תאים אלקטרוליטיים לאגירה ואספקה עתידית של אנרגיה

אחד הפתרונות לפער בין היכולת של מערכות אנרגיה חלופיות לייצר אנרגיה לבין מועדי ומקומות הצריכה הוא איחסון אנרגיה עודפת בתאים אלקטרוליטיים ושימוש בהם בשעות בהן לא מיוצרת מספיק אנרגיה

הצורך בהפחתת פליטות פחמן דו-חמצני מחייב שימוש בשיעור גבוה יותר של אנרגיה מתחדשת מתוך האנרגיה הכוללת. מסקנה זו מאיצה פיתוח פתרונות חדשים הדורשים שינויים ניכרים באחוזי השימוש באנרגיית רוח, אנרגיה הידרולוגית ואנרגיית השמש וכו’. אחד הפתרונות הינו מערכת אנרגיה מבוזרת. במערכת זו ניתן יהיה לאחסן אנרגיה עודפת באופן מקומי תוך שימוש, לדוגמא, בתאים אלקטרוליטיים מקומיים.

כיום, רוב האנרגיה מיוצרת ע”י תחנות כוח אזוריות בהתבסס על דלקים מאובנים כגון: פחם, נפט וגז טבעי. בנוסף, קיימת האנרגיה המיוצרת ע”י תחנות כוח הידרואלקטרי, תחנות כוח גרעיניות וחוות רוח. האנרגיה הזו זורמת בכיוון אחד בלבד – מהתחנה לרשתות החשמל ומשם לצרכנים. כיום מקובל הרעיון כי יש לספק למערכת זו כמות הרבה יותר גדולה של אנרגיה המגיעה ממקורות מתחדשים. אחת האפשרויות לממש זאת טמונה במערכת אנרגיה מבוזרת.

מערכת אנרגיה מבוזרת מורכבת ממספר רב של יחידות ייצור קטנות המפוזרות בשטח גיאוגרפי נרחב וממספר נמוך של יחידות מרכזיות, גדולות יותר. החלקים הנפרדים של מערכת הפצת האנרגיה פועלים עצמאית, אך יכולים גם להשתלב יחדיו באמצעות השימוש בשיטות של טכנולוגיית המידע (IT, שם כולל לשיטות מחשוב עיבוד מידע ותקשורת נתונים), ולאפשר בכך להשתמש הן בתפוקה המקומית והן בתפוקה המרכזית לשם אספקת מלוא הצורך לאותו הרגע.

מערכת שכזו תחייב פיתוח יכולת להמרת חשמל עודף ממקורות מתחדשים לאנרגיה שניתן יהיה לאחסנה, ולהשתמש בה בשעת הצורך. אחת האפשרויות הינה לאחסן את התפוקה העודפת כאנרגיה כימית, לדוגמא בצורת תרכובות כגון מתאנול נוזלי או גזים (כגז טבעי) או גז– פחמן חד-חמצני ומימן. מרגע שהאנרגיה הומרה לתרכובות כימיות אלו, הידועות כדלקים סינתטיים, הרבה יותר קל לאחסנה במיכלים. הדלקים הסינתטיים יוכלו לשמש ישירות ברכבים וכחומרי-מוצא לתעשייה הכימית. למעשה, אין חדש ברעיון זה. הבעיה היחידה הינה שהטכנולוגיות הקיימות היום מותאמות למפעלים מרכזיים גדולים המשתמשים בטמפרטורות גבוהות. על-כן, הכרחי לפתח סוגים חדשים של מפעלים המשתמשים בטמפרטורות נמוכות יותר ומתאימים לשילובם עם טורבינות רוח מקומיות.

ההמרה של חשמל לאנרגיה כימית מחייבת שימוש בתהליכים אלקטרוליטיים. באמצעות אלקטרוליזה, מים מומרים למימן וחמצן ע”י זרם חשמל. “לשם מטרה זו מפתחים היום תאים אלקטרוליטיים מסוג SOEC,” מסביר פרופסור Mogens Mogensen מהאוניברסיטה בדנמרק. “תא אלקטרוליטי מסוג זה מורכב מחומרים קראמיים.”

התהליך המתרחש בתאים אלקטרוליטיים מקביל למעשה לשלב הקיים בפוטוסינתזה של הטבע, שבו צמחים ירוקים קולטים פחמן דו-חמצני מהאוויר וממירים אותו לאנרגיה כימית המאוחסנת כסוכרים. לכן, תאים אלקטרוליטיים עשויים לתרום להרחקת פחמן דו-חמצני מהאוויר. במילים אחרות, תאים אלו דומים לתפקידם של יערות עצים בקליטת פחמן דו-חמצני מהאוויר.

באמצעות המרת פחמן דו-חמצני לדלקים סינתטיים נוזליים בתא אלקטרוליטי, אמצעי התחבורה שלנו יוכלו לצרוך אנרגיה בת-קיימא, אנרגיה מטורבינות רוח ומתאי-שמש. כאשר מכונית משתמשת בדלק סינתטי היא אומנם פולטת פחמן דו-חמצני לאוויר, אך זו באותה הכמות ששימשה מלכתחילה לייצר את הדלק הסינתטי – כלומר, בשורה התחתונה, לא הוספה לאטמוספרה כל כמות של פחמן דו-חמצני.

תאים הפועלים בטמפרטורות גבוהות יעילים יותר בהשוואה לשיטות אלקטרוליטיות אחרות מאחר והם מייצרים יותר חמצן ופחמן חד-חמצני מאותה כמות החשמל. תוצאה זו מתקבלת מאחר שבטמפרטורות גבוהות השימוש בחום גורם לפירוקם של המים והפחמן הדו-חמצני לגזים (מימן ופחמן חד-חמצני) ולחמצן, ועל-כן סוג תא כזה מקרר את עצמו: החום הנוצר באופן בלתי נמנע כאשר חשמל זורם ברכיב מסוים משמש לקידום התהליך האלקטרוליטי עצמו. בנוסף, ניתן להשתמש בחום העודף המתקבל בתהליכים כימיים המתרחשים בתעשייה או במפעלים בדיוק לשם כך.

“תאים אלקטרוליטיים אלו יתאימו מאוד למפעלים מרכזיים וגדולים עבור הייצור של דלק סינתטי מגז. השלבים הקטליטיים שבאים בעקבות התהליך האלקטרוליטי מחייבים קיומו של מתקן כולל בעל ריאקטור קטליטי המחובר למערכת של תאים אלקטרוליטיים מאחר והפחמימנים הסינתטיים המתקבלים בשלב זה אינם יציבים בטמפרטורה כה גבוהה שכזו (מעל 650 מעלות צלסיוס). מתקן כזה כנראה יצטרך לעבור מעל 100 מיליון וואטים בכדי שיהיה כדאי מבחינה כלכלית,” אומר החוקר. בנוסף, נמנעים מאובדן חום במפעלים גדולים. עבור תנאי ייצור מקומיים, יש צורך לפתח תאים שיוכלו לפעול בטווח טמפרטורות של בין מאתיים לארבע מאות מעלות צלסיוס. בדרך זו ניתן יהיה להקים מפעלים אלקטרוליטיים מקומיים וקטנים שיוכלו להיות מחוברים ישירות לטורבינות רוח מקומיות ולייצר דלק סינתטי לשימוש מקומי. “החזון שלנו הוא שנהיה מסוגלים לבנות מפעלים קטנים ומודולאריים, כאשר כל אחד מהם יחובר לטורבינת רוח מקומית,” מסביר החוקר.

טמפרטורות נמוכות משמען אובדני חום פחותים יותר והן מאפשרות בנייה קלה יותר של מפעלים אלקטרוליטיים קטנים ומודולאריים. לשם הצלחת מיזם זה, יש צורך לפתח חומרים חדשים לחלוטין. במיזם הנוכחי, אנו בודקים שני סוגים של תאים אלקטרוליטיים – האחד מורכב מחומר קראמי מזו-נקבובי (mesoporous), המסוגל לספוח לננו-הנקבוביות שבו אלקטרוליטים נוזליים ולשמר אותם בתוכו. הסוג השני מבוסס על חומרים מוליכי-פרוטונים בטמפרטורה נמוכה המכילים אלקטרוליט קראמי מוצק.

הפרדת פחמן דו-חמצני ישירות מהאוויר מסובכת ויקרה. החוקר הראשי מזהה בעיני רוחו, בשל כך, את הצורך לקלוט את הגז ממקורות אחרים. לדוגמא, מבשלות שיכר ומפעלים לאלכוהול, בהם מתקבלות כמויות גדולות של הגז בתהליכי התסיסה. אפשרות נוספת טמונה בשימוש בחומר הגלם הנפוץ ביותר בדנמרק – אבן סיד (סידן פחמתי). חימום חומר זה משחרר פחמן דו-חמצני ומתקבל החומר תחמוצת הסידן. לחומר זה מוסיפים מים רגילים ואז מקבלים סידן הידרוקסידי (סיד כבוי, סיד חי מפורר המשמש כתערובת לסיוד קירות וכן לחקלאות) כך שרוב החום שהוכנס משתחרר החוצה, כלומר – שיטה זו שומרת על ריכוז קבוע של הגז ללא שחרורו לאוויר הפתוח.

הידיעה מהאוניברסיטה