לפני כארבעה חודשים, ביום תצוגה טכנולוגית שערכה יצרנית הרכב הסינית GAC, היא הציגה אב-טיפוס של מנוע בעירה פנימית אשר לטענתה מסוגל לפעול באמצעות אמוניה. בדיקה מעט יותר מעמיקה, במיוחד "בין השורות" של מה שלא פורסם על-ידי GAC, גילה אמנם שלא מדובר באמוניה טהורה אלא בתערובת של אמוניה עם דלק נוזלי כלשהו, ולמרות זאת מדובר באלטרנטיבה מעניינת בדרך לגמילה מנפט.

מנוע האמוניה שהציגה GAC נראה כמו מנוע בעירה פנימית רגיל, עם ארבעה צילינדרים ובנפח של 2.0 ליטרים, והוא מספק הספק סביר ולא יוצא דופן של 163 כוחות סוס. המנוע הזה גם לא מציג תצרוכת דלק ראויה לציון או ביצועים מרגשים אך התכונה שעושה אותו עדיף משמעותית על פני מנועים ששורפים בנזין או סולר היא שהוא פולט רק 10% מכמות הפחמן שפולט מנוע בנזין, וכל הפחמן הזה מגיע מן הדלק שמעורבב באמוניה ולא מן האמוניה עצמה.

אז מה זאת אמוניה, מה היא עושה בתוך מנוע, למה לא שמענו על רעיון כזה עד היום ומה הסיכוי שנשמע עליו בעתיד?

ראשית לכל כדאי להתמקד בדבר אחד מוכר: המימן. מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר בטבע למרות שעל פני כדור הארץ הוא תמיד מחובר למשהו ולא מופיע בגרסתו הטהורה, וכבר כיום נעשה בו שימוש להנעת רכב באמצעות 'תאי דלק' שמייצרים חשמל ברכב חשמלי ובמנועי בעירה רגילים (אך מוסבים) ששורפים מימן במקום בנזין או סולר.

במולקולות של אמוניה יש שלושה אטומי מימן שקשורים לאטום חנקן אחד, כלומר שכולו עשוי משני יסודות נפוצים שלעולם לא יחסרו על פני כדור הארץ. מה שאין באמוניה זה אטומים של פחמן, ומפני שהמולקולה מורכבת משלושה אטומים של מימן הרי שצפיפות המימן שלה, ליחידת נפח, גבוהה ב-50% ביחס למימן נוזלי טהור.

התוצאה: בהשוואה למימן נוזלי בתצורת גז דחוס בלחץ של 700 באר, נוזל אמוניה מכיל כמעט פי שלושה יותר אנרגיה ויותר מפי 20 מן האנרגיה הספציפית שאגורה בסוללת ליתיום בת ימינו. זה אמנם לא מתקרב עדיין לתכולת האנרגיה של בנזין או סולר, אבל זה הכי קרוב ביחס לחשמל או מימן.

בלחץ אטמוספרי אמוניה היא גז מסריח ביותר עם נקודת רתיחה נמוכה מאד ולכן יש לשמור עליו כנוזל באמצעות קירור. מצד שני – הרבה יותר נוח לאחסן ולנייד אמוניה בהשוואה למימן בלחץ גבוה, והשינוע שלה זול מזה של מימן ביחס של 1 ל-30. אמוניה הוא אמנם חומר מאוד קורוזיבי, אבל בשונה ממימן הוא לא מפעפע דרך דפנות המתכת של מכלים, ולא נדרשת אנרגיה כדי לשמר אותה במצב נוזלי.

אז אם הכל כל כך טוב איך זה שעדיין לא נהגנו במכונית עם מנוע אמוניה? הסיבה העיקרית היא שאמוניה, כאמור, הוא חומר מסריח (תרתי משמע), רעיל ומאוד מסוכן לבני אדם, ובריכוזים גבוהים זה חומר קאוסטי מעכל שמסווג כ"חומר מסוכן ביותר". על מתקנים שמשתמשים בכמויות משמעותיות של אמוניה חלות תקנות וחובות דיווח מחמירות, וחלקים שבאים במגע עם החומר הזה חייבים להיות עמידים בפניו.

סיבה משמעותית נוספת היא עלויות ההפקה המאוד גבוהות שלו ביחס להפקת נפט, וזה נובע, בין השאר, מ-100 שנות התמכרות של העולם ל"זהב השחור".

הכימיקל השני הכי נפוץ בעולם

קרוב ל-90% מן האמוניה שמיוצרת בעולם נצרכת בחקלאות, בדרך כלל בתצורת מלח או תמיסה שיוצרים דשן רב עוצמה אשר משפר במידה ניכרת את כמות היבול של גידולי דגנים. כ-10% הנוספים משמשים בתעשייה לצורך ייצור כמעט כל תרכובות החנקן הסינתטיות, כרכיב פעיל בחומרי ניקוי תעשייתיים וביתיים, כחומר אנטי-מיקרוביאלי בתעשיות המזון והשימור וכמקור חנקן בתהליכי תסיסה. אמוניה משמשת בתהליכי ייצור של פלסטיק, ניילון, נייר, גומי סינטטי, פולימרים שונים, סיבים סינתטיים, צבעים, קוסמטיקה, חומרי הלבנה ואפילו חומרי נפץ.

בנוסף, כל מי שנוהג ברכב עם מנוע דיזל שיוצר בשנים האחרונות מוסיף אמוניה בדמות אוריאה אל מערכת ההמרה שמצמצמת את פליטת תחמוצות החנקן (NOx). למען הפרופורציות, אמוניה ניצבת במקום השני, מבחינת נפח הייצור העולמי, מבין כל הכימיקלים שמיוצרים בעולם.

אמוניה יכולה לשמש כדלק בשלוש דרכים עיקריות, והראשונה היא הפרדת החנקן מן המימן ושימוש במימן בדרכים שמוכרות לנו: שריפה ישירה או בתאי דלק. כאשר משתמשים במימן שבאמוניה בתא דלק מקבלים בחזרה קרוב ל-20% מן האנרגיה שהושקעה בייצור החומר.

דרך אחרת, שלשמה התכנסנו כאן, היא הבערה של אמוניה מהולה בדלק אחר במנועי בעירה, וכאן נחשפת המורכבות של התהליך. אמוניה נשרפת בטמפרטורות גבוהות ולכן נדרש לערבב בה דלק שפולט זיהום, ואם תהליך הבעירה לא מנוהל באופן מדויק נפלטת לאטמוספירה כמות גדולה של תחמוצת חנקן שהיא גז חממה משמעותי ורעיל. תחת ניהול טוב של התהליך אפשר לקבל בחזרה כ-21% מן האנרגיה שהושקעה בהפקת האמוניה.

דרך שלישית, והכי יעילה להפקת אנרגיה מאמוניה, היא באמצעות "תא דלק תחמוצת מוצקה בטמפרטורה גבוהה" (SOFC). מערכת כזאת מייצרת חשמל בתוך כדי פליטת חנקן ומים ובתהליך הזה אפשר לקבל בחזרה כ-50% מתשומות האנרגיה. הבעיה: נכון להיום זאת טכנולוגיה יקרה שלא מסוגלת לספק פרצי אנרגיה, לכן נדרשת מערכת היברידית שמשתמשת בחלק מן האמוניה כדי "לשים בצד" מימן ולהשתמש בו כאשר נדרש כוח מתפרץ.

כמו כל תהליכי ההפקה והייצור של חומרי דלק בעולם, למעט מימן מאנרגיה מתחדשת, גם הייצור של אמוניה מבוצע כרגע בתהליך עתיר אנרגיה ומזהם. בשלב ראשון מייצרים מימן, ואת האפשרויות המורכבות של הפקת החומר הזה אנחנו מכירים. לאחר מכן צריך לחבר בין מולקולות מימן למולקולות חנקן – שאותן צריך להפריד מן האוויר, וזה מבוצע בתהליך תעשייתי שכרוך בחימום לטמפרטורה של יותר מ-400 מעלות בלחץ של יותר מ-250 באר. עלות האנרגיה שנדרשת לתהליך הזה עצומה, ונכון להיום מופקת אמוניה מגז טבעי או ממוצרי נפט מזהמים.

כבר כיום דורשת הפקת אמוניה כ-2% מתצרוכת הנפט והגז הטבעי בעולם. כאשר משקללים גם את פליטת מזהמי האוויר הנוספים כמו מתאן מסתבר שאמוניה היא המזהמת הגדולה ביותר בייצור כימי תעשייתי בעולם בהפרש ניכר, ואחראית לכ-1% מכלל פליטות החממה השנתיות.

בתנאים אידאליים, אם הפקת אמוניה תבוצע באמצעות אנרגיה ממקורות מתחדשים ונקיים – יופחתו מאוד כלל פליטות המזהמים של התהליך הזה חוץ מאשר דליפת של מתאן, וזה אומר שבטווח הנראה לעין עדיין מדובר בדלק עם מחיר סביבתי. עם זאת, וכפי שאפשר להבין – בין אם אמוניה תשמש בעתיד כדלק ובין אם לא – מדובר בכימיקל נחוץ מאד שנצרך בכמויות גדולות ולכן יש לתעשייה מוטיבציה עצומה לפתח תהליכי ייצור נקיים יותר, למשל באמצעות אלקטרוליזה ושימוש באנרגיה ירוקה.

מנוע שתי פעימות חוזר לחיים

מנוע האבטיפוס של GAC, אשר פותח בשיתוף פעולה עם טויוטה, שורף ככל הנראה אמוניה נוזלית (NH3) שמהולה בנוזל דלק כלשהו, ככל הנראה בנזין, וזה מנוע ארבע-פעימות די סטנדרטי.

עם זאת, נראה שהרבה יותר סביר שאם נראה בימי חיינו מנוע בעירה ששורף אמוניה הוא יהיה מנוע דו-פעימתי, והסיבה לכך היא שההבטחה הגדולה לשימוש במנועים כאלה מגיעה דווקא מן הים, ואולי גם מתחום הרכבות וההובלה הכבדה. 90% מן הסחורות שנסחרות כיום ברחבי העולם מועברות בהובלה ימית ונפח ההובלה צפוי לגדול בשלושת העשורים הבאים לפחות ב-50%. כבר כיום פולטות אוניות בכל שנה כ-940 מיליון טונות של פחמן דו-חמצני שמהוות כ-2.5% מכלל פליטת גזי החממה ואם מנועי האוניות לא יצמצמו מאוד את פליטות המזהמים שלהם צפוי חלקה היחסי של ההובלה הימית בסך הפליטות לגדול משמעותית.

היעד שהוצב בפני התעשייה הזאת הוא צמצום של 70% בפליטות עד לשנת 2050, ומכיוון שקשה מאוד לאגור על אוניות כמות גדולה של חשמל – הכיוון העיקרי שמסתמן שם כרגע הוא הנעה באמצעות מימן או על-ידי גז טבעי נוזלי (LNG).

חטיבת פתרונות האנרגיה של יצרנית המשאיות ומנועי הענק MAN שוקדת מזה כמה שנים על פיתוח מנועים שמוזנים באמוניה, והחברה כבר הציגה אבות טיפוס פועלים של מנועים למשאיות גדולות. בשונה מן המנוע של GAC, המנוע של MAN הוא מנוע דו-פעימתי וזה מרתק מבחינה זאת שמדובר ברנסנאס של אחת משיטות ההנעה הראשונות שלא עמדו בתקני זיהום האוויר ונעלמו כמעט לחלוטין מן השוק.

מנועים דו-פעימתיים מתאפיינים במשקל עצמי נמוך, מיעוט חלקים (יחסית למנועי 4 פעימות) והספק גבוה, ואם הדלק שמובער בהם לא מזהם זה בוודאי יכול להחזיר אותם לחיים.

הבשורה הכי מעניינת בהקשר הזה היא שאנשי MAN מבטיחים להציג מנוע אמוניה דו-פעימתי מוכן לייצור כבר בשנה הקרובה (2024), ומיד לאחר מכן חבילת הסבה שתאפשר להתקין מנוע כזה בכלי שיט קיימים. זה יקרה לדבריהם לכל המאוחר בשנת 2025.

בריאן אוסטרגארד סורנסן, ראש חטיבת המחקר והפיתוח של מנועי שתי פעימות ימיים שממוקמת בקופנהגן, דנמרק, אומר ש"כעת יש לנו הזדמנות לשנות בקנה מידה עולמי את תעשיית הספנות ואת ההשפעה הסביבתית שלה". חטיבה זאת בוחנת במקביל "פתרונות דלק גמישים" שיאפשרו למנועי בעירה לשרוף מגוון רחב של דלקים ידידותיים לסביבה, בהם גם מתנול ואמוניה.

סורנסן מדגיש שבדומה למתנול, פתרונות שמבעירים אמוניה מתבססים על טכנולוגיות ותשתיות קיימות, וזאת בשונה מפתרונות כמו חשמל ומימן שדורשים תשתיות חדשות. "ייקח זמן לבנות קיבולת ייצור וזמן לבנות מחדש את מנועי שתי הפעימות של ספינות כך שיפעלו על אמוניה", הוא אומר, "ההתעניינות של חברות ספנות בטכנולוגיות דלק חדשות היא עצומה היום, ויש לנו כבר מספר שיתופי פעולה. אבל ההסבה למנועים ירוקים תלויה גם במציאות הכלכלית. אף חברת ספנות לא יכולה להסתכן בכך שהצי שלה ייתקע במהלך המעבר, ולכן עלינו ליצור פתרונות גמישים".

האתגר הגדול ביותר של אמוניה – מעבר ללוגיסטיקת ההובלה, הוא רעילות ובעיקר קורוזיביות, והפתרונות ש-MAN מפתחת מתמקדים ביצירת מערכת דלק שלמה – החל ממיכל הדלק ועד המנוע, הנדסת דפנות כפולות, שימוש בחומרים חדשים ופיתוח תוכנות חדשות.