ראש בראש: סוללות או מימן?

ענף ההיסעים נהפך לירוק. מה שהחל בהססנות לפני שנים ספורות נהפך לשטף של ממש. הדרישה הגלובלית להפחתת פליטת הפחמן ממגזר התחבורה מביאה לשינויים גדולים בצבר ההזמנות, ומפעילות תחבורה ציבוריות מתלבטות בין רכישת אוטובוסים המבוססים על סוללות לבין אוטובוסים המופעלים באמצעות תאי־דלק (מימן). שני הסוגים מתגלים כמועמדים מובילים להחליף את צי הדיזל הקונוונציונלי בתוך שנים ספורות.

ההנחיות העדכניות של האיחוד האירופי תרמו לעליית הרכישות של אוטובוסים בעלי אפס פליטות ל־49% מהמסירות החדשות בשנת 2024. מדינת קליפורניה שבארה"ב היא ספינת הדגל ודורשת ציי רכבים נטולי פליטות לחלוטין עד 2040. גם רשות התחבורה המטרופולינית של ניו יורק (MTA) מתחייבת להחליף את כל צי האוטובוסים שלה ברכבים נטולי פליטות עד 2040 כדי למנוע יותר מ־500,000 טונות מטריים של פליטות גזי חממה מדי שנה.

אוטובוסים חשמליים מבוססי סוללה פועלים באופן דומה לרכבים חשמליים משפחתיים. הם נדרשים לטעון חשמל מרשת החשמל ולאגור אותו בסוללות מובנות, בדרך כלל חבילות ליתיום־יון הממוקמות על הגג או השלדה. סוללות אלו מזינות מנוע חשמלי שמניע את האוטובוס. הפשטות המובנית של מערכות הנעה חשמליות ומספר מופחת של חלקים נעים בהשוואה למנועי בעירה פנימית, מתורגמים בדרך כלל לדרישות תחזוקה נמוכות יותר. לאוטובוסים חשמליים מבוססי סוללה אפס פליטה מזהמת, ולכן הם תורמים ישירות לשיפור איכות האוויר המקומית.

אוטובוסים חשמליים מוטענים במגוון שיטות. הנפוצה ביותר היא טעינת לילה במסופים ייעודיים. מטען ממוצע של 150 קילו־ואט עשוי לטעון סוללה של 450 קילו־ואט־שעה ב־4 שעות בממוצע. קיימת גם טעינת הזדמנות בתחנות קצה או בתחנות לאורך המסלול באמצעות פנטוגרפים: זרועות ענק נשלפות מתחברות לפסי טעינה עיליים ומאפשרות טעינה עד 220 קילו־ואט לאוטובוס. הדבר מצריך מבנים עיליים, ואפשר להשתמש בו לטעינת הזדמנות בדרך. יש גם חברות שמפתחות כיום טעינה אינדוקטיבית: טעינה אלחוטית באמצעות משטחים תת־קרקעיים, בעלת שיעורי טעינה של עד 500 קילו־ואט. התחזוקה נמוכה מאוד בשל היעדר חלקים נעים, אך היא עדיין אינה משולבת באופן נרחב בעיצובי אוטובוסים.

תשתית הטעינה של אוטובוסים מבוססי סוללה מגוונת מאוד. זה מתחיל במטעני רמה 2 שמספקים טעינה במהירות נמוכה למדי (עד 19 קילו־ואט), מתאימים לטעינת לילה במסוף ואורכים 11-6 שעות לטעינה מלאה. מחירם בינוני והם קלים למדי להתקנה. מטעני רמה 3, הידועים גם כמטעני DC מהירים, מאפשרים טעינה מהירה הרבה יותר (30 עד 350 קילו־ואט, אם כי דגמי האוטובוסים החשמליים הנוכחיים נטענים עד 125 קילו־ואט) ומקצרים את זמני הטעינה ל־5-1 שעות. אלה מצריכים שדרוגי כוח תלת־פאזיים של 480 וולט, יקרים יותר ממטעני רמה 2 ומורכבים יותר להתקנה.

אוטובוסים חשמליים מבוססי תאי דלק הם סוג של אוטובוס חשמלי המשלב תא דלק מימני עם סוללות (או קבלים) במבנה היברידי. תא הדלק מייצר חשמל באמצעות תגובה אלקטרוכימית בין מימן (המאוחסן באוטובוס) לחמצן מהאוויר, ומים וחום הם תוצרי הלוואי היחידים. הדבר מבטיח אפס פליטות מזהמות מהאוטובוס. חשמל זה משמש להנעת המנוע החשמלי ישירות ולשמירה על טעינת הסוללות. הסוללות/קבלים מספקים בעיקר כוח שיא להאצה ולטיפוס בעליות ואוגרים אנרגיה מבלימה רגנרטיבית. אוטובוסים מבוססי תאי דלק משווקים כתחליף "כמעט זהה" לאוטובוסים המבוססים על דיזל בשל בדמיון התפעולי, במיוחד במהירות התדלוק ובטווח הנסיעה.

למימן צפיפות אנרגיה גבוהה יותר ממערכות אחסון חשמליות כגון סוללות, מה שמאפשר טווח נסיעה ארוך יותר. תדלוק אוטובוס כזה אורך כיום כ־7 דקות, ופיתוחים מכוונים לפחות מ־5 דקות.

Hino fuel cell Toyota

Iveco fuel cell

Iveco-Hyundai fuel cell bus

יעילות אנרגטית, ביצועים ותפעול

לאוטובוסים חשמליים מבוססי סוללה יעילות אנרגטית גבוהה הרבה יותר (כשהיא נמדדת בשיטת 'מהמכל לגלגל) מזו של אוטובוסים חשמליים מבוססי תאי דלק. על כל 100 יחידות אנרגיה נכנסת, אוטובוס מבוסס סוללה מנצל 90-85 יחידות להנעת הרכב. יעילות גבוהה זו מיוחסת להמרה הישירה של אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. מחקרים מלמים שאוטובוסים מבוססי סוללה יעילים פי שניים עד פי 2.45 מאוטובוסים מבוססי תאי דלק.

בהשוואה לרכבי דיזל קונוונציונליים, אוטובוסים מבוססי סוללה מציגים שיפור ניכר ביעילות, הנעה מ־3.5 פעמים במהירויות בכביש מהיר ועד פי 7-5 במהירויות עירוניות נמוכות, היכן שאיבודי אנרגיה במצב סרק ואיבודי אנרגיה עקב עצירות גבוהים ביותר במנועי דיזל.

לאוטובוסים חשמליים מבוססי תאי דלק יעילות אנרגטית כוללת של 70-60 אחוזים. תאי דלק עצמם עשויים להגיע ליעילות חשמלית גבוהה (יותר מ־60% לתאי דלק), אך היעילות הכוללת של המערכת נמוכה יותר בשל איבודי אנרגיה הכרוכים בייצור, דחיסה, אחסון המימן ותהליך ההמרה בתוך מערכת תאי הדלק.

למרות זאת אוטובוסים מבוססי תאי דלק עדיין יעילים יותר מאוטובוסים המונעים בדיזל. ההבדל המהותי ביעילות האנרגטית בין שתי הטכנולוגיות נובע מנתיבי המרת האנרגיה שלהן. אוטובוסים מבוססי סוללה ממירים ישירות אנרגיה חשמלית מאוחסנת לאנרגיה מכנית. לעומתם אוטובוסים מבוססי תאי דלק כרוכים בשלב המרה נוסף: המימן מומר תחילה לחשמל בתא הדלק, ורק אז מניע את המנוע. כל שלב המרה כרוך בהכרח באיבודי אנרגיה, בדרך כלל כחום.

הבדל יסודי זה ביעילות המרת האנרגיה משפיע על עלויות התפעול (פחות אנרגיה נרכשת לאוטובוסים מבוססי סוללה) ועל טביעת הרגל הסביבתית הכוללת (פחות בזבוז אנרגיה). אם כן בעבור אותה כמות של אנרגיה ראשונית (לדוגמה, חשמל מתחדש), אוטובוס מבוסס סוללה ייסע מרחק רב הרבה יותר או יצריך פחות קלט אנרגיה.

תדלוק, טעינה וטווח נסיעה

לאוטובוסים חשמליים מבוססי תאי דלק צפיפות אנרגיה גבוהה יותר בזכות המימן, המאפשר טווח נסיעה ארוך יותר עם יותר מ־600 ק"מ בתדלוק אחד ואפשרות למודול של ארבעה מכלים המאריך את הטווח בקרוב ל 120 ק"מ נוספים. תדלוק של אוטובוס המבוסס על תאי דלק מהיר הרבה יותר (כאמור, כ־7 דקות לתדלוק טיפוסי עם פיתוחים המכוונים לפחות מ־5 דקות), בדומה לזמני התדלוק של אוטובוסים קונוונציונליים בעלי הנעת דיזל.

ההבדל במהירות התדלוק/טעינה ובטווח הנסיעה מדגיש פשרה תפעולית קריטית. באוטובוסים מבוססי תאי דלק זמני התדלוק מהירים (דקות) והטווחים ארוכים הרבה יותר מאלה של אוטובוסים מבוססי סוללה (טעינה שנמשכת שעות, טווח טיפוסי של 300 ק"מ). הבדל זה טבוע במדיום אחסון האנרגיה. מימן, בהיותו גז, יכול להישאב במהירות, בדומה לדלק נוזלי. סוללות מצריכות תהליכים אלקטרוכימיים שאורכים זמן רב יותר לטעינה מלאה, גם עם מטענים מהירים.

צפיפות האנרגיה הגבוהה יותר של מימן מאפשרת גם אחסון אנרגיה גדול יותר באוטובוס ביחס משקל המימן לנפח, ובכך מאפשרת טווחים ארוכים יותר. פרופיל תפעולי 'דמוי דיזל' של אוטובוסים מבוססי תאי דלק, הופך אותם לאטרקטיביים במיוחד לקווים המצריכים מרחקים ארוכים, תדירות גבוהה או שינויים מהירים של קווי ההסעה, היכן שזמני הטעינה והגבלות הטווח של אוטובוסים מבוססי סוללה יחייבו יותר אוטובוסים או לוגיסטיקת טעינה מורכבת. הדבר מלמד על נישות נפרדות לכל טכנולוגיה ולא על עליונות אוניברסלית של אחת על פני השנייה.

Karsan electric

MAN electric lionscitye family

קיבולת נוסעים ומשקל האוטובוס

אורכם של אוטובוסים חשמליים מבוססי סוללה נע בין 6.8 מטרים ל־18 מטרים, וקיבולת הנוסעים נעה בין 40 ל־140 נוסעים. אוטובוסים באורך 12 מטר יכול להכיל 35 מקומות ישיבה ועד 84 נוסעים. אוטובוסים חשמליים מבוססי תאי דלק יכולים להכיל עד 82 נוסעים (40 יושבים ו־42 עומדים). צפיפות האנרגיה הגבוהה יותר של המימן בהשוואה לסוללות ליתיום הופכת אותו למתאים לרכבים כבדים.

המשקל של חבילות הסוללה באוטובוסים חשמליים מבוססי סוללה יוצר מגבלה של ממש. לסוללות, במיוחד חבילות גדולות הנדרשות לטווחים ארוכים של אוטובוסים, משקל רב המפחית את קיבולת המטען הפוטנציאלית (נוסעים) ומגדיל את מסת הרכב הכוללת. ככל שרכב כבד יותר הוא מפעיל לחץ רב יותר על תשתית הכבישים, והדבר מביא לבלאי מוגבר. זו אינה רק בעיה ברמת הרכב. יש לה השלכות מערכתיות. נזק מוגבר לכבישים מתורגם לעלויות תחזוקה גבוהות יותר לתשתיות הציבוריות בעבור הרשויות המקומיות. המשמעות היא גם שבעבור אותו שטח פיזי, אוטובוס מבוסס סוללה עשוי להסיע פחות אנשים מאוטובוס מבוסס תאי דלק או מאוטובוס דיזל דומה, והדבר משפיע על יעילות מערכות התחבורה הציבורית במונחים של נוסע לק"מ. חייבים להביא בחשבון עלות נסתרת זו של משקל הסוללה בעת תכנון ארוך טווח של תשתיות ובחישובי עלות הבעלות הכוללת, מעבר לעלויות התפעול הישירות של האוטובוס.

רמות רעש ואיכות נסיעה

שני סוגי האוטובוסים - חשמליים מבוססי סוללה וחשמליים מבוססי תאי דלק - שקטים הרבה יותר מאוטובוסים בעלי מנוע דיזל קונוונציונלי. נמדדו רמות הרעש שהפיק אוטובוס מבוסס תאי דלק הנמצא במרחק של 2.75 מטרים מרכב והיו 73 דציבלים לכל היותר לעומת 87-82 דציבלים לאוטובוסים המונעים בדיזל.

מחקר הראה שאוטובוס מבוסס תא דלק היה שקט בתשעה דציבלים לפחות מאוטובוס דיזל השקט ביותר. סקלת הדציבלים היא לוגריתמית, לפיכך להפחתה של כל דציבל יש משמעות הרבה מעבר לערכו היחסי. רמת הרעש הנמוכה נובעת מהמאפיינים הסטטיים של תאי הדלק, שיש להם חלקים דינמיים מעטים. בכך נמנעים רעש ורטט הקשורים למנועי בעירה. גם אוטובוסים חשמליים מבוססי סוללה ידועים בפעולתם השקטה ובאיכות נסיעה חלקה יותר.

היתרון המיידי של הפחתת רעש הוא הפחתת זיהום הרעש בסביבות עירוניות ושיפור איכות החיים לתושבים, להולכי רגל ולנוסעים. יתרון זה עשוי לתרום למרחבים ציבוריים נעימים יותר, ופוטנציאלית לתוצאות בריאותיות טובות יותר הקשורות למיעוט החשיפה לרעש.

קיימת השלכה פחות צפויה אך חשובה: סיכון בטיחותי פוטנציאלי להולכי רגל ולרוכבי אופניים שאולי לא ישמעו את האוטובוסים ה'שקטים מדי' כשהם מתקרבים. הדבר מלמד על הצורך במערכות אזהרה קוליות לרכבים חשמליים - שיקול רגולטורי הנובע ישירות מהתקדמות טכנולוגית זו.

Mercedes electric

Mercedes fuel cell

זיהום אוויר במחזור חיי הפעילות

הן אוטובוסים חשמליים מבוססי סוללה והן אוטובוסים חשמליים מבוססי תאי דלק מייצרים אפס פליטות מקומיות (בצינור הפליטה). הבר מפחית כמובן ישירות את זיהום האוויר המקומי באזורים עירוניים. עם זאת יצירת האנרגיה מזהמת (גם אם היא נעשית בתחנת כוח מרוחקת), לפיכך ההשפעה הסביבתית האמיתית של שתי הטכנולוגיות חייבת להיבחן באמצעות ניתוח מחזור חיים המתחשב בפליטות מייצור דלק/אנרגיה, ייצור רכב, תפעול וסוף חיי הרכב.

פליטות גזי חממה במחזור החיים לאוטובוסים מבוססי סוללה נמוכות הרבה יותר מאלה של אוטובוסים קונוונציונליים. ההפחתות נעות בין 39% ל־90% או 65-33 אחוזים, בהתאם למאפייני התפעול של רשת החשמל. כאשר הם מופעלים על ידי מקורות אנרגיה דלי פחמן או מקורות מתחדשים, לאוטובוסים מבוססי סוללה פליטות גזי החממה הנמוכות ביותר לאורך מחזור חייהם. אבל אם רשת החשמל תלויה בדלק המופק מנפט או בדלק ממקורות מזהמים אחרים (כגון פחם או גז טבעי), היתרונות הסביבתיים פוחתים, ובמקרים קיצוניים אף עלולים לגרום פליטות גבוהות יותר מאשר רכבי דיזל.

גם לאוטובוסים מבוססי תאי דלק הפחתות ממשיות בגזי חממה בהשוואה לאוטובוסים המונעים בדיזל, אלא שפליטות מחזור החיים שלהם תלויות במידה רבה בשיטת הייצור של המימן. לדוגמה, מימן המיוצר מדלק המבוסס על נפט (לדוגמה, גז טבעי, "מימן אפור") מפחית מאוד את יתרונות הפליטה, ולעיתים אף גורם פליטות גבוהות יותר מאשר רכבי דיזל. לעומת זאת מימן המיוצר מחשמל מתחדש ("מימן ירוק"), יכול להביא להפחתה של עד 89% בפליטות.

המסקנה המתבקשת היא כי תווית 'אפס פליטות' בצינור הפליטה של הרכב אינה מכילה את כל רכיבי 'טביעת הרגל הסביבתית'. הקיימות האמיתית של שתי הטכנולוגיות קשורה באופן אינטגרלי להפחתת פליטת הפחמן לכל אורך שרשרת האספקה של האנרגיה. בעבור אוטובוסים מבוססי סוללה, המשמעות היא מעבר מהיר לייצור חשמל מתחדש. בעבור אוטובוסים מבוססי תאי דלק, הדבר מצריך אימוץ נרחב של ייצור "מימן ירוק". ללא אלה, היתרונות האקלימיים מדוללים במידה רבה, ובמקרים הגרועים ביותר אף מבוטלים והופכים פליטה מקומית לבעיית פליטה גלובלית. הדבר מרמז כי השקעות באוטובוסים נטולי פליטות חייבות להיות משולבות בהשקעות מקבילות בתשתית האנרגיה המתחדשת.

טעינת מגה־ואט

כדי לספק את דרישת השוק של תעשיית המשאיות והאוטובוסים להטעין רכבים כבדים חשמליים בזמן סביר, נחוץ פתרון חדש לטעינה בהספק גבוה. הוא יעזור לעמוד ביעדי האקלים והקיימות ולהציע גמישות מרבית למשתמשים. לכן יש להביא בחשבון סוללות בעלות קיבולת גדולה יותר. כדי לטעון סוללות בקיבולת גדולה באותו זמן כמו היום ואפילו מהר יותר, יש להגביר את כוח הטעינה. מלבד מתח הטעינה יש להגביר את זרם הטעינה כדי להגביר את עוצמת הטעינה.

טעינת מגה־ואט נוגעת לטעינה מהירה במיוחד של כלי רכב חשמליים בהספק של 1 מגה־ואט (1,000 קילו־ואט) ומעלה. טכנולוגיה זו מאפשרת להוסיף טווח נסיעה רב בזמן קצר כגון 400 ק"מ בתוך 5 דקות. זה שיפור של ממש בהשוואה לטעינה רגילה, ומיועד בעיקר לרכבים כבדים ולצי רכב חשמלי. טעינת מגה־ואט, MSC, מגיעה לעוצמות זרם של 3,000 אמפר ו־1.25 קילו־ואט כדי לספק עד 3.75 מגה־ואט בעת טעינה.

המעבר לאוטובוסים חשמליים מבוססי סוללה אינו מסתכם ברכישת אוטובוסים ומטענים. זה שינוי מהותי בדרישת האנרגיה, שמשפיע ישירות על רשת החשמל המקומית. נחוצים שדרוגי רשת מהותיים (לדוגמה, תחנות משנה חדשות בעלות מיליארדי דולרים) ומערכות ניהול טעינה מתוחכמות, ואלה מוסיפים עלויות מקדימות מהותיות ומורכבות תפעולית מעבר לאוטובוס עצמו.

הדבר מרמז כי פריסה מוצלחת של אוטובוסים מבוססי סוללה מצריכה שיתוף פעולה הדוק של סוכנויות תחבורה, ספקי שירותי חשמל ותכנון אנרגיה עירוני פרואקטיבי. המשמעות היא שצי אוטובוסים חשמליים גדול מצריך כוח רב. מיתקן לאוטובוסים חשמליים מבוססי סוללה לטווח ארוך עשוי להצריך 50 מגה־ואט, שווה ערך ל־10,000 בתים ממוצעים, מה שעלול לחייב תחנת משנה בעלות של 18 מיליון דולר.

ברמת המדינה יידרשו כמובן כמה תחנות כוח כאלה. ניהול טעינה על פני מספר תחנות בלי לחרוג ממגבלת כוח ספציפית (אופטימיזציית עומס) וקביעת סדרי עדיפויות לטעינה (לדוגמה, בהתבסס על זמן יציאה מתוכנן) הם קריטיים. מחסני אוטובוסים קיימים עשויים להצריך שדרוגי תשתית חשמל בעלי משמעות.

Solaris Urbino 18 hydrogen

Solaris electric

תשתית לתדלוק מימן

הזכרנו את החשיבות שיש לייחס למקור הייצור של מימן. בהתאם, יש גם סוגים של תחנות תדלוק. העלות הממוצעת של הקמת תחנה לאספקת גז היא שני מיליון דולר לקיבולת אחסון של 180 ק"ג/יום. כשעוברים לגז במצב צבירה נוזלי, העלות הממוצעת היא 2.8 מיליון דולר לקיבולת אחסון של 350 ק"ג/יום. אם המימן מיוצר באתר (אלקטרוליזה), העלות הממוצעת כבר מגיעה ל־3.2 מיליון דולר לקיבולת אחסון של 120 ק"ג/יום.

להפקת המימן מתווספות עלויות תדלוק המימן של רכבים כבדים: תחנות מימן לאוטובוסים בתחבורה הציבורית עולות כחמישה מיליון דולר לתחנה שיכולה לתדלק עד 25 אוטובוסים ביום. עלות המימן הנוכחית בתחנות תדלוק בקליפורניה למשל גבוהה, ונעה בין 13 ל־15 דולר לק"ג מימן, בעיקר בשל העלות הגבוהה של תחנות התדלוק, קיבולות קטנות וניצול נמוך. עלות תחנת התדלוק לבדה תורמת כשבעה דולרים לק"ג מימן לעלות הכוללת. היעד ארוך הטווח הוא ארבעה דולרים לק"ג מימן.

כשרוצים לעבות צי אוטובוסים מבוססי מימן, נכנסים לתמונה גם אתגרי התשתיות. תחנות מימן הן יישום חדש של טכנולוגיה קיימת, הנבנות במספרים קטנים, מה שמביא לעלויות גבוהות עקב שרשראות אספקה מוגבלות וחוסר יתרונות לגודל.

קיים מחסור ניכר בתשתית תדלוק מימן. העלויות הגבוהות של תחנות תדלוק מימן (5-2 מיליון דולר) ועלות המימן הגבוהה בתחנה (15-13 דולר לק"ג) נובעות בעיקר מעלות ציוד התדלוק, קיבולות התחנה הקטנות, חוסר יתרונות לגודל וניצול נמוך. ניצול נמוך של תחנה מנפח את העלויות ב־40% בערך.

הדבר מדגיש את דילמת הביצה והתרנגולת הקלסית. עלויות תשתית גבוהות ומחירי דלק גבוהים הנובעים מכך מרחיקים אימוץ נרחב של אוטובוסים מבוססי תאי דלק. אימוץ נמוך של אוטובוסים מבוססי תאי דלק מביא לתשתית שאינה מנוצלת, מה ששומר על עלויות גבוהות לק"ג מימן ומנציח את המעגל. תמיכה ממשלתית והרחבת מסדרונות אסטרטגיים חיוניים לשבירת המעגל, להשגת יתרונות לגודל ולהפחתת עלויות, הצפויות להגיע לשני דולר לק"ג מימן בשווקים בוגרים.

Tata fuel cell

Volvo electric