מדיניות
מפת דרכים לשילוב מימן בכלכלת ישראל
דן יקיר ועדת ההיגוי להתמודדות עם משבר האקלים, האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים; המחלקה למדעי כדור הארץ וכוכבי הלכת, מכון ויצמן למדע ([email protected])
מניעים את מהפכת המימן. התחנה הראשונה בישראל לתדלוק במימן פועלת מאז מאי 2023 בסונול יגור. לתחנה, שהוקמה על-ידי חברת Linde הגרמנית, מסופק מימן שמיוצר ומותאם לתחבורה על-ידי חברת כיל במפעל סמוך במפרץ חיפה. בתחנה מתדלקות משאיות מונעות מימן מתוצרת יונדאי, המיובאות לארץ על-ידי חברת כלמוביל | צילום: עידן סבח
השימוש העולמי במימן כדלק חליפי, שיכול לתרום לצמצום פליטות גזי חממה, מתרחב במהירות ומאפשר הפקת תועלת ויתרונות חשובים למשק האנרגיה ולסביבה. על ישראל להשתלב במגמה זו, לקבל עליה תפקיד מוביל בקידום התחום ולהביא לפיתוחו ולשילובו של השימוש במימן ירוק, המופק באמצעות אנרגיית שמש ואלקטרוליזת מים. הוועדה שמינתה האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים לבחינת נושא האקלים בישראל קוראת לתמיכה במחקר ופיתוח אקדמי ויישומי שיקדם את הידע בנושא היכולת והתנאים ליישום "כלכלת מימן", ירבה את היתרונות הכלכליים למשק האנרגיה בארץ, ויקדם את תרומת המחקר האקדמי בישראל למאבק במשבר האקלים בעולם. הוועדה ממליצה במיוחד על הקמת "פארקים לשמש–מימן" שיהיו תשתית רחבה לחיבור אנרגיית השמש כמקור עיקרי לאנרגיה עם הפקת מימן כפתרון מיטבי לאגירת אנרגיה. הפארקים ישרתו את התעשיות, את מוסדות המחקר וגורמים נוספים בעלי עניין בארץ ובעולם, ויהוו בסיס לחיבור בין הטכנולוגיות השונות עבור צרכנים ויעדי אנרגיה מגוונים. הוועדה ממליצה במיוחד על ניצול השילוב הייחודי לישראל של הפוטנציאל הרב להפקת אנרגיית שמש עם זמינותם של מים מותפלים, שיש להם יתרונות בהפקת מימן ושדרושים בכמויות ניכרות להפקתו.
על קצה המזלג
- המאמר עוסק בשילוב מימן במשק האנרגיה הישראלי, תוך התייחסות לאתגרים הקשורים לייצורו, להובלתו, לאחסונו ולשימוש בו, וכן להשפעותיו על הכלכלה והסביבה.
- על-ידי ייצור מקומי של מימן נוכל להפחית את התלות ביבוא דלקי מחצבים. מימן, ובייחוד מימן ירוק המופק מאנרגיה ממקורות מתחדשים, יצמצם את שיעור פליטות גזי החממה של ישראל.
- מימן יכול לאחסן עודפי אנרגיה ממקורות מתחדשים וכך לסייע בשילובה בתמהיל האנרגיה, ולדאוג לאספקת חשמל יציבה ואמינה גם כאשר מקורות מתחדשים אינם מייצרים אנרגיה.
- פיתוח טכנולוגיות מימן עשוי למצב את ישראל כמובילה בכלכלת המימן העולמית, להניע חדשנות ולתרום לצמיחה כלכלית ירוקה על-ידי יצירת מקומות עבודה חדשים ומשיכת השקעות.
- ישראל יכולה להפוך למוקד אזורי לייצור וליצוא של מימן, לטפח שיתוף פעולה עם מדינות שכנות ולתרום ליציבות אזורית באמצעות יצירת אינטרסים משותפים במשאבי אנרגיה.
מערכת אקולוגיה וסביבה
הלכה למעשה
ד"ר אהוד גלון, רמ"ח חומרים, מפא"ת, משרד הביטחון, וד"ר רחלי קרייסברג, מפתחת מימן ואנרגיה מתחדשת, מפא"ת, משרד הביטחון:
ברור כשמש ששילוב מקורות אנרגיה מהשמש וממימן יכול להיות חלופה לדלקי המחצבים המזהמים. שימוש באנרגיה המתחדשת מהשמש ובמימן כנשא אנרגיה נקי אף יתרום להגעה של ישראל ליעדי האקלים שהתחייבה להם. נקודות החוזק של ישראל בתחום שמש–מימן כוללות ידע וטכנולוגיות פורצות דרך שפותחו במוסדות המחקר, בחברות הזנק ובתעשייה, פיתוח תשתיות פיזיות שיכולות להוביל מימן, וכן עניין הולך וגובר מצד התעשייה ומגזר התחבורה הישראלי לעבור לאנרגיה נקייה מבוססת מימן.
המיקום הגאוגרפי של ישראל בין ערב הסעודית ומדינות המפרץ לבין אירופה יכול להפוך אותה למסדרון יבשתי להעברת מימן נקי שמיוצר במדינות הללו לאירופה. נוסף על כך, ישראל, כשכנה של מדינות צפון אפריקה, יכולה לתרום מן הידע והטכנולוגיה שלה למאמץ של המדינות האלה לייצר מימן ירוק. ישראל משתתפת גם במיזמי מו"פ של האיחוד האירופי בתחומי האנרגיה הסולארית והמימן.
מפא"ת (המנהל למחקר ולפיתוח אמצעי לחימה ותשתית טכנולוגית) בפרט, ומשרד הביטחון בכלל, פועלים יחד עם משרדי ממשלה נוספים להקים "פארק שמש–מימן" טכנולוגי לבחינת טכנולוגיות חדשניות. פארק טכנולוגיה זה מתוכנן להיות חלק מתוך פרויקט העוסק במימן, בהובלת משרד האנרגיה.
המאמר מבוסס על נייר עמדה של ועדת ההיגוי של האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים להתמודדות עם משבר האקלים [3], שהוכן בעזרתם של פרופ' נתן זוסמן ופרופ' יורם מרגליות. חברי הוועדה: פרופ' דן יקיר (יו"ר), פרופ' צבי בן-אברהם, פרופ' נעמה גורן-ענבר, פרופ' יוסף ג'בארין, פרופ' נדב דוידוביץ', פרופ' יואב יאיר, פרופ' יוסי לויה, פרופ' שלומית פז, פרופ' טליה פישר, פרופ' דניאל רוזנפלד ופרופ' איתן ששינסקי.
כתובת דוא"ל להתקשרות: [email protected]
מבוא
הצורך במימן
השימוש במימן נועד לסייע במאמצי הפחתת הפליטה של גז החממה פחמן דו-חמצני, ושל זיהום נוסף שמקורו בשימוש בדלקי מחצבים, וכן להפחית את הסיכונים ממשבר האקלים. מימן מצוין רבות כ"דלק העתיד", כלומר כדרך לאגירת אנרגיה [12] לייצור חשמל, לתחבורה כבדה ולשימושים תעשייתיים מתאימים (כגון ייצור פלדה ומלט). הצלחה בכך יכולה לשמש בסיס ל"כלכלת מימן", שהיא חזון לתשתית תעשייתית שבה המימן, חופשי מפחמן, משמש מוליך אנרגיה דומיננטי (כבר ב-1870 ניבא ז'ול ורן ש"המים יהיו הפחם של העתיד") [4]. במסגרת המגמה להוצאת פחמן לסוגיו מתשתיות האנרגיה, גבר מאוד בשנים האחרונות העניין של גופים שונים, ובהם התעשייה, ממשלות ובעלי עניין אחרים, בפוטנציאל השימוש במימן במשק האנרגיה. אסטרטגיות לאומיות לשימוש במימן החלו להתפתח ביפן ב-2017 [11], והופיעו מאז גם בקוריאה הדרומית, בניו זילנד, באוסטרליה, בהולנד, בנורווגיה, בפורטוגל ובגרמניה. ב-2020 פרסם גם האיחוד האירופי את אסטרטגיית המימן שלו [6]. על פי פרסומים אלה, מחיר השימוש במימן צפוי לרדת במהירות. לדוגמה, מחירי האלקטרולייזרים, שהם הֶתקנים אלקטרוכימיים הדרושים להפקת מימן ממים, ומהווים חצי מעלות השימוש במימן שנוצר ממים, יָרדו ב-60% בעשר השנים האחרונות, וצפויים לרדת ב-50% נוספים עד 2030 ולהפוך לתחרותיים במשק האנרגיה, לפחות במקומות שאנרגיה ממקורות מתחדשים (כגון אנרגיית שמש) מצויה בהם בשפע [6].
כשם שייצור חשמל דורש מקור אנרגיה ואמצעי הולכה של אלקטרונים, כך ייצור מימן דורש מקור אנרגיה ויכולת הובלה – במקרה זה של פרוטונים. נושא ההובלה של דלקים, כגון מימן, הוא מאבני הנגף העיקריות של אנרגיות "ירוקות" מסוג זה, וזאת לעומת דלק מחצבים שהוא מקור אנרגיה שניתן כיום להובלה פשוטה יחסית, למשל בצנרת ובמכליות.
שימושי המימן
במימן ניתן להשתמש כדלק, וניתן להפיק ממנו חום באמצעות שרפה לשימוש ישיר בתעשייה או להפקת אנרגיה חשמלית באמצעות תאי דלק, וכן ניתן להשתמש בו כחומר מחזר בתהליכי ייצור, כגון תעשיית מתכות שונות. מקובל לראות במימן דלק מסוכן, אך נראה שאינו מסוכן מדלק רגיל, ואולי אף פחות ממנו. למשל: המימן אינו רעיל, הפסולת מהפקת חשמל ממימן היא מים, והיות שהוא גז קל, הוא "מתפנה" במהירות לאטמוספרה במקרה של תקלות, וזאת בניגוד לדלק מחצבים כבד ודליק.
יש חשיבות למציאת השימושים המתאימים לדלק זה: באמצעות שרפה ניתן לנצל חום לתעשייה הכבדה ישירות ולנצל את המימן כחומר מחזר בתהליך עצמו. לדוגמה, בתעשיית הפלדה (כמו גם במתכות אחרות) מימן יכול לשמש לייצור החשמל, ובייצור פלדה מימן יכול לשמש גם לשרפה ולייצור החום הדרוש, וגם להחלפת הפחמן החד-חמצני והפחם בתהליך. כך גם בתהליך ייצור אמוניה (NH3) לדשן, באספקת חום ומימן לתהליך עצמו, ובעתיד גם בתעשיית המלט, שאחראית לכ-5% מפליטות הפחמן הדו-חמצני בעולם.
הפקת חשמל ממימן נעשית בעזרת תאי דלק מסוגים שונים הבנויים מאלקטרודות ומממברנות מתאימות. חלק מהאלקטרודות מיוצרות ממתכות נדירות, כדוגמת פלדיום. בתאי דלק השימוש במימן יעיל יחסית לדלק מחצבים על בסיס משקל הדלק (פי שלושה אנרגיה לקילוגרם בקירוב), אבל קילוגרם מימן דורש נפח גדול לאחסון או השקעה בקירור או בדחיסה. השימוש במימן כדלק למנועים דורש נפחים גדולים, מכלים כבדים ואפשרות תדלוק מותאמת. לכן, השימוש בו אינו מתאים כיום לתעופה מסחרית, אך יעיל לאמצעי תעבורה למרחקים ארוכים בעלי יכולת תדלוק, כמו אוניות ומשאיות. לעומת מצבר (סוללה), שדורש טעינה בחשמל כדי לספק אנרגיה, תא דלק צריך לצורך זה את אספקת ה"דלק" שלו – מימן. כללית, קל יותר לאגור אנרגיה כימית בדלק מאשר בסוללה או בכל צורה אחרת (מלבד גרעינית) בגלל יחס גבוה של אנרגיה למשקל בדלק.
הפקת מימן
בניגוד לדלקי מחצבים המופקים ממעבה האדמה, את המימן יש לייצר תוך השקעת אנרגיה לפני שניתן להשתמש בו כדלק. הדרך הנפוצה להפקת מימן היא אלקטרוליזה של מים, המפרידה באמצעות ממברנה בין החמצן והמימן. נהוג לאפיין בצבע את סוג האנרגיה המושקעת בייצור המימן. כך, מימן שמופק דרך אלקטרוליזה מוגדר "ירוק" רק אם האנרגיה שמשמשת לאלקטרוליזה של המים אינה כרוכה בפליטת גזי חממה (למשל, אנרגיית שמש או אנרגיה הידרואלקטרית). בתנאים מתאימים ניתן להפיק באמצעות אנרגיה גרעינית מימן "ורוד". הפקת מימן "שחור", "אפור" ו"חום" מבוססת על שימוש בתרכובות פחם שחור, פחם אפור או גז "טבעי", שכולן תרכובות פחמן שהשימוש בהם מלווה בפליטת פחמן דו-חמצני. מימן "כחול" מופק גם הוא בעזרת דלק מחצבים או גז טבעי, אך הפחמן הדו-חמצני שמשתחרר בהפקת המימן נתפס בתהליכים המכונים תפיסת פחמן מפליטות והטמנתו (Carbon Capture and Storage). מוכרים גם גוונים אחרים של מימן, כמו מימן "טורקיז", המבוסס על הפקת מימן ממתאן בתהליך פירוליזה אגב ייצור פחמן מוצק (לפירוט גוני המימן ראו טבלה 1).
טבלה 1
צבעי המימן לפי הדרכים להפקתו, כולל מימן ירוק, שאינו כרוך בפליטת פחמן דו-חמצני, והשפעתו על מחזור הפחמן
מעובד על בסיס Applied Economics Clinic [5].
יעילות ההחזר, כלומר כמות האנרגיה המופקת יחסית לזו המושקעת, שכוללת גם את ייצור המימן וגם את הפקת החשמל, עומדת כיום על כ-50%, אך מערכות חדשות המצויות כעת בשלבי מסחור צפויות להעלות את היעילות לכ-70% בעתיד הנראה לעין. כיום ייצור מימן ירוק יקר לפחות פי 2.5–5 משימוש בדלק מחצבים. ב-2030 עלות ייצור מימן ירוק צפויה להשתוות לזו של מימן אפור או כחול [8]. אשר להיקפי ייצור המימן, יש כיום תחשיבים שונים לעתיד הקרוב: צריכת האנרגיה השנתית בעולם כיום היא כ-160,000 טרה-ואט שעה (TWh). הפקת כל סוגי המימן בעולם כיום שוות ערך לכ-2,600 TWh בשנה. הסוכנות הבין-לאומית לאנרגיה (IEA) פרסמה תחזיות לגידול בייצור השנתי של כ-350 TWh נוספים של מימן ירוק עד 2030 [9].
גורם חשוב שנוטים להתעלם ממנו הוא הצורך במים כמקור לייצור דלק מימן מאלקטרוליזה של מים: תאורטית, ייצור 1 ק"ג מימן דורש 9 ק"ג מים; עם זאת, הפסדים בתהליך הייצור, כגון אלקטרוליזה, ידרשו שימוש בכ-11 ק"ג מים, ואם נעשה שימוש במים מותפלים יידרשו כ-20 ק"ג מי ים. לפיכך, צריכת המים ליכולת ייצור שנתי של כ-9,000 גיגה-ואט שעה (GWh), כלומר קצב ייצור של 1 גיגה-ואט (GW) במשך שנה, יכולה להיות כמו צריכת מים שנתית של עיר בת כ-70,000 תושבים. לכן, במרבית המקרים מקום הייצור צריך להיות קרוב לים. עם זאת, שימוש ישיר במי ים באלקטרוליזה מקצר את אורך החיים של מרכיבים במערכות הטכנולוגיות, כגון אלקטרודות, ובייחוד ממברנות מתקדמות. לפיכך, רצוי להשתמש במים שפירים או מותפלים שיוסיפו 0.3% עד 1% למחיר של מימן ירוק, לפי התחזיות לירידת מחירו. גם עלות הממברנות גבוהה כיום, אך צפויה לרדת עם התקדמות המחקר בתחום בארץ ובעולם. כיום יש כבר חברות ישראליות מסחריות המתמחות באלקטרוליזה, ומשתמשות בשיטה ללא ממברנות.
אגירת מימן
השימוש במימן דורש במרבית המקרים גם את אגירתו. אגירת מימן אינה פשוטה, כיוון שהמולקולה קטנה מאוד ו"בורחת" בקלות ממכלים ומצינורות יותר מרוב הגזים, ועל כן מצריכה שימוש בתהליכים ובחומרים מתאימים. כמו כן, כשמימן נמצא בפאזה גזית בלחץ רגיל (אטמוספרי), הערך שלו כדלק קטן מאוד. לכן, אוגרים גז מימן בלחץ גבוה, אחרי דחיסה ל-700 אטמוספרות, או כנוזל בטמפרטורה של 253- מעלות צלזיוס. אי לכך, מכלי האגירה והצנרת להובלה חייבים להיות עשויים מחומרים מיוחדים, ויש פיתוחים חדשניים לשימוש בחומרים מורכבים, קלים וחזקים לחלק מהמטרות האלה. כמו כן, נעשים מאמצים להסב צנרת להולכת גז "טבעי" (בעקר מתאן) לצנרת שיכולה להוליך מימן או תערובת של מימן וגז טבעי.
ההשפעה העקיפה של מימן על האקלים
למימן כדלק יש לא רק יתרונות אלא גם חסרונות: הפקתו והובלתו כרוכות במידה זו או אחרת בדליפתו לאטמוספרה. לכך תהיה השפעה שלילית על האקלים, ויעילותו כמרכיב אנרגטי "ירוק" תיפגם. לדוגמה: התגובות הכימיות של המימן באטמוספרה עם הרדיקל OH גורמות להארכת זמן החיים של המתאן, ולכן לעלייה בריכוזו כמו גם בריכוז האוזון. מתאן ואוזון הם גזי חממה בעלי פוטנציאל חימום רב, אך זמן חייהם באטמוספרה קצר לעומת פחמן דו-חמצני (12 שנים למתאן ושבועות אחדים לאוזון, אך אלפי שנים לפחמן דו-חמצני). לתהליכים אלה יש השפעה נוספת על ריכוז אדי המים בסטרטוספרה, שגם לה יש חלק בהתחממות. חוסר שליטה מספיק בדליפות מימן יכול, אפוא, להביא לעלייה בריכוז של גזי חממה חזקים באטמוספרה ולהגביר את ההתחממות.
לפיכך, אף על פי שמימן אינו גז חממה כשלעצמו (בניגוד לפחמן דו-חמצני, הוא אינו קולט קרינת אנרגיה בתחום האינפרה-אדום), ושזמן החיים שלו באטמוספרה קצר (שנה–שנתיים), יש לו השפעה עקיפה על האקלים. ההערכה היא שבדרך עקיפה פוטנציאל החימום של המימן המגיע לאטמוספרה (Global Warming Potential ‒ GWP) גדול בערך פי שישה מזה של פחמן דו-חמצני בטווח זמן של מאה שנים מאז הפליטה, ולאחרונה קיימות גם הערכות גבוהות יותר.
עם זאת, בדו"ח ממשלתי שנערך בממלכה המאוחדת הוערך שדליפת מימן של 1% עד 10% (טווח רחב מאוד) תקטין את יעילות השימוש במימן להפחתת פליטות מדלקי מחצבים רק ב-0.4% עד 4% [7].
המחקר הישראלי בתחום הפקת מימן והשימוש בו
המחקר האקדמי
למחקר האקדמי בכלל, וכן לזה שבישראל, תפקיד קריטי בקידום הפקת המימן והשימוש בו בכמה תחומים: פיתוח אלקטרודות להפקת המימן, פיתוח ממברנות מתקדמות להפקתו, פיתוח תאי דלק יעילים להפקת החשמל ממימן, פיתוח חומרים מתאימים לאחסון ולהובלה של מימן ועוד.
משרד האנרגיה מינה לאחרונה את אוניברסיטת בר-אילן לרכז את פעילות המחקר בתחום האנרגיה המתחדשת בישראל, ובכללו את המחקר בתאי דלק, ובתחום הממברנות מונו גם אוניברסיטת תל אביב והטכניון. בעקבות מחקרים אלה פיתחו חוקרים בטכניון דור חדש של אלקטרוליזת מים להפרדה יעילה של מימן מחמצן, והוקמה חברת "H2Pro" למסחור הרעיון.
מוסד שמואל נאמן לחקר מדיניות לאומית הפיק מסמך הממליץ לשלב מימן במשק האנרגיה [2].
המחקר המעשי והפיתוח התעשייתי
המעבר ממחקר אקדמי ליישום מסחרי כרוך בשלבים נוספים של מחקר ופיתוח. הופעת היישומים הראשונים בשוק המסחרי מצביעה על הצלחות ראשונות בתחום זה. חברת "סונול" חנכה ב-2023 את תחנת התדלוק המימנית (האפורה) הראשונה שתשרת משאיות מימן. חברת "ג'נסל" (GenCell) מקדמת שימוש במשאיות על בסיס תאי דלק.
יוזמת "סדום הירוקה" של "כימיקלים לישראל" (כיל), שמטרתה להסב את מתחם התעשייה סדום לפעולה על בסיס אנרגיה ירוקה, מבוססת על שדה של תאי שמש והפקת מימן לאגירת אנרגיה ולאספקתה למפעלי ים המלח.
חברת "דוראל אנרגיה" פועלת בשיתוף עם "אילת אילות" ומחלבת "יטבתה" להקמת עמק מימן.
משרד הביטחון, באמצעות מפא"ת, מקדם פארק שמש–מימן כפרויקט חלוצי תעשייתי למחצה כדי לבחון ולהדגים יוזמות שונות: הפקת מימן מאלקטרוליזה בשימוש באנרגיית שמש (פוטו-וולטאית); שיטות לאגירת מימן; שימוש במימן להפקת אנרגיה בעזרת תאי דלק ממגוון טכנולוגיות; שילוב ברשתות אנרגיה – חיבור לרשת מקומית וכללית (ראו פירוט בהמשך). לאחרונה נחתם חוזה בין חברת נתיבי הגז הטבעי לישראל וחברת הגז ההולנדית, Gasunie, לפיתוח הולכת מימן בישראל.
פיתוח משק מימן בישראל
המצב בארץ כנקודת התחלה
בזכות קרינת השמש הרבָּה ושטחי המדבר הנרחבים קיים בארץ פוטנציאל גדול לייצור חשמל סולרי שיכול לשמש להפקת מימן ירוק. בארץ המרחקים קטנים, ואינם אמורים להגביל את הובלת המימן. הובלת חשמל מעל הקרקע אינה יקרה במיוחד. יש פיתוחים להובלת זרם ישר (DC) שטובה לטווחים של עד כ-3,500 ק"מ, וכיום גם משמשת למרחקים הרלוונטיים לישראל, דבר שיכול לייעל את התחום עם שילוב טכנולוגיה זו בארץ בעתיד.
קיימות צורות אגירת אנרגיה אחרות בישראל, כמו בשיטה ההידרואלקטרית בגלבוע, באמצעות שאיבת מים למאגר גבוה. לשיטה זו מגבלות רבות בארץ, כמו איתור שטחים מתאימים, שיש בהם הבדלים טופוגרפיים וזמינות של מים בכמויות מספיקות, אם כי ייתכן שהפוטנציאל שלה עדיין לא מוצה. בארץ קיימים מגזרים ששימוש בדלק מימן מתאים להם: תעשיות הפלדה, הדשן והמלט ותחבורת משאיות (אילת–ים המלח, אילת–אשדוד–חיפה ועוד). ניתן להרחיב ייצור חשמל בתאי דלק לקנה מידה תעשייתי, על בסיס האלקטרודות הפשוטות יותר הקיימות בשוק זה זמן מה.
המסלול המוצע לפיתוח משק מימן בישראל: שילוב של ייצור מימן עם מפעלי ההתפלה ועם ייצור חשמל סולרי בנגב
ישראל נמצאת בעמדה ייחודית לפיתוח כלכלת מימן לאור הנגישות לשלושת המרכיבים החיוניים לכך: שמש לייצור אנרגיית שמש; קִרבה לים ולמפעלי התפלה לאספקת מים שפירים; חקר אקדמי ויישומי מתקדם בתחום זה.
לישראל יש יכולת להקים שדות סולריים לייצור חשמל בהיקף מתאים בדרום, להוביל את החשמל למפעל הפקת המימן באלקטרוליזה שיוקם ליד מפעלי ההתפלה הקיימים לאורך אזור החוף, להשתמש בחלק מהמים המותפלים לייצור מימן ולהקים מפעל תאי דלק לייצור חשמל כמרכיב בניצול האנרגיה ממימן.
השימוש במימן יתאים ל: א. אגירת אנרגיה ואספקתה למפעל ההתפלה כהשלמה לאנרגיית שמש; ב. אספקת חשמל לרשת הארצית; ג. אספקת דלק מימן לתובלה ולתעשייה מתאימות, כגון פלדה ומלט.
דוגמה למיזם מימן–שמש–התפלה
1,500 דונם שדה סולרי (1.5 קמ"ר בלבד) מאפשרים הפעלת מפעל התפלה מהגדולים בעולם, ללא זיהום תפעולי. כ-0.13% מהמים המותפלים ישמשו לייצור מימן שיוכל לספק חלק מתפוקתו לרשת החשמל או לשימושים אחרים. שדות סולריים גדולים יותר וניצול רב יותר של פוטנציאל ההתפלה בארץ (יותר מ-0.13% הללו) יכולים להביא לידי ייצור דלק מימן לשימושים בתחבורה ובתעשייה ולאגירה בהיקפים גדולים בהרבה ולזמן בלתי מוגבל. אומנם הפקת המימן והמים המותפלים דורשת אנרגיה (סולרית לפי ההצעה כאן), אך המימן הוא נשא אנרגיה יעיל ונקי (אף יותר ממצברים) לאגירת דלק ואנרגיה. הוא יכול להיות זמין בכל עת ולמטרות שונות, ושילובו בתעשיית ההתפלה הגדולה עשוי להיות ייחודי ויעיל במיוחד בארץ.
נתוני הפתיחה המבטיחים האלה אינם ניתנים ליישום מיידי, ונחוץ שלב ביניים של מחקר ופיתוח שיאפשר הנגשה של המחקר המדעי לחברות הֶזנק ולחברות מסחריות שפועלות כבר בשוק. קידום שלב ביניים זה בצורה מיטבית יכול להתבסס על הקמת פארקי שמש–מימן כמצע לקידום ולפיתוח מבחר הטכנולוגיות הדרושות ליישום המסחרי בקנה מידה רחב (איור 1).
איור 1
תיאור התשתיות הטכנולוגיות והשילוב ביניהן בפארק המימן
מבוסס על Kurtz ואחרים, 2018 [10].
פארק השמש–מימן: מיזם ייחודי לבדיקת היתכנות מפעלי מימן בארץ
פארק שמש–מימן מציע את שלב הביניים המיטבי בין המחקר והיישום בקנה מידה מסחרי ובהיקף גדול (ארצי). מטרתו של "פארק השמש–מימן" היא בדיקת ההיתכנות של מפעל מימן על בסיס הקמת תשתית רחבה לחיבור אנרגיית השמש כמקור עיקרי לאנרגיה עם הפקת מימן כפתרון מיטבי לאגירת אנרגיה. הפארק ישרת את התעשיות, את מוסדות המחקר וגורמים נוספים בעלי עניין בארץ ובעולם. הפארק המתוכנן יהיה "ארגז חול" (אתר ניסויים) ומחקר חלוץ (פיילוט), ויהווה בסיס לחיבור בין הטכנולוגיות השונות עבור צרכנים ויעדי אנרגיה מגוונים, החל ממקור אנרגיה עצמאי קטן למתקן ייעודי וכלה בתשתית אנרגיה כוללת ליישוב, לאזור ועוד.
הפארק יכלול אפשרות תכלול (אינטגרציה) של טכנולוגיות שמש (סולריות) מגוונות, בהן ייצור טכנולוגיות סולריות ייחודיות המבוססות על פתרונות חדשניים של חברות הזנק בתחום הסולרי, לצד מתן אפשרות לבדיקת היתכנות של חברות גדולות בתחום הסולרי שירצו לבחון פתרונות שונים לאנרגיה ממקורות מתחדשים ובכללם אגירה מבוססת מימן.
סיכום ‒ חזון ישראל כגשר אנרגטי
קידום השימוש במימן יוצר צורך בשיתופי פעולה בכל הרמות האפשריות, ואף מאפשר אותם. הדבר נובע מהתובנה המרכזית בנושא המימן, שבשל מורכבות התחום על כל ממדיו (ייצור, הובלה, אחסון, שימושים, כלכלה, אסדרה, בטיחות, תשתיות ומצב גאופוליטי, כמו הסכמים ומצב ביטחוני) יש צורך בשיתוף פעולה רחב – ברמה הפנים-ארגונית, בין גופים באזור גאוגרפי נתון, וברמה של גופים באזורים גאוגרפיים שונים ובין-לאומיים. תובנה זו הביאה בשנים האחרונות להתפתחות מהירה של שיתופי פעולה בין-מוסדיים ובין-מדיניים ברחבי העולם [1]. בזירה הבין-לאומית הקרובה אלינו חלו שינויים גאופוליטיים, כמו הסכמי אברהם, הסכמים עם האיחוד האירופי ועם מדינות צפון אפריקה, וננקטו יוזמות בין-לאומיות דוגמת אלה שנדונו בוועידת האקלים בשארם א-שייח' בנובמבר 2022, המאפשרות לזרז את כניסתה של ישראל לתחום המימן. שותפויות של ישראל ביוזמות שכאלה באגן הים התיכון המזרחי, עם מדינות צפון אפריקה, ובייחוד במשולש ירדן–ישראל–מצרים (עקבה–אילת–טאבה) המתאים למפעלים המשלבים מימן, אנרגיית שמש והתפלה בהיקף בין-לאומי, יכולות לתרום להפיכתה של ישראל לשחקן מוביל בתחום המימן.
ממבחר הסיבות שנמנו במסמך זה ניכר שעל ישראל להשתלב בכלכלת המימן העולמית ולהיות ממוביליה (ראו גם [2]). ישראל הייתה מאז ומתמיד ארץ מעבר. תחילה בין מסופוטמיה לבין מצרים ובהמשך במסגרת אימפריות עצומות, דוגמת האימפריה הרומית והאימפריה העות'מאנית. בתקופת המנדט הבריטי הובל נפט לעבר אירופה ממדינות המפרץ דרך מה שלימים היו לירדן ולישראל. גם בימינו ישראל יכולה לשמש גשר בין מדינות המפרץ לבין אירופה.
- המאמר עוסק בשילוב מימן במשק האנרגיה הישראלי, תוך התייחסות לאתגרים הקשורים לייצורו, להובלתו, לאחסונו ולשימוש בו, וכן להשפעותיו על הכלכלה והסביבה.
- על-ידי ייצור מקומי של מימן נוכל להפחית את התלות ביבוא דלקי מחצבים. מימן, ובייחוד מימן ירוק המופק מאנרגיה ממקורות מתחדשים, יצמצם את שיעור פליטות גזי החממה של ישראל.
- מימן יכול לאחסן עודפי אנרגיה ממקורות מתחדשים וכך לסייע בשילובה בתמהיל האנרגיה, ולדאוג לאספקת חשמל יציבה ואמינה גם כאשר מקורות מתחדשים אינם מייצרים אנרגיה.
- פיתוח טכנולוגיות מימן עשוי למצב את ישראל כמובילה בכלכלת המימן העולמית, להניע חדשנות ולתרום לצמיחה כלכלית ירוקה על-ידי יצירת מקומות עבודה חדשים ומשיכת השקעות.
- ישראל יכולה להפוך למוקד אזורי לייצור וליצוא של מימן, לטפח שיתוף פעולה עם מדינות שכנות ולתרום ליציבות אזורית באמצעות יצירת אינטרסים משותפים במשאבי אנרגיה.
מערכת אקולוגיה וסביבה
ד"ר אהוד גלון, רמ"ח חומרים, מפא"ת, משרד הביטחון, וד"ר רחלי קרייסברג, מפתחת מימן ואנרגיה מתחדשת, מפא"ת, משרד הביטחון:
ברור כשמש ששילוב מקורות אנרגיה מהשמש וממימן יכול להיות חלופה לדלקי המחצבים המזהמים. שימוש באנרגיה המתחדשת מהשמש ובמימן כנשא אנרגיה נקי אף יתרום להגעה של ישראל ליעדי האקלים שהתחייבה להם. נקודות החוזק של ישראל בתחום שמש–מימן כוללות ידע וטכנולוגיות פורצות דרך שפותחו במוסדות המחקר, בחברות הזנק ובתעשייה, פיתוח תשתיות פיזיות שיכולות להוביל מימן, וכן עניין הולך וגובר מצד התעשייה ומגזר התחבורה הישראלי לעבור לאנרגיה נקייה מבוססת מימן.
המיקום הגאוגרפי של ישראל בין ערב הסעודית ומדינות המפרץ לבין אירופה יכול להפוך אותה למסדרון יבשתי להעברת מימן נקי שמיוצר במדינות הללו לאירופה. נוסף על כך, ישראל, כשכנה של מדינות צפון אפריקה, יכולה לתרום מן הידע והטכנולוגיה שלה למאמץ של המדינות האלה לייצר מימן ירוק. ישראל משתתפת גם במיזמי מו"פ של האיחוד האירופי בתחומי האנרגיה הסולארית והמימן.
מפא"ת (המנהל למחקר ולפיתוח אמצעי לחימה ותשתית טכנולוגית) בפרט, ומשרד הביטחון בכלל, פועלים יחד עם משרדי ממשלה נוספים להקים "פארק שמש–מימן" טכנולוגי לבחינת טכנולוגיות חדשניות. פארק טכנולוגיה זה מתוכנן להיות חלק מתוך פרויקט העוסק במימן, בהובלת משרד האנרגיה.
מקורות
- ארז ח וצימרמן נ. 2022. מהפכת המימן – אסטרטגיות לאומיות ושינויים גאופוליטיים. אקולוגיה וסביבה 13(3): 25–33.
- גרוסמן ג ושפירא נ. 2021. שילוב מימן במשק האנרגיה – סיכום והמלצות דיון פורום אנרגיה 49. חיפה: מוסד שמואל נאמן למחקר מדיניות לאומית.
- האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים. 2023. דלק מימן. ועדת ההיגוי של האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים להתמודדות עם משבר האקלים – נייר עמדה מס' 3. ירושלים: האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים.
- ורן ז'. 1875. אי התעלומות. תרגום: בסון ע, 1983. כתר.
- Castigliego J and Stasio T. 2021. The "Colors" of Hydrogen. Applied Economics Clinic.
- European Commission. 2020. A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe.
- Frazer-Nash Consultancy. 2022. Fugitive hydrogen emissions in a future hydrogen economy. Submitted to UK Government.
- Gulli C, Heid B, Noffsinger J, et al. 2024. Global energy perspective 2023: Hydrogen outlook. McKinsey and Company.
- International Energy Agency (IEA). Hydrogen.
- Kurtz J, Peters M, Muratori M, and Gearhart C. 2018. Renewable hydrogen-economically viable: Integration into the U.S. transportation sector. IEEE Electrification Magazine 6(1): 8–18.
- Ministry of Economy, Trade and Industry (METI). 2017. Basic hydrogen strategy. Ministerial council on renewable energy, hydrogen and related issues, 26 December.
- Sepulveda NA, Jenkins, JD, Edington A, et al. 2021. The design space for long-duration energy storage in decarbonized power systems. Nature Energy 6: 506–516.
קריאה נוספת
דו"ח של האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים, שמאמר זה מתבסס עליו, המצייר את תמונת המצב בנוגע לשימוש במימן כמדיום לאחסון אנרגיה כדלק בעולם, באזורנו ובישראל. בדו"ח נדונה הצעה להקמת פארק מימן בישראל, וכן מתוארת דוגמה ספציפית לישראל של שימוש משולב (מימן ושמש) המאפשר לספק חשמל ללא הפסקה להתפלת מי ים.
האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים. 2023. דלק מימן. ועדת ההיגוי של האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים להתמודדות עם משבר האקלים – נייר עמדה מס' 3. ירושלים: האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים.
דו"ח המסכם דיונים בנושא השימוש במימן כמענה לאתגרי אנרגיה קריטיים לישראל, בהשתתפות בעלי עניין בישראל – מהתעשייה, מהממשל, מהאקדמיה, מארגונים לא ממשלתיים וכן חוקרי מוסד שמואל נאמן. הדו"ח כולל רשימת המלצות לפעולות שיקדמו את תרומתה של ישראל להגבלת ההתחממות העולמית ולשילוב מימן במשק האנרגיה הישראלי.
גרוסמן ג ושפירא נ. 2021. שילוב מימן במשק האנרגיה – סיכום והמלצות דיון פורום אנרגיה 49. חיפה: מוסד שמואל נאמן למחקר מדיניות לאומית.
סקירה טכנולוגית, הכתובה ברובה בשפה פשוטה, של השימוש הקיים במימן ושל השימושים הפוטנציאליים שלו, עם מידע עדכני על המצב בישראל. דגש מיוחד ניתן לפוטנציאל של הטמעת טכנולוגיות מימן לארגון מחדש של משק האנרגיה הלאומי והעולמי.
רשות החדשנות. 2024. מימן כמשבש אקלימי.
מהדורה מודפסת
