מגמות וסיכויים לתאי דלק מימן לתחבורה נקייה
מאמר זה יתמקד בתאי דלק מימן, מגמות וסיכויים ליישום שלהם. תאי דלק מבוססי מימן מושכים תשומת לב גוברת בתעשיית הרכב כיום, כי אם המאה ה-20 הייתה המאה של מנוע הבעירה הפנימית, אז המאה ה-21 עשויה להפוך למאה של אנרגיית המימן בתעשיית הרכב. כבר היום, הודות לתאי מימן, פועלות ספינות חלל, ובחלק ממדינות העולם נעשה שימוש במימן כבר יותר מ-10 שנים לייצור חשמל.
תא דלק מימן הוא מכשיר אלקטרוכימי כמו סוללה שמייצרת חשמל באמצעות תגובה כימית בין מימן לחמצן, ותוצר התגובה הכימית הוא מים טהורים, בעוד שריפת גז טבעי, למשל, מייצרת פחמן דו חמצני מזיק לסביבה.
בנוסף, תאי מימן יכולים לפעול ביעילות גבוהה יותר, וזו הסיבה שהם מבטיחים במיוחד. דמיינו מנועי רכב יעילים וידידותיים לסביבה.אבל התשתית כולה כיום בנויה ומתמחה למוצרי נפט, והחדרה בקנה מידה גדול של תאי מימן בתעשיית הרכב עומדת בפני מכשולים אלו ואחרים.
בינתיים, מאז 1839 ידוע שמימן וחמצן יכולים להתחבר בצורה כימית ובכך להשיג זרם חשמלי, כלומר, תהליך האלקטרוליזה של מים הוא הפיך - זוהי עובדה מדעית מאושרת. כבר במאה ה-19 החלו לחקור תאי דלק, אך התפתחות הפקת הנפט ויצירת מנוע הבעירה הפנימית הותירו מקורות אנרגיה של מימן והם הפכו למשהו אקזוטי, לא משתלם ויקר להפקה.
בשנות ה-50, נאס"א נאלצה לפנות לתאי דלק מימן, ולאחר מכן מתוך צורך. הם היו צריכים מחולל חשמל קומפקטי ויעיל עבור החללית שלהם. כתוצאה מכך, אפולו וג'מיני טסו לחלל על תאי דלק מימן, מה שהתברר כפתרון הטוב ביותר.
כיום, תאי הדלק הם לגמרי מחוץ לטכנולוגיה ניסיונית, וב-20 השנים האחרונות חלה התקדמות משמעותית במסחור הרחב יותר.
לא בכדי תולים תקוות גדולות בתאי דלק מימן. בתהליך עבודתם זיהום הסביבה מינימלי, יתרונות טכניים ובטיחות ברורים, בנוסף, סוג זה של דלק הוא אוטונומי ביסודו ומסוגל להחליף סוללות ליתיום כבדות ויקרות.
הדלק של תא מימן הופך לאנרגיה ישירות במהלך תגובה כימית, וכאן מתקבלת יותר אנרגיה מאשר בעירה קונבנציונלית.הוא צורך פחות דלק והיעילות גבוהה פי שלושה מזו של מכשיר דומה המשתמש בדלק מאובנים.
היעילות תהיה גבוהה יותר, כך אופן ניצול המים והחום הנוצרים במהלך התגובה מאורגנת יותר. פליטת חומרים מזיקים היא מינימלית, שכן רק מים, אנרגיה וחום משתחררים, בעוד שאפילו בתהליך המאורגן המוצלח ביותר של שריפת דלק מסורתי, נוצרים בהכרח תחמוצות חנקן, גופרית, פחמן ומוצרי בעירה מיותרים אחרים.
בנוסף, לתעשיות הדלק הקונבנציונליות עצמן יש השפעה מזיקה על הסביבה, ותאי דלק מימן נמנעים מפלישה מסוכנת למערכת האקולוגית, שכן ייצור מימן אפשרי ממקורות אנרגיה מתחדשים לחלוטין. אפילו דליפת הגז הזה אינה מזיקה, שכן הוא מתאדה באופן מיידי.
לתא הדלק אין חשיבות מאיזה דלק מתקבל מימן לצורך פעולתו. צפיפות האנרגיה ב-kWh/l תהיה זהה, ואינדיקטור זה גדל כל הזמן עם שיפור הטכנולוגיה ליצירת תאי דלק.
את המימן עצמו ניתן להשיג מכל מקור מקומי נוח, בין אם זה גז טבעי, פחם, ביומסה או אלקטרוליזה (באמצעות רוח, אנרגיית שמש וכו') התלות בספקי חשמל אזוריים נעלמת, המערכות לרוב אינן תלויות ברשתות חשמל.
טמפרטורות הפעולה של התא נמוכות למדי ויכולות לנוע בין 80 ל-1000 מעלות צלזיוס, בהתאם לסוג האלמנט, בעוד שהטמפרטורה במנוע בעירה פנימית מודרנית רגילה מגיעה ל-2300 מעלות צלזיוס.תא הדלק קומפקטי, פולט מינימום רעש במהלך הייצור, אין בו פליטות של חומרים מזיקים, כך שניתן למקם אותו בכל מקום נוח במערכת בה הוא עובד.
באופן עקרוני, לא רק חשמל, אלא גם החום שמשתחרר במהלך תגובה כימית יכול לשמש למטרות שימושיות, למשל לחימום מים, חימום חלל או קירור - בגישה זו, יעילות הפקת האנרגיה בתא תתקרב. 90%.
התאים רגישים לשינויים בעומס, ולכן ככל שצריכת החשמל עולה, יש לספק יותר דלק. זה דומה לאופן שבו פועל מנוע בנזין או מחולל בעירה פנימית. מבחינה טכנית, תא הדלק מיושם בצורה פשוטה למדי, מכיוון שאין חלקים נעים, העיצוב פשוט ואמין, וההסתברות לכשל קטנה ביסודה.
תא דלק מימן-חמצן עם קרום חילופי פרוטונים (לדוגמה «עם אלקטרוליט פולימרי») מכיל קרום המוליך פרוטונים מפולימר (Nafion, polybenzimidazole וכו'), המפריד בין שתי אלקטרודות - אנודה וקתודה. כל אלקטרודה היא בדרך כלל לוחית פחמן (מטריקס) עם זרז נתמך - פלטינה או סגסוגת של פלטינואידים ותרכובות אחרות.
על זרז האנודה, מימן מולקולרי מתנתק ומאבד אלקטרונים. קטיוני מימן מועברים על פני הממברנה אל הקתודה, אך אלקטרונים נתרמים למעגל החיצוני מכיוון שהממברנה אינה מאפשרת לאלקטרונים לעבור. על הזרז הקתודי, מולקולת החמצן מתאחדת עם אלקטרון (אשר מסופק בתקשורת חיצונית) עם פרוטון נכנס ויוצרת מים, שהם התוצר היחיד של התגובה (בצורת קיטור ו/או נוזל).
כן, מכוניות חשמליות פועלות היום על סוללות ליתיום. עם זאת, תאי דלק מימן יכולים להחליף אותם. במקום סוללה, מקור הכוח יתמוך בהרבה פחות משקל. בנוסף, ניתן להגדיל את הספק המכונית כלל לא עקב העלייה במשקל עקב הוספת תאי סוללה, אלא פשוט על ידי התאמת אספקת הדלק למערכת כשהיא בצילינדר. לכן, ליצרניות הרכב יש ציפיות גבוהות מתאי דלק מימן.
לפני יותר מ-10 שנים החלה העבודה על יצירת מכוניות מימן במדינות רבות ברחבי העולם, במיוחד בארה"ב ובאירופה. ניתן להפיק חמצן ישירות מהאוויר האטמוספרי באמצעות יחידת מדחס סינון מיוחדת הממוקמת על גבי הרכב. מימן דחוס מאוחסן בצילינדר כבד בלחץ של כ-400 אטמוספירה. תדלוק לוקח כמה דקות.
הרעיון של תחבורה עירונית ידידותית לסביבה מיושם באירופה מאז אמצע שנות ה-2000: אוטובוסים נוסעים כאלה נמצאו זה מכבר באמסטרדם, המבורג, ברצלונה ולונדון.במטרופולין, היעדר פליטות מזיקות והפחתת הרעש חשובים ביותר. ה-Coradia iLint, רכבת הנוסעים הראשונה ברכבת המונעת במימן, הושקה בגרמניה בשנת 2018. עד 2021, מתוכננות להשיק עוד 14 רכבות כאלה.
במהלך 40 השנים הבאות, המעבר למימן כמקור האנרגיה העיקרי למכוניות עשוי לחולל מהפכה באנרגיה ובכלכלה העולמית. אם כי כעת ברור שנפט וגז יישארו שוק הדלק העיקרי לפחות עוד 10 שנים.עם זאת, חלק מהמדינות כבר משקיעות ביצירת כלי רכב עם תאי דלק מימן, למרות העובדה שצריך להתגבר על מחסומים טכניים וכלכליים רבים.
יצירת תשתית מימן, תחנות דלק בטוחות היא המשימה העיקרית, כי מימן הוא גז נפיץ. כך או כך, עם מימן, ניתן להוזיל משמעותית את עלויות הדלק והתחזוקה של הרכב ולהגדיל את האמינות.
לפי תחזיות בלומברג, עד שנת 2040 מכוניות יצרכו 1,900 טרה-וואט שעות במקום 13 מיליון חביות ליום כיום, שיהוו 8% מהביקוש לחשמל, בעוד ש-70% מהנפט המיוצר היום בעולם הולך לייצור דלק לתחבורה. . כמובן, בשלב זה, הסיכויים לשוק הרכבים החשמליים הסוללות הם הרבה יותר בולטים ומרשימים מאשר במקרה של תאי דלק מימן.
בשנת 2017, שוק הרכב החשמלי עמד על 17.4 מיליארד דולר, בעוד ששוק מכוניות המימן הוערך ב-2 מיליארד דולר בלבד. למרות ההבדל הזה, המשקיעים ממשיכים להתעניין באנרגיית מימן ולממן פיתוחים חדשים.
כך, בשנת 2017, נוצרה מועצת המימן, הכוללת 39 יצרניות רכב גדולות כמו אאודי, ב.מ.וו, הונדה, טויוטה, דיימלר, GM, יונדאי. מטרתו היא לחקור ולפתח טכנולוגיות מימן חדשות ותפוצתן הנרחבת לאחר מכן.