מחקרים מובילים בתחום האנרגיה המתחדשת

הצורך למזער את נזקי שינויי האקלים הביא את מנהיגי העולם ליוזמה גלובלית להפחתת השימוש בדלקים מזהמים ומעבר לטכנולוגיות לייצור אנרגיה בת-קיימא, מסביר פרופ' אלבז מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בר-אילן. פרופ' אלבז הוא אחד מתוך קבוצה צומחת של חוקרים וחוקרות בתחום האנרגיה הירוקה, שפועלים באוניברסיטת בר-אילן במסגרת המרכז החדש לאנרגיה וקיימות וכן כמרצים במחלקות השונות ונוגעים בתחום האנרגיה המתחדשת והאנרגיה הירוקה מזוויות רבות ומגוונות.  

פעילותו של מרכז האנרגיה מתמקדת בענפי האנרגיה הכוללים אנרגיה סולרית, כלכלת מימן ותאי דלק, חומרים מורכבים, פיתוח ביו-דלקים, ננו-טכנולוגיה ובינה מלאכותית. החוקרות והחוקרים במרכז עוסקים בתחומי המרת אנרגיה, כגון מערכות צבירה והמרה של אנרגיה, יצור ואחסון מימן, פיתוח סוללות נטענות, קבלי-על, רשתות חשמליות, מוליכות-על ומיתוג יעיל, סוללות בעלות צפיפות אנרגיה גבוהה ומערכות לאגירת אנרגיה בהיקף גבוה.

אנרגיה ירוקה או מתחדשת אינה דבר חדש. היא נוצלה לכל אורכה של ההיסטוריה האנושית. מחרשות, אבני ריחיים, עגלות, מטחנות וטכנולוגיות רבות נוספות הופעלו על ידי כוח השרירים של אנשים ובעלי חיים. רוח נרתמה להפעלת טחנות דגנים ושאיבת מים, וזרמי מים הוסתו גם הם כדי להפעיל מטחנות. אנרגיית השמש נרתמה לשם ייבוש וחימום של מזון, עורות, חומרי בניין ועוד. סוג האנרגיה שמשפיע על האטמוספירה הוא זה שכרוך בשריפה, שבתורה מביאה לפליטת פחמן דו-חמצני – החל במדורות הראשונות שהבעיר האדם הקדמון וכלה בתחנות הכוח הפחמניות ומנועי המכוניות בני זמננו. הפחמן הדו-חמצני וגזים נוספים יוצרים את אפקט החממה העומד בבסיס משבר האקלים שאנו חווים באופן מוחשי יותר ויותר בשנים האחרונות. הפעילות המחקרית בבר-אילן מתמקדת מצד אחד בייצור אנרגיה נקייה, כלומר עם מינימום פליטה של גזי חממה, ובאגירה יעילה והמרה של אנרגיה מצד שני.

פרופ' אלבז, לדוגמה, עוסק במחקר בתחום אגירת האנרגיה, ובאופן ספציפי בתאי מימן. אף שניתן לייצר מספיק אנרגיה מרוח ושמש, מקורות אלו אינם זמינים לאורך כל שעות היום ועונות השנה. לכן יש צורך בטכנולוגיות לאגירה ושינוע של אנרגיה בכמויות גדולות. אחד מהפתרונות המבטיחים ביותר הוא באמצעות מימן, הניתן להפקה ממים. בלב הקונספט הזה שוכנת טכנולוגיית תאי דלק, הממירים את האנרגיה הכימית הנצורה במימן ישירות לחשמל נקי בתהליך אלקטרוכימי.

בעשור האחרון חלה התקדמות משמעותית בטכנולוגיה, שמאפשרת כיום לייצרני רכב, תחנות חשמל ועוד לבסס את מוצריהם על תאי דלק ומימן. המשך העבודה תלוי בפיתוח תאי דלק שאינם מבוססים על מתכות יקרות או מתכות המרוכזות במקומות בעייתיים. לשם כך, מופנה מאמץ לפיתוח תאי דלק המבוססים על חומרי גלם נפוצים וזולים. פיתוח שנעשה במעבדתו של פרופ' אלבז מאפשר בפעם הראשונה לעקוב אחרי תהליכי פירוק של זרזים - שהם מרכיב מרכזי בתהליך האלקטרוכימי המתרחש בתאי הדלק - שאינם מבוססים על חומרי גלם קריטיים. במחקר משותף עם מעבדות בארצות הברית ואוסטרליה, פיתח פרופ' אלבז שיטה המאפשרת להפריד את התהליכים הקורים על הזרז וקשורים אליו מתהליכים אחרים המתקיימים בתאי דלק. שיטה זו תאפשר פיתוח של זרזים פעילים ועמידים יותר ובהמשך להוזיל משמעותית את טכנולוגיית תאי הדלק. 

בעוד שפרופ' אלבז עוסק באגירת אנרגיה, פרופ' כאהן, מומחה לאנרגיה סולארית ובמיוחד לתאים פוטו-וולטאיים מהמחלקה לכימיה ומהמכון לננו-טכנולוגיה וחומרים מתקדמים בבר-אילן, עוסק בייצור אנרגיה נקייה, במקרה הזה – אנרגיית שמש.

השימוש המסחרי המשמעותי הראשון באנרגיית שמש לחשמל על פני כדור הארץ היה בתחנות כוח תרמו-סולאריות, שבהן נוזל (בדרך כלל שמן) התחמם, והחום נוצל באותו אופן שבו תחנות כוח מבוססות דלק מחצבי מפיקות חשמל: החום משמש ליצירת אוויר חם או קיטור, שתנועתם המהירה כשמשחרים את הלחץ מנוצלת לסיבוב לולאות העשויות מחומר מוליך, כך שבתוכן נוצר זרם חשמלי. תחנות כאלה, אומר פרופ' כאהן, הוקמו בשנות השמונים במדבר מוהאבי שבקליפורניה על ידי חברה ישראלית. במקביל הוקמו מתקנים פוטו-וולטאיים (מה שאנו מכנים לוחות סולאריים).

בתחילת הדרך, הפקת החשמל בגישה תרמו-סולארית או פוטו-וולטאית לא הייתה יעילה. "אם נשווה לתחנת הכוח 'אורות רבין' בחדרה, התחנות הפוטו-וולטאיות במדבר הפיקו באור יום כ-0.25%, והתחנות התרמו-סולאריות הראשונות הפיקו 0.4%-1.2% מהתפוקה של 'אורות רבין' (שאגב, משתמשת, גם היום, בעיקר בפחם – שזה רע, אך מייצרת חשמל יום ולילה – שזה טוב)," אומר פרופ' כאהן. "העיתוי בשנות השמונים הוא תוצאה ישירה של החיפוש אחר מקורות אנרגיה חלופיים לאחר משבר האנרגיה הראשון שחווה העולם בשל מלחמת יום כיפור והמהפכה האיראנית של שנות השבעים." גם היום, לנוכח המלחמה באוקראינה, מתחזקת הבנת החשיבות בהסתמכות על מקורות אנרגיה מקומיים.

היתרון הגדול של תאים פוטו-וולטאיים הוא שאם הם מקובעים ואינם עוקבים אחר השמש בהתאם לשעות היום ולעונות השנה, אז אין בהם חלקים נעים מכאנית, מה שתורם לעמידותם. לעומת זאת תחנה תרמו-אלקטרית דומה במובן מסוים לתחנת כוח המונעת בדלק מחצבי, שאליה מתווספים עוד צינורות ומראות שיוצרים מערך כימיקלי מורכב, שיש בו הרבה חלקים נעים. במידת מה זה ההבדל שבין הולכה בכבלים ובין הולכה בצינורות. גישות אחרות להפקת אנרגיה סולארית הן באמצעות גנרטורים תרמו-אלקטריים אמתיים. נעשה בהם שימוש בחומרים שמייצרים מתח חשמלי בין חלק חם ובין חלק קר. הם אינם יעילים במיוחד, אבל אמינים מאוד, אם הם מחוממים על ידי מקור אמין.

פרופ' כאהן מציין שהטכנולוגיה הבולטת בתחום היום היא הפוטו-וולטאית. הסוגייה העיקרית היא יעילות ההמרה בין אנרגיה סולארית לאנרגיה חשמלית והגעה ליעילות גבוהה שתישאר יציבה בטווח הארוך. בבר-אילן נעשים מאמצים להתמקד בסוגיה הזאת ולמצוא חומרים חדשים שאיתם ניתן יהיה לייצר תאים פוטו-וולטאיים עמידים ויציבים מאוד.

רוצים לדעת עוד על לימודים באוניברסיטת בר-אילן? הירשמו ליום הפתוח בקמפוס ב- 14.2.25