לייצר דלק מהאוויר

פחמן דו-חמצני (CO₂), שנפלט לאטמוספרה בכמויות אדירות, הוא אחד הגורמים העיקריים להתחממות כדור הארץ. מאמצים רבים נעשים ברחבי העולם להפחית את כמות  הפחמן הדו-חמצני באוויר. הצעד הראשון והפשוט ביותר לכאורה הוא לצמצם את פליטת ה-CO₂ וגזי חממה אחרים של כלי רכב, מפעלים ותחנות כוח, באמצעות שימוש בדלקים ששריפתם פולטת פחות גזים כאלה. 

אולם בשנים האחרונות מתפתחים כיוונים חדשים. מעבדות רבות באקדמיה ובתעשיה מנסות לקחת פחמן דו-חמצני מהאוויר ולייצר ממנו דלק. לצורך כך, צריך קודם כל לבודד אותו משאר המרכיבים של האוויר.

באוקוטבר 2016 אמורה חברה שוויצרית, Climeworks, לחנוך מתקן ייחודי ליד ציריך שיאפשר להפיק CO₂ מהאוויר. המתקן החשמלי שואב אוויר רגיל לתוך מסנן ספוגי, שסופח כימיקלים בשם אמינים (amines), אשר מתחברים רק לפחמן דו-חמצני. לאחר שהאמינים קולטים CO₂, משחררים אותו מהם באמצעות חימום – כך אפשר לאחסן את הגז או להשתמש בו מיד. לפחמן הדו-חמצני שימושים רבים, החל בייצור דלק ידידותי לסביבה, דרך השבחת ירקות הגדלים בחממות וכלה בייצור משקאות מוגזים.

החידוש המרכזי של המתקן על פני שיטות אחרות להפקת CO₂ מהאוויר הוא הניידות הגדולה שלו. המתקן מורכב מיחידות מודולריות, כל אחת בגודל של מכלית  סטנדרטית (12*2.5*2.5 מטר), כך שהוא אינו תופס מקום רב ואפשר להציב אותו ליד חממה או מפעל וכך לחסוך עלויות הובלה ואחסון.

הרעיון נשמע מצוין, אך ברמת הפיתוח הנוכחית הוא רחוק מלפתור את בעיות פליטת הפחמן הדו-חמצני של העולם. המתקן הניסיוני מסוגל לשאוב מהאוויר 3-2 טונות של CO₂ ביום, או כ-900 טון בשנה – בערך כמות הפליטה השנתית של כמאתיים מכוניות משפחתיות. האנושות מייצרת כיום כארבעים מיליארד טונות CO₂ בשנה, כך שאם נשתמש רק ביכולת המיחזור של Climeworks יידרשו כמיליון מתקנים כאלה כדי לכלוא מחדש את כל הפחמן הדו-חמצני שהאנושות פולטת בשנה.

אחד המכשולים העיקריים של המיזם הוא הכדאיות הכלכלית. בחברה מעריכים כרגע שהפקת CO₂ מהאוויר בשיטה שלה תעלה כ-600 דולר לטון, אם כי הם מקווים להוריד את העלות למחצית מכך. במחיר כזה משתלם יותר להפחית את כמות ה-CO₂ באטמוספירה באמצעות איסופו ישירות מהארובות של מפעלי תעשייה כבדה, בין השאר משום ששם הוא מרוכז יותר. 

אחת התקוות הגדולות של מי שמקווים שהמיזם יהיה יעיל באמת היא אם נצליח לא רק לשתות קולה "ירוקה" מפחמן דו-חמצני ממוחזר או לאכול מלפפונים ידידותיים לסביבה, אלא ממש נמצא דרך להפיק ממנו דלק.

תפוקה של כ-200 מכוניות לשנה. המתקן הנסיוני לקליטת פחמן דו-חמצני מהאוויר | צילום: Climeworks

ההיפך משריפה

הדלקים שאנו משתמשים בהם לתחבורה, לתעשייה ולייצור חשמל הם שרשראות ארוכות של אטומי פחמן (C). מעבדות מחקר רבות ברחבי העולם מנסות לפתח דרכים יעילות לנצל את הפחמן שבאוויר לייצור דלק, חזון שהגשמתו תסייע לנו להשיג דלקים נקיים וזולים יחסית, וגם תפחית את פליטת גזי החממה. אולם עד כה המדענים לא הצליחו לפתח שיטה כזו שתהיה כדאית כלכלית.

בעיקרון, מיחזור CO₂ הוא התהליך ההפוך משריפה של דלק. בשריפה לוקחים דלק וחמצן ומקבלים CO₂, מים (אדים) ואנרגיה. בתהליך ההפוך רוצים לקחת פחמן דו-חמצני ומים ולהפוך אותם לדלק. לשם כך נחוצה השקעת אנרגיה רבה, לכן התהליך מתבצע בדרך כלל בטמפרטורות גבוהות מאוד (מאות מעלות צלזיוס), דבר שמייקר את התהליך ומטיל צל על הפוטנציאל הכלכלי שלו.

חוקרים מאוניברסיטת הפיי (Hefei) בסין דיווחו באחרונה על פיתוח חומר חדש שמאפשר הלמיר פחמן דו-חמצני לחומר מוצא לדלקים ידידותיים לסביבה, בלי צורך בטמפרטורות כה גבוהות. CO₂ הוא גז יציב מאוד, שאינו נוטה להתפרק או להגיב עם שום חומר אחר. כדי לשנות את זה צריך קודם כל לעורר אותו ולגרום לו להגיב עם חומרים אחרים. אחת השיטות לכך היא לספוח פחמן דו-חמצני על משטח מתכת ולהעביר דרכו זרם חשמלי. עד לאחרונה קצב המיחזור של CO₂ בשיטה הזו היה נמוך ביותר, אבל הצוות הסיני פיתח משטח ייחודי שמשמש כזרז למיחזור  CO₂ גם בטמפרטורת החדר.

המשטח הסיני מורכב בעיקר מקובלט, מתכת עמידה בתנאי לחות, והוא דק מאוד – עוביו ארבעה אטומים בלבד. הוא מעוצב כך שיש לו שטח פנים גדול, ולכן כשמזרימים על פניו תמיסה רוויה בפחמן דו-חמצני מולקולות רבות נספחות אליו. זרם חשמלי שמועבר בו מעורר את הפחמן הדו-חמצני וגורם לו להגיב עם אטומי המימן שבתמיסה וליצור חומר בשם פורמאט (COOH) שיכול לשמש בסיס לייצור דלקים. לדברי החוקרים, קצב המיחזור של CO₂ גדול פי עשרה ממה שהושג עד כה בשיטות דומות.

גם בישראל

קבוצתו של פרופ' יעקב קרני מהפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, מפתחת שיטה שונה במקצת. גם היא נעזרת בתהליך הבסיסי – שימוש בזרם חשמלי כדי לעורר את הפחמן הדו-חמצני, אבל אצלם התהליך מתבצע בטמפרטורות גבוהות מאוד, כאלף מעלות צלזיוס. "העלאת הטמפרטורה מאפשרת להעלות את קצב התגובה בסדר גודל אחד או שנים", מסביר קרני, "אף על פי שבטמפרטורות נמוכות אפשר להשתמש בחומרים זולים יותר, ואפשר שהם יחזיקו מעמד זמן רב יותר". בנוסף, צריך מקור אנרגיה חזק כדי לספק טמפרטורות כה גבוהות. 

בעקבות המחקר של קרני, הוקמה חברה בשם NCF ( קיצור של New CO₂ Fuels), שמנסה להניע את הרעיונות הללו שלו לכיוון מסחרי. הרעיון העיקרי הוא לבצע את התהליך במפעלי תעשיה כבדה, שממילא מייצרים חום רב מאוד ופולטים כמויות גדולות של CO₂, כך ששני הרכיבים הנחוצים לתהליך מתקבלים כמעט בחינם. גם המחקר הזה נמצא בשלבי פיתוח ועדיין לא הגיע לכדאיות כלכלית.

דרך אחרת למיחזור פחמן דו-חמצני פיתח ד"ר בריאן רוזן מאוניברסיטת תל אביב. שיטתו מבוססת על ממס ייחודי שמפחית את כמות האנרגיה הנדרשת לפירוק CO₂ בעירור חשמלי. השיטה אמנם מפחיתה את כמות האנרגיה הדרושה לפירוק הגז, אך התהליך אטי מאוד ואינו עמיד לאורך זמן, ועל כן ניצב בפני אתגרים רציניים לפני שיוכל לעבור לפיתוח תעשייתי.

לעבוד עם מפעלי תעשיה שממילא פולטים חום ו-CO₂. קרני (מימין) עם מנכ"ל NCF, דודי בנית | צילום: איתי נבו

פלדיום וחיידקים

קבוצת מחקר מאוניברסיטת פרינסטון בארה"ב פיתחה תהליך לפירוק CO₂ בעזרת זרם חשמלי שעובר דרך אלקטרודות מפלדיום – מתכת יקרה מאוד, אך את החשמל מקבלים ממקור אנרגיה לא מתכלה – השמש. על בסיס הרעיון הזה הוקמה החברה המסחרית Liquid light (אור נוזלי), שהחליפה את הפלדיום בחומרים זולים יותר, שאולי יהפכו את התהליך משתלם יותר מבחינה כלכלית.

קבוצת מחקר מאוניברסיטת קליפורניה (אירווין) בארה"ב מובילה את הגישה של מיחזור CO₂ באמצעות האנזים ונדיום ניטרוגנאז (Vanadium nitrogenase) שקיים בכמה מיני חיידקים ומאפשר להם לפרק CO₂ ולייצר ממנו פרופאן – שרשרת של שלושה אטומי פחמן שיכולה לשמש דלק פשוט או בסיס לדלקים אחרים. הקבוצה גם דיווחה שהיא בוחנת את האפשרות להנדס גנטית חיידקים, כך שהאנזים שלהם יוכל להפוך פחמן דו-חמצני לשרשרת של ארבעה אטמי פחמן (בוטאן). לאחרונה קמה חברה בשם Lanzatech, הפועלת בארה"ב, סין והודו ומנסה לקדם שימוש בחיידקים למיחזור CO₂ בקנה מידה תעשייתי.

החבית מנצחת

האם לאור שלל הרעיונות לייצור דלק מ-CO₂ אפשר לומר שאנו עומדים לפתור את בעיית הפליטה של גזי חממה, ותוך כדי כך ליצור מקור בלתי נדלה של דלק נקי? נראה שצריך לקחת את הדברים הללו בערבון מוגבל.

"יש כמיהה אדירה בציבור להגיע לפתרון הבעיה. אולם צריך להיזהר מאוד מהערכות ומדיבורים על פתרון כל הבעיות של העולם", מדגיש קרני. יש דרכים רבות שאנשים בודקים, וחלקן אולי יתפתחו בעתיד למשהו תעשייתי ומבטיח. כרגע, על בסיס המחקרים האלה, אנחנו רחוקים בסדרי גודל מהאפשרות להתחרות עם חבית נפט".

בעתיד הקרוב הטכנולוגיות המתפתחות לא יפתרו לחלוטין את בעיית העודף בגזי חממה, וגם לא יספקו תחליף מסחרי לנפט, אך הן עשויות לתת מענה חלקי לשתי הבעיות. כמו כן נראה שלא מעט חברות מסחריות יהנו מהבהלה ל"זהב הירוק", גם אם מבחינה כלכלית טהורה ההיתכנות המסחרית של הטכנולוגיות הקיימות עדיין לוטה בערפל.