תאי דלק הם מקור לאנרגיה שקיים כבר מאות שנים, ומעולם לא ממש הפך למקור מרכזי. מדובר אמנם בטכנולוגיה נקייה וידידותית לסביבה, שמיוצר באמצעותה חשמל בתהליך שתוצר הלוואי היחיד המתקבל בו הוא מים, אבל היא מחייבת גישה זמינה לאספקת מימן.
בניית רשת של תחנות מילוי מימן עבור כלי רכב חשמליים המונעים באמצעות מימן היא אתגר כלל-עולמי, אבל שיטות אחרות היו בשימוש כדי לספק אנרגיה מתאי דלק למרכזי נתונים ואף בכלי-טיס לא מאוישים.
Toyota היא התומכת הגדולה ביותר בתאי דלק מימן במכוניות, והיא השתמשה בטכנולוגיה זו בדגם Mirai שהושק ב-2016. שימוש בתאי דלק מעניק ל-Mirai טווח של למעלה מ-500 ק”מ, בהשוואה ל-300 ק”מ במקרה של מכונית רגילה המופעלת באמצעות מצבר. ה-Mirai מסתמכת על תא דלק המפיק עד 650 וולט, כאשר אספקת המימן מגיעה ממכלי דלק בלחץ, אבל הקליטה שלה בשוק המסחרי נעצרה כתוצאה מהיעדר תשתית תומכת. בחודש מרץ השנה, יפן הפכה למדינה הראשונה שבה קיימת רשת של למעלה מ-100 תחנות מילוי מימן המספקת דלק לכלי רכב כאלה. באמצע 2017, Honda ו-General Motors הכריזו על יוזמה משותפת לפיתוח וייצור של תאי דלק, וחברת בת של יצרנית הרכב הגרמנית Daimler פיתחה גם היא את הטכנולוגיה עבור כלי רכב ויישומים נוספים (לרבות מרכזי נתונים).
במונחים בסיסיים, תא דלק עשוי מאזור של ממברנת החלפת פרוטונים – הנקראת גם ממברנת אלקטרוליט פולימרי (PEM) – שנעשה בה שימוש בזרז פלטינה לצורך שילוב המימן עם חמצן. באופן זה משוחררת אנרגיה ללא הפליטות המזיקות האופייניות עם מנועי בנזין או דיזל. תאי דלק פותחו במהלך עשרים השנים האחרונות על-ידי מגוון חברות, ובפרט יצרני אוטובוסים (שעבורם העלות הנמוכה יותר של תא המימן יכולה להיות גורם מכריע). ככל שאוטובוסים רבים יותר יעברו לכוח הנעה חשמלי, כך שימוש בתאי דלק יהפוך עם הזמן למעשי יותר – יחד עם המצבר או אפילו במקומו. Ballard Power Systems, לדוגמה, מספקת ל-Calstart בקליפורניה את מודול תא הדלק בהספק 30 קילוואט מסוג FCveloCity-MD עבור מכוניות המשלוחים של UPS באזור לוס אנג’לס רבתי, כדי לצמצם את זיהום האוויר. תאי הדלק משמשים גם כאמצעי להגדלת הטווח, והם יעניקו ל-1,500 מכוניות המשלוחים החשמליות של UPS זמן נוסף על הכביש במהלך חמש השנים הבאות
אותה גישה ננקטת גם בבריטניה דרך המשרד עבור כלי רכב בעלי פליטה נמוכה (OLEV). המשרד יזם תוכנית הובלת מימן בתקציב של 23 מיליארד ליש”ט, לצורך פיתוח טכנולוגיית תאי דלק והרחבת הרשת של אתרים לתדלוק באמצעות מימן. השלב הראשון יספק השקעה של עד 9 מיליון פאונד בשבע תחנות כאלה שיושלמו במסגרת הזמן של 2018/2019 כדי לתמוך בציי רכב ארגוניים של מכוניות ומכוניות משלוחים עם תאי דלק, בעוד שהשלב השני יספק מימון של עד 14 מיליון פאונד של עד עשר תחנות נוספות. מספרים אלה מדגישים את העלות של התשתית הדרושה לאספקת המימן. כחלק מהפרוייקט, ULEMCo בליברפול פיתחה מודול תא דלק של 12 קילוואט אשר ניתן להוסיף לדגם הטנדר החשמלי של Nissan כדי להגדיל את הטווח שלו. המערכת ממוקמת על גג טנדר Nissan e-NV200 כך שאינה מפחיתה משטח המטען, עם מודול חשמל על הגג אשר מקשר את תא הדלק למצבר. הוא מעניק לטנדר טווח של 241 ק”מ מ-1.6 ק”ג ליום של מימן, כמות המכפילה את מה שרכב e-NV200 סטנדרטי יכול לכסות.
גם Nuvera בארה”ב מגדילה את טווח הטנדרים/אוטובוסים עם אזור PEM מ-Ballard. היא משתפת פעולה עם BAE Systems (שתיכננה את מערכת ההנעה ההיברידית שכוללת שילוב בין תא דלק למצבר) במטרה להכפיל, פחות או יותר, את החיסכון בדלק באוטובוסים הפועלים באמצעות גז טבעי דחוס (CNG).
ההזדמנויות הגלומות ברחפנים
תאי דלק משמשים גם לצורך אספקה של טווח ארוך יותר עבור כלי-הטיס הבלתי מאוישים (UAV) המשמשים לבדיקת פלטפורמות מרוחקות, אספקת תמונות אוויריות באיכות גבוהה, נתוני חקלאות מדויקים, משלוחי חבילות וכדומה. Intelligent Energy פיתחה תא דלק קל משקל שיכול להכפיל פי שלושה את משך הטיסה האופייני לרחפן מבוסס-סוללה עם היתרון הנוסף של תדלוק מהיר יותר. תא זה משמש את מפעילת הרחפנים האמריקנית PINC כחלק מהצעת הרובוטיקה החדשנית שלה, אשר מאפשרת מעקב מלאי בזמן אמת מהאוויר. PINC Air UAV מאפשרת לחברות להשתמש בטכנולוגיית רחפנים עם חיישני RFID ומצלמות לצורך בדיקת מלאי, ותא הדלק מספק זמן עבודה ממושך יותר באופן ניכר – ובכך מעלה את רמות הפרודוקטיביות
אפשרויות של מרכז נתונים
תאי דלק מיושמים גם בניהול אנרגיה במרכזי נתונים. עוד ב-2012, Apple השתמשה בטכנולוגיה כדי לסייע באספקת חשמל למרכז נתונים בקליפורניה. בימים אלו, Daimler וחברת הבת שלה NuCellSys משתפות פעולה עם המרכז והפיתוח של Mercedes-Benz במטרה להאיץ את ההתרבות המהירה של תאי דלק, כדי לאפשר בדרך זו להפעיל מרכזי נתונים רבים יותר.
ההתעניינות בטכנולוגיה כיום הולכת וגדלה, מכיוון שמרכזי נתונים בארה”ב צפויים לצרוך כמות משוערת של 140 מיליארד קוט”ש לשנה עד שנת 2020. נתון זה שקול לתפוקה השנתית של כ-50 תחנות כוח, ולכן שימוש במימן לצורך ההזנה של תאי דלק שייצרו חשמל באופן מקומי הוא בהחלט קוסם.
גם Microsoft השיקה מעבדת מרכז נתונים שבה לכל ארון שרתים יש תא דלק משלו שמספק לו חשמל. Advanced Energy Lab בסיאטל תספק נתונים ותובנות לגבי האופן שבו ניתן לשלב תאי דלק במרכזי נתונים, מה שעשוי לקצץ ב-50 אחוז את צריכת האנרגיה של אתרים אלה. התאים המרכיבים המשמשים בהקשר זה ניתנים להפעלה ישירות מתוך קו גז טבעי. תא דלק מותקן מעל כל ארון שרתים והגז מוזן אליו באופן העונה על דרישות האנרגיה שלו.
Equinix נוקטת גישה שונה להפעלה של 12 ממרכזי הנתונים שלה בארה”ב. היא פיתחה תאי דלק של Bloom Energy שנעשה בהם שימוש בטכנולוגיית תחמוצת מוצקה קניינית, במקום במימן נוזלי או בגז טבעי.
אולם בשלב זה יש לציין, שכיום טכנולוגיית תאי הדלק תלויה בפלטינה המשמשת כזרז, וזהו חומר יקר. כדי להתמודד עם בעיה זו, Ballard שיתפה פעולה עם Nisshinbo ביפן במטרה לפתח זרז מתכת לא יקר (NPMC). חומר ה-NPMC החדש כבר השתלב באזור תא דלק של 30 ואט במלגזות.
גרסת המצבר
כדי להתגבר באופן מלא על הקשיים הקשורים למימן, חוקרים באוניברסיטת RMIT במלבורן, אוסטרליה, פיתחו ‘מצבר פרוטונים’ נטען שמשולבים בו תא דלק ומאגר מימן מוצק. השילוב של אלקטרודת פחמן עם הפרוטונים מהמים מעניק לתא זה יתרון מבחינת אנרגיה, וכן מסייע מבחינה סביבתית וכלכלית.
הנעת מצברים באמצעות פרוטונים עשויה להוכיח את עצמה כחסכונית יותר מאשר שימוש בחלופות של ליתיום-יון, שעשויות ממשאבי מינרלים שמצויים בצמצום. פחמן, שהוא החומר העיקרי שבו נעשה בשימוש במצבר הפרוטונים, קיים בשפע, והוא זול הן בהשוואה לסגסוגת מימן מתכתי והן בהשוואה לליתיום הדרוש עבור מצברי ליתיום-יון נטענים. המצבר נטען בפרוטונים הנוצרים על-ידי ביקוע מים ולאחר מכן מאוחסנים בקתודת הפחמן. לאחר מכן הם משתחררים ומועברים בחזרה דרך תא הדלק, כדי ליצור אנרגיה. באבטיפוס הראשון ניתן לאחסן כמות אנרגיה למסת יחידה הדומה לזו שמאוחסנת במצברי ליתיום-יון שנעשה בהם שימוש באלקטרודה נקבובית, המופעלת על-ידי פחמן ועשויה משרף פנולי, שמפיקה 1.2 וולט.
