אלקטרוליזה של מים באמצעות פוטו-וולטאי עם יעילות המרה שמש–ל‑H2 של 31.3% בתנאי שטח חיצוניים

להפוך את אור השמש לדלק נקי

מימן נתפס פעמים רבות כדלק נקי של העתיד, אך ייצורו בדרך ידידותית לאקלים נשאר אתגר מרכזי. מחקר זה מתאר מכשיר קומפקטי שמשתמש באור שמש מרוכז לפיצול מים למימן וחמצן ביעילות יוצאת דופן, ועושה זאת בחוץ בתנאי עולם אמיתיים. עבור קוראים המתעניינים איך ניתן לאחסן אנרגיה סולרית לשימוש בלילה, להעבירה בין עונות, או להפעיל תעשיות כבדות ללא דלקים פוסיליים, עבודה זו מציעה הצצה לנתיב מעשי קדימה.

מדוע מימן שמופק מאור השמש חשוב

אנרגיית שמש ורוח זולה ונקייה, אך הן לא תמיד זמינות כשאנחנו זקוקים להן. מימן יכול לשמש כסוללת אנרגיה גמישה: ניתן לאחסנו לתקופות ארוכות, להעבירו למרחקים גדולים, ולהפוך אותו חזרה לחשמל, לחום או לשימוש כחומר גלם כימי. הבעיה היא שרוב המימן כיום מופק מגז טבעי, מה שמשחרר כמויות גדולות של פחמן דו‑חמצני. פיצול מים באמצעות חשמל מתחדש מונע את הפליטות האלה, אך מערכות טיפוסיות מבזבזות חלק גדול מאנרגיית השמש הנכנסת. דחיפת היעילות מעבר ל‑15% נחשבת שלב מפתח להוזלת מימן סולארי בקנה מידה גדול.

מכונה קומפקטית שמש–ל‑מימן

החוקרים בנו מודול אב‑טיפוס בשם HyCon, שמחבר בקשר הדוק שתי טכנולוגיות בשלבי בגרות: תאי שמש ביצועים גבוהים ואלקטרוליזרים ממברנת אלקטרוליט פולימרי (PEM). מערך של ארבע עדשות פרנסל קטנות מרכז אור שמש ישיר בכ‑200 פעמים על ארבעת תאי השמש המתקדמים מסוג "ארבע‑שכבות" המורכבים על צלחת נחושת. תאים אלה מצטברים מספר שכבות סופגות־אור כדי לקלוט טווח רחב של צבעים מהשמש ולייצר מתח העולה על 4 וולטים. בגב אותה צלחת מחוברים שני תאי אלקטרוליזה מסוג PEM בטור ישירות אל תאי השמש. כאשר אור מרוכז פוגע בתאי השמש, הם מפעילים את האלקטרוליזרים ללא אלקטרוניקה כוח מתווכת, ומפצלים מים מזוקקים לזרמים נפרדים של גז מימן וחמצן.

כיצד העיצוב ממצה יעילות גבוהה

כדי להגיע ליעילות המרה גבוהה, תאי השמש והאלקטרוליזרים צריכים לפעול בנקודת איזון שבה התפוקה החשמלית של התאים תואמת בקירוב לדרישת תגובת פיצול המים. הצוות בחר בקפידה לחבר ארבעת תאי השמש במקביל ושני תאי האלקטרוליזה בטור כך שעקומות הזרם–מתח שלהם יחבקו מתחת לנקודת ההספק המקסימלית של תאי השמש. הם גם אפיינו כיצד גורמי עולם‑אמיתי, כגון שינויים בעוצמת השמש וטמפרטורת המים, מזיזים נקודת פעולה זו במהלך היום. מים חמים יותר מורידים את המתח הנדרש לאלקטרוליזה, לכן החוקרים חיממו מראש את מי הכניסה לכ‑60 מעלות צלזיוס ועיצבו את המודול כך שבגרסאות עתידיות חום פסולת מתאי השמש יוכל לשמור על חימום האלקטרוליזרים. אסטרטגיה זו מסייעת למערכת לשמור על יעילות גבוהה גם כשהשמש והאלמנטים משתנים.

תפקוד שיא בחוץ במבחני שטח

מודול HyCon נבדק במשך 13 ימים בקיץ על מעקב שמש דו‑צירי בפראייבורג, גרמניה, ששמר על העדשות מכוונות ישירות לשמש. תחת אור שמש ישיר חזק, המכשיר המיר עד 31.3% מאנרגיית השמש הנכנסת לאנרגיה כימית המאוחסנת במימן, כפי שנמדד לפי ערך החימום הגבוה של הגז. בשיא זה, מערך תאי השמש פעל בכ‑כ‑35% יעילות והסטאק האלקטרוליטי פעל קצת מעל 91%. על פני יום שמש מלא, המודול הגיע לממוצע יעילות של כמעט 29% וייצר יותר מ‑60 גרם מימן למטר מרובע של שטח העדשה, ללא הידרדרות ביצועים ניתנת למדידה. בהשוואה למערכות אלקטרוליזה מופעלות סולארית אחרות, השילוב של תאי שמש מרוכזים רב‑שכבתיים ואלקטרוליזרי PEM מחוברים ישירות סיפק את היעילות המדווחת הגבוהה ביותר בתנאי שטח אמיתיים.

מה משמעות הדבר לאנרגיה ירוקה עתידית

המחקר מציע שחיבור ישיר של תאי שמש מרוכזים רב‑שכבתיים לאלקטרוליזרי PEM קומפקטיים יכול להוות אבני בניין יעילות להפקת מימן סולארי, במיוחד באזורים שטופי שמש ויבשים העשירים בהארה ישירה. מכיוון שגישת HyCon נמנעת מאלקטרוניקה כוח נוספת, מנצלת היטב גם אור וגם חום, וניתנת להגדלה על‑ידי שכפול המודול, היא עשויה לעזור להוריד את עלות המימן הירוק לרמות תחרותיות מול מימן מבוסס‑דלקים פוסיליים. אף שעדיין יש צורך בשיפורים בניהול חום, בעיצוב תאי שמש ובפריסה בקנה מידה גדול, עבודה זו מראה שהפיכת אור שמש לדלק נקי שניתן לאחסון ביעילות מאוד גבוהה אינה סתם סקרנות מעבדה אלא אופציה מציאותית בתנאי שטח אמיתיים.

ציטוט: Martínez, J.F., Ohlmann, J., Smolinka, T. et al. Photovoltaic water electrolysis reaching 31.3% solar-to-H₂ conversion efficiency under outdoor operating conditions. Commun Eng 5, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00610-x

מילות מפתח: מימן סולארי, אלקטרוליזה של מים, פוטו-וולטאיקה מרוכזת, אחסון אנרגיה מתחדשת, מימן ירוק