בהליך שקט, נטול סיקור תקשורתי, סימנה באחרונה ישראל עבור קהילת המחקר האקדמי יעד לאומי אסטרטגי חדש: פיתוח סוללה. לא סתם סוללה, אלא כזו שתוכל להניע רכב חשמלי למרחק של 500 קילומטר בלי טעינה, או לאגור חשמל שיוצר באנרגיית השמש.
לפני חודש כונן בישראל המרכז הלאומי להנעה אלקטרוכימית, שיושק פומבית בסוף החודש. המרכז יתוקצב בארבע השנים הקרובות ב-45 מיליון שקל. הוא יאגד 12 קבוצות מחקר, שבהן כ-100 חוקרים מארבעה מוסדות אקדמיים - אוניברסיטת תל אביב, הטכניון, אוניברסיטת בר אילן והמרכז האוניברסיטאי אריאל שבשומרון. מטרת המרכז היא לתקצב מחקרים ופיתוח של טכנולוגיות חדישות לאגירת חשמל.
"לנפט אין עתיד, הן מבחינה פוליטית והן בגלל המחסור שיהיה בו", אומר יו"ר המרכז, פרופ' דורון אורבך, מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בר אילן. "יש מהפכה מחשבתית שמתחילה אצל הפוליטיקאים, מחלחלת לחברות הרכב ויורדת לחברות הסוללות - הולכים על רכב חשמלי. למעשה, כבר עכשיו ניתן להשתמש בו כי טווח נסיעה של 150 ק"מ מתאים למשל לישראלי הממוצע - ובכל זאת אנחנו רוצים להגדיל אותו".
המצברים - טכנולוגיה של 100 שנה
"ההצלחה הגדולה ביותר של האלקטרוכימיה המודרנית היא סוללת הליתיום הנטענת, ליתיום-יון", מסביר אורבך. "זו סוללה טובה מאוד בעבור מכשור אלקטרוני, אבל כדי להניע בעזרתה מכונית צריך הרבה סוללות כאלה.
כיום, סוללה כמו זו שמתקינה חברת בטר פלייס שוקלת 300 ק"ג, ומספקת אנרגיה לנסיעה של כ-150 ק"מ. אנחנו רוצים להגדיל את טווח הנסיעה בלי להוסיף משקל ונפח לסוללות".
כדי לפרט את הפתרונות שמחפשים במרכז המחקר, מסביר קודם אורבך כיצד פועלת סוללה: "המטבע העובר לסוחר בכימיה הוא אלקטרונים. המתכות הן יסודות שנותנים אלקטרונים, ואל-מתכות לוקחות אלקטרונים. ברגע שיש מגע בין יסוד שנותן אלקטרונים ליסוד שאוהב לקבל אלקטרונים, נוצרת זרימה של אלקטרונים.
בכימיה רגילה, היסודות נמצאים במגע ישיר. באלקטרוכימיה היסודות מופרדים במעין חוט שמעביר אלקטרונים. את החוט אפשר להעביר דרך מקלט רדיו, נורה או מכונית חשמלית, ובכך להכריח את האלקטרונים לעשות עבודה חשמלית".
הבעיה המרכזית, לדברי אורבך, היא משקל הקטבים של הסוללה, שבהם מרוכזות התרכובות שנותנות ומקבלות אלקטרונים. בקטבים אלה נצברים יוני הליתיום - שכמותם קובעת את יכולת הסוללה להכיל אנרגיה. בסוללה רגילה הקוטב שמוסר אלקטרונים (השלילי) מורכב מגרפיט, ואילו הקוטב הקולט אלקטרונים (החיובי) מורכב בדרך כלל מתחמוצת מנגן. קבוצות המחקר בעולם מנסות למצוא חומרים קלים יותר עבור הקטבים הללו.
במרכז מפתח צוות חוקרים סוללה שבה הגרפיט מוחלף בסיליקון, והמנגן מוחלף בגופרית. כך, כל קוטב יכול להכיל הרבה יותר אטומי ליתיום, וקיבולת הסוללה עולה. "הסוללה שאנו מפתחים תכיל לפחות פי שניים מטען חשמלי מאותה יחידת משקל", צופה אורבך. "המשמעות היא, שאם סוללה ששוקלת כ-300 ק"ג מספקת אנרגיה לנסיעה של 150 ק"מ, עם הסוללה החדשה אפשר יהיה לנסוע 300 ק"מ בלי להוסיף משקל".
אורבך מספר כי טכנולוגיה חדישה יותר, הנמצאת בשלבי פיתוח מתקדמים, ומנסה להקטין את משקל הקוטב החיובי - באמצעות שימוש בחמצן שבאוויר. "המאבק שלנו כרגע הוא לאפשר לתהליך הזה להתרחש באופן מחזורי. אם נצליח, מקור מחצית החומר הפעיל יהיה האוויר, וכך נוכל לייצר סוללות בחצי משקל או אפילו ברבע משקל, לאותה כמות אנרגיה. סוללה של 300 ק"ג תספיק אז לנסיעה של 500 ק"מ", אומר אורבך.
איך מנצלים את אנרגיית השמש בלילה?
בעיה נוספת שבה נתקלות כיום יצרניות הרכב החשמלי היא קצב הפריקה המוגבל של הסוללה. כלומר - שחרור אנרגיה רבה בטווח קצר, כמו שנדרש בהאצה של מכונית. לשם כך, מפתחים במסגרת המרכז סופר-קבלים, המסוגלים לספק את האנרגיה במהירות הרצויה. "הם מורכבים מחומרים פחמניים בעלי שטח פנים גדול מאוד, עד 2,500 מ"ר לגרם. אם מפעילים מתח, זה קבל שיכול לצבור הרבה מאוד מטען חשמלי שניתן לשחרר מהר", מספר אורבך.
פיתוח כזה אמור לתת מענה לאחת הסוגיות הבוערות כיום בעולם המדעי - אגירת אנרגיה. סוללות מתקדמות יכולות להקטין את התלות שלנו גם בדלק כמו פחם וגז טבעי המשמשים לייצור חשמל. שמש ורוח, למשל, אינן עומדות בהכרח לרשות תחנות הכוח באופן רציף ולכן אגירת אנרגיה היא אחד החסמים העיקריים שעומדים בפני ייצור חשמל מאנרגיות מתחדשות.
"סופר-קבלים יכולים להיות פתרון טוב לאחסון חשמל סולארי בלילה, כי על הקרקע אין מגבלה של משקל או נפח", אומר אורבך. לדבריו, המגבלה הגדולה בנושא האחסון היא מספר מחזורי הטעינה והפריקה שבהם יכולה סוללה לעמוד. כדי לפתח מערכות אחסון אנרגיה שמשק חשמל שלם יוכל להסתמך עליהן, נדרשות מערכות המסוגלות לעמוד באלפי מחזורים יומיים כאלה לפני שידרשו טיפול או החלפה. סופר-קבלים, שהשחיקה בהם אפסית, יכולים להתאים למשימה זו.
השלב הבא במחקר יהיה שיפור המצברים המוכרים במכוניות של ימינו, המתבססים לדברי אורבך על טכנולוגיה בת יותר מ-100 שנה (מצבר עופרת-חומצה). "סוללה של רכב נותנת כמה מאות מחזורים ומתה. זה לא מספיק, כי אי אפשר להסתמך על סוללות שצריך להחליף כל שנתיים-שלוש. אבל אם משלבים בה חומרים מתקדמים, ניתן להגדיל את מספר המחזורים לכמה אלפים, ואז מקבלים סוללה שתספיק ל-10-15 שנה. זה כבר סביר", מסביר אורבך.
60% מהנפט העולמי - לתחבורה
כינון תוכנית פיתוח הסוללה הוא אחד הצעדים במסגרת התוכנית הלאומית להפחתת התלות העולמית בנפט לתחבורה, שאושרה בינואר אשתקד בממשלה ותוקצבה ב-1.5 מיליארד שקל עד 2020. התוכנית, שמנהל משרד ראש הממשלה, נהגתה בידי המועצה הלאומית לכלכלה בראשות פרופ' יוג'ין קנדל, ונועדה לתמוך במחקר ובפיתוח של תחליפי נפט בתחבורה, כמו שימוש בדלקים ביולוגיים, תחליפי דלק מגז, רכב חשמלי והגברת הנצילות במנועים.
עד כה לא צברה התוכנית תאוצה רבה בשטח, ואף היא נתקלה בקשיים ביורוקרטים. רק בחודש הקרוב צפוי להתמנות מנהל רשמי ראשון ליישום התכנית. המנהל בפועל כיום הוא סגנו, הכלכלן שגיא דגן.
המרכז הלאומי להנעה אלקטרוכימית הוא לפיכך רק אחד מבין כמה אפיקים שנועדו למצוא תחליף לשימוש בדלקים מבוססי נפט לתחבורה - והשני שמוקם לצד המרכז לביו-דלקים. ההחלטה על התוכנית להפחתת התלות בנפט התקבלה לאור הערכות כי מחירי הנפט ימשיכו להאמיר בשנים הבאות בעקבות הביקושים הגואים בעיקר בהודו ובסין, ויביאו להגברת התלות האסטרטגית המסוכנת של מדינות המערב במדינות לא דמוקרטיות ואף עוינות לישראל, השולטות במאגרי הנפט המידלדלים.
הנפט ותוצריו הם רכיב מהותי בכלכלה המודרנית בגלל התלות בהם בענפי התחבורה והתעשייה. כ-60% מהנפט המופק בעולם משמשים להנעת כלי רכב, ולפיכך מתמקדת התוכנית בתחליפי נפט לתחבורה. התוכנית שואפת להרחיב לא רק את המחקר האקדמי בנושא, אלא גם את יישומו בפועל.
לשם כך, כוללת התוכנית גם הקמת מרכז סיוע וייעוץ רגולטורי לחברות המעוניינות לבחון טכנולוגיות חדישות בישראל, מימון של עד מיליון דולר לפיילוט, ואף הקמת קרן הון סיכון ממשלתית שתשקיע במיזמים הנבחרים 33% מההון - עד 8 מיליון דולר לפרויקט.