מהפכת המימן – אסטרטגיות לאומיות ושינויים גאופוליטיים

תפקידו המרכזי של המימן במאבק במשבר האקלים

למימן צפוי להיות תפקיד מרכזי בחברה העתידית, שתתבסס על 100% אנרגיה ממקורות מתחדשים, כנשא אנרגיה שמאפשר הפחתת פליטות גזי חממה במגזרים קשים לחשמול ^[18]. אומנם חוקרים דוחים עמדות הצופות שהמימן יהיה הגורם הגדול ביותר בשוק האנרגיה, אך בו-זמנית דוחים עמדות שמחשיבות אותו גורם שולי ויקר מדי, ומזהירות מפני חוסר יעילותו לנוכח איבוד האנרגיה המתרחש בעת תהליך הפקתו ממים והמרתו בחזרה לאנרגיה. המונח כלכלת מימן נטבע כבר בשנות ה-70 על-ידי John Bockris, אך בספרות האקדמית אין עדיין הסכמה על הגדרתו. במאמר זה נשתמש במונח "כלכלת מימן" כמתאר את כלל השימושים בשלבי הייצור, הצריכה, השינוע, השיווק וההפצה של מימן, לרבות המגזרים התלויים בו וההשפעות העסקיות, הכלכליות והסביבתיות שלו.

בספרות נהוג להתייחס לשלושה שלבים במעבר לכלכלת מימן ^[18]. בשלב הראשון המימן המופק מדלקי מחצבים (ונצרך בכמויות גדולות על-ידי התעשיות הכימיות והפטרוכימיות) יוחלף במימן דל-פחמן. בשלב השני ייכנסו לשימוש כלי רכב מוּנעי מימן (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV), ובעיקר כלי רכב כבדים לנסיעות ארוכות, ולאחר מכן יחל המימן לשמש מקור אנרגיה למבני מגורים ומסחר. בשלב האחרון השימוש במימן לייצור חשמל יספק פתרון לתנודתיות באספקת אנרגיה ממקורות מתחדשים. איור 1 מרכז את השימושים הפוטנציאליים במימן דל-פחמן במדינות המתועשות.

איור 1.

שימושים פוטנציאליים במימן דל-פחמן במדינות המתועשות

מעובד מתוך: BloombergNEF.

יתרונו של המימן הוא בכך שבעת השימוש בו לא נפלטים לאוויר גזי חממה. לדוגמה, מכונית המונעת במימן פולטת לאוויר רק אדי מים. עם זאת, אם המימן אינו מופק מאנרגיה ממקורות מתחדשים, גזי חממה יכולים להיפלט לאוויר בעת הפקתו. לפיכך, מקובל להבחין בין סוגי מימן שונים בהתאם למקורות שהופקו מהם (ראו טבלה 1). מקור ההפקה וצורת ההפקה משליכים על כמות פליטות הפחמן, וקיים רצון ברור מצד המדינות לעודד ייצור של מימן דל-פחמן (ירוק שמקורו באנרגיה ממקורות מתחדשים, וכחול שמקורו בגז מחצבים). עם זאת, המחלוקת העזה בשאלה אם מימן כחול ייחשב מקור לאנרגיה נקייה או לא, גרמה למספר מדינות לבחור בשיטת סיווג שונה של מימן, שמביאה לידי ביטוי את סך פליטות הפחמן במעגל חייו של המימן (להבדיל מסיווג על בסיס מקור ההפקה בלבד). למשל, זיכוי המס למתקני הפקת מימן דל-פחמן שאושר בארה"ב במסגרת ה-US Inflation Reduction Actבאוגוסט 2022, ונחשב תמריץ משמעותי לקידום מיזמי מימן בארה"ב, מחשב את גובה הזיכוי (שעשוי להגיע עד 3 דולר לק"ג מימן) לפי רמת פליטת הפחמן במחזור חיי המימן. גם הצעת חקיקה חדשה, שפרסמה הנציבות האירופית, מציעה מינוח לסיווג מימן בהתאם לסך פליטות הפחמן במחזור חייו ^[10].

טבלה 1.

סיווג מימן בהתאם למקור ההפקה

גלי התעוררות והחסמים לפיתוח כלכלת מימן

היעדר מקורות אנרגיה עצמאיים הפך את יפן לחלוצה, כשניסתה לסמן את המימן כפתרון להשגת ביטחון בתחום האנרגיה כבר בשנות ה-40 של המאה ה-20 ^[17]. ספק המימן הראשון במדינה – "תעשיית מימן אוסקה" – קם בשנת 1958, אך התהליך לא האיץ כמצופה. מאז שנות ה-70 של המאה הקודמת עבר שוק המימן גלים של התעוררות ודעיכה, בהתאם לתנודתיות המחירים בשוק הנפט: האמרת מחירי הנפט הביאה לעידוד שוק המימן, והתייצבות זמנית של מחירי הנפט הובילה בתורה להאטה בשוק המימן – וחוזר חלילה.

גל ההתעניינות הנוכחי בשימושי המימן שונה. הוא מאופיין במחויבות מוגברת של מדינות למעבר לכלכלת מימן. מחויבות זו נוצרה בעקבות שתי תובנות עיקריות: האחת, שמשבר האקלים הוא עובדה קיימת, שלא ניתן עוד לחמוק מהשלכותיה על החיים על כדור הארץ, והשנייה, שהמעבר לכלכלת מימן חיוני להשגת יעדי הסכם פריז לניטרליות פחמנית. כך, ההתעניינות המחודשת שהחלה כבר בתחילת המאה ה-21, לובתה בחשש מהסיכונים בעקבות שינוי האקלים, והתמקדה בטכנולוגיות ללכידה, לשימוש ולאחסון של פחמן (CCUS), בהפקת מימן מאנרגיה ממקורות מתחדשים ובשימוש במימן בתחבורה. יפן הקצתה אז 4.5 מיליארד ין לתוכנית ארוכת-טווח לסחר בין-לאומי במימן, שיהיה מבוסס על אנרגיה ממקורות מתחדשים; הנציבות האירופית בשיתוף ממשלת קוויבק הקצתה כ-33 מיליון דולר קנדי ​​לחקירת פתרונות אחסון ושימוש במימן. באותה התקופה נחשפו בתערוכות של יצרניות רכב גדולות רבות מכוניות שמוּנָעות במימן ומצוידות בתאי דלק שיוצרו בטכנולוגיות חדשות.

אלא שהרצון להאיץ את מהפכת המימן נתקל באתגרים קריטיים, ועיקרם מחירם הגבוה של המימן הירוק והמימן הכחול, הקשיים בהיתכנות להרחבת הייצור שלהם בכמויות הנדרשות לתעשייה ומחסור בתשתיות כמו תחנות תדלוק לרכבי מימן. לאתגרים הללו מתלוות בעיות של בטיחות השימוש במימן, מחסור בפתרונות לשינוע ולאחסון של מימן, חסמי אסדרה רבים ועוד.

השילוב של הדחיפות מול הקושי בהתגברות על החסמים שבדרך הוביל לתובנה שתנאי סף לפריצת שוק המימן הוא מעורבות ומחויבות ממשלתית, שיספקו ודאות לגבי מגמות השוק בטווח הארוך, בד בבד עם שיתוף פעולה הדוק בין המגזרים הציבורי והפרטי. לנוכח העובדה כי כיום העלויות לייצור מימן דל-פחמן גבוהות מאוד, המעורבות הממשלתית חיונית לשם עידוד השקעות פרטיות בייצור מימן ירוק ולמעבר לאנרגיית מימן ^[13]. ההשקעה הממשלתית בפרויקטים של מימן מעניקה למשקיעים הפרטיים ודאות ביחס להשקעתם.

מטרתו של מאמר זה היא לפרוס יריעה רחבה של דרכי פעולה של מדינות ברחבי העולם להתמודדות עם פיתוח כלכלת המימן, לרבות שיתופי פעולה בין-לאומיים, עידוד השקעות ומתן תמריצים לקידום טכנולוגיות לייצור מימן, ובעיקר מימן ירוק. סקירה זו מבוססת בעיקר על מסמכי מדיניות רשמיים במגוון מדינות ופרסומים שוטפים לגבי התפתחויות בשוק המימן. מטרתה לעודד שיח סביב כלכלת מימן גם בישראל, שטרם אימצה מדיניות כוללת בנושא. מדינות רבות אימצו אסטרטגיית פעולה בהתאם לצורכיהן ולתנאים הכלכליים והחברתיים שלהן, והגיעה גם שעתה של ישראל לבחון את אסטרטגיית הפעולה הרצויה לשם הפקת מרב התועלת הסביבתית, הכלכלית והחברתית, שעשויה לצמוח מפיתוח כלכלת מימן.

אסטרטגיות לאומיות לפיתוח שוק המימן

מחקרי שוק מראים, שכדי שכלכלת המימן תוכל לממש את ההבטחה הגדולה בתהליך שינוי מקורות האנרגיה, המימן צריך לתפוס נפח של לפחות 15% מתמהיל הדלקים העולמי עד לשנת 2050 ^[4]. נראה כי מדינות שונות עושות כיום מאמצים ניכרים כדי להתקרב אל היעד הרצוי. הנכונוּת להתחייב לשינוי מקורות האנרגיה משתקפת בגל של פרסום אסטרטגיות לאומיות ארוכות-טווח למעבר לכלכלת מימן, כחלק מהשאיפה להגיע לניטרליות אקלימית עד לשנת 2050. מגמה זו, שהחלה רק בשנים האחרונות, עולה מפרסומים מדינתיים ומדיווחים שוטפים העוסקים בהתפתחות שוק המימן. עד כה כ-20 מדינות הכריזו על אסטרטגיות מימן, ובהן גרמניה, צרפת, ספרד, בריטניה, פורטוגל, נורווגיה, פינלנד, יפן, דרום קוריאה, סין, הולנד ועוד. מדינות נוספות פרסמו, כשלב מקדים לפרסום אסטרטגיה, מפות דרכים לקידום כלכלת מימן.

כיום נראה כי היבשת היחידה שצפויה להתקרב אל היעד הרצוי של מימן בתמהיל מקורות האנרגיה שלה היא אירופה, שעל פי התחזיות ^[4], המימן יתפוס בה נתח של 11% מתערובת הדלקים בשנת 2050. נראה כי התוכנית השאפתנית של האיחוד האירופי להגדלת שימושי המימן (REPowerEU) נובעת גם מהחשש של אירופה מאיבוד ההובלה הנוכחית בשוק המימן לטובת סין, כפי שקרה בשוק הלוחות הסולריים, שכן סין, יצרנית המימן הגדולה בעולם, מייצרת כיום מימן בעיקר מפחם (כ-62% מהמימן בסין מיוצר מפחם ו-3% בלבד מאנרגיה ממקורות מתחדשים), אך הציבה כיעד לטווח הארוך הפיכת מימן מאנרגיה ממקורות מתחדשים למקור המימן העיקרי שלה. הנחישות האירופית גברה עוד יותר בעקבות המלחמה באוקראינה ורצונם של מקבלי ההחלטות באירופה להשתחרר מהתלות ביבוא דלקים מרוסיה.

האסטרטגיות הלאומיות נבדלות הן בדגשים ובסדרי העדיפויות שהן קובעות לגבי שימושי המימן שיוטמעו במדינה, הן מבחינת היקף ההשקעות המתוכנן לקידומן. טבלה 2 מציגה דגשים ויעדים שקבעו מדינות שונות באסטרטגיות הלאומיות שלהן, ולצידן מדגם של שיתופי פעולה בין-לאומיים שנחתמו לאחרונה. זוהי רשימה חלקית בלבד, שגובשה כדי להמחיש את עוצמת ההתגייסות הבין-לאומית לקידום מחקר ופיתוח לשם הוזלת מימן דל-פחמן, ולצורך הבטחת ייצור מימן וסחר בו בהיקף שיענה על הביקושים הגוברים שנובעים מהיעדים השאפתניים שהוצבו. הטבלה ממחישה את ההבדלים בדגשים בין המדינות. למשל, מדינות האיחוד האירופי נותנות את הדגש על החלפת מימן אפור או חום במימן דל-פחמן בתעשייה, לעומת מדינות אסיה (כמו יפן וסין), שמקדמות במרץ את השימוש במימן בתחבורה. מדגם של שיתופי הפעולה ממחיש שיצרניות המימן כבר ממצבות עצמן בעמדת כוח אסטרטגית.

טבלה 2.

דוגמאות לאסטרטגיות לאומיות ולשיתופי פעולה לפיתוח כלכלת מימן

שינוי יחסי כוחות – יבואניות ויצואניות מימן בעולם

מעקב אחר המרוץ למימן חושף כי מלבד יתרונו כאמצעי להפחתת פליטות מזהמות, פיתוח שוק המימן טומן בחובו גם הזדמנויות גאופוליטיות חדשות ושינויים עתידיים ביחסי הכוחות בין המדינות (טבלה 3). דו"ח שפרסמה לאחרונה הסוכנות הבין-לאומית לאנרגיה ממקורות מתחדשים (IRENA) מנתח את ההשפעה של פיתוח שוק מימן גלובלי על הגאופוליטיקה בגלל שינוי בזהות ספקיות האנרגיה בעולם ^[15]. הצפי הוא שהלחץ החזק באירופה ובמזרח אסיה למצוא מקורות ליבוא מימן ישנה את יחסי התלות הקיימים בין מדינות. מדינות התלויות כיום ביבוא מקורות אנרגיה, ושמחזיקות בכושר ייצור גבוה של מימן ואנרגיה ממקורות מתחדשים (כמו צ'ילה, מרוקו ונמיביה), עשויות לשפר במידה רבה את מעמדן הגאו-אסטרטגי כיצרניות מימן. לעומת זאת, יצואניות של נפט וגז ימשיכו לספוג ירידות גדולות בהכנסות. עם זאת, יצואניות נפט שיצליחו להשתלב כיצואניות מימן (כמו אוסטרליה ומדינות המפרץ הפרסי), אומנם יושפעו מכך שמדובר בשוק תחרותי בהרבה משוק הנפט, אך יוכלו עדיין לשמר את מעמדן ואף למנף את התשתיות הקיימות שלהן ליצוא אנרגיה, וכן למנף את כוח העבודה המיומן בטיפול בדלקים ואת קשרי הסחר באנרגיה. חלק מהמדינות כבר זיהו את הפוטנציאל הטמון במדבריות שלהן, והן משקיעות הון עתק בפרויקטים שאפתניים לייצור מימן ירוק. לדוגמה, סקר שערכה חברת סימנס מצביע על כך שעשרות מיזמי מימן ירוק המקודמים באזור המזרח התיכון ובאפריקה עשויים להפוך את האזור למוקֵדה (hotspot) לאנרגיה מקיימת, בתנאי שיגויסו השקעות הון גדולות, יאומצו מסגרות מדיניות ברורות, ויתקיים שיתוף פעולה בין הממשלות, התעשייה והגורמים הפיננסיים ^[21]. יבואניות המימן, לצד ניסיונן להפיק את המֵרָב מיכולת הפקת המימן שלהן, חייבות להשקיע בשיתופי מימן בין-לאומיים עם יצרניות המימן.

טבלה 3.

מדגם של אסטרטגיות במדינות הפועלות במרץ למצב עצמן כיצואניות מימן

הסדר הגאופוליטי החדש מעלה שאלות מרתקות. לדוגמה, יש הצופים שדווקא מדינות הנפט (שכאמור מבקשות להפוך ליצרניות מימן) יביאו את הבשורה להובלת המעבר הגלובלי לאנרגיה ממקורות מתחדשים, כאשר יחליטו לצמצם את יצוא הנפט והגז בהתאם לאינטרסים הכלכליים שלהן ^[19]. 

המרוץ לפיתוחים טכנולוגיים לייצור מימן

נוסף על ההזדמנויות הגאופוליטיות, פיתוח שוק המימן יוצר גם הזדמנויות טכנולוגיות חדשות, ומדינות משקיעות משאבים ניכרים במטרה למצב עצמן כמובילות בתחום ייצור המימן. לפי דו"ח IRENA שלעיל, כיום יפן שולטת במחקר תאי הדלק, עם 40% מהפטנטים בתחום, ואירופה מובילה במחקר על ייצור מימן, בעיקר אלקטרולַייזרים וטכנולוגיות אחסון ^[15].

עלות האלקטרולַייזרים, שבאמצעותם מופק המימן ממים, וקצב הייצור שלהם – הם חסמים משמעותיים להאצת השימוש במימן ירוק. ואכן, בחודשים האחרונים גואים פרסומים על שיפור בטכנולוגיות האלקטרוליזה ועל טכנולוגיות חדשניות אחרות לייצור מימן הנמצאות בשלבים שונים של פיתוח. לדוגמה, במחקר באסטוניה נבחנת בניית הליבה של האלקטרולַייזרים מחומרים ננו-קרָמיים ^[22]; חברת Graforce הגרמנית נמצאת בפיתוח מתקדם של טכנולוגיית אלקטרוליזה, שמייצרת מימן ממתאן ומשפכים ^[8]. באוסטרליה פורסם שאוניברסיטת Wollongong משפרת את היעילות האנרגטית של תא האלקטרוליזה ל-98%, הודות לשימוש בהולכה קפילרית (capillary-fed electrolysis cell) שמאפשרת פעילות של האלקטרודות ללא יצירת בועות. הצלחת הפרויקט עשויה להוזיל את מחיר המימן הירוק ביותר מ-50%, עד למחיר של פחות מ-1.5 דולר לק"ג ^[12].

החברה הקליפורנית NewHydrogen עדכנה ביולי 2022 על התקדמות במחקר שהצליח לשפר משמעותית את טכנולוגיית האלקטרולַייזרים מסוג PEM (Proton Exchange Membrane) באמצעות זרז חדש, שלא מבוסס על מתכת יקרה ^[14]. באוסטרליה הֵחל בשנת 2022 פרויקט ענק שיפיק מימן מהלחות שבאוויר, ובכך יוביל להוזלה משמעותית במחיר המימן הירוק, שעלות המים היא מרכיב ניכר במחירו ^[6]. בדרום קוריאה מתוכנן ייצור מימן מאנרגיה גרעינית ^[11], והכרזות אחרות מבשרות על ייצור מימן מפסולת. למשל, Boson Energy, חברת טכנולוגיה מלוקסמבורג, הודיעה שבקרוב תוכל לייצר מימן מפסולת שלא ניתנת למִחזור, עם פליטות אנרגיה שליליות, באפס עלות או פחות (כשתזרים ההכנסות יכסה את הוצאות ייצור המימן) ^[7].

במאי 2022 הודיעה אוניברסיטת צפון קרוליינה (NCSU) על שימוש בפוטוקטליסט (זרז המשופעל על-ידי אור), שניתן לשימוש חוזר, ומשפר משמעותית את הליך הפקת המימן מנוזלים. הטכנולוגיה מוזילה את הייצור, מכיוון שהיא מקטינה את היקף השימוש ברודיום – אחת מהמתכות היקרות והנדירות מקבוצת הפלטינה. לפי הדיווח, בניסויים שבוצעו שוחררו תוך שלוש שעות ובעזרת השמש בלבד 99% ממולקולות המימן שבנוזל ^[20].

כל הטכנולוגיות הללו הן "טעימה על קצה המזלג" של פריצות דרך שמתפרסמות חדשות לבקרים. התחזיות צופות גידול מהיר בייצור ובמכירות של אלקטרולַייזרים, והצפי הוא שיותר מ-60% מהביקוש יגיע מסין, מצד מפעלים ממשלתיים שצריכים לעמוד ביעדים הלאומיים להפחתת הפליטות. העלייה בהיצע צפויה להוביל לירידה מהירה במחירי אלקטרולַייזרים, כך שעל פי תחזית שפרסמה BloombergNEF לשנת 2022, עד 2030 מימן ירוק מאנרגיה ממקורות מתחדשים יהיה זול ממימן כחול שמיוצר מגז מחצבים ^[5].

הזווית הישראלית

האם ישראל יכולה להציב את עצמה לצד המדינות המובילות בקידום טכנולוגיות מימן? השוק הפרטי בישראל כבר החל לזהות את הפוטנציאל. חברת ג'נסל הישראלית, לדוגמה, הצליחה לפתח זרז לתאי דלק שאינו משתמש במתכות אצילות כמו פלטינה, מה שמוזיל את עלויות ייצור המימן. לאחרונה הודיעה החברה על פריצת דרך בפרויקט משותף עם TDK היפנית, שאמורה להוזיל גם את שינוע המימן, ולעיתים אף לייתר אותו, באמצעות טכנולוגיה נקייה מפליטות לייצור אמוניה ישירות ממים, בלחץ ובטמפרטורה נמוכים מאוד ביחס לתהליכי ייצור אמוניה הידועים כיום ^[16]. לאחרונה גם דיווחה החברה על השקה של מערכת EVOX לטעינת כלי רכב חשמליים ללא תלות בחיבור לרשת החשמל באמצעות טכנולוגיה של ג'נסל, המבוססת על תאי הדלק ^[2]. מחקר ישראלי אחר, באוניברסיטת תל אביב, גילה מוטנט של אצה מיקרוסקופית שמאפשר לייצר מימן ירוק כתוצר לוואי של תהליך הפוטוסינתזה בסדרי גודל המתאימים לייצור תעשייתי ^[9].

אלא שישראל נמצאת מאחור בהשוואה למדינות רבות וטרם גיבשה את "החוליה החסרה" לפריצה, תוכנית לאומית ארוכת-טווח לפיתוח שוק המימן. מוסד שמואל נאמן פרסם בתחילת שנת 2021 מסמך המלצות על הצעדים שראוי לנקוט כדי להשתלב בשוק המימן העולמי, ובהם גם פיתוח אסדרה ייעודית למימן, בחינת מקומה של ישראל בסחר הבין-לאומי במימן ופיתוח החדשנות הטכנולוגית ^[3]. למרות זאת, מפת הדרכים למשק אנרגיה דל-פחמן עד שנת 2050 של משרד האנרגיה, ששימשה בסיס להחלטת ממשלה מספר 171 על מעבר לכלכלה דלת-פחמן, מסתפקת באמירה כי יעדים ביחס לטכנולוגיות מימן יעודכנו בעתיד, כיוון ש"טכנולוגיות מימן נקי עדיין בשלבי פיתוח וניסוי ראשוניים בעולם" ^[1]. בהקשר זה טבעי לתהות כיצד מפת דרכים הצופה פני עתיד כוללת רק טכנולוגיות מוכרות ומסחריות, בעוד שאל טכנולוגיות עתידיות מרכזיות, שאמורות להיות נדבך מרכזי במעבר לאנרגיה ממקורות מתחדשים – אין התייחסות כלל. עם זאת, למיטב ידיעתנו, משרד האנרגיה והמשרד להגנת הסביבה מכינים בימים אלה של תוכנית אסטרטגית לפיתוח כלכלת המימן, שתוצריה טרם פורסמו לציבור. 

סיכום

המעבר לכלכלת מימן הגיע, ככל הנראה, לנקודת אל-חזור, לאור היקף ההשקעות העצום של מדינות רבות בפיתוח טכנולוגיות מימן, ההיקף הגדל של חתימה על שיתופי פעולה בין המדינות והיקף הפרויקטים שמתקדמים לשלבי ביצוע. נראה כי מלבד יתרונו המשמעותי של שוק המימן בהפחתת פליטות גזי חממה, הפיתוח שלו טומן בחובו גם מגוון הזדמנויות גאופוליטיות וטכנולוגיות. מסתמן שגם האוניברסיטאות והשוק הפרטי בישראל מתחילים לזהות את הפוטנציאל הטמון בפיתוחים טכנולוגיים בשוק המימן, אך עם זאת, טרם התגבשה בישראל תוכנית לאומית ארוכת-טווח לפיתוח שוק המימן. כל הסימנים מצביעים על כך שהגיעה העת להאיץ את התהליך, בטרם ישראל תחמיץ את ההזדמנויות הקיימות בשוק זה.