
• קינטיקה יחסית איטית של שחרור מימן.
• עלות גבוהה של חומרי מתכת הידריד מסוימים.
• אתגרי ניהול חום במהלך טעינה ופריקה.

דוגמאות:

לנתן ניקל הידריד (LaNi5H6) ומגנזיום הידריד (MgH2) הם דוגמאות למתכת הידרידים הנחקרים לאחסון מימן. המחקר מתמקד בשיפור קיבולת אחסון המימן והקינטיקה שלהם באמצעות סגסוגת ועיצוב ננו-מבנה. לדוגמה, חוקרים ביפן עובדים באופן פעיל על מערכות מבוססות MgH2 ששונו עם זרזים כדי לשפר את הביצועים שלהם.

ב) הידרידים כימיים

הידרידים כימיים הם תרכובות המשחררות מימן בתגובה עם מים או מגיב אחר. דוגמאות כוללות נתרן בורוהידריד (NaBH4) ואמוניה בוראן (NH3BH3).

יתרונות:

• קיבולת אחסון מימן גבוהה.
• יציב בטמפרטורת הסביבה.

חסרונות:

• שחרור מימן בלתי הפיך עבור כמה הידרידים כימיים (דורש התחדשות).
• מורכבות התגובה וניהול תוצרי לוואי.
• עלות גבוהה של כמה הידרידים כימיים.

דוגמאות:

נתרן בורוהידריד (NaBH4) שימש ביישומים מסוימים של תאי דלק. המחקר מתמקד בפיתוח שיטות יעילות להתחדשות בורוהידריד שהוצא. אמוניה בוראן (NH3BH3) הוא הידריד כימי מבטיח נוסף, אך ההתחדשות שלו נותרה אתגר. חוקרים בגרמניה ובארצות הברית בוחנים מסלולים שונים להתחדשות יעילה של חומרים אלה.

ג) נשאי מימן אורגניים נוזליים (LOHCs)

LOHCs הם נוזלים אורגניים שיכולים לקשור באופן הפיך מימן באמצעות תגובות הידרוגנציה ודהידרוגנציה. דוגמאות כוללות טולואן/מתילציקלוהקסאן ודיבנזילטולואן/פרהידרו-דיבנזילטולואן.

יתרונות:

• צפיפות אנרגיה נפחית גבוהה.
• קל להובלה ואחסון באמצעות תשתית קיימת.
• בטוח ויציב יחסית בתנאי הסביבה.

חסרונות:

• צריכת אנרגיה גבוהה להידרוגנציה ודהידרוגנציה.
• עלות הזרזים וחומרי LOHC.
• פוטנציאל להשבתת זרז.
• הידרדרות חלקית של ה-LOHC לאורך מספר מחזורים.

דוגמאות:

מערכת הטולואן/מתילציקלוהקסאן היא אחת מ-LOHCs הנחקרות ביותר. מימן מתווסף לטולואן ליצירת מתילציקלוהקסאן, שניתן להוביל ולאחסן אותו. לאחר מכן משתחרר מימן על ידי דהידרוגנציה של מתילציקלוהקסאן בחזרה לטולואן. חברות ביפן ובגרמניה מפתחות ומיישמות באופן פעיל פתרונות לאחסון והובלת מימן מבוססי LOHC. תאגיד צ'יודה ביפן הדגים שרשרת אספקת מימן גלובלית באמצעות טכנולוגיית SPERA Hydrogen™ שלו המבוססת על מערכת הטולואן/מתילציקלוהקסאן LOHC, המובילה מימן מברניי ליפן.

3. אחסון מבוסס חומרים (ספיחה)

שיטה זו משתמשת בחומרים עם שטחי פנים גבוהים, כגון פחמן פעיל, מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs) וננו-צינוריות פחמן, לספוח מולקולות מימן.

יתרונות:

• לחץ אחסון נמוך יחסית בהשוואה לגז דחוס.
• פוטנציאל לקיבולת אחסון מימן גבוהה בטמפרטורות נמוכות.

חסרונות:

• קיבולת אחסון מימן נמוכה בטמפרטורות הסביבה.
• עלות גבוהה של חומרים מתקדמים מסוימים (למשל, MOFs).
• אתגרים בסינתזת חומרים והרחבה.

דוגמאות:

חוקרים ברחבי העולם מפתחים ומאפיינים באופן פעיל MOFs חדשים וחומרים נקבוביים אחרים לאחסון מימן. לדוגמה, מדענים באוניברסיטאות ובמוסדות מחקר בארצות הברית, אירופה ואסיה מסנתזים MOFs עם תכונות ספיחת מימן משופרות, כגון שטח פנים מוגבר ואינטראקציות חזקות יותר עם מולקולות מימן. החיפוש אחר חומרים שיכולים לאחסן ביעילות מימן בטמפרטורות ולחצים קרובים לסביבה נותר מוקד מרכזי.

אתגרים וכיוונים עתידיים באחסון מימן

בעוד שהושגה התקדמות משמעותית בטכנולוגיות אחסון מימן, נותרו מספר אתגרים:

• עלות: הפחתת העלות של מערכות אחסון מימן היא קריטית כדי להפוך את אנרגיית המימן לתחרותית עם דלקים קונבנציונליים. זה כולל הפחתת עלות החומרים, הייצור והתשתית.
• יעילות אנרגטית: שיפור היעילות האנרגטית של תהליכי אחסון מימן, כגון דחיסה, נזילות והידרוגנציה/דהידרוגנציה, הוא חיוני למקסום היעילות האנרגטית הכוללת של שרשרת ערך המימן.
• קיבולת אחסון: הגדלת קיבולת אחסון המימן הגרבימטרית (מבוססת משקל) והנפחית (מבוססת נפח) של מערכות אחסון היא חיונית עבור יישומים שבהם שטח ומשקל הם גורמים קריטיים, כגון תחבורה.
• בטיחות: הבטחת האחסון והטיפול הבטוחים במימן היא בעלת חשיבות עליונה. זה כולל פיתוח פרוטוקולי בטיחות וטכנולוגיות חזקים כדי למנוע דליפות ופיצוצים.
• עמידות: שיפור העמידות ואורך החיים של מערכות אחסון מימן חשוב להפחתת עלויות התחזוקה ולהבטחת אמינות לטווח ארוך.
• תשתית: פיתוח תשתית מימן נרחבת, לרבות תחנות תדלוק וצינורות, נחוץ לאימוץ נרחב של אנרגיית מימן.
• יציבות חומרים: שיפור היציבות לטווח ארוך של חומרים המשמשים באחסון כימי חשוב כדי למנוע הידרדרות ולשמור על ביצועים לאורך תקופות ממושכות.

מאמצי מחקר ופיתוח עתידיים מתמקדים בטיפול באתגרים אלה ובפיתוח פתרונות אחסון מימן חדשניים. כמה תחומי מיקוד מרכזיים כוללים:

• חומרים מתקדמים: פיתוח חומרים חדשים עם תכונות אחסון מימן משופרות, כגון MOFs, מסגרות אורגניות קוולנטיות (COFs) וסגסוגות אנטרופיה גבוהה.
• ננוטכנולוגיה: שימוש בננוטכנולוגיה כדי לשפר את הביצועים של חומרי אחסון קיימים וליצור מושגי אחסון חדשים.
• דחיסה קריוגנית: שילוב קירור קריוגני עם דחיסה להשגת צפיפות מימן גבוהה בלחצים מתונים.
• אחסון אלקטרוכימי: חקר שיטות אלקטרוכימיות לאחסון מימן, כגון סוללות מימן.
• חומרים רב תפקודיים: פיתוח חומרים שיכולים לבצע פונקציות מרובות, כגון אחסון מימן וייצור חשמל.
• תהליכי התחדשות משופרים: פיתוח שיטות יעילות וחסכוניות יותר להתחדשות הידרידים כימיים שהוצאו.
• מערכות LOHC מותאמות: תכנון מערכות LOHC עם טמפרטורות הידרוגנציה/דהידרוגנציה נמוכות יותר וזרזים יציבים יותר.

יוזמות והשקעות גלובליות

ממשלות ותעשיות ברחבי העולם משקיעות רבות במחקר ופיתוח אחסון מימן. דוגמאות כוללות:

• תוכנית המימן של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE): תומכת בפרויקטי מחקר, פיתוח והדגמה שמטרתם לקדם טכנולוגיות מימן ותאי דלק, לרבות אחסון מימן.
• אסטרטגיית המימן של האיחוד האירופי: שואפת להאיץ את הפיתוח והפריסה של טכנולוגיות מימן ברחבי אירופה, לרבות אחסון מימן.
• מועצת המימן: יוזמה גלובלית בראשות מנכ"ל של חברות אנרגיה, תחבורה, תעשייה והשקעות מובילות עם חזון מאוחד ושאיפה ארוכת טווח למימן כדי לטפח את מעבר האנרגיה.
• אסטרטגיות מימן לאומיות: מדינות רבות, לרבות אוסטרליה, קנדה, גרמניה, יפן ודרום קוריאה, פיתחו אסטרטגיות מימן לאומיות הכוללות יעדים ומימון למחקר ופריסה של אחסון מימן.

סיכום

אחסון מימן הוא טכנולוגיה קריטית המאפשרת את האימוץ הנרחב של אנרגיית מימן. בעוד שאתגרים נותרו, מאמצי מחקר ופיתוח מתמשכים מניעים חדשנות במדע החומרים, הנדסה ועיצוב מערכות. ככל שטכנולוגיות המימן יבשילו והעלויות יירדו, אחסון מימן ימלא תפקיד חשוב יותר ויותר בהפחתת הפחמן במגזרים שונים וביצירת עתיד אנרגיה בר קיימא לעולם. המפתח למימוש הפוטנציאל המלא של מימן טמון במרדף המתמיד אחר פתרונות אחסון יעילים, בטוחים וחסכוניים שיכולים לענות על הצרכים המגוונים של כלכלת מימן גלובלית. שיתוף פעולה בינלאומי ושיתוף ידע חיוניים להאצת ההתקדמות בתחום חיוני זה.