תאי אלקטרוליזה PEM מול אלקליין מול תחמוצת מוצקה: קרב טכנולוגיות המימן של 2025

אלקטרולייזרים של מימן נמצאים בלב מהפכת המימן הירוק. בהשוואה מקיפה זו, נבחן את שלוש טכנולוגיות האלקטרוליזה של מים המובילות – ממברנת חילוף פרוטונים (PEM), אלקליין, ו-תחמוצת מוצקה (SOEC) – תוך הדגשת אופן הפעולה של כל אחת, היעילות, העלויות, העמידות וההתפתחויות האחרונות נכון לשנים 2024–2025. נבחן גם אילו טכנולוגיות מתאימות לאנרגיות מתחדשות לא רציפות, מיהם מובילי השוק, חידושים חדשים באופק, שיקולים סביבתיים, ומה אומרים המומחים על עתיד האלקטרולייזרים הללו.

עקרונות פעולה וכימיה

אלקטרולייזרים אלקליים: מערכות אלקליות הן טכנולוגיית האלקטרולייזר הוותיקה והמוכרת ביותר. הן משתמשות באלקטרוליט נוזלי (בדרך כלל אשלגן הידרוקסידי, KOH) ואלקטרודות מבוססות ניקל. כאשר מוזרם זרם חשמלי, המים בקטודה מתפרקים ליצירת גז מימן ויוני הידרוקסיד (OH⁻). יוני ה-OH⁻ נודדים דרך האלקטרוליט לאנודה, שם הם מתאחדים ליצירת גז חמצן ומים energy.gov energy.gov. התגובה הכוללת היא פשוט פיצול מים ל-H₂ ו-O₂. מכיוון שהאלקטרוליט נוזלי, תאים אלקליים פועלים בדרך כלל בטמפרטורות מתונות (< 100 °C, לרוב כ-60–80 °C) energy.gov stargatehydrogen.com. עיצוב בוגר זה נמצא בשימוש עשרות שנים (למשל בתעשיית כלור-אלקלי ובמפעלי דשנים) ומוכר בזכות עמידותו ופשטותו. התפוקה של מימן מהאלקטרולייזרים האלקליים היא באיכות גבוהה אך עלולה להכיל מעט לחות או שאריות KOH, ולכן ייתכן שיהיה צורך בטיהור נוסף עבור מימן בדרגת תאי דלק stargatehydrogen.com.

אלקטרולייזרים עם ממברנת חילוף פרוטונים (PEM): אלקטרולייזרי PEM משתמשים בממברנה פולימרית מוצקה (ממברנת חילוף פרוטונים) כאלקטרוליט. מים מוזרמים לצד האנודה, שם הם מתפרקים לחמצן, פרוטונים (H⁺) ואלקטרונים energy.gov. הממברנה מוליכה רק פרוטונים, כך שיוני H⁺ נעים דרך הממברנה אל הקתודה. שם, הם מתאחדים מחדש עם אלקטרונים (המוזרמים דרך המעגל החיצוני) ליצירת גז מימן energy.gov. הממברנה עצמה מונעת ערבוב של גזים, ומביאה להפקת מימן בטוהר גבוה מאוד (לעיתים קרובות >99.999%) בקתודה stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. אלקטרולייזרי PEM פועלים בטמפרטורות נמוכות יחסית (בדרך כלל ~50–80 °C) בדומה למערכות אלקליות energy.gov. הם דורשים זרזי מתכות יקרות (אירידיום באנודה, פלטינה בקתודה) ומי הזנה מטוהרים מאוד. האלקטרוליט המוצק והולכת הפרוטונים המהירה מאפשרים תגובה מהירה והפעלה מיידית, מה שהופך את יחידות ה-PEM לגמישות מאוד בתפעול stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com.

אלקטרולייזרים של תחמוצת מוצקה (SOEC): תאי אלקטרולייזר של תחמוצת מוצקה פועלים במצב שונה מהותית – בטמפרטורות גבוהות (בדרך כלל 700–850 °C) תוך שימוש באלקטרוליט קרמי מוצק שמוליך יוני חמצן (O²⁻) energy.gov energy.gov. במקום מים נוזליים, קיטור מסופק לקתודה. שם, הקיטור (H₂O) עובר חיזור: הוא קולט אלקטרונים ומתפצל לגז מימן (H₂) ויוני חמצן energy.gov. יוני O²⁻ נודדים דרך האלקטרוליט הקרמי לאנודה, שם הם משחררים אלקטרונים ויוצרים גז O₂ energy.gov. למעשה, SOEC דומים לתאי דלק של תחמוצת מוצקה – אבל הפוך: הם משתמשים בחשמל (וחום) כדי לפרק קיטור ל-H₂ ו-O₂. הפעולה בטמפרטורה גבוהה מאפשרת שחלק מהאנרגיה הנדרשת מסופק כחום, מה שמפחית את כמות האנרגיה החשמלית הדרושה לכל ק"ג מימן שמיוצר. לעיתים קרובות SOEC מנצלים חום עודף מתהליכים תעשייתיים או ממקורות חום מרוכזים (אפילו מכורים גרעיניים) כדי לשפר את היעילות energy.gov hydrogentechworld.com. זה בא על חשבון חומרים קרמיים מורכבים והצורך לשמור על טמפרטורות פעולה גבוהות. (ראוי לציין שמתקיים מו"פ באלקטרוליזה קרמית בטמפרטורות ביניים סביב 500–600 °C עם חומרים חדשים energy.gov, אך יחידות SOEC מסחריות כיום עדיין פועלות סביב 750 °C או יותר.)

יעילות וטמפרטורות פעולה

יעילות חשמלית: במונחים מעשיים, לאלקליים קונבנציונליים ולאלקטרולייזרים מסוג PEM יש יעילות דומה – בניגוד לתפיסה הרווחת שלפיה אחד מהם יעיל יותר מהשני באופן מהותי. כאשר משווים אותם על בסיס שווה (יעילות מערכת כוללת בעומס מלא), "כמעט כל היעילויות של PEM ואלקליין נמצאות באותו טווח" eh2.com. מערכות מסחריות טיפוסיות דורשות בערך 55–60 קוט"ש של חשמל לכל קילוגרם מימן שמיוצר eh2.com, מה שמתורגם ליעילות של כ-55–65% (על בסיס ערך חימום נמוך). במילים אחרות, גם יחידות אלקליין וגם PEM צורכות קצת פחות מ-60 קוט"ש כדי לייצר 1 ק"ג מימן (שבו יש כ~33 קוט"ש של אנרגיה לפי LHV). לכל טכנולוגיה יש דקויות תכנוניות – לדוגמה, תאים אלקליים עשויים לאבד מעט מהיעילות בצפיפויות זרם גבוהות מאוד, ומערכות PEM עשויות להציג יעילות שיא מעט גבוהה יותר בעומסים חלקיים – אך בפועל הביצועים הממוצעים שלהן דומים eh2.com eh2.com. נתונים עדכניים מעשרות פרויקטים מראים כי אלקטרולייזרים אלקליים ו-PEM מרוכזים באותו טווח יעילות כאשר כל ההפסדים (הערימה + איזון המערכת) נלקחים בחשבון eh2.com.

יעילות SOEC בטמפרטורה גבוהה: אלקטרולייזרים של תחמוצת מוצקה יכולים להשיג יעילות חשמלית גבוהה יותר על ידי שימוש בחום לביצוע חלק מהעבודה של פירוק המים. למעשה, SOEC מתופעל היטב יכול להפיק 20–25% יותר מימן לכל קילוואט של הספק קלט מאשר יחידת PEM או אלקליין בגודל דומה hydrogentechworld.com. לדוגמה, בשנת 2023 דווח כי מערכת SOEC של Bloom Energy בהספק 4 MW ב-NASA ייצרה מימן ביעילות גבוהה ב-25% לעומת אלקטרוליזה בטמפרטורה נמוכה (PEM/AWE) hydrogentechworld.com. גם Sunfire (מפתחת SOEC גרמנית) השיגה כ-84% יעילות LHV ביחידת SOEC רב-מגוואטית שלה על ידי ניצול חום פסולת iea.org. עם זאת, חשוב לציין שיתרון היעילות של SOEC מתקבל רק כאשר קיים קיטור בטמפרטורה גבוהה; עדיין נדרשת אנרגיה ליצירת הקיטור הזה. אם SOEC מוזן בקיטור שחומם חיצונית (למשל באמצעות חום תעשייתי עודף או חום מכור גרעיני), צריכת החשמל לק"ג H₂ נמוכה משמעותית לעומת מערכת PEM/אלקליין iea.org hydrogentechworld.com. ללא מקור חום חיצוני, SOEC יצטרך להשתמש בחלק מהחשמל שהוא צורך כדי לחמם את עצמו, מה שמפחית את הרווח נטו. לסיכום, SOEC מציע את היעילות התיאורטית הגבוהה ביותר מבין השלושה – בסדר גודל של 80% ומעלה – אך השגת רמות אלו תלויה בשילוב האלקטרולייזר עם מקור חום.

טווחי טמפרטורת פעולה: טמפרטורת הפעולה היא גורם מבדיל מרכזי:

• אלקליין: ~60–100 °C ברוב התצורות energy.gov stargatehydrogen.com. טמפרטורה מתונה זו נדרשת להולכה יונית טובה באלקטרוליט הנוזלי אך נמוכה מספיק כדי שחומרים נפוצים (פלדה, ניקל) יוכלו להתמודד איתה בקלות.
• PEM: ~50–80 °C, לפעמים עד ~90 °C energy.gov stargatehydrogen.com. מערכות PEM פועלות בטמפרטורה מעט נמוכה יותר מאלקליין, כיוון שמוליכות ועמידות הממברנה הפולימרית מיטביות בטווח זה. הפעולה בטמפרטורה נמוכה מאפשרת התנעה וכיבוי מהירים.
• SOEC: ~700–850 °C עבור קרמיקות יון-חמצן energy.gov energy.gov. טמפרטורה גבוהה זו דורשת תאים קרמיים מיוחדים ובידוד. המשמעות היא גם ש-SOECs לא ניתן להפעיל/לכבות במהירות ממצב קר – בדרך כלל יש לשמור אותם חמים (או לחמם אותם באיטיות) כדי למנוע שוק תרמי.

עלות הון (CapEx) ועלות תפעול (OpEx)

הוצאה הונית (CapEx): לאלקליים יש יתרון בעלות ההתחלתית בזכות שימוש בחומרים פשוטים וזולים וניסיון ייצור של עשרות שנים. בניתוחים עדכניים, למערכות אלקליות יש את ה-CapEx הנמוך ביותר לכל קילוואט מבין שלוש הטכנולוגיות. לדוגמה, הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה (IEA) דיווחה על עלות התקנה טיפוסית של כ-2,000 דולר לקילוואט עבור אלקטרולייזרים אלקליים לעומת כ-2,450 דולר לקילוואט עבור מערכות PEM iea.org. (בשוק כמו סין, עם ייצור המוני של יחידות אלקליות, המחירים יכולים להיות נמוכים עד 750–1,300 דולר/קילוואט עבור מערכי אלקליין iea.org.) פער העלויות נובע מהממברנה והקטליזטור היקרים של PEM: האלקטרודות של PEM משתמשות במתכות מקבוצת הפלטינה כמו אירידיום ופלטינה, והממברנה עצמה היא פולימר פרפלואוריד יקר. חומרים מיוחדים אלה גורמים לכך שמערכות PEM יקרות בכ-20% יותר ממערכות אלקליות בפרויקטים עכשוויים iea.org. עם זאת, עלויות PEM יורדות במהירות – בייצור (ללא התקנה), מערכות PEM עדכניות מוערכות בכ-700–1,100 דולר/קילוואט בנפחי ייצור נמוכים energy.gov, לא הרבה מעל טווח האלקליין של 500–750 דולר/קילוואט energy.gov. ככל שטכנולוגיית PEM תתרחב, מומחים צופים שהפער יצטמצם. למעשה, יצרן PEM סיני אחד העריך שעד 2030 אלקטרולייזרי PEM יעלו רק בערך פי שניים מאלקליין (ירידה מכמה פעמים יותר יקר היסטורית) h-raypem.com.

אלקטרולייזרים של תחמוצת מוצקה

עדיין לא מיוצרים בהיקף רחב, ולכן עלות ההשקעה הראשונית (CapEx) שלהם כיום גבוהה. יחידות SOEC בקנה מידה פיילוט מוצעות כיום בטווח של 2,000–3,000 דולר לקילוואט energy.gov. עם זאת, צפויות ירידות עלות משמעותיות ככל שהטכנולוגיה תבשיל. חברות כמו Bloom Energy ו-Topsoe שואפות לייצר המוני SOEC בקווי ייצור אוטומטיים עד סוף שנות ה-2020, מה שעשוי להוריד את העלויות למאות דולרים בודדים לקילוואט בטווח הארוך energy.gov iea.org. לסיכום, אלקליין הוא הזול ביותר בהשקעה ראשונית, PEM יקר בכ-20–30% כרגע, ו-SOEC הוא כיום היקר ביותר (מחירי פיילוט), אך יש לו פוטנציאל לשיפור משמעותי.

עלות תפעול: עיקר עלות התפעול של כל אלקטרולייזר היא החשמל. לכן היעילות קריטית – הבדל של 5% ביעילות יכול לשנות משמעותית את עלות הדולר לק"ג מימן כאשר החשמל יקר. בהיבט זה, יתרון היעילות של SOEC עשוי להוביל לעלות חשמל נמוכה יותר לק"ג H₂ אם יש חום זול (לקיטור). עבור PEM לעומת אלקליין, מכיוון שהיעילות שלהן דומה, עלות החשמל לק"ג היא בערך זהה. במקום זאת, ההבדלים בעלות התפעול נובעים מתחזוקה והחלפת ערימות (ראו סעיף הבא) ואופן ההפעלה של האלקטרולייזר (עומס קבוע לעומת משתנה). ניואנס אחד: אלקטרולייזרי PEM לרוב יכולים לפעול בצפיפות זרם גבוהה יותר (יותר מימן לשטח תא) אך במחיר של ירידת יעילות מסוימת והתדרדרות מהירה יותר energy.gov. המפעילים יכולים לבחור להפעיל ערימות PEM חזק יותר (לקבל יותר מימן מיחידה קטנה יותר) או להעדיף יעילות – זהו שיקול תכנוני/תפעולי. מערכות אלקליין, לעומת זאת, לרוב משתמשות בשטחי תא גדולים יותר ולא דוחפות זרם גבוה לכל ס"מ², מה שתורם לגודל הפיזי הגדול יותר אך גם ליציבות ארוכת טווח.

עלויות תחזוקה (חלקי חילוף, עבודה) גם הן חלק מעלות התפעול. מערכות אלקליין עשויות לדרוש טיפול תקופתי באלקטרוליט הנוזלי (למשל סינון או החלפת KOH לאורך זמן) ותחזוקת משאבות ואטמים, בעוד שמערכות PEM נמנעות מטיפול בנוזלים אך עשויות להזדקק למחסניות דה-יוניזציה לשמירה על מים אולטרה-טהורים ולניטור קפדני של בריאות הממברנה. נרחיב על אורך חיים בהמשך, אך אם ערימת PEM דורשת החלפה בתדירות גבוהה יותר מאשר ערימת אלקליין, זה מעלה את עלות התפעול האפקטיבית. מצד שני, מערכות אלקליין לרוב דורשות טיהור גז במורד הזרם (להסרת ערפל KOH או להבטחת טוהר חמצן), מה שמוסיף עלות תחזוקה ויעילות קטנה, בעוד שמימן PEM הוא אולטרה-טהור כברירת מחדל stargatehydrogen.com.

אורך חיים ודרישות תחזוקה

אחת ההשוואות החשובות אך המורכבות ביותר היא העמידות של מערומי האלקטרולייזר ואילו עבודות תחזוקה הם דורשים לאורך חייהם.

אורך חיים של אלקליין: אלקטרולייזרים אלקליים מסורתיים ידועים באורך החיים שלהם – עשרות שנות ניסיון תפעולי בתעשייה מראות שהם יכולים לפעול במשך עשרות אלפי שעות. יצרנים לעיתים מציינים אורך חיים של מערומים בסדר גודל של 60,000–90,000 שעות (שזה 7–10 שנות פעולה רציפה) לפני שיפוץ משמעותי greenh2world.com. למעשה, חברת Sunfire דיווחה שיחידות האלקליין המודרניות בלחץ שלה עברו 90,000 שעות פעולה בשטח greenh2world.com. חלק מהעמידות הזו נובעת מתנאי פעולה מתונים יחסית (אין שינויים קיצוניים ב-pH באלקטרודות כי KOH קבוע, וטמפרטורות מתונות) ושימוש בחומרים עמידים כמו נירוסטה וניקל. תחזוקת אלקטרולייזרים אלקליים נחשבת בדרך כלל לפשוטה: הטכנולוגיה “קלה יותר לניטור, תחזוקה ותפעול,” כפי שמציין ניתוח תעשייתי אחד johncockerill.com. בדיקות תקופתיות של ריכוז האלקטרוליט והחלפת חומרים מתכלים (אטמים, מפרידים, או אלקטרוליט אם הוא מתקרב) הן טיפוסיות. מערכות אלקליין רבות ניתנות לתחזוקה באתר עם כלים רגילים, והן אינן מכילות ממברנות שבירות הדורשות טיפול מיוחד stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. עם זאת, אלקטרודות אלקליין עלולות לסבול מקורוזיה לאורך זמן, והביצועים שלהן עלולים לרדת בהדרגה ככל שהאלקטרודות מתיישנות או מצטברים זיהומים. כאשר מערום מגיע לסוף חייו, החלפה או שיפוץ שלו (למשל, החלפת לוחות אלקטרודה) היא פעולת התחזוקה העיקרית.

משך חיים של PEM: אלקטרולייזרים בטכנולוגיית PEM, בהיותם טכנולוגיה חדשה יותר, היו להם היסטורית משכי חיים קצרים יותר – מערכות PEM מוקדמות החזיקו מעמד רק 20,000–40,000 שעות לפני התדרדרות משמעותית. אך התקדמות אחרונה שיפרה מאוד את העמידות. מערכות PEM מתקדמות כיום מכוונות ל-60,000–80,000 שעות פעולה energy.gov (7–9 שנים) בתנאים מיטביים. עדיין, PEM נחשבים לבעלי אורך חיים מעט קצר יותר מאלקליין בגודל דומה stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. הגורמים המגבילים כוללים התדרדרות כימית של הממברנה, שחיקת שכבת הקטליזטור (במיוחד אם העומס משתנה לעיתים קרובות), ומתח מכני על הממברנה הפולימרית הדקה. מערכות PEM גם תלויות במים טהורים מאוד; כל מזהם עלול לזהם את הממברנה או את הקטליזטור, ולכן יש לתחזק מערכות טיהור מים. מבחינת תחזוקה, למערכות PEM יש פחות חלקים נעים (אין משאבות סחרור אלקטרוליט נוזלי ברוב העיצובים, כי הזנת המים פשוטה יותר), אך הן דורשות תשומת לב מקצועית ומיוחדת. החלפת מכלול ממברנה-אלקטרודה (MEA) של PEM היא משימה עדינה שמתבצעת בדרך כלל במרכז שיפוץ או על ידי היצרן המקורי, לא בסדנה רגילה במפעל. הצורך בקטליזטורים ממתכות יקרות אומר שמיחזור והשבת הקטליזטורים בסוף חיי המוצר הוא חשוב (פקטור עלות אך גם הזדמנות למיחזור). בסך הכול, תחזוקת PEM נוטה להיות מורכבת ויקרה יותר מאלקליין, כפי שמציינים מקורות בתעשייה stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com – זה כולל גם את העלות הגבוהה יותר של חלקי החילוף (ממברנות, קטליזטורים) וגם את העבודה המיומנת הנדרשת לטפל בהם. יצרנים מתמודדים עם זה על ידי שיפור אורך חיי הממברנה ופיתוח עיצובים מודולריים וזולים יותר של מערכות שניתן להחליף בקלות.

משך חיים של SOEC: אלקטרולייזרים של תחמוצת מוצקה (SOEC) עדיין נמצאים בשלבים מוקדמים של מסחור, ו-עמידות היא אחד האתגרים הגדולים ביותר שלהם. פעולה בטמפרטורה של 800 °C גורמת למאמצים תרמיים ולהתדרדרות חומרים, מה שעלול לקצר את חיי הערימה. יחידות הדגמה נוכחיות של SOEC דיווחו על משך חיים בסדר גודל של 20,000 שעות (רק כמה שנים) לפני ירידה משמעותית בביצועים energy.gov. היעד הוא להגיע ל-40,000–60,000 שעות עם מחקר ופיתוח נוספים energy.gov. מצבי כשל של SOEC כוללים סדקים ממחזורי חימום-קירור, סינטור או הרעלה של האלקטרודות, וכשלים באטמים. בשל אתגרים אלו, ייתכן שיהיה צורך להחליף ערימות SOEC בתדירות גבוהה יותר עד להבשלת הטכנולוגיה. לגבי תחזוקה: מערכות SOEC מורכבות – הן דורשות בידוד לטמפרטורה גבוהה, מחליפי חום, ולפעמים ציוד ליצירת קיטור. המשמעות היא שיש יותר רכיבים תומכים שדורשים תחזוקה (מבערים או גופי חימום חשמליים להפעלה, מפוחי גז חם וכו'). כל קירור וחימום לא מתוכננים של הערימה עלולים להלחיץ את התאים, ולכן מפעילים מנסים לשמור את ערימות ה-SOEC בטמפרטורה, ולהפעיל אותן בעומס נמוך במידת הצורך, במקום לכבות לעיתים קרובות. החומרים בטמפרטורה גבוהה (תאים קרמיים, מקשרים מסגסוגות מיוחדות) אינם ניתנים לטיפול בקלות כמו מתכות; אם ערימה נכשלת, לרוב יש להחליף אותה כיחידה שלמה. יצרנים כמו Bloom ו-Sunfire מנצלים את ניסיונם מתאי דלק תחמוצת מוצקה (SOFC) כדי להאריך את חיי ה-SOEC – לדוגמה, יחידות ה-SOEC של Bloom משתמשות באותה פלטפורמת תאים כמו ה-SOFC שלהם, שצברו מיליארדי שעות תא בשטח hydrogentechworld.com. התוצאות הראשוניות מעודדות: הפיילוט של Bloom בהספק 4 מגה-ואט פעל במשך 4,500 שעות בעומס מלא עם ביצועים יציבים hydrogentechworld.com. ככל שהטכנולוגיה תשתפר, אנו מצפים שתקופות התחזוקה של SOEC יתארכו ויתקרבו לאלו של אלקטרולייזרים אחרים, אך לעת עתה, כנראה ש-SOEC דורשים החלפת ערימות בתדירות גבוהה יותר וניהול תרמי קפדני.

התאמה לאנרגיה מתחדשת בלתי רציפה

שילוב אלקטרולייזרים עם אנרגיה מתחדשת בלתי רציפה (שמש, רוח) הוא מקרה שימוש מרכזי לייצור מימן “ירוק” אמיתי. סוגי אלקטרולייזרים שונים מתמודדים עם תנודות באספקת החשמל בצורה שונה:

• אלקטרולייזרים מסוג PEM גמישים מאוד ומצטיינים בהתמודדות עם הספק משתנה. יש להם זמני התנעה ותגובה מהירים, ויכולים לעבור ממצב המתנה להספק מלא תוך שניות או דקות stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. תכונה זו הופכת את PEM לבחירה מצוינת לחיבור ישיר לאנרגיה סולארית/רוח, שיכולה להשתנות במהירות. הם גם מסוגלים לפעול ביעילות בטווח רחב של עומסים – אפילו ב-10% או 20% מהקיבולת, אלקטרולייזר PEM עדיין יכול לייצר מימן ללא אובדן יעילות משמעותי או סיכון לנזק. טווח דינמי רחב זה הוא יתרון גדול לשילוב עם אנרגיה מתחדשת. בפועל, יחידות PEM שימשו לספיגה דינמית של עודפי חשמל מהרשת או למעקב אחר עקומת ייצור של פאנלים סולאריים ברזולוציה של דקות.
• אלקטרולייזרים אלקליים היו היסטורית בעלי קצב שינוי איטי יותר ומתאימים במיוחד לפעולה יציבה, אך עיצובים מודרניים השתפרו משמעותית. מערכות אלקליות מסורתיות דרשו זמן להתחמם ולהתייצב; בנוסף, שינויים פתאומיים בהספק עלולים לגרום לבעיות כמו בועות גז באלקטרוליט או תנודות בלחץ. "אלקליין בלחץ" החדשים כוללים תכונות שנועדו להתמודד עם אתגרים אלו: הם פועלים בלחץ גבוה יותר ויש להם הפרדה פנימית טובה יותר של גזים, מה שמאפשר להם לעלות בהספק מהר יותר ולבצע מחזורי עבודה תכופים יותר johncockerill.com johncockerill.com. יצרנים מדווחים כי יחידות אלקליין מתקדמות מסוגלות כיום "לעקוב אחרי פרופילי עומס של אנרגיה מתחדשת משתנה" טוב בהרבה מבעבר johncockerill.com. עם זאת, הטכנולוגיה האלקלית עדיין בדרך כלל איטית יותר בהתנעה ובהתאמת ההספק לעומת PEM stargatehydrogen.com. אם חוות רוח עולה בפתאומיות מ-50% ל-100% תפוקה, אלקטרולייזר PEM עשוי לקלוט מיד את ההספק הנוסף, בעוד שמערכת אלקלית תדרוש עלייה מבוקרת. ליישומים עם מחזורי הדלקה וכיבוי תכופים מאוד, או כאשר האלקטרולייזר עשוי לעמוד במצב סרק ולהידלק מדי יום, לרוב מעדיפים PEM. אלקליין בהחלט יכול לעבוד עם אנרגיה מתחדשת – למעשה, פרויקטים סולאריים גדולים רבים לייצור H₂ בשנים 2023–2024 מבוססים על אלקליין – אך ייתכן שיפעילו את האלקטרולייזרים יותר במצב יציב (ויספגו תנודות קצרות באמצעות סוללה קטנה או על ידי הגבלת חלק מההספק הסולארי במקום להעמיס על האלקטרולייזר).
• אלקטרולייזרי SOEC פחות מתאימים לאי-סדירות במצבם הנוכחי. מכיוון ש-SOEC חייב להישאר חם (מאות מעלות צלזיוס), לא ניתן לכבות אותו לחלוטין כאשר השמש שוקעת או הרוח נחלשת – מחזורי חימום וקירור תכופים יקצרו מאוד את חייו. לכן, SOECs מיועדים לשימוש עם מקורות כוח קבועים (למשל גרעיני, גיאותרמי) או במרכזים תעשייתיים שבהם ניתן לנצל זרמי חום פסולת יציבים. אם מחברים אותם לאנרגיה מתחדשת, ייתכן ש-SOEC ידרוש סוג כלשהו של אגירת אנרגיה או חימום משלים כדי לשמור על הטמפרטורה כאשר הקלט החשמלי יורד. עם זאת, ראוי לציין כי הפעלה דינמית אינה בלתי אפשרית. חברת Bloom Energy הדגימה כי ה-SOEC שלה יכולה לעבור מ-100% הספק ל-5% בפחות מ-10 דקות ללא השפעות שליליות, ואפילו בעומס נמוך היעילות נותרה גבוהה hydrogentechworld.com. הדבר מרמז שאם מפעל SOEC נשמר חם (אולי על ידי אגירת חום או שימוש במערכת חימום היברידית), ניתן לווסת במידה מסוימת את תפוקת המימן. אך באופן מעשי, SOEC מתאים ביותר לפעולה יציבה ורציפה בניצול גבוה, בעוד PEM (ואלקליין משופר) מתמודדים טוב יותר עם חיבור ישיר למקורות מאוד לא סדירים.

לסיכום, PEM הוא לעיתים קרובות הבחירה המובילה לפרויקטים של אנרגיה מתחדשת לא סדירה בזכות תגובה מהירה ויעילות בעומס חלקי stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. טכנולוגיית אלקליין מצמצמת פערים עם עיצובים דינמיים ומדוחסים שהופכים אותה לרלוונטית למערכות רבות המונעות באנרגיה מתחדשת (במיוחד מתקנים גדולים שבהם עיכובים קלים או מעט אגירה הם ברי ניהול) johncockerill.com johncockerill.com. לעומת זאת, SOEC מיועד כיום למקרים של פעולה רציפה, אם כי חידושים עתידיים (או שימוש בקונפיגורציות היברידיות) עשויים לאפשר להם לפעול עם הספק משתנה במצבים ייחודיים.

זמינות מסחרית ומקרי שימוש

שני הסוגים, אלקליין ו-PEM, של אלקטרולייזרים הם מסחריים לחלוטין (TRL 9), ונפוצים בשימוש ברחבי העולם iea.org. אלקליין הוא סוס העבודה של תעשיית המימן – הוא נמצא בשימוש כבר למעלה מחצי מאה ביישומים כמו ייצור אמוניה, זיקוק נפט (לתהליכי הידרוגנציה), ייצור זכוכית שטוחה וכימיקלים. התקנות ישנות רבות היו קטנות (כמה מגה-ואט), אך יחידות אלקליין הוגדלו: מספר פרויקטים של אלקליין בהספק של מעל 100 מגה-ואט נמצאים בביצוע או כבר פועלים. למעשה, טכנולוגיית אלקליין מהווה כיום כ-70–90% מהתקנות הקיבולת החדשה של אלקטרולייזרים מדי שנה johncockerill.com, בזכות עלותה הנמוכה והרקורד הארוך שלה. אלקטרולייזרי PEM, על אף שהם חדשים יותר, צברו במהירות תאוצה ביישומים הדורשים גמישות או מימן בטוהר גבוה. הם נפוצים בתחנות תדלוק מימן (שם נדרשת תגובה מהירה ושטח רצפה קטן), בהדגמות power-to-gas, וכחלק מפרויקטים לאגירת אנרגיה מתחדשת. אלקטרולייזר ה-PEM הגדול ביותר שפועל עד כה הוא בקיבולת של כ-20 MW johncockerill.com (במפעל Air Liquide בבקאנקור, קנדה, וביחידות בקנה מידה דומה בגרמניה ובסין) – בעוד שאלקליין כבר עבר קנה מידה זה (למשל, מפעל אלקליין בודד בסין הוא 260 MW, כמפורט בהמשך). עם זאת, גם PEM מתקדם לפרויקטים גדולים יותר, עם מפעלי PEM בקנה מידה של 100 MW בתכנון או בבנייה (כמו פרויקט Refhyne II של Shell בגרמניה, המתוכנן לסביבות 2027).

טכנולוגיית תחמוצת מוצקה (SOEC) נמצאת על סף מסחור. היא נמצאת כיום בשלב הדגמה (TRL 7–8), עם מספר פיילוטים של מספר מגה-ואט שמוכיחים את הרעיון iea.org iea.org. לדוגמה, בשנת 2023 הותקן אלקטרולייזר SOEC בהספק 2.6 מגה-ואט בבית זיקוק של Neste בהולנד – באותה תקופה, מערכת ה-SOEC הגדולה ביותר בעולם iea.org. שבועות ספורים לאחר מכן, חברת Bloom Energy הפעילה מערכת SOEC גדולה אף יותר בהספק 4 מגה-ואט במרכז המחקר Ames של נאס"א בקליפורניה iea.org. פרויקטים אלה הראו כי ניתן לשלב SOEC בסביבות תעשייתיות (Neste תשתמש במימן בתהליכי זיקוק) ושהטכנולוגיה יכולה להתרחב להספקים של מספר מגה-ואט. מקרי שימוש ל-SOEC מנצלים את היעילות הגבוהה שלה כאשר חום או קיטור זולים זמינים. תעשיות כמו זיקוק, פטרוכימיה או מפעלי פלדה – שבהן יש פסולת חום באיכות גבוהה – הן מועמדות מובילות לארח אלקטרולייזרי SOEC. מקרה שימוש מתפתח נוסף הוא קו-אלקטרוליזה, שבה SOEC יכולה לבצע אלקטרוליזה משולבת של קיטור ו-CO₂ יחד ליצירת סינגז (תערובת של H₂ ו-CO) לייצור דלקים סינתטיים. חברות כמו Sunfire הדגימו תהליך זה לייצור דלקים אלקטרוניים. למרות שעדיין לא נפוץ, קו-אלקטרוליזה עשויה לשנות את כללי המשחק עבור דלקי תעופה ברי-קיימא ופלסטיק, ו-SOEC מתאימה לכך במיוחד (מכיוון שהיא פועלת בטמפרטורה גבוהה מספיק כדי להתמודד עם הפחתת CO₂).

מקרי שימוש והתקנות בולטים:

• מפעלי מימן ירוק בקנה מידה גדול: אלקטרולייזרים אלקליים נפרסים ב"חוות מימן" המחוברות לאנרגיה מתחדשת. סין מובילה עם פרויקטים עצומים – לדוגמה, מתקן המימן הירוק של Sinopec בשינג'יאנג עושה שימוש ב-260 מגה-ואט של אלקטרולייזרים אלקליים המופעלים על ידי חוות סולארית. המתקן, שהחל לפעול ב-2023, ייצר 20,000 טון מימן בשנה ויספק אותו לבית זיקוק סמוך, ובכך יחליף מימן מגז טבעי reuters.com reuters.com. זהו כיום מפעל האלקטרולייזרים הבודד הגדול בעולם. באופן דומה, פרויקט NEOM בערב הסעודית (בבנייה) יעשה שימוש במאות מגה-ואט של אלקטרולייזרים אלקליים לייצור אמוניה ירוקה לייצוא. פרויקטים אלה מעדיפים אלקליין בשל יתרון הגודל הכלכלי שלו.
איזון רשת ו-Power-to-Gas:
• אלקטרולייזרים מסוג PEM שימשו בפרויקטים שבהם ספיגת עודפי חשמל מתחדש היא מפתח. בגרמניה, מספר אתרי power-to-gas משתמשים במערכי PEM להמרת עודפי חשמל מרוח למימן, שמוזרק לרשת הגז הטבעי או עובר מתנציה. היכולת להאיץ ולהאט במהירות את האלקטרולייזרים של PEM הופכת אותם לאידיאליים גם לשירותי ויסות תדר רשת. מערכות PEM של 10–20 מגה-ואט באירופה (כמו מתקן REFHYNE של 10 מגה-ואט בבית הזיקוק של של בריינלנד) משמשות גם כספק מימן וגם כעומס גמיש שיכול לסייע באיזון הרשת המקומית.
• תחבורה ותדלוק: תחנות תדלוק מימן רבות (לרכבים עם תא דלק) מפעילות אלקטרולייזרים מסוג PEM באתר. חברות כמו Nel Hydrogen מתקינות מודולים קומפקטיים של אלקטרולייזר PEM בתחנות, שכן הם מייצרים H₂ בלחץ גבוה ובטוהר גבוה במיוחד, שיכול להיכנס ישירות למכלי הרכב stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. היתרון של PEM בגודל ובטוהר חשובים ביישום זה. מערכות אלקליין, לעומת זאת, בדרך כלל מפיקות מימן בלחץ נמוך יותר (מה שמצריך מדחס חיצוני לשימוש תדלוק) ולעיתים עם עקבות של לחות/אלקליין שמחייבות טיהור נוסף, ולכן PEM שולט בתחום תדלוק התחבורה.
• מימן תעשייתי באתר: תעשיות רבות שמובילות כיום מימן במכלים או במצב נוזלי עוברות לאלקטרולייזרים באתר מסיבות של אמינות ועלות. כאן משתמשים גם ב-PEM וגם באלקליין, תלוי בקנה המידה: מפעל מוליכים למחצה או מפעל זכוכית שזקוק לאספקת H₂ קבועה של 99.999% עשוי לבחור באלקליין לייצור בכמויות גדולות בתוספת מטהר, או ב-PEM אם רוצים יחידה קטנה ומוכנה לשימוש. מפעלי עיבוד מזון המשתמשים בשמנים מוקשים, מפעלי זכוכית float, יצרני אלקטרוניקה (שזקוקים ל-H₂ בטוהר גבוה במיוחד לתהליכים) – כולם מטמיעים אלקטרולייזרים. האמינות ארוכת הטווח של אלקליין אטרקטיבית בסביבות תעשייתיות קשות johncockerill.com, בעוד ש-PEM עם טוהר גבוה ומודולים קומפקטיים מתאים היטב למקומות שבהם המקום מוגבל או שטוהר גבוה הוא חובה.
• שילוב עם מקורות חום: כיישום עתידי, SOECs נשקלים לשימוש בתחנות כוח גרעיניות ובתחנות שמש מרוכזות. כור גז בטמפרטורה גבוהה או מגדל שמש עם מלח מותך יכולים לספק קיטור ב-700+ מעלות צלזיוס ישירות ל-SOEC, ולייצר מימן ביעילות גבוהה מאוד. תוכניות פיילוט באירופה (כמו שילוב SOEC עם כורים מחקריים) וביפן בוחנות זאת. אם יצליח, זה עשוי לפתוח נישה שבה כורים גרעיניים מייצרים מימן בשעות ביקוש חשמל נמוך על ידי הזנת קיטור וחשמל למערכת SOEC.

לסיכום, טכנולוגיות אלקליין ו-PEM כבר מהוות את עמוד השדרה של תעשיית המימן הירוק המתפתחת, כאשר כל אחת מהן מוצאת נישות משלה: אלקליין בפרויקטים גדולים המונעים על ידי עלות ו-PEM ביישומים הדורשים גמישות או טוהר. SOEC נמצאת בתהליך התהוות לשימושים תעשייתיים ייחודיים ואינטגרציות ביעילות גבוהה, וצפויה להצטרף לשוק המסחרי בתוך כמה שנים כאשר פרויקטי פיילוט יעברו לפעילות בקנה מידה מלא iea.org iea.org.

מנהיגי שוק ודגמים מובילים כיום

העלייה בביקוש לאלקטרולייזרים הביאה חברות רבות ברחבי העולם להרחיב את הייצור. הנה כמה מה-ספקים המובילים והדגמים הבולטים בכל קטגוריה:

• יצרני אלקליין: שחקנים תעשייתיים ותיקים וכניסות חדשות מתחרים בתחום האלקטרולייזרים האלקליים. Thyssenkrupp Nucera (גרמניה, מיזם משותף של Thyssenkrupp ו-De Nora) היא ספקית מובילה לפרויקטים גדולים – היא מספקת 2 ג'יגה-ואט של אלקטרולייזרים אלקליים לפרויקט NEOM. Nel ASA (נורווגיה) היא שחקנית מרכזית נוספת, עם היסטוריה במערכות אלקליין אטמוספריות; יחידות האלקליין מסדרת A המכוללות שלהן נמצאות בשימוש בפרויקטים רבים greenh2world.com. John Cockerill (בלגיה) מייצרת אלקטרולייזרים אלקליים בלחץ במודולים של 5 מגה-ואט וסיפקה יחידות לפרויקטים באירופה ואסיה greenh2world.com. בארה"ב, Cummins (באמצעות רכישת Hydrogenics) מציעה את קו HySTAT® של אלקטרולייזרים אלקליים מודולריים, הידועים באמינותם ובקלות ההרחבה על ידי קישור מספר יחידות greenh2world.com greenh2world.com. חברות סיניות צמחו במהירות והפכו לדומיננטיות בנפח הייצור: PERIC (בבעלות ממשלתית) וחברות פרטיות כמו Sungrow, LONGi Hydrogen, ו-Tianci מספקות מערכות אלקליין גדולות לפרויקטים מקומיים (לסין כיום כ-60% מקיבולת הייצור העולמית) iea.org iea.org. נכון ל-2023, הטכנולוגיה האלקלית מובילה בנתח השוק – היא היוותה כ-70–90% מהמשלוחים השנתיים לפי קיבולת, לפי BloombergNEF johncockerill.com.
• יצרני PEM: Siemens Energy (גרמניה) מציעה קו מוצרים בולט בתחום ה-PEM – סדרת Silyzer (Silyzer 200, 300 וכו') – כולל מערכות בשימוש בתי הזיקוק של Shell. סדרת ITM Power (בריטניה) HGAS היא מערכת PEM ידועה נוספת, המספקת אלקטרולייזרים מסוג PEM במכולות עם מטהרים ומערכות בקרה משולבות greenh2world.com. חברת Plug Power (ארה"ב) נכנסה לשוק ה-PEM באגרסיביות, בונה ייצור בקנה מידה של ג'יגוואט בארה"ב ומספקת מערכות אלקטרולייזר PEM (רכשה את Giner ELX ואחרים). גם Cummins מייצרת אלקטרולייזרי PEM (מערכות HyLYZER, בשימוש למשל בהתקנה של 20 מגה-ואט בקנדה). Nel מציעה גם אלקטרולייזרי PEM קטנים-עד-בינוניים (מקורם ברכישת Proton OnSite בארה"ב) לשימושים תעשייתיים ותדלוק greenh2world.com. ביפן, Kobelco ו-Toshiba פיתחו יחידות PEM, במיוחד לפרויקטים של power-to-gas. ראוי לציין שחברות חדשות בסין מתמקדות בטכנולוגיית PEM – למשל Shanghai H-RAY, שמחדשת כדי להוזיל את עלויות ה-PEM וזכתה להכרה ב-2024 על התקדמותה בצמצום השימוש במתכות יקרות h-raypem.com. למרות שמספר ההתקנות של PEM קטן משל אלקליין, יצרנים מערביים ומתפתחים רבים מגבירים את ייצור ה-PEM, מתוך ציפייה לביקוש גבוה לאלקטרולייזרים גמישים ככל שיכולת האנרגיה המתחדשת תגדל.
• מפתחי SOEC: תחום ה-SOEC מובל על ידי מספר חברות מתמחות. Bloom Energy (ארה"ב) היא מובילה – ידועה בתאי הדלק מבוססי תחמוצת מוצקה שלה, בלום ניצלה את הטכנולוגיה הזו כדי ליצור מערכת SOEC בהספק 4 מגה-ואט ובונה קו ייצור לאלקטרוליזה מבוססת תחמוצת מוצקה iea.org iea.org. Sunfire (גרמניה) היא חלוצה נוספת, שסיפקה מערכת SOEC של 2.6 מגה-ואט ל-Neste ועובדת על טכנולוגיית קו-אלקטרוליזה; סאנפייר גם ייחודית בכך שהיא מציעה גם מוצרי SOEC וגם מוצרים אלקליים (לאחר שרכשה יצרן אלקלי, היא מוכרת מודולי "HyLink" אלקליים וכן מערכות SOEC) greenh2world.com greenh2world.com. Topsoe (דנמרק), שם גדול בתחום הקטליזה, פיתחה עיצוב SOEC ובונה מפעל שיכול לייצר 500 מגה-ואט SOEC בשנה, הצפוי לפעול ב-2025 iea.org iea.org. בבריטניה, Ceres Power עובדת על אלקטרולייזר תחמוצת מוצקה (בשיתוף פעולה עם Shell למפעל פיילוט) תוך ניצול טכנולוגיית התאים הקרמיים הנתמכים בפלדה שלה. שמות בולטים נוספים כוללים את FuelCell Energy (ארה"ב), שחקרה מערכות SOFC/SOEC הפיכות, ואת Elcogen (אסטוניה), שמספקת רכיבי תאי תחמוצת מוצקה. נכון לאמצע 2025, ספקי SOEC מתחילים לקבל הזמנות מסחריות ראשונות – לדוגמה, טופסו מתכננת לפרוס את יחידות ה-SOEC הגדולות הראשונות שלה בפרויקטים עד 2025–2026, וסאנפייר הודיעה על פרויקט SOEC של 10 מגה-ואט בתעשיית הפלדה של פינלנד.

כדאי גם להזכיר את אלקטרולייזרים עם ממברנת חילוף אניונים (AEM) כטכנולוגיה מתפתחת. AEM מנסה לשלב יתרונות של PEM ואלקלי (שימוש בממברנה אלקלית, ללא אלקטרוליט נוזלי, וקטליזטורים לא יקרים). חברות כמו Enapter ו-Fusion Fuel הן שחקניות קטנות אך מתפתחות בתחום זה iea.org. עם זאת, AEM עדיין בשלבים מוקדמים (התקנות בקנה מידה קטן), ולכן עיקר השוק בחמש השנים הקרובות יהיה שייך לאלקלי, PEM, ואולי ליחידות SOEC מסחריות ראשונות.

חדשנות ופיתוחים עתידיים (2024–2025)

תחום האלקטרולייזרים מתפתח במהירות. חידושים אחרונים ומוצרים עתידיים כוללים:

• עיצובים בעלי יעילות גבוהה יותר: חברת הסטארט-אפ Hysata (אוסטרליה) פיתחה תא אלקטרולייזר בהזנה קפילרית שהשיג יעילות מרשימה של 80% (LHV) בניסויים במעבדה iea.org. במקום לוחות קונבנציונליים, הוא משתמש במבנה קפילרי דמוי ספוג כדי להפחית הפסדי התנגדות. טכנולוגיה זו, שנמצאת כעת בתהליך הגדלה, עשויה לעלות משמעותית על יעילות התאים הסטנדרטיים מסוג PEM/אלקליין אם תוכח בקנה מידה גדול. באותו אופן, SOEC של Sunfire כבר הגיעה ל-84% יעילות LHV בקנה מידה פיילוט iea.org, ושיפורים נוספים בחומרים בטמפרטורה גבוהה עשויים לקרב את היעילות החשמלית לגבולות התיאורטיים.
• הפחתת עלויות בקטליזטורים: בשל התלות של PEM במתכות יקרות, מתבצעים מאמצים רבים להפחית או לבטל את השימוש במתכות מקבוצת הפלטינה (PGMs). בשנת 2023, חברה בשם Bspkl (בריטניה) פיתחה ממברנה מצופה קטליזטור חדשה המשתמשת ב-פי 25 פחות אירידיום ופלטינה מאשר עיצובים קונבנציונליים של PEM iea.org. חדשנית נוספת, Clean Power Hydrogen (CPH2), פיתחה עיצוב אלקטרולייזר ללא ממברנה – למעשה מערכת אלקליין שמפיקה גז מעורב ואז מפרידה את המימן, ובכך אינה משתמשת בממברנה יקרה או בקטליזטורים מ-PGM iea.org. טושיבה אנרג'י ושותפתה Bekaert הודיעו על טכניקה להפחתת השימוש באירידיום ב-90% באמצעות ציפויים ננומטריים על אלקטרודות PEM iea.org. פיתוחים אלו קריטיים משום שאירידיום, המשמש באנודות PEM, נדיר ביותר – IRENA הזהירה כי ייצור עולמי של אירידיום עלול להגביל את ייצור ה-PEM לכ-10 ג'יגה-ואט בשנה אם לא יפחיתו את השימוש בו johncockerill.com johncockerill.com. על ידי הפחתת כמות הקטליזטור באמצעות ניצול טוב יותר (או שימוש בקטליזטורים חלופיים כמו סגסוגות וחמצנים חדשניים), עלויות ה-PEM עשויות לרדת ומגבלות שרשרת האספקה יוקלו. אפילו טכנולוגיית האלקליין מרוויחה ממו"פ בקטליזטורים: ציפויים עמידים חדשים לאלקטרודות אלקליין (למשל ציפויי ניקל-ברזל או חמצני מתכת מעורבים) יכולים לשפר את היעילות בזרמים גבוהים ולהאריך את חיי המערכת, ולאפשר לאלקטרולייזרים אלקליין לפעול חזק יותר ללא התדרדרות.
• הגדלת ייצור: מספר מפעלים גדולים נכנסים לפעולה כדי לעמוד בביקוש. Nel פתחה קו ייצור אוטומטי מלא לאלקטרודות אלקליין ב-2024, עם יעד לתפוקה של מספר ג'יגה-ואט בשנה. המפעל של Topsoe בדנמרק (קיבולת התחלתית של 500 מגה-ואט/שנה ל-SOEC) צפוי להיפתח ב-2025 iea.org. Cummins/HyLYZER בונה מפעל חדש לאלקטרולייזרים מסוג PEM בספרד (עם קיבולת של 500 מגה-ואט/שנה) ומתרחבת בקנדה. Plug Power הגדילה את פעילותה עם גיגמפעל בניו יורק לייצור מערומי PEM. מתקנים אלה צפויים להוביל לחיסכון לגודל ולהפחתת עלויות באמצעות אוטומציה ונפח – סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA) מציינת שתפוקה גבוהה יותר צפויה להוריד את עלויות ההשקעה לכל טכנולוגיות האלקטרולייזרים iea.org. עד 2030, התוכניות שהוכרזו ברחבי העולם מסתכמות ביותר מ-160 ג'יגה-ואט/שנה קיבולת ייצור, לעומת כ-25 ג'יגה-ואט/שנה ב-2023 iea.org iea.org.
• שחקנים חדשים ושיתופי פעולה: התעשייה רואה שיתופי פעולה בין טכנולוגיות שונות. לדוגמה, Thyssenkrupp Nucera (בעיקר מתמקדת באלקליין) הודיעה ב-2024 על שותפות עם Fraunhofer לפיתוח אלקטרולייזרים של תחמוצת מוצקה, עם יעד לפיילוט עד 2025 hydrogeninsight.com thyssenkrupp-nucera.com. הדבר מעיד שיצרניות אלקליין/PEM ותיקות מגדרות את עצמן בהשקעה במחקר SOEC מהדור הבא. במקביל, חברות שבעבר פעלו בתחום תאי דלק או תחומים אחרים נכנסות לאלקטרולייזרים: למשל Versogen (ארה"ב) ו-Ohmium (ארה"ב/הודו) הן סטארט-אפים המתמקדים ב-AEM ו-PEM בהתאמה, עם מימון חדש. יצרניות רכב גדולות וחברות נפט וגז גם הן משתפות פעולה או משקיעות באלקטרולייזרים כדי להבטיח אספקה – ב-2024, GM ו-Nel הודיעו על שותפות לפיתוח מערומי אלקטרולייזר זולים באמצעות טכניקות ייצור של תאי דלק לרכב.
• מוצרים בולטים שצפויים לצאת בקרוב: כמה דוגמאות באופק: Siemens Energy עובדת על דור חדש של ערימת תאי PEM עם שטח תא של מעל 1,000 ס"מ² להגדלת תפוקת המימן לערימה, הצפויה להיכלל בשדרוגי Silyzer 300 עד 2025. ITM Power עיצבה מחדש את ערימת ה-PEM שלה (Mk.2) לשיפור האמינות לאחר למידה מהפעלות קודמות, עם אבות-טיפוס של מודולים חדשים בהספק 5 מגה-ואט הנבדקים החל מ-2024. McPhy (צרפת) מפתחת אלקטרולייזר אלקליני גדול (“Augmented McLyzer”) בקטגוריית מודולים של 20 מגה-ואט, עם פרויקט ייחוס של 100 מגה-ואט בנורמנדי המתוכנן. Ceres Power ופיילוט SOEC של Shell (בהספק 1 מגה-ואט) בהודו יבדקו את ערימות הקרמיקה הייחודיות של Ceres בסביבה תעשייתית אמיתית עד 2025. ובתחום ה-AEM, Enapter פתחה ב-2023 מפעל ייצור המוני לייצור מודולי אלקטרולייזר AEM סטנדרטיים של 2.5 קילוואט, במטרה לאגד אלפים מהם במערכות גדולות יותר iea.org.
• חדשנות בתוכנה ובמערכות: מעבר לחומרת הערימה, שיפורים באלקטרוניקת ההספק ובבקרות התוכנה מאפשרים ביצועים טובים יותר. לדוגמה, יותר אלקטרולייזרים כיום מגיעים עם ניהול הספק חכם שיכול לספק שירותי רשת (למשל התאמת עומס דינמית לאיזון תדר). "תאומים דיגיטליים" של מתקני אלקטרולייזר משמשים לאופטימיזציה של תפעול ותחזוקה חזויה – מה שמפחית השבתות ועלויות תחזוקה על ידי זיהוי תקלות מוקדם. בנוסף, אופטימיזציות של מערכות עזר (balance-of-plant) כמו מפרידי גז יעילים יותר, מחליפי חום ודחסים (לדחיסת H₂) משפרים בהדרגה את יעילות המערכת הכוללת ומפחיתים עלויות.

בסך הכול, התקופה של 2024–2025 היא תקופה של חדשנות מואצת באלקטרולייזרים. שיאי יעילות נשברים ועלויות ההון יורדות בהתמדה. כפי שסיכם מומחה ממשרד האנרגיה האמריקאי, ישנו מיקוד מו"פ מרוכז ל-"הפחתת עלות ההון, שיפור היעילות והביצועים, והארכת חיי המערכות" בכל סוגי האלקטרולייזרים energy.gov – ואנו רואים זאת בפועל: ממברנות עמידות יותר, זרזים זולים יותר, קווי ייצור גדולים יותר ועיצובים חכמים יותר.

השפעה סביבתית ושימוש במשאבים

במרוץ למימן ירוק, לא רק פליטות ההפעלה חשובות (אלקטרולייזרים הפועלים על חשמל מתחדש אינם פולטים גזי חממה) – גם ההשפעה הסביבתית של בניית והפעלת אלקטרולייזרים נלקחת בחשבון. לכל טכנולוגיה השפעות שונות:

• משאבים חומריים: לאלקליים אלקטרולייזרים יש את היתרון של שימוש בחומרים זמינים בשפע בכדור הארץ עבור הרכיבים המרכזיים שלהם. האלקטרודות הן בדרך כלל מבוססות ניקל (לעיתים עם ציפויים של תחמוצת ניקל או זרזי סגסוגת ברזל) והמפריד הוא לעיתים קרובות פלסטיק נקבובי ללא אזבסט או דיאפרגמות מבוססות זרקוניה בעיצובים מודרניים (מערכות ישנות יותר אכן השתמשו במפרידי אזבסט, מה שמסכן את הסביבה והבריאות, תעשייה זו כבר הפסיקה להשתמש בהם). האלקטרוליט הוא KOH, שהוא בסיס חזק אך ניתן לטפל בו בבטחה עם נהלים מתאימים וניתן למחזר או לנטרל אותו בסוף חייו. אחת הסיבות לכך שמערכות אלקליות הן בעלות עלות נמוכה היא היעדר מתכות יקרות – אין צורך בפלטינה או אירידיום. משמעות הדבר היא גם ש-הגדלת היקף הייצור של אלקליין אינה נתקלת בחסמים קריטיים של חומרי גלם כפי שעלול לקרות ב-PEM. פלדה, ניקל והידרוקסיד אשלגן זמינים בקלות (אם כי לכריית ניקל יש שיקולים סביבתיים משלה, כמו שימוש באנרגיה ופסולת כרייה). מערכות אלקליות דורשות נפח משמעותי של אלקטרוליט נוזלי, אשר בדרך כלל מוחלף מדי פעם; יש להיפטר מ-KOH משומש (אשר עשוי להכיל מזהמים מקורוזיה) בזהירות, אך לעיתים קרובות ניתן למחזר אותו על ידי הספק.
• שימוש במשאבים של PEM: אלקטרולייזרים מסוג PEM מסתמכים על כמה חומרים נדירים. הבולט ביותר הוא אירידיום, המשמש כזרז האנודה. אירידיום הוא אחד היסודות הנדירים ביותר על פני כדור הארץ – תוצר לוואי של כריית פלטינה, עם ייצור עולמי שנתי של כמה טונות בלבד. כפי שצוין, אם כל מגה-ואט של PEM משתמש בכמה גרמים של אירידיום, יש חשש כי ללא צמצום השימוש, אספקת האירידיום העולמית עלולה להגביל את התרחבות ה-PEM johncockerill.com johncockerill.com. לכן, מאמצים להפחתת כמות האירידיום לכל MEA (למשל, זרזים וטכניקות ציפוי מתקדמות) הם קריטיים לקיימות. גם פלטינה (זרז הקתודה) נמצאת בשימוש, אך בכמויות קטנות יותר, ופלטינה זמינה יותר (וניתנת למיחזור מתאי דלק וכו'). הממברנה של PEM היא בדרך כלל פולימר פרפלואוריד (PFSA) – למעשה סוג של כימיקל PFAS "נצחי". ממברנות אלו (למשל, נאפיון) מצטיינות בביצועים, אך PFAS נמצאים תחת בדיקה בשל עמידותם בסביבה וסיכונים בריאותיים פוטנציאליים. כפי שמודגש בדוח של John Cockerill, ממברנות PEM הן PFAS, שיכולים להצטבר ולגרום לבעיות סילוק johncockerill.com johncockerill.com. שריפה בסוף חיי המוצר יכולה להשמיד PFAS, אך יש לבצע זאת בטמפרטורה גבוהה במתקנים ייעודיים כדי למנוע פליטות. החדשות הטובות הן שכמות הממברנה לכל אלקטרולייזר אינה גדולה (כמה קילוגרמים), אך זהו עדיין שיקול. מחקר מסוים בוחן ממברנות ללא PFAS עבור PEM, אך אף אחת מהן אינה משתווה עדיין לביצועי נאפיון מבחינה מסחרית. בצד החיובי, אלקטרולייזרי PEM, בכך שהם מייצרים מימן טהור במיוחד, חוסכים את הצורך בשלבי טיהור כימיים נוספים וכימיקלים נלווים.
• חומרים של תחמוצת מוצקה: SOECs משתמשים בחומרים קרמיים ומתכתיים השונים מהאמור לעיל. האלקטרוליט הוא לעיתים קרובות זירקוניה מיוצבת באיטריה (YSZ) – בעצם תחמוצת זירקוניום עם מעט איטריום. זירקוניום אינו נדיר (נכרה כזירקון), ואיטריום הוא בשפע מתון (לעיתים מופק ממכרות אדמת נדירה, אך נדרש בכמויות קטנות בהרבה מאשר, למשל, מגנטים ניאודימיום). האלקטרודות בדרך כלל מכילות ניקל (בסרמט ניקל-YSZ) ותחמוצות פרובסקיט כמו פריט לנתן-סטרונציום או דומות. סטרונציום ולנתן הם גם יסודות שיש לכרות (לנתן הוא אדמה נדירה קלה, אך שוב, הכמויות הנדרשות קטנות יחסית לכל תא). חשוב לציין, SOECs אינם דורשים מתכות מקבוצת הפלטינה או ממברנות PFAS, וזה יתרון גדול מבחינת חומרים קריטיים. הם כן משתמשים בסגסוגות לטמפרטורה גבוהה (ללוחות מקשרים, צנרת) שעשויות לכלול כרום או קובלט, אך אלה נפוצים בציוד לטמפרטורה גבוהה. הדאגה הסביבתית העיקרית עם SOEC עשויה להיות האנרגיה והחומרים הנדרשים לייצור התאים הקרמיים – סינטרינג של קרמיקה בטמפרטורות גבוהות, הבטחת סבילות הדוקה – והעובדה שאם אורך החיים שלהם קצר יותר, תצטרך לייצר תחליפים לעיתים קרובות יותר (מה שאומר שימוש ביותר חומרים לאורך זמן). מיחזור מערומי SOEC הוא תחום שעדיין מתפתח; עקרונית, מתכות כמו ניקל ניתנות למיחזור, וקרמיקה ניתן לטחון, אך זה לא פשוט כמו מיחזור מתכות ממערכת PEM או אלקליין.
• שימוש במים: כל האלקטרולייזרים צורכים מים – בערך 9 ליטר מים לכל 1 ק"ג H₂ שמיוצר (מאחר שהתגובה היא 2 H₂O → 2 H₂ + O₂). באזורים שבהם יש מחסור במים, זה יכול להיות גורם אם מגיעים להיקפים של אלפי טונות מימן. אלקליין ו-PEM בדרך כלל דורשים מים ממוינים (כדי למנוע שקיעת מינרלים או הרעלת ממברנה). SOEC דורש גם מים מטוהרים (והפיכתם לאדים). צריכת המים זהה מבחינה כימית; עם זאת, צרכי הקירור עשויים להיות שונים. מערכות אלקליין עשויות להזדקק ליותר מי קירור במפעלי ענק (כי הן פועלות ברציפות ובטמפרטורה נמוכה יותר, עודף האנרגיה נפלט כחום בדרגה נמוכה), בעוד ש-SOEC עשוי לנצל חום בדרגה גבוהה יותר פנימית. אם משתמשים באלקטרולייזרים עם מי ים, בדרך כלל יחידת התפלה מוצבת לפניהם – שלה יש עלות אנרגיה ותפוקת רכז משלה, אך בפרויקטים חופיים גדולים זה נלקח בחשבון (והדרישה למים עבור, למשל, 1 טון H₂ היא ~9 טון מים, זניח לעומת תפוקת מים של מתקן התפלה בינוני). מעניין לציין: מחקר של IEA מצא שאלקטרוליזה אלקלינית עבור תפוקת מימן נתונה צורכת פחות מים באיכות גבוהה מאשר רפורמינג קיטור של מתאן (SMR), אך עשויה להשתמש ביותר מי ים אם סופרים את צרכי הקירור, אם כי השוואות אלו תלויות בתכנון המערכת horizoneuropencpportal.eu.
• פליטות ממקור החשמל: מנקודת מבט סביבתית, טביעת הרגל הפחמנית של מימן באמצעות אלקטרוליזה תלויה לחלוטין במקור החשמל. אם חשמל ממקורות מתחדשים או גרעיניים מספק את האנרגיה, המימן הוא למעשה נטול פחמן. אך אם נעשה שימוש בחשמל מהרשת (עם תערובת דלקים מאובנים), הפליטות האפקטיביות עלולות להיות משמעותיות (אם כי באזורים רבים הן פוחתות ככל שהרשתות מתנקות). כל שלושת סוגי האלקטרולייזרים עצמם אינם פולטים CO₂ – רק חמצן כתוצר לוואי. עם זאת, ייצורם כולל עלות פחמן מגולמת (פלדה, מלט לבניית המפעל וכו'). ניתוחי מחזור חיים מראים כי שלב השימוש שולט בהשפעות (עקב צריכת החשמל), ולכן הפחתת פליטות החשמל היא המנוף העיקרי להפיכת המימן ל"ירוק".
• סוף חיים ומיחזור: אלקטרולייזרים אלקליים מורכבים בעיקר ממסגרות פלדה, אלקטרודות ניקל ומרכיבי פלסטיק – ניתן למחזר אותם (ניקל ופלדה הם מתכות שממוחזרות לעיתים קרובות). ניתן לנטרל את האלקטרוליט KOH. בערימות PEM יש פלטינה ואירידיום יקרי ערך – קיימים כבר תהליכי מיחזור (בדומה למיחזור ממירים קטליטיים משומשים או ערימות תאי דלק) לשחזור מתכות אלו, מה שטוב כלכלית וסביבתית. הממברנה (PFAS) דורשת סילוק זהיר. ערימות SOEC, בהיותן חדשות יחסית, עדיין אין להן תהליכי מיחזור מבוססים, אך חוקרים בוחנים כיצד לשחזר חומרים או להיפטר מתאים משומשים בבטחה. למרבה המזל, אף אחד מסוגי האלקטרולייזרים אינו מכיל מתכות כבדות רעילות כמו עופרת או כספית. הדגל ה"טוקסי" העיקרי הוא פולימר ה-PFAS ב-PEM, שכאמור נמצא תחת פיקוח רגולטורי; סביר שהתעשייה תעבור להבטיח שפולימרים אלו ימוחזרו או יישרפו כראוי בסוף חייהם כדי למנוע שחרור לסביבה.

בגדול, לאלקטרולייזרים אלקליים יש את טביעת הרגל הקטנה ביותר של חומרים אקזוטיים, ל-PEM יש אתגר של מתכות יקרות ו-PFAS, ו-SOEC נמנע ממתכות יקרות אך עושה שימוש בקרמיקה מתקדמת ודורש יותר אנרגיה לייצור. בצד החיובי, כל הטכנולוגיות הללו מאפשרות שרשרת אספקת מימן עם אפס פליטות גזי חממה בשימוש, שזהו יתרון סביבתי עצום אם זה מחליף מימן ממקור מאובנים (או דלקים מאובנים בשימוש קצה). מומחים מדגישים שניהול אספקת חומרים קריטיים (כמו אירידיום) והבטחת ייצור בר-קיימא יהיו חשובים ככל שנעבור ממגה-ואטים כיום לגיגה-ואטים בשנים הקרובות johncockerill.com johncockerill.com.

דעות ופרספקטיבות של מומחים

מה אומרים מומחי תעשייה ואנליסטים על טכנולוגיות אלו ועתידן? כמה ציטוטים ותובנות עוזרים להמחיש את התמונה:

• אין פתרון אחד שמתאים לכולם: ניתוח עדכני של John Cockerill (ספק מוביל של אלקטרולייזרים) הסיק כי "אין טכנולוגיית אלקטרולייזר אחת שמצטיינת בכל הפרמטרים" johncockerill.com. הבחירה הטובה ביותר תלויה בשימוש ובסדרי העדיפויות – אם זה עלות, יעילות, יכולת הרחבה או טוהר. לדוגמה, אם עלות הון נמוכה ואמינות מוכחת הן קריטיות (למשל במפעל כימיקלים גדול), ייתכן שתועדף טכנולוגיה אלקלית. אם יש מגבלות מקום או שהספק החשמל משתנה, PEM עשויה להתאים יותר. הדבר מדגיש שלכל טכנולוגיה יש את הנישה שלה, ורבים מהעוסקים בתחום סבורים שיהיה צורך בתמהיל של כולן. כפי שמציין הדוח של John Cockerill, "אלקליין… ניתן להרחבה בקלות לפי הצורך, ומספק תפוקה אמינה ויציבה לרוב התעשיות, בעוד שתחומים ייחודיים כמו תחבורה עשויים להעדיף את טוהר וקומפקטיות ה-PEM" johncockerill.com johncockerill.com.
• על חשיבות היעילות: ד"ר ראווי פראשר, סמנכ"ל טכנולוגיות ב-Bloom Energy (המייצרת SOEC), הדגיש עד כמה היעילות קריטית לכלכלה: "כמות החשמל שהאלקטרולייזר צריך כדי לייצר מימן תהיה הגורם הדומיננטי ביותר בקביעת עלות ייצור המימן. מסיבה זו, היעילות… הופכת למדד החשוב ביותר." hydrogentechworld.com. הדבר משקף את עמדת המומחים הרווחת שלמרות שהעלויות ההתחלתיות יורדות, עלות ההפעלה (המונעת על ידי צריכת החשמל) תהיה הגורם המבדל העיקרי – במיוחד כאשר פרויקטים מתרחבים והחשמל הופך להוצאה מרכזית. דבריו נאמרו כאשר Bloom הדגימה את ה-SOEC היעילה שלה, והוא ציין שמערכת של 4 מגה-ואט ייצרה מימן ב-37.7 קוט"ש לק"ג (נמוך במיוחד בשל שימוש בקיטור) ושאפילו בעומס חלקי היעילות שלה עלתה על טכנולוגיות אחרות hydrogentechworld.com hydrogentechworld.com. הישגים כאלה מעוררים אופטימיות ששיפורים טכנולוגיים יוכלו להוזיל משמעותית את עלות המימן.
• גמישות ואגירת אנרגיה: בהתייחסות לשילוב מימן עם אנרגיה מתחדשת, מנכ"ל בלום, קיי.אר. סרידהר, הדגיש את תפקיד האלקטרולייזרים באגירת אנרגיה: "מימן יהיה חיוני לאגירת אנרגיה לסירוגין ומוגבלת ולצמצום פליטות באנרגיה תעשייתית. אלקטרולייזרים מסחריים הם המפתח לפתרון חידת אגירת האנרגיה." hydrogentechworld.com. הוא טוען כי אלקטרולייזרים מתקדמים כמו SOEC מציעים "טכנולוגיה עדיפה מטבעה ויתרונות כלכליים" בטווח הארוך hydrogentechworld.com, אך כמובן שזו נקודת המבט של תומך SOEC. עם זאת, מומחי אנרגיה רבים רואים במימן (שמופק בכל טכנולוגיית אלקטרוליזה כאשר יש עודף אנרגיה מתחדשת) מרכיב מרכזי לאגירה עונתית ולמגזרים שקשה להפחית בהם פליטות.
• הגדלת היקף התעשייה והשקעות: פאתיח בירול, מנכ"ל סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA), ציין בסוף 2023 כי "הצמיחה בפרויקטים חדשים מצביעה על עניין חזק של משקיעים בפיתוח ייצור מימן דל פליטות", אך גם הזהיר כי פרויקטים רבים שהוכרזו צריכים אכן להגיע לשלב הבנייה iea.org illuminem.com. הוא הדגיש כי הביקוש למימן נקי צריך להתבסס כדי להעניק ביטחון להשקעות באלקטרולייזרים carboncredits.com. הדבר משקף דאגה רחבה יותר של מומחים: המדיניות והתמיכה בשוק חייבות לגדול במקביל להתקדמות הטכנולוגית. נכון ל-2025, ממשלות באירופה, צפון אמריקה, סין ומדינות נוספות משיקות תמריצים (הקלות מס, סובסידיות, הסכמי רכישת מימן) כדי לצמצם את פער העלויות ולעודד אימוץ. צעדים אלה נחשבים קריטיים בעיני מנהיגי התעשייה להגדלת פריסת אלקטרולייזרים ממאות מגה-ואט כיום לעשרות ג'יגה-ואט בשנה הנדרשים ליעדי האקלים iea.org iea.org.
• נקודת מבט על טכנולוגיות חדשות: כמה מומחים באקדמיה מזהירים שלמרות שטכנולוגיות חדשות כמו AEM ו-SOEC הן מרגשות, אין לתת להן להסיח את הדעת מהטמעה של מה שכבר זמין. פרופסור ג'ק בראואר מאוניברסיטת UC Irvine (חוקר אנרגיית מימן) אמר בפאנל ב-2024 שעלינו "להטמיע, להטמיע, להטמיע" את טכנולוגיות ה-PEM והאלקליין המוכחות כבר עכשיו, גם כאשר המחקר והפיתוח בדור הבא נמשך – כי השגת קנה מידה מורידה עלויות ואנו לומדים תוך כדי עשייה (הציטוט מנוסח מחדש מהאירוע). זו גישה פרגמטית נפוצה: להשתמש בכלים המסחריים הקיימים (AWE/PEM) כדי להתחיל להפחית פליטות, תוך שמירה על טיפוח הטכנולוגיות החדשות לעתיד.
• הובלת אירופה וביטחון אנרגטי: נילס אלדאג, מנכ"ל Sunfire, שדיבר על פרויקט ה-MultiPLHY SOEC, ציין "פרויקטי מימן פורצי דרך כמו MultiPLHY מניחים את היסודות להבטחת מעמדה של אירופה כמובילה עולמית בטכנולוגיות נקיות." energytech.com. הדבר משקף תחושה באירופה כי דחיפת גבולות האלקטרולייזרים (בין אם SOEC ביעילות גבוהה או מפעלי אלקליין בקנה מידה של ג'יגוואט) לא רק מסייעת ליעדי האקלים אלא גם בונה תעשייה מקומית למעבר האנרגיה. הדגשתו את מעמדה של אירופה מראה כיצד פרויקטי אלקטרולייזר הם מקור לגאווה טכנולוגית ותחרות בינלאומית.

לסיכום, מומחים מכל התחומים מכירים בכך ש-לכל סוג אלקטרולייזר יש יתרונות ייחודיים ושהקצב המהיר של החדשנות הוא סימן חיובי. הקונצנזוס הוא שנזדקק ל-כל טכנולוגיות האלקטרולייזר כדי לענות על דרישות מגוונות: אלקליין להפקת מימן בכמויות גדולות ובעלות נמוכה; PEM ליישומים דינמיים ובעלי דרגת ניקיון גבוהה; ו-SOEC למערכות משולבות ביעילות גבוהה. המיקוד כעת הוא בהגדלת הייצור, הורדת עלויות ושיפור העמידות. כפי שסיכמה זאת סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA), נדרשת חדשנות מתמשכת כדי "להפחית את העלות ההונית הכוללת, אך מאמצים אלה חייבים גם להתחשב בפשרות בין אורך חיים ליעילות" energy.gov. איזון בין הגורמים הללו הוא שם המשחק.

חדשות ופיתוחים אחרונים (2024–2025)

בשנתיים האחרונות הוכרזו פרויקטים ושותפויות בתחום אלקטרולייזרי המימן בקצב הולך וגובר. הנה כמה מה-התפתחויות הבולטות האחרונות:

• פרויקטים שובי-שיא: באמצע 2023, חברת סינופק הסינית החלה להפעיל את מפעל המימן הירוק הגדול בעולם בשינג'יאנג – מערך אלקטרולייזרים אלקליים בהספק 260 מגה-ואט, כפי שצוין קודם. בסוף 2024, המפעל הזה הגביר את הייצור והדגיש הן את השאיפות של סין והן את אתגרי עקומת הלמידה (דיווחים ציינו כי בתחילה עבד רק בכ~30% ניצול בזמן כיוונון המערכות) energynews.biz. במקומות אחרים, באירופה, פרויקטים גדולים הגיעו לאבני דרך: ביולי 2024 שלק קיבלה החלטת השקעה סופית על אלקטרולייזר PEM Refhyne II בהספק 100 מגה-ואט בגרמניה (צפוי לפעול ב-2027) reuters.com refhyne.eu, ובאותו חודש בנק המימן הירוק של האיחוד האירופי ערך את המכרז הראשון שלו לתמיכה ב-3 מיליון טון מימן, והעניק לפרויקטים תמיכה במחיר לטווח ארוך iea.org iea.org – חדשנות מדיניות שנועדה להבטיח ביקוש לפריסות אלקטרולייזרים גדולות.
• שיתופי פעולה ציבוריים-פרטיים: חברות נפט וגז גדולות משתפות פעולה עם יצרניות אלקטרולייזרים. לדוגמה, BP ו-Thyssenkrupp Nucera הודיעו על שיתוף פעולה ב-2024 לפריסת 500 מגה-ואט של אלקטרולייזרים בבתי הזיקוק של BP. אקסון מוביל השקיעה ב-Electric Hydrogen (סטארט-אפ אמריקאי שמפתח מערכות PEM מתקדמות) כדי לעבוד על פתרונות זולים יותר למימן תעשייתי. ובמהלך בולט במעלה הזרם, סעודי ארמקו השקיעה ב-2025 במיזם דרום קוריאני לפיתוח אלקטרוליזה של תחמוצת מוצקה (SOEC) למימן זול, תוך קישור לשימוש פוטנציאלי בחום מבתי זיקוק.
• SOEC בתעשיית הפלדה: פיילוט פורץ דרך הושק על ידי CSIRO ו-BlueScope Steel באוסטרליה, שם הופעל אלקטרולייזר SOEC צינורי במשך 1,000 שעות תוך שימוש בחום פסולת ממפעל פלדה לייצור מימן csiro.au. הניסוי הזה, בסוף 2024, הדגים גם יעילות וגם עמידות, ומהווה אחד המבחנים הראשונים בעולם האמיתי של SOEC בתעשיית הפלדה (שבסופו של דבר תוכל להשתמש במימן במקום פחם להפחתת ברזל). באירופה, Salzgitter Steel עובדת עם Sunfire לשילוב יחידת SOEC במפעל פלדה עד 2025 כחלק מפרויקט SALCOS של Salzgitter להורדת פליטות הפחמן בתעשיית הפלדה.
• חברות חשמל נכנסות להידרוגן: יצרניות חשמל בוחנות שימוש באלקטרולייזרים לאגירת עודפי חשמל וליצירת מקורות הכנסה חדשים. ב-2024, NextEra Energy (מפתחת אנרגיה מתחדשת מרכזית בארה"ב) הודיעה על תוכניות למספר מאות מגה-ואט של אלקטרולייזרים לשימוש בעודפי רוח ושמש בטקסס לייצור מימן ירוק עבור תעשיות סמוכות. באופן דומה, EDF בצרפת החלה בפרויקט המשלב כור גרעיני עם אלקטרולייזר PEM בהספק 30 מגה-ואט לאספקת מימן לייצור דשנים – מעניין לציין שהם משתמשים בתפוקה הגרעינית היציבה במקום לאפשר לכור לווסת, מה שמראה שגם יצרני בסיס רואים במימן אפיק צריכה.
• מרכזי מימן ומימון: תוכנית "מרכזי המימן" של ארה"ב (בתמיכת חוק התשתיות מ-2021) העניקה בסוף 2023 כמעט 8 מיליארד דולר לקונסורציומים אזוריים, שרבים מהם כוללים פריסות גדולות של אלקטרולייזרים. לדוגמה, מרכז המימן בקליפורניה מתכנן כ-150 מגה-ואט של אלקטרולייזרים (חלקם PEM, חלקם אלקליין) לאספקת דלק לתחבורה; המרכז במערב התיכון ישתמש בכוח גרעיני לייצור מימן (כנראה בטכנולוגיית PEM או אלקליין), ומרכז טקסס משלב רוח ושמש בהיקף עצום לייצור מימן לשימוש פטרוכימי. מרכזים אלה יעודדו הזמנות ליצרני אלקטרולייזרים וישמשו כאתרי ניסוי לטכנולוגיות שונות בתנאים מגוונים.
• מוצרים חדשים יוצאים לשוק: בזירה התאגידית, Nel Hydrogen סיפקה את היחידות הראשונות של קו האלקטרולייזרים האלקליים האוטומטיים שלה לפרויקט של 20 מגה-ואט ב-2024, והדגימה יכולת להוזיל עלויות ייצור בעד 40%. Plug Power השיקה אלקטרולייזר PEM מודולרי של 5 מגה-ואט (בשם "ML 5") המיועד לפריסה קלה בפרויקטים של כ-100 מגה-ואט (על ידי התקנת 20 יחידות). McPhy החלה בבניית גיגפקטורי בצרפת לייצור אלקטרולייזרים אלקליים ו-AEM לאחר קבלת הזמנות גדולות. ו-Enapter החלה לשלוח מודולי אלקטרולייזר AEM בייצור המוני מהמפעל החדש בגרמניה ב-2023, במטרה להתקין אותם באלפים באופן מודולרי.
• בטיחות ותקנים: לצד הצמיחה, יש דגש על בטיחות ותקינה. ב-2024, הארגון הבינלאומי לתקינה אלקטרוטכנית (IEC) פרסם תקנים מעודכנים לבטיחות אלקטרולייזרים, המכסים הכל מהפרדה חשמלית ועד גילוי דליפות מימן, ויצרנים מאמצים אותם. הייתה גם תקרית בפרויקט גדול באסיה, שבו נאלצו להשבית חלק ממודולי האלקטרולייזר האלקליים בשל כשלי אטימה שגרמו לדליפות תמיסת בסיס hydrogeninsight.com – מה שמדגיש את הצורך בהנדסה איתנה ובהפצת נהלים מיטביים ככל שיותר מתקנים ראשונים מסוגם עולים לאוויר. התעשייה הגיבה בהקמת פורום בטיחות חדש תחת מועצת המימן לשיתוף לקחים.
• דינמיקת השוק: עד 2025, ראינו עודף ייצור קל באזורים מסוימים (למשל סין), מה שבעצם סייע להוריד מחירים. סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA) ציינה כי קיבולת הייצור העולמית (25 ג'יגה-ואט לשנה ב-2023) גבוהה בהרבה מהפריסה הנוכחית (~1 ג'יגה-ואט לשנה) iea.org iea.org. מצב זה הוביל לתמחור תחרותי ולמיזוגים מסוימים – למשל, בתחילת 2025 נפוצו שמועות כי חברת ציוד נפט וגז גדולה עשויה לרכוש אחד מהסטארט-אפים הקטנים בתחום האלקטרולייזרים כדי לשלבו בפורטפוליו שלה.

כל ההתפתחויות הללו מצביעות על דבר אחד: טכנולוגיות אלקטרולייזרים יוצאות מהמעבדה ומהשלב הפיילוט אל פריסה תעשייתית רחבה. ממשלות תומכות בכך, חברות גדולות משקיעות, ואתגרים הנדסיים נפתרים בזה אחר זה. ככל שהפריסה תתרחב, נראה עוד למידה ושיפור של תפקיד כל טכנולוגיה.

סיכום

בהשוואה בין אלקטרולייזרים מסוג PEM, אלקליין, ואוקסיד מוצק, ברור שלכל אחד יתרונות ייחודיים:

• אלקטרוליזה אלקליינית מציעה אמינות מוכחת וזולה ומתאימה במיוחד לייצור מימן בקנה מידה גדול כאשר יש מקום ותפעול יציב.
• אלקטרוליזה PEM מספקת גמישות, תגובה מהירה ומימן באיכות גבוהה, מה שהופך אותה למושלמת לשילוב עם אנרגיה מתחדשת משתנה ולשימושים הדורשים מערכות קומפקטיות וביצועים גבוהים.
• אלקטרוליזה באוקסיד מוצק טומנת בחובה פוטנציאל ליעילות מרבית ולשילוב עם מקורות חום, ועשויה לחולל מהפכה בייצור מימן בתעשייה אם העמידות והעלויות שלה ימשיכו להשתפר.

הבחירה ביניהם תלויה בפרטי הפרויקט – מקור החשמל, כמות ואיכות המימן הנדרשת, תקציב ופרופיל תפעול דינמי. כפי שאמר מקור בתעשייה: "בהתאם לשימוש שלך, ייתכן שאחת מהן תתאים יותר – עלות החשמל, צרכי לחץ, שטח פנוי וגורמים נוספים יקבעו את ההחלטה" johncockerill.com johncockerill.com.

המעודד הוא שכל שלוש הטכנולוגיות מתקדמות במהירות. העלויות יורדות (בזכות מו"פ וחיסכון לגודל), היעילות משתפרת, ופתרונות חדשים מתמודדים עם מגבלות העבר (מקטליזטורים טובים יותר ב-PEM, מערכות אלקליין תגובתיות יותר, ועד מחסניות SOEC עמידות יותר). התקופה של 2024–2025 במיוחד התאפיינה בגל של חדשנות ויישומים ראשונים של רעיונות "דור הבא".

מומחים סבורים כי מימן ירוק ישחק תפקיד מכריע בכלכלה נטולת פליטות – והשגת יעד זה תסתמך על פריסת האלקטרולייזר המתאים למשימה. בין אם מדובר ביחידה אלקלית המפיקה מימן לדשן אמוניה, שורת יחידות PEM המגיבות לעומס של חוות רוח, או SOEC בטמפרטורה גבוהה המנצלת חום עודף בבית זיקוק, כל אחת תורמת להפחתת פליטות במגזרים שבהם יש מעט מאוד חלופות (כמו תעשייה כבדה, כימיקלים ותחבורה למרחקים ארוכים).

בשנים הקרובות צפויה הגדלה עצומה של קיבולת האלקטרולייזרים ברחבי העולם – מכ-1 ג'יגה-ואט מותקן כיום למאות ג'יגה-ואט המתוכננים עד 2030 iea.org iea.org. הגדלה זו, הנתמכת במדיניות והשקעות פרטיות, תוביל לשיפורים נוספים. בעתיד, ייתכן שנראה גם מערכות היברידיות (שילוב של PEM ואלקליין לכיסוי טווחי פעולה שונים, או SOEC לבסיס ו-PEM לעומסי שיא, וכו'). שיתוף פעולה ותחרות בריאה בין הטכנולוגיות יעודדו שיפור יעילות והפחתת עלויות, לטובת כלכלת המימן כולה.

לסיכום, לכל אחד מהאלקטרולייזרים – PEM, אלקליין ו-SOEC – תפקיד חיוני. "המנצח" בעימות הזה אינו טכנולוגיה אחת שמביסה את השאר, אלא האקלים והתעשיות שמקבלים מגוון פתרונות לייצור מימן נקי. כפי שאמר המומחה למימן פול מרטין, לשאול איזה אלקטרולייזר הוא הטוב ביותר זה כמו לשאול "מהו הכלי הטוב ביותר: פטיש, מפתח שוודי או מברג?" – זה תלוי במשימה, והכי טוב שיהיה ארגז כלים מגוון. עם המשך החדשנות והפריסה, טכנולוגיות האלקטרולייזר הללו יובילו יחד את מהפכת המימן הירוק מפתרון נישתי לפתרון עולמי משנה מציאות.

מקורות:

• משרד האנרגיה של ארה"ב – Hydrogen Production: Electrolysis (How electrolyzers work, operating conditions) energy.gov energy.gov
• הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה (IEA) – “Electrolysers” 2024 report (technology status, costs, efficiencies, and projects) iea.org iea.org
• Electric Hydrogen Co. – נייר עמדה 2024 (ניתוח יעילות ועלויות של PEM לעומת אלקליין) eh2.com eh2.com
• John Cockerill Hydrogen – תדריך טכני 2024 (השוואה בין אלקליין ל-PEM, נתח שוק וחומרים) johncockerill.com johncockerill.com
• Hydrogen Insight – Leigh Collins, “הותקן האלקטרולייזר המוצק הגדול בעולם” (יתרון יעילות ועלות של SOEC) hydrogentechworld.com
• Hydrogen Tech World – “Bloom Energy מתחילה לייצר מימן ב-SOEC של נאס”א” (ביצועי SOEC של 4 מגה-ואט של Bloom וציטוטי מומחים) hydrogentechworld.com hydrogentechworld.com
• EnergyTech Magazine – “Sunfire מתקינה SOEC של 2.6 מגה-ואט ב-Neste” (פרטי תפעול SOEC וציטוט ממנכ”ל Sunfire) energytech.com energytech.com
• Reuters – Andrew Hayley, “מפעל המימן הירוק הראשון של Sinopec מתחיל בייצור” (פרטי פרויקט אלקליין של 260 מגה-ואט) reuters.com reuters.com
• IEA – תובנות חדשנות (הפחתת אירידיום, שיאי יעילות חדשים של אלקטרולייזרים, קטליזטור טושיבה) iea.org iea.org
• Stargate Hydrogen – בלוג “אלקטרולייזרים PEM לעומת אלקליין” (הסבר נגיש של יתרונות/חסרונות) stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com
• Shanghai H-Ray – הודעה לעיתונות 2024 (הפחתת עלות PEM ותחזית עתידית) h-raypem.com