האם פחם ונפט יכולים להיווצר בימינו?

עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי :

לידתו של הסליל הכפול

קורונה במרחק יריקה

פחם עץ

הפחמים שבוערים בגריל שלנו הם פחמי עץ, שמיוצרים בתהליך שנקרא פירוליזה: עץ או שבבי עץ מחוממים לטמפרטורה גבוהה מאוד, עד כ-700-800 מעלות צלסיוס, ללא נוכחות חמצן. העץ לא נשרף, שכן אש אינה יכולה להתקיים ללא חמצן. במקום זאת הוא עובר פירוק בחום, שמוציא ממנו את רוב המים, יחד עם חומרים אורגניים נדיפים שונים, ומשאיר בעיקר פחמן. הפחמים שמתקבלים בסוף התהליך בוערים בטמפרטורה גבוהה יותר מעץ לא מטופל, ומוציאים הרבה פחות עשן - לכן הם חומר הבעירה המועדף לצלייה.

מנגל על פחמים(צילום: shutterstock)

דלקי המחצבים - פחם אבן, נפט וגז טבעי - מכילים הרבה יותר אנרגיה אך גם קשה יותר להפיק אותם, ולכן התחלנו לנצל אותם מאוחר הרבה יותר, בזמן המהפכה התעשייתית. אך מאז פיתחה החברה האנושית תלות הולכת וגוברת בדלקים אלו. את פחם האבן והנפט לא ניתן לייצר במפעלים: אנחנו נוהגים לכרות אותם ממאגרים טבעיים במעמקי האדמה ולנצל אותם עד שהם מתכלים, ולא רחוק היום שבו הם יאזלו לגמרי. אמנם הם ממשיכים להיווצר גם בימינו, אך לא אנו ולא ילדינו נזכה ליהנות מהם, מאחר שתהליכי ההיווצרות נמשכים בדרך כלל מיליוני שנים.

פחם(צילום: shutterstock)

פחם אבן

פחם אבן, או פשוט פחם, הוא תערובת של תרכובות אורגניות כבדות בעלות מבנה מורכב. הוא מכיל שיעור גבוה של פחמן, בצד אחוזים קטנים של מימן, חמצן, חנקן וגופרית, ולעיתים גם יסודות נוספים. כשמחממים את התרכובות האורגניות המורכבות הללו הן מתפרקות לפחמימנים (תרכובות הבנויות מפחמן ומימן בלבד) ולמולקולות אורגניות פשוטות אחרות. בנוסף, הפחם מכיל חומרים אי-אורגניים, כמו קוורץ, חרסית ועוד.

הפחם נוצר כאשר צמחיית ביצות נקברת באדמה בתנאים אנאירוביים (אל-אווירניים), כלומר ללא חמצן. בתחילה החיידקים והפטריות בקרקע מפרקים את החומר האורגני בצמחייה. התהליך הזה מושפע מגורמים רבים, כמו סוג הצמחייה, העומק שאליו שקעה ואופן השקיעה, כמה זמן נמשך הפירוק, התנאים הכימיים בקרקע, אילו חיידקים נמצאים בה ועוד. מסיבה זו בכל מקום הצמחיים מתפרקת בצורה שונה במקצת.

בהמשך החומר האורגני המתפרק שוקע עוד, נקבר תחת בוץ, סלעים וצמחייה טריה, ועובר תהליכי התאבנות התלויים בעיקר בטמפרטורה, במשך ההתאבנות ובלחץ. מקובל לדרג את הפחם המתקבל בסוף לפי מידת הפירוק והשינוי שעבר החומר האורגני בתהליך יצירת הפחם: החל בפחם חום ורך יחסית, המכיל שאריות צמחייה ניתנות לזיהוי ומפיק חום מועט יחסית, וכלה בסלע פחם שחור ומבריק שמכיל זיהומים מעטים בלבד ותפוקת האנרגיה שלו גבוהה.

מכרה פחם(צילום: shutterstock)

הפחם נוצר בביצות ברחבי העולם גם כיום. אולם הגלגולים שהוא עובר בתהליך היווצרותו עד להפיכתו לפחם שחור איכותי נמשכים מאות מיליוני שנים, ולפחם חום דרושים עשרות מיליוני שנים. כך שקצב הכרייה והצריכה של הפחם בימינו עולה משמעותית על קצב יצירתו.

נפט

הנפט הוא תערובת מורכבת ומשתנה של פחמימנים נוזלים ומוצקים, גז טבעי ואי אלו חומרים אחרים. בדרך כלל מוצאים אותו בתוך סלעי משקע. מאחר שהנפט נוזלי, הוא נודד לא פעם הרחק ממקום היווצרו.

בדומה לפחם, גם הנפט נוצר בתהליך אנאירובי, כלומר ללא אוויר, שעובר חומר אורגני קבור ומבודד, תחת לחצים גבוהים וטמפרטורות גבוהות של עד 150 מעלות צלזיוס. הוא יכול להיווצר גם מפחם בהרכב מסוים, אולם בדרך כלל מקורו הוא אורגניזמים ימיים – אצות ובעלי חיים שהמבנה הביוכימי שלהם מוביל ליצירת מבנים פשוטים יותר של פחמימנים בהשוואה לפחם.

תהליך ההיווצרות של הנפט, מרגע שקיעת בעלי החיים והאצות, דרך הצטברותם ועד לתהליך התפרקותם, יכול להימשך אלפי שנים בתנאים אופטימליים, או מיליוני שנים בפועל ברוב המקרים. במפרץ מקסיקו, למשל, נפט נוצר בתהליכים פעילים, בתנאים כמעט אידיאליים להיווצרות מהירה יחסית, אך במקומות אחרים הייצור ארוך הרבה יותר. גם כאן, כמובן, קצב הצריכה עולה על קצב הייצור.

קידוח נפט(צילום: shutterstock)

לפיכך, אף שהפחם והנפט ממשיכים להיווצר בימינו, מדובר בתהליך איטי שלא יאפשר לנצל אותם להפקת אנרגיה באלפי השנים הקרובות, אם לא למעלה מכך. מאז 1913 מושקע מחקר רב בפיתוח תהליכים להפקת דלקים סינתטיים, שאמורים לתת מענה למחסור הצפוי בדלקי מחצבים. עליהם נמנים לדוגמה המרת פחם חום לנפט, הפקה וזיקוק של דלקים ממקורות נחותים יותר כגון חולות זפת, או תהליך פישר-טרופש שבו משתמשים בפחמן חד-חמצני וגז מימן המופקים מצמחים, פחם או גז טבעי בתנאי לחץ וטמפרטורה גבוהים, וממירים אותם לדלק נוזלי.

חלק מהפיתוחים הללו, כגון ניצול חולות זפת, מחייבים השקעת אנרגיה רבה יותר מזו הדרושה להפקת פחם ונפט ממרבצים טבעיים והם גם מזהמים יותר. נכון להיום יש בעולם כמה מפעלים גדולים בעולם להפקת דלק סינתטי, בעיקר בשיטת פישר-טרופש. אולם הדלקים הללו עדיין אינם בשימוש נרחב, בעיקר בגלל שיקולי כדאיות כלכלית. הנתונים הכלכליים, עם זאת, צפויים להשתנות ככל שהמרבצים הטבעיים יאזלו.

נטליה גויכמן, מכון דוידסון לחינוך מדעי