טויוטה מיראי   מקור: ויקיפדיה
בתמונה טויטה מיראי, מכונית חשמלית עם תא דלק מבוסס מימן

במרחק של שמונה דקות (אור) מכדור הארץ מרחף כור היתוך גרעיני ענק – השמש. השמש ממירה בכל שנייה כמויות עצומות של מימן להליום בתהליך של היתוך גרעיני, ומפיקה בדרך זו כמויות עצומות של אנרגיה.

כורי היתוך גרעיני, המבצעים בזעיר אנפין את אותה פעולה שמבצעת השמש, יכולים לפתור הרבה מבעיות האנרגיה הקיימות בעולם. ואכן, הנושא של כורי היתוך נחקר רבות ונמצא במרחק של "30 שנה מהיום" מזה עשרות שנים. כאשר תהיה פריצת דרך טכנולוגית בתחום זה, תתרחש מהפכה בתחום האנרגיה.

אך גם ללא כורי היתוך, כלכלת המימן הקונבנציונאלית היא ה-"ענקית (הרדומה) המתעוררת". בשנת 2021, עיסוק בכלכלה העולמית בכלל ובשוק האנרגיה בפרט, מבלי להתייחס למימן, זה כמו לכתוב על כדורגל עולמי ולא להזכיר את מסי.

במאמר זה אסקור את שוק המימן, את הטכנולוגיות המעורבות, את השימושים האפשריים, את החברות הפעילות בשוק ועוד. מעל הכול תרחף השאלה האם שנת 2020 הייתה יוצאת דופן או שמא זוהי רק תחילתה של מגמה ארוכת טווח?

 

צבעי המימן

נתחיל בחומר הגלם עצמו. בהקשרים כלכליים וסביבתיים נהוג לחלק את המימן לפי צבעים:

מימן חום הוא מימן המופק מפחם (coal gasification).

מימן אפור הוא מימן המופק מגז טבעי או ממתאן וקיטור בטמפרטורות גבוהות (700–1,100 מעלות צלזיוס).

התהליכים ליצירת מימן חום ואפור מזהמים ופולטים כמות גדולה של פחמן דו חמצני.

מימן כחול הוא למעשה מימן אפור שתהליך הפקתו משלב טכנולוגיות ללכידת גזי החממה הנפלטים. תהליך זה יקר יותר, אך נחשב ידידותי (יחסית) לסביבה.

מימן ירוק הוא מימן המופק מפירוק מים, אבל רק בתנאי שהחשמל שמשתמשים בו כמקור אנרגיה הוא חשמל ממקורות לא מזהמים, (סולארי, רוח וכיוצא באלו). אם החשמל בא ממקורות מזהמים המימן נצבע בחום או באפור בהתאם למקור החשמל. ייצור מימן מחשמל ומים יכול להתבצע באמצעות אלקטרוליזה קלאסית או באמצעות תאי דלק עליהם ארחיב בהמשך.

 

מימן כחומר גלם בתעשייה

שוק המימן העולמי הוא שוק ענק אך במידה רבה עדיין נחבא אל הכלים. שווי השוק של מימן כחומר גלם הוא למעלה מ-100 מיליארד דולר בשנה, והוא גדל בהתמדה. המימן משמש כחומר גלם בתעשיות רבות, והבולטות ביותר הן תעשיית הפלדה, תעשיית הדשנים ותעשיית הזיקוק.

תעשיית הפלדה אחראית על בין 5% ל-8% מכלל פליטת הפחמן הדו חמצני. בתקופה של מודעות גדלה והולכת לנושאי אקלים מדובר בבעיה גדולה מצד אחד ובהזדמנות מצד שני. טכנולוגיות חדשניות מאפשרות לקצץ את רוב הפליטות של תעשיית הפלדה על ידי שימוש במימן שאינו תוצר של שריפה של פחם. אם המימן עצמו יהיה מימן ירוק או מימן כחול הפליטות של גזי החממה בתהליך ייצור הפלדה תצטמצמנה כמעט לאפס.

אמוניה (NH3) היא חומר חשוב ביותר המשמש הן בחקלאות והן בתעשייה. שוק האמוניה הוא שוק גדול מאוד שאחראי ל-1% מפליטת גזי החממה. המעבר למימן ירוק או כחול יפחית מאוד את זיהום האוויר ואת פליטת גזי החממה גם בשוק זה.

אפילו דלקי מאובנים יהיו פחות מזיקים אם בתהליך הזיקוק שלהם ישתמשו במימן ירוק. פרויקטים בהיקפים גדולים בתחום זה כבר נמצאים בשלבים שונים של פיתוח.

Severnside fertilizer works Sharon Loxton

מפעל לייצור אמוניה באנגליה

 

מימן בשוק האנרגיה

מקומו של המימן בשוק האנרגיה תופס את מרב תשומת הלב. כרגע זהו השוק הקטן ביותר, אך הפוטנציאל שלו הוא אינסופי.

מהם השימושים של מימן בתור דלק?

ניתן למהול מימן בגז טבעי ולהשתמש בתמהיל לחימום על ידי שריפה בדיוק כמו שעושים בגז טבעי. היתרון של שימוש גז מהול במימן טמון בהפחתת פליטת גזי חממה, שכן תוצר השריפה של מימן הוא מים מזוקקים. זהו השימוש הפשוט ביותר, אך גם הזמין ביותר. ברוב מדינות אירופה קיימת תשתית הולכת גז שיכולה להכיל תמהילי גז עם מימן בריכוזים נמוכים ללא כל שינוי אצל משתמשי הקצה.

השימוש המרכזי במימן כמקור להפקת אנרגיה הוא באמצעות "תאי דלק". קיימים סוגים שונים של תאי דלק, אך כולם עובדים פחות או יותר על אותו עיקרון. ראשית "מפרקים" את המימן לפרוטון ולאלקטרון. בעוד הפרוטון נכנס פנימה לתוך תא הדלק, האלקטרון נתקל בשלט "אין כניסה" ונאלץ לעבור ב-"מסלול עוקף". החשמל מופק מהמסלול העוקף של האלקטרון. בתום המסלול מפגישים מחדש את האלקטרון עם הפרוטון, מוסיפים חמצן (מהאוויר הטבעי) וכך יוצרים מים וחשמל.

ישנם תאי דלק מימני העובדים בטמפרטורה נמוכה יחסית. תאי דלק אלו מתאימים לשימוש באמצעי תחבורה.

ישנם גם תאי דלק העובדים בטמפרטורות גבוהות (למשל תאי דלק העובדים על גז טבעי ומייצרים את המימן כחלק אינטגרלי מפעולת תא הדלק בתהליך הדורש חום). תאי דלק חמים מתאימים ליישומים נייחים, כגון אספקת חשמל למבנים. ניתן להשתמש בחום המופק מתאי דלק אלו לחימום מים, לחימום הבית, ולתהליכים תעשייתיים הדורשים חום.

אבל מה שמעניין במיוחד בתאי דלק מימני זה שהם פועלים גם בכיוון ההפוך. כלומר, ניתן להזין אותם במים וחשמל ולקבל בסוף התהליך מימן וחמצן. את החמצן בדרך כלל משחררים לאוויר, אך את המימן ניתן לאגור ולהשתמש בו כדלק בשעת הצורך.

השימוש בתאי דלק מימני פותח אפשרויות רבות ומגוונות. להלן אציין ארבעה שימושים אפשריים:

1. הפקת חשמל לאתרים סטטיים (בתים, משרדים, מפעלים ועוד).
2. חימום.
3. ייצוב רשת החשמל, ובפרט רשת חשמל המבוססת על חשמל סולארי או רוח. ייצור חשמל באמצעות טורבינות רוח נתקל בכמה אתגרים, ואחד האתגרים המרכזיים הוא שהרוח איננה נושבת באופן קבוע: לעיתים יש משבים חזקים, ולעיתים אין רוח כלל. כיום הפעלה של רשת המבוססת על רוח מחייבת גיבוי של רשתות אחרות לצורך אספקת חשמל כאשר אין רוח. מצד שני בעת סערה נוצרים עודפי ייצור גדולים שאין דרך להשתמש בהם, וצריך לעצור את ייצור החשמל כדי שלא להכביד על רשת ההולכה. תא דלק דו-כיווני יכול לפתור את הבעיה. כאשר יהיו ביקושים שהרשת תתקשה לספק, תא הדלק ייצר חשמל באמצעות מימן ויזרים אותו לרשת. בכיוון ההפוך כאשר יהיו רוחות חזקות תא הדלק ישתמש בעודפי החשמל כדי לייצר מימן ולאגור אותו.
4. שימוש בתאי דלק בתחבורה. תאי דלק מימני הם מודולריים מאוד ויכולים לשמש בכל אמצעי התחבורה, ביבשה, באוויר ובים, החל מרחפנים במשקל קילוגרמים בודדים (או פחות) וכלה ברכבות, אוניות ענק ואפילו מטוסים.
 

שוק אגירת האנרגיה

המעבר לאנרגיות מתחדשות לא יתאפשר ללא יכולת אגירת אנרגיה לטווח ארוך. כך, למשל, המדינות הצפוניות והצפופות לא יכולות לספק את צורכי האנרגיה שלהן מייצור מקומי בזמן אמת של אנרגיה ירוקה, בפרט בחורף.

כיום, "אגירת" האנרגיה מתבצעת על ידי שימוש בגז, נפט ופחם. אם רוצים לעבור לעולם של דלקים נקיים יש צורך בדלק נקי שניתן לאגור אותו לפרקי זמן ארוכים ושניתן לשנע אותו באותה קלות כמו שמשנעים את הדלקים הקיימים היום. מימן הוא בחירה מצוינת לצורך זה, וקיימות מספר טכנולוגיות לאגירה ושינוע של מימן:

1. ניתן לאגור מימן על גבי תשתית הגז הקיימת. בניגוד לרשת חשמל שאינה מאפשרת אגירה ברשת עצמה, תשתית הולכת הגז מורכבת מצינורות. הצינורות משמשים להולכה, אך הם גם כלי קיבול, כך שהתשתית מאפשרת הולכה ובו זמנית אוגרת כמות מסוימת של גז (בחלק מן המדינות כבר יש תשתית הולכת גז שבהתאמות מסוימות ניתן להסב אותה לשינוע מימן).
2. ניתן לדחוס מימן (עד 700 אטמוספרות) ולשמור אותו כגז דחוס במיכלים מיוחדים.
3. ניתן להנזיל מימן ולשנע אותו כמימן נוזלי.
4. ניתן לאגור את המימן כדלק כימי (למשל על ידי אגירת מימן באמוניה).

כיום, שדות סולאריים או חוות רוח חייבות להיות קרובות לרשת הולכה, אחרת לא ניתן להוליך את החשמל הנוצר בשדה אל הצרכן שבעיר. הרבה מפוטנציאל הייצור מתבזבז משום שאתרים עם רוח חזקה נוטים להיות רחוקים ממרכזי אוכלוסייה. אך אם ינצלו את החשמל לייצור מימן יבוטל הצורך בקרבה לרשת ההולכה, וכך ניתן יהיה להקים שדות סולאריים וחוות רוח רבות ולהוסיף קיבולת גדולה של חשמל נקי.

Hydrogen trailer

משאית מובילה גז מימן דחוס

 

שוק התחבורה

כבר הזכרתי לעיל שתא דלק מבוסס מימן מהווה בחירה מצוינת לתחבורה, וזאת בשל המודולריות הרבה שלו.

אולם, נשאלת השאלה האם המימן הוא בכלל מתחרה ראוי לבטריות הליתיום? רבים וטובים, ובכללם אלון מאסק, סבורים שלא. אלון מאסק מכנה את תאי הדלק (fuel cells) מבוססי המימן "fool cells", שכן היעילות החשמלית שלהם נחותה בהשוואה לבטריות הליתיום. אני מעריך מאוד את אלון מאסק, אך נדמה לי שיש לו "נקודה עיוורת" בנוגע לפוטנציאל של תאי דלק מימני.

כפיצוי על הנחיתות של תאי דלק מבוססי מימן בהיבט היעילות החשמלית יש להם מספר יתרונות בולטים.

לתאי דלק מימני צפיפות אנרגטית גבוהה בהרבה מזו הקיימת בבטריות. בעוד במכוניות פרטיות ואולי גם במשאיות קלות יש עדיפות לבטריות, לתאי דלק מימני יש עדיפות כאשר מדובר באמצעי תחבורה בעלי רגישות גבוהה למשקל. למשל, ברחפנים ובמטוסים משקל הוא בעל חשיבות קריטית. אך גם באמצעי תחבורה "כבדים" המיועדים לטווחים ארוכים, כמו משאיות כבדות, רכבות ואוניות, משקל גדול יותר ישפיע באופן משמעותי על צריכת הדלק, ומכך גם על טווח הפעולה.

מהצפיפות האנרגטית העדיפה נובע יתרון משמעותי נוסף. רכבים מונעי מימן יכולים לנסוע לטווחים גדולים יותר משל רכבים חשמליים. מעבר ליתרון הישיר בטווח הרכבים יש גם תועלת עקיפה בתשתית השירות. הטווח הגדול יותר של רכבים מונעי מימן מאפשר להקים תחנות דלק מימני בפריסה דלילה יותר ממה שנדרש לתשתית הטענה לרכבים חשמליים.

את שני היתרונות הראשונים ניתן לסכם בפרפרזה על השורה "האוטו שלנו גדול וירוק, האוטו שלנו נוסע רחוק" משיר הילדים המפורסם, כאשר האוטו "גדול" ו/או נוסע "רחוק" יש יתרון למימן (בתנאי שהוא "ירוק").

אך יש גם יתרון נוסף – תדלוק. התדלוק במימן מהיר הרבה יותר מאשר הטענת בטרייה. תדלוק במימן הוא בעצם העברה של דלק מהמיכל של התחנה למיכל של הרכב – דומה מאוד לחוויה של תדלוק בדלק רגיל (ללא הריח). התדלוק בדלק מימני לוקח דקות ספורות. לעומת זאת, הטענת בטרייה זה עניין ממושך (טסלה הקימה תחנות טעינה מהירות בהן אפשר לטעון מכונית בזמן קצר יחסית של בין חצי שעה לשעה). בזכות זמן התדלוק הקצר, תחנות תדלוק רכבים מונעי מימן דורשות פחות שטח מתחנות טעינה לרכבים חשמליים (יתרון לא מבוטל כאשר מקימים תחנות תדלוק בתוך מפעלים או בערים צפופות). יתרה מזאת, זמן התדלוק הקצר פירושו ניצולת כלכלית גבוהה יותר לרכבים מונעי מימן.

כיום, האתגר המרכזי העומד בפני פריסה נרחבת של תחבורה מבוססת מימן מקורו בבעיית "הביצה והתרנגולת". כל עוד אין תשתית נרחבת של תחנות דלק מימני, קשה לשוק הרכב מונע המימן להתפתח, וכל עוד אין פריסה נרחבת של רכבים מונעי מימן אין תמריץ כלכלי להקמה של תחנות דלק מימני. לכן, הצרכנים מעדיפים פתרונות כוללים, שבהם החברה מספקת הן את הרכבים והן את תחנות התדלוק, ואפילו את המימן עצמו. פועל יוצא, הלקוחות הרלוונטיים כרגע לשוק הרכב מונע המימן הם ציי רכב ולא לקוחות פרטיים.

Toyota Mirai fuel cell stack

תא דלק מימני של טויטה מיראי

 

יישומים קיימים של טכנולוגיות מבוססות מימן

כבר עתה, טכנולוגיית תאי הדלק מספקת חשמל וחום לבניינים ומפעלים ברחבי העולם. בחלק מהיישומים מדובר בטכנולוגיות-מעבר, כלומר תאי דלק שפועלים על גז טבעי או על ביוגז, אך חברות רבות מתכננות להתקדם לכיוון של מימן ירוק.

חברת פלאג פאואר מוכרת לאמזון ולוולמרט מלגזות הפועלות על תאי דלק מימני. בנוסף למלגזות, פלאג פאואר מספקת גם את תחנות התדלוק ואפילו את המימן הדרוש להפעלתן. למלגזות עם תאי דלק מימני יש יתרון בולט על פני מלגזות חשמליות, שכן זמן ההטענה הארוך של האחרונות פוגע ביעילות הכלכלית שלהן.

בימים אלה פלאג פאואר שוקדת על פיתוח תאי דלק מימני גדולים. תאי דלק אלו יוכלו לספק כוח למשאיות הכבדות ביותר.

פלאג פאואר נמצאת גם בתהליך הקמה של מפעל ענק לייצור תאי דלק מימני בהיקפים של ג'יגה-וואטים לשנה.

חברת ניקולה מפתחת כלי רכב עם תאי דלק מימני, ובעיקר משאיות כבדות. את מרבית הטכנולוגיות ניקולה רוכשת מחברות אחרות, אך מציעה ללקוחותיה פתרון כולל: משאיות, פריסת תחנות תדלוק, ואת המימן עצמו. המודל העסקי של ניקולה מבוסס בחלקו על אספקת המימן השוטף ללקוחותיה.

ניקולה חוותה משברים רבים לאחר שהתברר שמשאית הדגמה מתוצרתה כלל לא נסעה בכוח המימן, אלא נגררה לראש גבעה, ומשם התגלגלה בכוח הכבידה. שערורייה זו פגעה בחברה, אך היא עדיין פעילה.

חברת בלארד פאואר סיסטמס גם היא מספקת תאי דלק מימני לתחבורה, ובעיקר לתחבורה כבדה. עד היום בלארד סיפקה תאי דלק לאלפי כלי רכב כבדים, ביניהם כ-2,200 משאיות מסחריות, כאלף אוטובוסים חשמליים, כ-12 אלף מלגזות, ארבע רכבות וחמש אוניות.

 

יחסי מימן-שלטון

בנאום מצב האומה שנשא בתחילת שנת 2003, הכריז הנשיא ג'ורג' וו. בוש על מענק מחקר בגובה 1.2 מיליארד דולר שמטרתו קידום המחקר האמריקאי בתחום כלי רכב מונעים במימן. ואכן, עד לסיום כהונתו של בוש הושקעו משאבים לא מבוטלים במחקר ופיתוח בתחום המימן.

עם כניסתו של הנשיא ברק אובמה לתפקידו קוצצו תקציבי המימן והוסטו לכיוונים אחרים. שר האנרגיה סטיב צ'ו טען ב-2009 שהצלחת תוכנית המימן תלויה בארבע פריצות דרך טכנולוגיות (תשתית תחנות תדלוק; הוזלה משמעותית של תאי הדלק; ייצור של מימן ובפרט מימן ירוק; שיפור והוזלה של המיכלים לאגירת מימן בלחץ גבוה). צ'ו ציין באירוניה שאם "צריכים ארבעה ניסים זה לא סביר. קדושים [נוצריים] צריכים רק שלושה ניסים [כדי להיות מוכרזים כקדושים]". אך שלוש שנים מאוחר יותר חזר בו צ'ו מדבריו. לטענתו ההתקדמות הטכנולוגית שחלה באותן שלוש שנים הפכה את הטכנולוגיה המימנית לישימה יותר.

ממשלות רבות בעולם תומכות בכלכלת המימן. סין מקצה לכך משאבים רבים. גם יפן ואוסטרליה משתפות פעולה במיזמי מימן.

אולימפיאדת טוקיו, שנדחתה עקב הקורונה, הייתה אמורה להיות מפגן מרשים של טכנולוגיות מימן. סביר להניח שעם תום משבר הקורונה ממשלת יפן תמצא את הדרך להציג את טכנולוגיות המימן ולקדם את כלכלת המימן ואת התעשיות הנלוות.

טכנולוגיות מימניות לא מעניינות רק ממשלות. בארצות הברית, למשל, יש עניין בנושא לא רק ברמה הפדרלית אלא גם ברמה המדינתית. מדינת קליפורניה, לדוגמא, תומכת בנושא המימן, וכמעט כל תחנות התדלוק המימני הקיימות בארצות הברית נמצאות בשטחה.

ביפן, חברת טויוטה הכריזה על כוונתה לייסד עיר עתידנית למרגלות הר פוג'י. העיר החדשה – The Woven City – תפעל על אנרגיה מימנית.

Hydrogen fueling California

תחנת דלק מימני בקליפורניה

 

מימן בישראל

החברה הישראלית H2PRO מפיקה מימן בתהליך ייחודי, שבו החמצן והמימן מופקים בפאזות שונות: המימן בפאזה הראשונה והחמצן בפאזה השנייה. הטכנולוגיה יעילה וזולה מאוד (להבנתי גם בטוחה יותר, שכן השחרור המדורג מונע מפגש ישיר בין החמצן והמימן). בדצמבר הוכרזה החברה כמנצחת של New Energy Challenge 2020, והיא תפתח פרויקט פיילוט עם Shell Ventures. בחברה פעילים, בין היתר, ד"ר חן דותן, פרופ' גדעון גריידר, ופרופ' אבנר רוטשילד, שלושתם מקבוצת החוקרים של הטכניון שפיתחו את טכניקת ההפקה המפוצלת.

חברה מעניינת נוספת היא GenCell, שהנפיקה לאחרונה בבורסה בתל אביב. ג'נסל מפתחת תאי דלק על בסיס אמוניה. אחד מראשי החברה הוא היזם והממציא הידוע בני לנדא.

 

מימן בשוק ההון

שנת 2020 הייתה שנת מפנה למניות המימן.

כל משקיע היה שמח לראות תשואות דומות לאלו שהפיקו "מניות המימן" השנה. להלן דוגמאות לשינויים שחלו בשנת 2020 במחירי המניות של חברות המתבססות על טכנולוגיות מימניות, וכפי שנהוג לומר, "הטבלה לא משקרת":

Hydrogen Stocks 2020

 

מה צופן העתיד?

באקלים הפוליטי הנוכחי אין ספק שטכנולוגיות דלות פחמן דו-חמצני יזכו לעידוד ממשלתי. צניחת המחיר של חשמל ירוק תאפשר ייצור המוני של מימן ירוק.

היתרונות המובנים של מימן והגדלת התמיכה הממשלתית בטכנולוגיות מימניות, יביאו לעלייה משמעותית בשימוש ביישומי מימן. לדעתי, המימן נמצא רק "בתחילת הקריירה" שלו ותוך מספר שנים טכנולוגיות מימניות ויישומי מימן יעברו מהשוליים של הכלכלה העולמית למרכז הבמה.

ישי אילני הוא ד"ר למתמטיקה העוסק בפיתוח אלגוריתמים בתחום התקשורת וזיכרונות פלאש

** אין לראות בכתוב המלצה לפעולה כלשהי בניירות ערך או תחליף לשיקול דעתו העצמאי של הקורא ולייעוץ השקעות כהגדרתו בחוק. במידע עלולות ליפול טעויות ולכותב או לחברות הקשורות בו עשויה להיות פוזיציה בניירות הערך הנזכרים במאמר או עניין אישי שלו או של מי מטעמו, בנכסים, בחברות או בניירות הערך המוזכרים במאמר

users: ישי אילני

שמיר
תענוג לקרוא. (רק שהתבלבלתי בהתחלה חשבתי שלמימן יש צבעים).

יניר בן צבי
סקירה מקיפה ומאוד מעניינת.
כשחושבים על כך, יש פה גם השלכות גיאופוליטוית מרחיקות לכת. ככל שהאנרגיה האלטרנטיבית תוטמע יותר בחיינו, כך כוחן של המדינות אשר כלכלתן מבוססת על הזהב השחור תקטן (למשל איראן, עירק, סעודיה באזורנו ואחרות ברחבי הגלבוס).

עוד בנושא

הנקראים ביותר

המלצת העורכים

החדשים ביותר