גז ואנרגיה

מתאן – גז חממה, גז קטלני ומקור אנרגיה ירוק

ד”ר דרור בר-ניר

שדות אורז בדלתא של המקונג בוייטנאם. תצלום: יעל גבעון (פברואר 2006)

ב-8 ביוני 2007, בעיירה היליגנדם שבגרמניה, הצהירו מנהיגי שמונה המדינות המתועשות והעשירות בעולם (ה-ג'י-8 – G8 ) על הסכמתם להציב יעד לא-מחייב של קיצוץ פליטת גזי חממה (ראו תיבה) ב-50% עד שנת 2050. קיצוץ זה נועד, כמובן, להאט את קצב התחממות כדור-הארץ. את הטור הזה נייחד לפחמימן מתאן (CH4), שהוא תוצר כמעט בלעדי של פעילות ארכאונים (Archaea – חיידקים קדומים) מיוחדים, המכונים מתאנוגנים.

“גזי החממה” נקראים כך משום שהם פועלים כמחסום חלקי בפני פליטת קרינת חום מכדור-הארץ לחלל. אלמלא גזי החממה, היתה הטמפרטורה על פני כדור-הארץ נמוכה בממוצע ב-40ºC מכפי שהיא היום, והחיים כפי שאנו מכירים אותם לא היו יכולים להתקיים.

גז החממה העיקרי הוא אדי מים, האחראים לכ-95% מאפקט החממה. גז החממה השני בחשיבותו הוא פחמן דו-חמצני (CO2), האחראי ל-3.6% בלבד מאפקט החממה. המתאן תורם 0.4%, ואילו חנקן חמצני (N2O) תורם כ-1%.

לנו, בני-האדם, אין השפעה של ממש על כמות אדי המים. לעומת זאת, כל שינוי משמעותי בכמויות שלושת הגזים האחרונים (שאליהם התכוונו מנהיגי ה-ג'י-8) עלול לגרום לעלייה בטמפרטורה הממוצעת של כדור-הארץ, שלה השלכות חמורות ביותר – עליית גובה פני הים, סופות, שיטפונות, בצורות, מחלות ועוד.

הסיבה לתרומתו ה”שולית” של גז המתאן לאפקט החממה היא כמותו הקטנה יחסית באטמוספרה. אם בודקים את תרומתה של מולקולת מתאן אחת לאפקט החממה, הרי שהיא תורמת פי 22 מאשר מולקולה של פחמן דו-חמצני.

המתאן, אם כן, הוא פחמימן. הפחמימנים, כפי שמעיד עליהם שמם, הם מולקולות המורכבות מאטומי פחמן ומימן בלבד. מקובל להבחין בין פחמימנים קלים וגזיים לפחמימנים כבדים יותר. כמה מן הפחמימנים הקלים הם מתאן, אתאן (C2H6), פרופאן (C3H8) ובוטאן (C4H10), ששני האחרונים שבהם הם מרכיבים עיקריים של גז הבישול (המכונה גם גפ”מ – גז פחמימני מעובה). הפחמימנים הכבדים יותר הם, בין היתר, מרכיביהם של כל סוגי הדלקים המבוססים על נפט. כל הפחמימנים הם חומרים “עתירי אנרגיה” ודליקים מאוד, והקטנים שבהם אף נפיצים.


צנרת לאיסוף מתאן באתר חיריה ;צילום: יגאל מורג

מתאן, שהוא הפחמימן הקל יותר, נפלט לאטמוספרה ממקורות טבעיים וממקורות הקשורים בפעילות האדם, והוא גז חסר ריח.

רובו המכריע של המתאן על פני כדור-הארץ מקורו בפעילות (הן בעבר הרחוק, הגאולוגי, והן היום) של קבוצה מיוחדת של ארכאונים אל-אווירניים, שרובם אינם יכולים לשרוד באטמוספרה המכילה חמצן. ארכאונים אלה משתמשים במימן מולקולרי, H2, לחיזור מקור הפחמן שלהם, שיכול להיות פחמן דו-חמצני (CO2), חומצה אצטית (CH3COOH) או חומר אחר. בגלל המתאן שהם מייצרים, מכונים ארכאונים אלה בשם מתאנוגנים, והתהליך בכללותו מכונה מתאנוגנזה (methanogenesis).

כמות קטנה יחסית של מתאן נפלטת בעקבות פעילות געשית. מתאן התגלה גם בכוכבי-הלכת צדק, שבתאי, אורנוס ונפטון, ואף בטיטאן (אחד הירחים של צדק). עד שיוכח אחרת, משערים שכל המתאן שבאטמוספרה של כוכבי-לכת אלה מקורו בפעילות געשית (אם כי כבר היום יש הטוענים אחרת).

חיידקים אחרים, אווירניים, המכונים מתאנוטרופיים (methanotrophs), יכולים לנצל את המתאן כמקור פחמן ואנרגיה, והם מפרקים אותו, בסדרת שלבים, לפחמן דו-חמצני ולמים.

המקור הטבעי העיקרי לגז המתאן הוא פעילות חיידקים בקרקעית שטחי הביצות הנרחבים שבאזורים הטרופיים והסובטרופיים של כדור-הארץ. לכן המתאן מכונה גם “גז הביצות”. החיידקים המתאנוגניים שבביצות אלה מפרקים תרכובות אורגניות – שרידי בעלי-חיים וצמחים השוקעים במים – ופולטים 200-120 מיליון טון גז מתאן בשנה. מקור משמעותי נוסף, הקשור בפעילות האדם, הוא שדות האורז הנרחבים שבמזרח אסיה, שהמתאנוגנים שבקרקעיתם פולטים 120-70 מיליון טון מתאן לשנה.

מקור חשוב נוסף של מתאן הוא דרכי העיכול של בעלי-חיים צמחוניים רבים, המכילים במעיהם ארכאונים מתאנוגנים לצד מיקרואורגניזמים אחרים, המסייעים להם בפירוק החומרים הצמחיים ליגנין ותאית. המתאנוגנים צורכים את גז המימן הנוצר בתהליכי תסיסה של חיידקים אחרים, ופולטים מתאן. הטרמיטים, המאכלסים יערות ואזורים טרופיים אחרים, נחשבים כיצרני המתאן העיקריים מבין בעלי-החיים החיים בטבע (עם ממוצע רב-שנתי של כ-25 מיליון טון מתאן). גם היונקים הצמחוניים שבטבע פולטים מתאן, אך את כמויות המתאן הגדולות ביותר פולטים מיליוני היונקים הצמחוניים שאנחנו, בני-האדם, מגדלים – עדרי הצאן הבקר (100-80 מיליון טון מתאן לשנה). המתאן נפלט ממערכת העיכול של היונקים הצמחוניים בעיקר דרך הפה – בשיהוק (“גרעפס”). גם ממערכות העיכול שלנו, בני-האדם, נפלטת כמות קטנה של מתאן ביחד עם מימן וגזים נוספים, אלא שאצלנו הוא נפלט דרך פי הטבעת (במה שמכונה בעברית תקנית “נפיחה”).

בקרקעית האוקיינוסים, בעיקר ליד החופים (אזור מדף היבשת), בטמפרטורה של 4C, מצטברים, כתוצאה מפעילות המתאנוגנים במשך מיליוני שנים, הידראטים של מתאן (מולקולת מתאן הקשורה לכמה מולקולות מים) – שבטמפרטורה זו הם במצב מוצק (דמוי קרח). הידראטים אלה פולטים, במצב הנוכחי, בין 2 ל-4 מיליון טון מתאן לשנה. כתוצאה מפעילות זו מצטבר גם מתאן מומס במימי האוקיינוס, שחלק ממנו נפלט באופן טבעי (כ-20 מיליון טון לשנה). פליטת המתאן ממי האוקיינוס מגיעה ל-24 מיליון טון לשנה.

עם התחממות כדור-הארץ יתחממו גם מי האוקיינוסים, ואז עלולה להתגבר פליטת המתאן המומס מההידראטים.

גם בתחתיתם של אגמי מים מתוקים מצטבר מתאן, כפי שהוא מצטבר בקרקעית האוקיינוס. אך הצטברות מתאן מומס באגמי מים מתוקים, באזורים פעילים גאולוגית, עלולה להיות מסוכנת. התחממות מהירה של המים כתוצאה ממגע בלבה רותחת עלולה לגרום להשתחררות פתאומית של המתאן המומס כענן של מתאן לאטמוספרה. מאחר שהמתאן הוא גז דליק, ניצוץ יכול לגרום להתלקחותו והנזקים, בעיקר באזורים מאוכלסים, עלולים להיות עצומים. אגם קיוו (Kivu), לדוגמה, שבגבול שבין רואנדה לרפובליקה הדמוקרטית של קונגו, נמצא באזור מאוכלס מאוד – כשני מיליון אנשים חיים סביב האגם. מעריכים שבתוך האגם מומסים כ-55 מיליארד מ”ק של מתאן מומס. התחממות פתאומית של תחתית האגם, כתוצאה מפעילות געשית, תגרום לשחרור פתאומי של כל המתאן ולהתפוצצותו. לפי עדויות גאולוגיות, אחת לאלף שנים בערך מתרחשת הכחדה של כל בעלי-החיים והצמחים בסביבת האגם. האם מדובר בפצצה מתקתקת?


בריכת יער בחדרה; השריד האחרון לביצות של אזור השרון ;צילום: יוחאי גוטווין (טיולי www.tiuli.com)

מכרות הפחם ומאגרי הנפט שמנצל האדם מהווים גם הם מקור לפליטת מתאן. בבארות נפט נפלט מתאן בגז טבעי (המכיל כ-85% מתאן), ובמכרות פחם נפלט גז המכיל כ-40% מתאן. בבארות הנפט שורפים את כל הגז המשתחרר; במכרות הפחם המצב בעייתי יותר. הגז מצטבר במקומות סגורים ולעתים מתפוצץ וגורם לאסונות. בנובמבר 2006, במכרה Halemba שבפולין, נהרגו 23 בני-אדם בפיצוץ גז מתאן. במרץ 2007, ברוסיה, במכרה Ulyanovskaya שליד העיר נובוקוצנסק (Novokuznetsk), נהרגו בפיצוץ מתאן 74 כורים. בסין, בשנת 2005, נהרגו למעלה מ-3,000 כורים בהתפוצצויות גז במכרות.

מקור נוסף של מתאן הוא מטמנות אשפה. ממטמנות אלה משתחררים בכל שנה כ-70 מיליון טון מתאן.
הקטנת פליטת המתאן הקשורה בפעילות האדם

כדי להפחית את פליטת המתאן הנובעת מפעילות האדם, וכך להקטין את אפקט החממה ואת זיהום האוויר, ננקטים הצעדים האלה:

במזרח אסיה מנסים להגדיל את יבול האורז ליחידת שטח. בדרך זו יתאפשר להקטין את שטחי הגידול ואת פליטת המתאן המתרחשת בהם.

באוניברסיטת הוהנהיים (Hohenheim) בשטוטגרט שבגרמניה מפתחת קבוצת המחקר של ויניפרד דרוקנר (Drochner) “גלולות” המיועדות ליונקים צמחוניים, המכונות bolus. בשילוב עם תפריט מיוחד, יפחיתו גלולות אלו את כמות המתאן שפולטים עדרי הבקר והצאן הגדלים והולכים, ויאפשרו למטבוליזם שלהם לנצל חלק מהאנרגיה שהיתה מתבזבזת עם המתאן הנפלט. בכוונת החוקרים לשנות את הרכב אוכלוסיית המיקרואורגניזמים במערכת העיכול – להפחית את כמות החיידקים הפולטים מימן, ובעקבותיהם את הארכאונים המתאנוגנים, ולהגדיל את כמות החיידקים המייצרים סוכרים וחומרים זמינים אחרים.

ואחרון חביב וירוק. בכמה אתרי פסולת נאסף המתאן הנפלט מן הפסולת בצינורות, ומועבר לאתר מרכזי כדי לשמש כחומר דלק ירוק (יחסית לשרפת נפט). את המתאן הנאסף אפשר לשרוף בצורה מבוקרת ולהשתמש בו לייצור חשמל, או לאגור בתחנת תדלוק סמוכה, שאליה יגיעו מכוניות שמותקן בהן מנוע המאפשר בחירה בין שימוש בבנזין לשימוש במתאן. מכוניות כאלה עוד אין בישראל, אך במזבלות בעברון, בחירייה ובאתר דודאים אוספים את המתאן המצטבר למטרת ייצור חשמל. חברי קיבוץ עברון, שהיו החלוצים בתחום בישראל, התנתקו כבר בשנת 2002 מחברת החשמל, וכל תצרוכת החשמל של עברון מקורה במטמנת האשפה של הקיבוץ.

ד”ר דרור בר-ניר מלמד מיקרוביולוגיה וביולוגיה של התא באוניברסיטה הפתוחה.

לאתר גלילאו http://www.ifeel.co.il/page/1355