Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי כדור הארץ ומשאביו פורסם: 29 בספטמבר, 2022

שימוש בגזי חממה לאגירת אנרגיה

תַקצִיר

רמות גבוהות של פחמן דו-חמצני באטמוספרה של כדור הארץ מהוות בעיה, מאחר שהן מובילות להתחממות גלובלית ולשינויים באקלים – שני איוּמים חמוּרים לסביבה שבה אנו חיים. לכן, חשוב מאוד להיפטר מחלק מהפחמן הדו-חמצני כדי להתמודד עם ההשפעות המסוכנות של התחממות גלובלית. דרך אחת להפחית את כמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה היא להפוך אותו לכימיקלים כמו מֶתָנוֹל. ההתמרה הזו לא רק מפחיתה את רמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, אלא גם מציעה דרך לאגור צורות מתחדשות של אנרגיה כמו אנרגיית רוח ואנרגיית שמש.

פחמן דו-חמצני ושינוי אקלים

פחמן דו-חמצני (מולקולה שבנויה מפחמן אחד ומשני אטומי חמצן – CO2 בסימון של כימאים) הוא גז חממה, כלומר הוא תורם למה שנקרא אפקט החממה. פחמן דו-חמצני וגזי חממה אחרים באוויר כולאים חלק מהחום שכדור הארץ היה מאבד לחלל, באופן דומה לחום שנכלא בתוך חממה, או בתוך סיר עם מכסה. החום הכלוא הזה הכרחי לחיים על כדור הארץ כפי שאנו מכירים אותם – בלעדיו, הטמפרטורה הממוצעת הייתה בסביבות 18- מעלות צלזיוס [1].

אולם CO2 הוא גם התורם הראשי לשינוי אקלים שנגרם על ידי בני אדם, ולהתחממות הגלובלית. על ידי שריפת דלקי מאובנים כמו שמן או גז טבעי, שנוצרו במהלך מיליוני שנים, אנו מגדילים את כמות ה-CO2 באטמוספרה. רמות מוגדלות של CO2 מובילות לכך שחום רב יותר נכלא, ולעלייה בטמפרטורות. כתוצאה מכך, הטמפרטורה הגלובלית הממוצעת עלתה כמעט במעלה שלמה מאז שבני אדם התחילו להשתמש בדלקי מאובנים בקנה מידה רחב עבור תחנות כוח, תחבורה (מכוניות, מטוסים וכדומה), חימום וכן הלאה. ייתכן שזה לא נשמע כמו עלייה גדולה, אולם לעלייה הזו יש השלכות דרסטיות על האיזון העדין של הסביבה שלנו. לדוגמה, עליית מפלסי הים כתוצאה מהימסות של קרח בקוטב משפיעה על ערי חוף, וטמפרטורות גבוהות יותר של מי האוקיינוס עלולות לְאַיֵּם על שוניות אלמוגים [2].

הפחתת כמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה היא צעד חשוב מאוד להתמודדות עם ההתחממות הגלובלית. דרך אפשרית אחת לעשות זאת היא להסיר את ה-CO2 על ידי הפיכתו לכימיקלים שימושיים שאנו יכולים לאחסן בבטחה לשימוש עתידי כדלקים. אולם יש חיסרון מסוים בשיטה הזו: בעוד שהפקת הכימיקלים הקלים לאחסון האלה מפחיתה CO2, שריפתם מאוחר יותר בתור דלק משחררת מחדש את הפחמן הדו-חמצני אל האטמוספרה. מצד שני אין CO2 “חדש” שמשתחרר לאטמוספרה. הפחמן הדו-חמצני נשמר באיזון כאשר הדלק ממוחזר, מה שעדיין טוב הרבה יותר מאשר להשתמש בדלקי מאובנים, וטוב גם מהוספת CO2 חדש לאטמוספרה.

החשיבות הרבה של אגירת אנרגיה

כל תהליך שאתם יכולים לחשוב עליו דורש אנרגיה להתרחשותו – לדוגמה, צמחים שגדלים, מכוניות שנוסעות, ואפילו אתם שקוראים המאמר הזה. אולם האנרגיה הזו לא נעלמת אחרי שהתהליך מסתיים! עיקרון חשוב מאוד בפיזיקה גורס כי לא ניתן ליצור אנרגיה או להרוס אותה, ניתן רק להמיר (או להתמיר) אנרגיה מצורה אחת לאחרת. לכן, דרך נוספת לחשוב על התהליכים שציינו היא לראותם כהמרות אנרגיה. לדוגמה, צמח משתמש באנרגיה מהשמש כדי לגדול, ואז האנרגיה נאגרת בחלקים החדשים של הצמח. במכונית, בנזין נשרף כך שהאנרגיה מהדלק יכולה להשתנות לאנרגיה של תנועה (שנקראת אנרגיה קינטית) וחום. כשאתם מניעים את עיניכם כדי לקרוא את המאמר הזה, גופכם הופך את האנרגיה שמסופקת על ידי המזון שאתם אוכלים לתנועה, ומוחכם גם משתמש באנרגיה כדי לעבד את מה שאתם קוראים ולזכור זאת. כל התהליכים שמתרחשים –בטבע ובאמצעות מכונות – הם באופן בסיסי המרת צורה אחת של אנרגיה לאחרת.

אנרגיה עבור כל תהליך צריכה להגיע ממקור כלשהו. מקורות של אנרגיה כוללים את השמש (שנקראת אנרגיה סולרית), הרוח, או מים, אך כוללים גם שמן או פחם, שהם דלקי המאובנים שאנו עדיין שורפים בקנה מידה רחב. לעיתים קרובות, אנרגיה מהמקורות האלה מומרת תחילה לחשמל, באמצעות תחנות כוח כדי להמיר פחם או מים, תאים סולריים עבור אור השמש, וטורבינות רוח עבור אנרגיית הרוח. לאחר מכן, החשמל מניע מכשירים כמו מחשבים או טלפונים ניידים, מכונות במפעלים, מכוניות חשמליות, וכן הלאה. אנו יכולים גם לאגור אנרגיה לשימוש עתידי – זה המקרה שבו דלקים (שלעיתים נקראים נשאי אנרגיה, מאחר שהם נושאים את האנרגיה בתוכם) נכנסים לתמונה.

דלקים, בכל צורותיהם, שימושיים עבור שני שימושים עיקריים – תחבורה ואגירה. איור 1 מראה שהפוטנציאל לנצל אנרגיה מהרוח ומהשמש (כלומר, להפוך את האנרגיה לשמישה) משתנה מאוד בין אזורים שונים. לדוגמה, באפריקה, הפוטנציאל לניצול אנרגיה סולרית הוא גדול יותר בממוצע מאשר באירופה או בצפון אמריקה. ההפך נכון לגבי אנרגיית רוח – בממוצע, מהירות הרוח גדולה יותר באירופה מאשר באפריקה, במיוחד ליד החופים. וככל שמהירות הרוח גדולה יותר, כך אפשר לייצר יותר חשמל באמצעות טורבינות רוח. תוצאה אחת של ההתפלגות הלא שווה הזו של מקורות אנרגיה, היא שאנו זקוקים לדרכים להעברת אנרגיה למקום שבו היא נדרשת. עם דלקים, אנו יכולים לעשות בדיוק את זה: להעביר אנרגיה למקום בו אנו צריכים אותה.

איור 1 - פוטנציאל ניצול אנרגיית שמש ואנרגיית רוח ברחבי העולם.
  • איור 1 - פוטנציאל ניצול אנרגיית שמש ואנרגיית רוח ברחבי העולם.
  • הפוטנציאל של ניצול אנרגיית שמש או רוח משתנה בין אזורים שונים בעולם. במפה הזו, אתם יכולים לראות כיצד מהירות הרוח הממוצעת (אזורים כחולים) ופוטנציאל השמש (אזורים אדומים) מתפלגים. ייתכן שהבחנתם בכך, שבאופן מפתיע, הפוטנציאל לאנרגיית שמש לאורך קו המשווה הוא בינוני בלבד. זה נובע מעננים שמתהווים באזור הזה בעולם (העננים האלה הם גם הסיבה לקיומם של יערות גשם גדולים לאורך קו המשווה). אזורים רבים עם פוטנציאל שמש גדול הם למעשה מִדְבָּרִים1.

יתרה מזו, אנרגיה זמינה מהשמש ומהרוח תלויה לא רק בהיכן אתם נמצאים, אלא גם בזמן – לדוגמה, בלילה איננו יכולים לקבל אנרגיה מהשמש. מהירות הרוח משתנה גם היא לאורך הזמן. במהלך סוּפה עם מהירויות רוח גדולות, לדוגמה, אפשר להפיק הרבה חשמל – אפילו יותר מהכמות שניתן להשתמש בה – ולכן לעיתים צריך לכבות טורבינות רוח כדי למנוע נזק. אם הייתה לנו דרך לאגור את האנרגיה העודפת הזו, לא היינו צריכים לכבות את טורבינות הרוח, או לדאוג לגבי אנרגיה סולרית כשהשמש לא זורחת. לכן, שיטות להמרת אנרגיה לדלקים עבור שימוש עתידי, מעוררות עניין רב.

מתנול ושפע שימושיו

מֶתָנוֹל הוא נוזל ששייך למשפחה של כימיקלים שנקראת אלכוהולים, מה שאומר שהוא מורכב מאטומי פחמן, מימן וחמצן שמחוברים באופן מסוים. האלכוהול המפורסם ביותר הוא אֶתָנוֹל, שהוא האלכוהול שנמצא במשקאות אלכוהוליים כמו בירה ויין. אתנול ידוע כל כך, שהרבה אנשים שאומרים “אלכוהול” למעשה מתכוונים לאתנול, או לכל משקה שמכיל אתנול. לכן, עליכם לזכור שכאשר כימאים מדברים על אלכוהול, הם מתכוונים למשהו שונה לגמרי ממבוגר ששותה במסיבה ומדבר על אלכוהול.

מתנול הוא האלכוהול הפשוט ביותר האפשרי, מאחר שהוא מכיל רק פחמן אחד, חמצן אחד וארבעה אטומי מימן. אולם הוא עדיין כימיקל חשוב. הוא משמש כחומר גלם לייצור כמויות גדולות של טובין שאנו משתמשים בהם בחיי היומיום כמו למשל פלסטיקים, צבעים, תרופות, מדשנים ועוד הרבה נוספים [3]. כמו כן מתנול יכול לשמש לאגירת אנרגיה. ישנם תהליכים תעשייתיים שהופכים מתנול לבנזין (בדומה לדלק המאובנים) או לביו-דיזל, שאותם ניתן לאחסן. מתנול עצמו יכול להיות אף הוא מאוחסן. כמות האנרגיה שמוכלת בקילוגרם של מתנול דומה לכמות שיש בקילוגרם של עץ, כפי שאתם יכולים לראות באיור 2. האיורים מראים השוואה בין האנרגיות הספציפיות של דלקים שונים, כשהכוונה היא לכמות האנרגיה בקילוגרם של חומר. ככל שהערך הזה גבוה יותר, כך החומר יכול לאגור יותר אנרגיה לשימוש עתידי.

איור 2 - האנרגיה הספציפית שמוכלת במגוון דלקים היא שונה.
  • איור 2 - האנרגיה הספציפית שמוכלת במגוון דלקים היא שונה.
  • אנרגיה ספציפית היא כמות האנרגיה שמשתחררת כשאנו שורפים קילוגרם של דלק כלשהו. היחידה של אנרגיה ספציפית היא ג’אול (J) לקילוגרם (kg) – האות M היא קיצור של “mega”, מה שאומר שהמספר שמוצג כאן הוא למעשה ביחידות של מיליונים. הגרף מראה השוואה בין האנרגיות הספציפיות של דלקים שונים. קילוגרם של מתנול מכיל מעט יותר אנרגיה מקילוגרם של עץ.

הפיכת פחמן דו-חמצני למתנול

כשהופכים כימיקל כמו פחמן דו-חמצני לכימיקל אחר, התהליך נקרא תגובה כימית. כאשר תגובות כימיות משמשות כדי להמיר אנרגיה לדלקים, אנו קוראים לתהליכים האלה המרת אנרגיה כימית. ישנן הרבה תגובות כימיות שונות שממירות CO2 למתנול. ישנה דרך ישירה, באמצעות פחמן דו-חמצני ומימן בלבד, וישנן דרכים אחרות עם צעדי ביניים (איור 3). כל האפשרויות האלה נראות קלות למדי, מאחר שהן מערבות רק כמה כימיקלים פשוטים (כמו מימן ומים).

איור 3 - תהליך דו-שלבי להפיכת פחמן דו-חמצני (CO2) לדלק מתחדש.
  • איור 3 - תהליך דו-שלבי להפיכת פחמן דו-חמצני (CO2) לדלק מתחדש.
  • ראשית, אנו לוקחים CO2 ומים (H2O), מכניסים אנרגיה כמו למשל אנרגיית שמש או רוח, וממירים את הרכיבים לגז סינתטי (syngas), שהוא תערובת של פחמן חד-חמצני (CO) ומימן (H2), באמצעות קטליסט מוצק. לאחר מכן, הגז הסינתטי משמש בשלב שני כדי להפיק דלק מתחדש כמו מתנול. באופן הזה, אנו יכולים לאגור את האנרגיה שאנו מכניסים לתגובה לצורך שימוש עתידי.

אולם ישנה בעיה: פחמן דו-חמצני הוא גז יציב ביותר, ולכן הוא לא מגיב בקלות עם כימיקלים אחרים. זה אומר שאנו צריכים להשתמש בזרז (קטליזטור) כדי לגרום ל-CO2 להגיב [4]. זרז הוא חומר שמאפשר תגובה כימית שלא הייתה מתרחשת כלל, או שהייתה מתרחשת לאט מאוד ללא הזרז. מציאת זרזים שמסייעים לייצר דלקים מתחדשים באופן יעיל וזול היא תחום עבודה חשוב של הרבה מדענים כיום.

באיור 3, אנו מראים את הרכיבים הדרושים להפיכת פחמן דו-חמצני למתנול בשני צעדים. ראשית, פחמן דו-חמצני ומים משולבים עם הזרז. לאחר מכן, צריך להוסיף אנרגיה כדי להתחיל את התגובה הכימית שמייצרת את הגז הסינתטי, תערובת של פחמן חד-חמצני ומימן. אז ניתן להשתמש בתערובת הזו כדי לייצר דלק מתחדש כמו מתנול בתגובה שנייה.

תובנות להמשך

הפיכת גזי חממה כמו פחמן דו-חמצני לדלקים מתחדשים כמו למשל מתנול, מספקת לנו דרך אפשרית לאגור אנרגיה. כדי לעשות זאת, אנו צריכים להשתמש באנרגיה מתחדשת (כמו למשל אנרגיית רוח או שמש) במקומות ובזמנים שבהם הן זמינות. אנו יכולים להשתמש באנרגיה מתחדשת בתגובה כימית כדי לייצר מתנול, ואז אנו יכולים להעביר את המתנול למקום שבו אנו צריכים אותו, או לאחסן אותו לשימוש עתידי. התהליך הזה מאפשר לנו להוריד זמנית את כמות גזי החממה באטמוספרה. חשוב יותר מכך, ה“מִחזור” הזה של פחמן דו-חמצני שכבר נמצא באטמוספרה מסייע למנוע שחרור של פחמן דו-חמצני נוסף על ידי שריפת דלקי מאובנים. זה עשוי לסייע להפחית את ההתחממות הגלובלית ואת שינוי האקלים שנגרם על ידי בני אדם – שתי בעיות חמורות של התקופה שלנו.

מילון מונחים

גז חממה (Greenhouse Gas): גז באטמוספרה שכולא חום, וגורם לעלייה בטמפרטורות. ההשפעה הזו של גזי חממה נקראת אפקט החממה.

שינוי אקלים שנגרם על ידי בני אדם (Human-Made Climate Change): השינויים באקלים כדור הארץ שנגרמים על ידי פעילויות אנושיות כמו למשל שימוש נרחב בדלקי מאובנים.

המרת אנרגיה (Energy Conversion): התהליך של הפיכת צורה אחת של אנרגיה (כמו למשל אנרגיית רוח) לאנרגיה אחרת (כמו למשל אנרגיה חשמלית); נקראת גם התמרה.

מתנול (Methanol): כימיקל שמכיל פחמן אחד, חמצן אחד וארבעה אטומי מימן. הוא שייך לקבוצה של כימיקלים שנקראת אלכוהולים, וניתן להשתמש בו לאגירת אנרגיה או ליצירת טובין עבור חיי היומיום שלנו.

אנרגיה ספציפית (Specific Energy): כמות האנרגיה שמוכלת בקילוגרם דלק. האנרגיה הזו משתחררת כאשר הדלק נשרף.

תגובה כימית (Chemical Reaction): תהליך שבו שני כימיקלים (או יותר) נפגשים כדי ליצור כימיקלים חדשים. לדוגמה, פחמן דו-חמצני יכול להגיב עם מימן כדי לתת מתנול ומים.

המרת אנרגיה כימית (Chemical Energy Conversion): תהליך של הפיכת אנרגיה לדלקים באמצעות תגובות כימיות. את הדלקים ניתן לאחסן לשימוש עתידי.

זרז (Catalyst): חומר שמאפשר תגובות כימיות שאחרת לא היו מתרחשות.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

אנו מודים למועצה האירופית למחקר (ERC) עבור תמיכה כלכלית דרך תוכנית Horizon 2020 למחקר ולחדשנות של האיחוד האירופי (הסכם מענק n° 755744/ERC – מענק מתחיל TUCAS).

הערת שוליים

1. הנתונים לאיור הזה נלקחו מ: http://globalsolaratlas.info/ ומ: http://globalwindatlas.info/.


מקורות

[1] Mitchell, J. F. B. 1989. The greenhouse-effect and climate change. Rev. Geophys. 27:115–39. doi: 10.1029/RG027i001p00115

[2] Rädecker, N., and Pogoreutz, C. 2019. Why are coral reefs hotspots of life in the ocean? Front. Young Minds 7:143. doi: 10.3389/frym.2019.00143

[3] Olah, G. A., Goeppert, A, and Prakash, G. K. S. 2018. Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy. 3rd Edn. Weinheim: Wiley-VCH.

[4] Rameshan, C., Li, H., Anic, K., Roiaz, M., Pramhaas, V., Rameshan, R., et al. 2018. In situ NAP-XPS spectroscopy during methane dry reforming on ZrO2/Pt(111) inverse model catalyst. J. Phys. Condens. Matter 30:264007. doi: 10.1088/1361-648X/aac6ff