פיתוח בטכניון: הפקת דלק-מימן באמצעות אנרגיה סולרית

מחקר שנערך בטכניון בשנה האחרונה עשוי להעניק דחיפה משמעותית לשימוש בדלק מימן נקי ומתחדש. המחקר, שנערך על ידי ד"ר גדעון שגב בפקולטה למדע והנדסה של חומרים, פורסם ב-Advanced Energy Materials, כתב העת השלישי בחשיבותו בתחומי האנרגיה והדלק. מדובר בשיטה להפקת דלת-מימן באמצעות אנרגיה סולארית.

פיתוחם של מקורות אנרגיה מתחדשים וברי-קיימא הואץ בשנים האחרונות, וזאת בעקבות תנודות חריפות במחירי הנפט, מודעות גוברת לזיהום, והשפעות סביבתיות הרסניות שמקורן בשימוש בדלק פחמימני. גז המימן הוא דלק לכל דבר, העשוי להחליף דלק פחמימני מבלי לגרום נזק לסביבה מכיוון שתוצר השריפה שלו הוא מים. למרות זאת, טכנולוגיית ייצור המימן עדיין נמצאת בחיתוליה בגלל מגבלות שלא נפתרו עד כה. בניגוד לדלק פחמימני, המופק בקלות ממחצבים טבעיים של פחם, נפט וגז טבעי, את המימן יש לייצר מחומרים אחרים, כגון מים, המכילים מימן כחלק מהתרכובת הכימית שלהם. תהליך ייצור המימן יקר, שכן שבירת הקשרים הכימיים בחומר-המוצא (מים) צורכת אנרגיה רבה. קושי נוסף הוא באיחסון גז המימן.

ככל שעוצמת הקרינה עולה ישנה עליה משמעותית בפוטו זרם. בדומה לתאי שמש, עבור פוטו מתח נמוך, עליה זו היא ביחס ישר לעוצמת הקרינה. בנוסף לכך, עם העלייה בעוצמת הקרינה גם הפוטו-מתח הנבנה באלקטרודה גדל. מאחר ותוספת הפוטו מתח באה בנוסף לעליה בזרם, ישנה עליה בנצילות המרת האנרגיה. בצד הגרף ניתן לראות איור של מערכת הניסוי. האור מגיע ממקור אור המדמה את אור השמש. אור זה מרוכז על הפוטו-אנודה בעזרת עדשה. עוצמת הקרינה הפוגעת בתא האלקטרוכימי נקבעת על ידי המרחק בין הפוטו-אנודה לעדשה(צילום: דוברות הטכניון)

במחקר המתפרסם כעת מתוארת שיטה העשויה לשפר משמעותית את תהליך ייצור המימן ממקורות מתחדשים, כלומר ממים ומאנרגיה סולרית. "האנרגיה הנדרשת לפירוק המים לשם הפקת המימן מגיעה מהשמש," מסביר ד"ר שגב, "ואנחנו חוקרים ספציפית את השימוש באנרגיית שמש מרוכזת לצורך זה. פירוש הדבר הוא שבמקום שכל תא שמש יקלוט רק את הקרינה הזעומה הפוגעת בו, הוא מקבל מנה גדולה של קרינה הממוקדת עליו באמצעות מראות ועדשות".

בטכניון מסבירים כי כיום כבר ידוע שהקרינה המרוכזת מגדילה לא רק את סך האנרגיה המגיעה לתא אלא גם את נצילות התא, כלומר - כל פוטון של אור מנוצל טוב יותר. המחקר מגלה כי תופעה זו, הקיימת גם בתאי שמש "רגילים", דרמטית הרבה יותר כאשר מדובר בתאים פוטו-אלקטרוכימיים המפרקים מים למימן וחמצן. "הטכנולוגיה הזאת מאפשרת ניצול אופטימלי של קרינת השמש בשעות היום ליצירת מימן, ושימוש באנרגיית המימן בשעות החשיכה או בכל מועד אחר. במילים אחרות, יש כאן גם פתרון לבעיית האגירה של אנרגיה סולרית, המשתנה מטבעה במהלך היום והלילה".

החלודה הטובה

בטכניון הוסיפו כי השמש משגרת לכדור הארץ, מדי שעה, אנרגיה השווה לצריכת החשמל השנתית של אוכלוסיית העולם. לכן היא מהווה מקור אנרגיה טבעי שיחליף במרוצת הזמן את הדלק המחצבי (פחם, נפט וגז טבעי). ההתבססות על דלק מחצבי גובה מחיר עצום בזיהום, בתחלואה ובהרס הטבע והסביבה וכן מחיר כלכלי-חברתי שמקורו בעובדה שמחצבים אלו שייכים, על פי רוב, למספר זעום של אנשים וחברות פרטיות. לעומת זאת, מקורות האנרגיה המתחדשת כגון שמש ורוח זמינים לכל יזם, והדבר נכון לגבי מימן המופק מפירוק מים באמצעות אנרגיה סולרית.

במשך עשרות שנים נבחנו חומרים שונים כמועמדים לייצור פוטו-אלקטרודות לפירוק מים לצורך הפקת מימן. חומרים אלה נדרשים למלא כמה תנאים הכרחיים: הם חייבים לבלוע את קרינת השמש ביעילות; עליהם לפרק את המים באפקטיביות; ואסור שהם עצמם יתפרקו במים.

 בנוסף לכך, רצוי מאוד שיהיו זמינים וזולים. בעבודת הדוקטורט של ד"ר חן דותן, בהנחייתו של פרופ' רוטשילד, הראה דותן כי כליאת אור בשכבות ננו-מטריות של תחמוצת ברזל ("חלודה") מביאה לפירוק יעיל של המים וליצירת מימן וחמצן. החלודה יציבה במים ואינה משנה את תכונותיה בזמן פירוקם.

המחקר הנוכחי מחזק את התגלית הקודמת ופותח דרך חדשה לשיפור נוסף של תאים סולריים על בסיס תחמוצת ברזל. המחקר, המתוקצב על ידי ה-European Research Council) ERC), נערך ברובו במעבדת המימן בטכניון, שהוקמה בעזרת תרומה נדיבה מקרן אדליס, וכן מתקציב המרכז הישראלי למצוינות במחקר בדלקים סולריים.

ד"ר שגב, פוסט-דוקטורנט בקבוצת המחקר של פרופ' אבנר רוטשילד, השלים תואר שני ושלישי באוניברסיטת תל אביב, וכיום הוא עוסק בפיתוח שיטות לפירוק מים באמצעות אנרגיה סולרית.