מימן טבעי יציל את העולם? אוצר האנרגיה שעדיין לא נוצל

חוקרים מאוניברסיטאות אוקספורד, טורונטו ודרהאם חשפו תגלית מפתיעה בנוגע למקור אנרגיה שנמצא ממש מתחת לרגלינו. מחקר שפורסם החודש בכתב העת Nature Reviews Earth & Environment מצא כי קרום כדור הארץ מייצר מימן טבעי בכמויות שיכולות לספק את צריכת האנרגיה העולמית למשך כ-170 אלף שנה. הממצאים פותחים אפשרויות חדשות לניצול מקור אנרגיה נקי שעד כה לא זכה לתשומת לב מספקת.

 למה מימן טבעי חשוב כל כך?

מימן הוא חומר חיוני לחיים המודרניים שלנו, גם אם איננו מודעים לכך תמיד. הדשנים שמגדילים את יבולי החקלאות ומסייעים להאכיל כמחצית מאוכלוסיית העולם מיוצרים באמצעות מימן. בנוסף, רבים רואים במימן מפתח למאבק בשינויי האקלים - הוא יכול לשמש כדלק נקי שבשריפתו נפלט רק אדי מים ולא פחמן דו חמצני.

הבעיה היא שכיום רוב המימן בעולם מיוצר בדרך שאינה ידידותית לסביבה. "ייצור מימן מפחם וגז טבעי אחראי לכ-900 מיליון טון של פליטות פחמן דו חמצני בשנה", מסבירים החוקרים. זה בערך 2.4% מכלל הפליטות העולמיות והביקוש רק צפוי לגדול - מ-90 מיליון טון מימן כיום ליותר מ-500 מיליון טון עד 2050.

צוות המחקר הבינלאומי, בהובלת פרופ' כריס באלנטיין מאוניברסיטת אוקספורד, חקר אפשרות מרתקת: מימן שנוצר באופן טבעי בתוך כדור הארץ. החוקרים מסבירים כי מימן נוצר בטבע בשתי דרכים עיקריות: כאשר מים באים במגע עם סלעים המכילים ברזל וכאשר חומרים רדיואקטיביים הנמצאים בסלעים מפרקים מולקולות מים ומשחררים את המימן שבהן. אך המדענים מדגישים שתהליכים אלה איטיים מאוד וזה לא משאב שמתחדש בקצב שיכול להתאים לצרכים האנושיים.

מנגנוני יצירת המימן הטבעי

המחקר מפרט כיצד שני מנגנונים עיקריים מובילים ליצירת מימן בקרום כדור הארץ. המנגנון הראשון כולל תגובות בין מים לבין סלעים המכילים ברזל. בתהליך זה, הברזל שבסלע עובר שינוי כימי (חמצון) כאשר הוא בא במגע עם מים, ואחד התוצרים של התגובה הזו הוא גז מימן. המנגנון השני הוא פירוק מים על ידי קרינה רדיואקטיבית – תהליך שבו אלמנטים רדיואקטיביים כמו אורניום, תוריום ואשלגן, הנמצאים באופן טבעי בסלעים, פולטים קרינה שמפרקת מולקולות מים ומשחררת מימן. תהליכים אלה מתרחשים בקצבים שונים מאוד – חלקם יכולים להתרחש במהלך אלפי שנים, בעוד אחרים דורשים עשרות או מאות מיליוני שנים.

מערכת צינורות להובלת גז טבעי, הולנד. מתחת לפני האדמה מסתתר אוצר אנרגיה נוסף. צילום: אילוסטרציה

פרופ' ברברה שרווד לולאר מאוניברסיטת טורונטו, אחת ממחברות המחקר, מסבירה כי מדי שנה נוצרת כמות מימן טבעי המייצגת רק כ-0.017% מתפוקת הנפט הגולמי העולמית השנתית. אולם, כאשר מצטברת כמות זו לאורך זמן גיאולוגי, הכמויות הן עצומות. "במיליארד השנים האחרונות, קרום כדור הארץ ייצר מימן בכמות שיכולה לספק את צריכת האנרגיה העולמית למשך כ-170 אלף שנה," היא מציינת. "השאלה החשובה היא כמה מהמימן הזה נשמר במאגרים שניתן לנצל באמצעות הטכנולוגיות הקיימות היום".

היכן ניתן למצוא מאגרי מימן טבעי?

המחקר מזהה מספר סוגי אזורים גיאולוגיים ברחבי העולם שבהם יש פוטנציאל למאגרי מימן משמעותיים. אזורים אלה כוללים סלעים עתיקים מאוד בכדור הארץ שמכילים ברזל ועברו פעילות געשית בעבר הרחוק. לצידם נמצאים אזורי סלע גרניט (סוג של סלע קשה ומוצק) שמכילים חומרים רדיואקטיביים באופן טבעי. אלה משחררים קרינה שמפרקת מים ויוצרת מימן בתהליך שהמדענים מכנים "פירוק רדיואקטיבי של מים".

באזורים גיאולוגיים צעירים יותר (עדיין בני מיליוני שנים) נמצאים סוגים אחרים של סלעי גרניט שגם הם יכולים לייצר מימן. בשולי היבשות ניתן למצוא אזורים מיוחדים שבהם חלקי קרקעית האוקיינוס הורמו אל פני היבשה דרך תהליכים גיאולוגיים. סלעים אלה עשירים במינרלים שמתאימים במיוחד ליצירת מימן כאשר הם באים במגע עם מים. לבסוף, ישנם אזורים נרחבים של קרום כדור הארץ שבהם התרחשה פעילות געשית נרחבת בעבר ויצרה מרבצים גדולים של סלע בזלת, המספק גם הוא פוטנציאל ליצירת מימן.

"לסוגים שונים של מבנים גיאולוגיים נפוצים בעולם יש פוטנציאל למאגרי מימן", מסבירים החוקרים במאמרם. דוגמה מעניינת למאגר מימן טבעי שכבר מנוצל בקנה מידה קטן נמצאת בבוראקבוגו במדינת מאלי, אפריקה. מאגר זה מפיק מימן טהור בשיעור של מעל 97%, אך המידע על כמויות הייצור ממנו עדיין מוגבל מאוד וטרם הוכח שניתן להפיק ממנו כמויות משמעותיות בקנה מידה תעשייתי.

האתגרים בניצול מאגרי המימן הטבעי

למרות הפוטנציאל העצום, המחקר מזהה מספר אתגרים משמעותיים בניצול מאגרי המימן הטבעי. אתגר מרכזי הוא שמירה על המימן במאגרים - מימן הוא הגז הקל ביותר בטבע והמולקולות שלו קטנות מאוד ונוטות "לברוח" דרך סדקים זעירים. זה הופך את לכידתו ושימורו למשימה מורכבת, כמו לנסות לאחסן מים בסל קש. החוקרים מציינים שבתת הקרקע יש מערכת מורכבת של גורמים המשפיעים על היכולת לשמר את המימן: כמה טוב הסלע אוטם את הגז, איך הגז זורם וכמה זמן הוא יכול להישאר במאגר.

אתגר נוסף קשור לחיידקים הקיימים בתת הקרקע. כפי שבני אדם צורכים מזון, חיידקים מסוימים "אוכלים" מימן כמקור אנרגיה ובכך מפחיתים את כמותו במאגרים. המחקר מראה שכאשר פעילות החיידקים גוברת, כמות המימן במאגר יורדת ובמקומו נוצר גז מתאן (אותו גז המשמש לבישול ביתי). חשוב לציין שמתאן הוא עצמו גז חממה חזק בהרבה מפחמן דו חמצני, ולכן דליפות מתאן עלולות לפגום ביתרון הסביבתי של ניצול מאגרי המימן.

גם תגובות כימיות מהוות אתגר, שכן מימן נוטה להגיב עם מינרלים שונים בתת הקרקע, מה שמפחית את כמותו במאגרים. חסם נוסף לפיתוח מאגרי מימן טבעי הוא פשוט חוסר מידע. החוקרים מציינים כי "למרות שהימצאות מימן טבעי דווחה ברחבי העולם במהלך המחצית השנייה של המאה ה-20, בדיקות שגרתיות לאיתור מימן בגזים טבעיים לא היו נפוצות". עובדה זו מגבילה את ההבנה לגבי היקף ומיקום המאגרים הפוטנציאליים. 

כמה זה עולה וכמה זה מזהם?

מימן טבעי נראה כמו עיסקה מצוינת הן לכיס והן לסביבה. כשמסתכלים על המחירים, ההבדלים מרשימים: בעוד שייצור מימן "ירוק" (המיוצר ממים באמצעות חשמל מאנרגיה מתחדשת) עולה בין 2.5 ל-6.5 דולר לקילוגרם, ההערכות הראשוניות למימן טבעי הן רק כחמישית מהמחיר - בין 50 סנט לדולר אחד לקילוגרם, אם כי יש לזכור שאלו הערכות תיאורטיות שטרם הוכחו בפרויקטים מסחריים בקנה מידה גדול.

גם מבחינת זיהום אוויר ופליטות גזי חממה, למימן טבעי יש יתרון משמעותי. "כיוון שהמימן כבר קיים בטבע, כל שנדרש הוא לשאוב אותו החוצה", מסבירים החוקרים. "התהליך פולט רק כ-0.4 ק"ג פחמן דו חמצני לכל ק"ג מימן שמופק". לשם השוואה, שיטות ייצור מימן מדלקים פוסיליים פולטות פי 25 יותר!

פרופ' ג'ון גלויאס מאוניברסיטת דרהאם, אחד ממחברי המחקר, מדגיש: "אם נגלה מאגרי מימן טבעי גדולים, יהיה לנו מקור אנרגיה זול ונקי יחסית שיכול לסייע במאבק בשינויי האקלים". עם זאת, החוקרים מזהירים שלא מדובר במשאב מתחדש אמיתי. בניגוד לאנרגיית שמש או רוח, המימן הטבעי נוצר בקצב איטי מאוד (במונחים אנושיים) והוא יתדלדל עם הזמן אם ננצל אותו. "זהו אוצר טבעי שנוצר במשך מיליוני שנים", הם מסבירים, "ולא משהו שמתחדש בקצב שיכול להתאים לצריכה אנושית".

מה עוד צריך לחקור?

המחקר מצביע על מספר נושאים שעדיין דורשים מחקר נוסף כדי לפתח באופן מעשי את משאבי המימן הטבעי. אחד האתגרים המרכזיים הוא היכולת לחזות במדויק כמה מימן נוצר כאשר מים באים במגע עם סלעים מסוימים. "אנחנו עדיין לא יודעים מספיק על התהליכים האלה כפי שהם מתרחשים בקרקע", מסביר פרופ' כריס באלנטיין, מוביל המחקר.

רוב המחקרים עד כה התמקדו בתהליכים דומים המתרחשים בקרקעית האוקיינוס, שם התנאים שונים מאוד מאלה הקיימים ביבשה. החוקרים מדגישים שיש צורך בניסויים חדשים שידמו את התנאים הקיימים מתחת לפני האדמה ביבשה. "האתגר הגדול", לדבריהם, "הוא לקחת את מה שאנחנו לומדים במעבדה וליישם אותו בעולם האמיתי". כלומר, ככל שתגדל ההבנה כיצד נוצר מימן בתת הקרקע, כך יהיה קל יותר למצוא מאגרים גדולים שכדאי לפתח מבחינה כלכלית.

מהן המשמעויות לעתיד האנרגיה?

המחקר החדש מראה שמתחת לפני האדמה מסתתר אוצר אנרגיה שרק עכשיו אנחנו מתחילים להבין את חשיבותו. כדי למצוא מאגרי מימן טבעי, המדענים מסבירים שצריך לחפש שלושה דברים: סוג הסלע המתאים, מים ו"מלכודת" טבעית שמונעת מהמימן לברוח. המחקר מגלה שסביר יותר שנמצא מאגרים המכילים תערובת של גזים - מימן מעורב עם גזים אחרים, ולא מימן טהור לחלוטין. אבל גם תערובות אלו יכולות להיות בעלות ערך רב.

שורה תחתונה: האם מימן טבעי אכן יפתור את בעיית האקלים העולמי? התשובה היא אולי, אבל לא לבד. מימן טבעי הוא רק חלק מהפתרון. יתרונו הגדול הוא בעלות הנמוכה ובזיהום המופחת בהשוואה לשיטות הייצור הנוכחיות של מימן. עם זאת, אין זה משאב מתחדש אמיתי - כשננצל אותו, הוא לא יתחדש במהירות מספקת לצורכנו. המדענים מדגישים שיש עוד הרבה עבודה לעשות בשיפור שיטות החיפוש והזיהוי של מאגרים אלה. אם יצליחו בכך, מימן טבעי יוכל להיות חלק חשוב בתמהיל האנרגיה העתידי, לצד מקורות אנרגיה מתחדשים אחרים ויסייע במעבר לעולם דל פחמן.

למרות הפוטנציאל המבטיח, החוקרים מעריכים שייקחו עוד שנים רבות של מחקר ופיתוח לפני שמימן טבעי יוכל להפוך למקור אנרגיה משמעותי. חברות אנרגיה ומדינות המעוניינות לפתח משאב זה צריכות להתכונן להשקעות ארוכות טווח, ולא לפתרון מיידי למשבר האקלים.