סוללות חשמליות? אפשר גם מימן

מערכות האנרגיה ברחבי העולם עוברות בשנים האחרונות שינוי מהותי. הרצון להפחית את פליטת CO₂ מחייב את כולם להפחית את התלות בדלק שמופק מנפט, ובד בבד נדרשים פתרונות כוח מגוונים יותר לצרכי ענף התחבורה. חלק מהחברות בחרו לעמוד בחזית ומשקיעות סכומי עתק כדי לתכנן ולספק תובלה חשמלית נקייה מפליטות תוך שימוש בטכנולוגיות חדשניות של סוללות ותאי דלק. עם זאת, בדרך כלל משחק הגומלין בין סוללות לתאי דלק אינו מובן, וגם לא איזו טכנולוגיה עדיפה, למי ומתי.

נראה עד לא מכבר שהשיפורים הטכנולוגיים בסוללות הכריעו את המלחמה. יצרני המשאיות והאוטובוסים כבר מגיעים לטווח נסיעה של יותר מ-500 ק"מ בין טעינות, אבל להשלמת התמונה יש להוסיף מארז סוללות כבד ויקר.

למרות שמערכות תאי דלק וסוללות נתפסות בעיני חלק כטכנולוגיות מתחרות, הן למעשה פועלות יחד כדי להביא אפשרויות נוספות לענפי התובלה וההסעות. רכבים מסחריים המונעים בסוללות נהפכים במהירות ליעד מבוקש - מוואנים המבצעים משימות משלוח ועד מחפרים חשמליים קטנים. גם תשתית הטעינה מתרחבת, ועימה רשת ההנעה החשמלית שצוברת יותר פופולריות.

כלי רכב חשמליים המונעים על ידי תאי דלק (FCEV) - מכונים לעיתים רכבי מימן - פועלים באמצעות מערכת של תאי דלק. הם מייצרים בדרך כלל חשמל באמצעות חמצן מהאטמוספירה ומימן דחוס. הם אינם מייצרים פליטת צינור מוצא, ופולטים רק אדי מים ואוויר חם.

מערכות החשמל של תאי הדלק נועדו לשפר, ומתבססות על פלטפורמות הסוללה וההנעה החשמלית שממשיכות לצמוח ברחבי העולם. למרות שלכל מערכת יש יתרונות משלה, שילוב הטכנולוגיות המתפתחות של סוללות ותאי דלק עשוי לעזור לנו להפחית את הפחמן הכולל ולהגביר את האימוץ של כוח בר-קיימה בלי לפגוע בביצועים.

מערכות תאי דלק משפרות את ביצועי הסוללות ומאפשרות להן לטפל הן בבעיה של טווח הנסיעה והן בזמן התדלוק. שני החסרונות האלו מנעו אימוץ של רכבים חשמליים עם סוללות ליישומים מסוימים. לא משנה איך המנוע ומקור הכוח מוגדרים, מערכת הסוללות תמיד תישאר חלק חיוני מהפתרון לרכב חשמלי. כיוון שכך, הסוללות לא יוחלפו בתאי דלק אלא רק יתמכו בתאי הדלק לשם הפחתה נוספת של פליטת הפחמן בלי לגרוע מביצועי הרכב.

כאשר בוחנים איזו מערכת מתאימה ללקוחות, יש לבחון בקפידה טווח נסיעה, משקל, זמן השבתה, דרישות ביצועים, פעילות כלכלית-תפעולית של הלקוחות ותשתיות קשורות, הכול כדי לספק את האפשרויות הטובות ביותר לתאי דלק, לסוללה חשמלית או לצורה מסורתית יותר של כוח המבוסס על דיזל או גז. מה שחשוב הוא להבין את צרכי המשתמשים.

השוואה בין סוללה לתא דלק עשויה לבלבל, שכן שניהם עשויים לשמש כמקורות כוח, רק בדרכים אחרות. בכלי רכב חשמליים המבוססים על סוללות, האחרונות אוגרות ומספקות אנרגיה למערכת ההנעה. רכב חשמלי עם תאי דלק מייצר חשמל באמצעות מימן כדלק, וגם מספק אנרגיה למערכת ההינע. תא הדלק יכול גם לטעון את הסוללה. המימן עצמו פועל כמוביל אנרגיה וכמכשיר אחסון, בדומה לסוללה. עם זאת בדרך כלל לתצורות תאי הדלק יש יכולת מוגבלת לניהול דרישות האנרגיה של מערכת ההנעה באופן דינמי, כפי שמאפשרות הסוללות. מערכת הסוללות היא זו שמספקת את התגובה המהירה הנדרשת כדי להתאים לדרישת העומס ממערכת ההינע.

תדלוק במימן למנוע תאי דלק

למרות השיפורים הטכנולוגיים הגדולים בסוללות, מתברר שהרעיון לשלב מנועי תאי דלק בתובלה הכבדה לא נזנח כלל ועיקר. יצרני משאיות גדולים ממשיכים להשקיע סכומי עתק גם בטכנולוגיות מימן, ומעריכים שזאת שיטת ההינע הטובה ביותר לתובלה ארוכת טווח, למשאיות המבצעות פעילות קשוחה בשטח ולאוטובוסים בינעירוניים ותיירותיים שגומעים מרחקים גדולים מדי יום.

כל זה מחייב תשתית תדלוק זמינה במימן. בפרלמנט האירופי קבעו שמדינות האיחוד האירופי צריכות להבטיח שתחנות תדלוק מימן לאורך ליבת רשת 'TEN-T' (רשת הכבישים המרכזית באירופה) תכלול גם תחנות תדלוק במימן. בשפת המספרים, תחנה אחת לפחות כל 200 ק"מ עד שנת 2031.

המשתמשים ברכבי דלק חלופי יצטרכו להיות מסוגלים לשלם בקלות בנקודות הטעינה (בכרטיסי תשלום או במכשירים ללא מגע וללא צורך במנוי). מחיר ה"דלק" הזה לדקה/קוואט יוצג לפי צריכת חשמל או לק"ג חומר.

הכללים החדשים בנושא תשתיות דלק חלופי נקבעו בהצבעה בפרלמנט. 514 הצביעו בעד, 52 נגד ו-74 נמנעו. לאחר אישור המועצה, כללי התשתית של הדלק החלופי יחולו שישה חודשים לאחר כניסתם לתוקף.

וולוו תשיק משאיות המונעות במימן

חטיבת המשאיות של וולוו מפתחת משאיות עם מנועי תאי-דלק הפועלים על מימן. בדיקות מעשיות בתובלת כביש עם המשאיות האלו יחלו בשנת 2026, וההשקה המסחרית מתוכננת לקראת סוף העשור הזה. משאיות הפועלות על מימן ירוק מקדמות מאוד את וולוו לקראת השגת יעד אפס שלה, ומעודדות לקוחות להגיע לאיפוס פליטת הפחמן שלהם.

הכוונה של וולוו היא להשיק משאיות עם מנועים שיכולים לפעול על מימן ירוק. משאיות אלו הן צעד ממשי בהפחתת הפחמן בהובלה כבדה. משאיות הפועלות על מימן ירוק במקום דלק שמופק מנפט, הן דרך אחת להפחתת פחמן. משאיות מימן יתאימו במיוחד למרחקים ארוכים ולאזורים שבהם יש תשתית טעינה מוגבלת.

הבדיקות במעבדות ובכלי הרכב נמשכות כל העת. משאיות המונעות במימן ישלימו את היצע החלופות האחרות של וולוו כגון משאיות חשמליות עם סוללות, משאיות חשמליות עם תאי דלק ומשאיות הפועלות על דלק מתחדש כגון ביו-גז ו-HVO (שמן צמחי עם מים).

יאן הילמגרן, ראש מחלקת ניהול ואיכות מוצרים בוולוו טוען, כי משאיות שבהן מנוע הבעירה הפנימית המסורתי נשאר אך פועל על מימן, יהיו בעלות אותם ביצועים ואמינות כמו משאיות הדיזל, אך עם יתרון נוסף של פליטת CO₂ נטו אפסית עד הגלגל. הן יהיו השלמה חשובה למשאיות החשמליות שנמצאות בשוק כבר כמה שנים. למשאיות וולוו עם מנועי בעירה המונעות על ידי מימן ירוק, יש פוטנציאל לספק נטו אפס CO₂ מקומי לגלגל בעת שימוש ב-HVO מתחדש כדלק הצתה, והן מסווגות כ"רכבים אפס פליטה" (ZEV) בתקני פליטת CO₂ החדשים שאושרו באיחוד האירופי.

בוולוו מאמינים שדרושים כמה סוגים של טכנולוגיות כדי להפחית את הפחמן של התובלה כבדה. וולוו, כיצרנית משאיות עולמית, צריכה לתמוך בלקוחות על ידי הצעת מגוון של פתרונות לאיפוס פליטת הפחמן. הלקוחות יכולים לבחור את החלופה שלהם בהתבסס על הקצאת תחבורה, תשתית זמינה ומחירי האנרגיה הירוקה במדינתם.

למשאיות וולוו עם מנועי בעירה המונעים במימן תהיה הזרקה ישירה בלחץ גבוה (HPDI), טכנולוגיה שבה כמות קטנה של דלק הצתה מוזרקת בלחץ גבוה כדי לאפשר הצתה בדחיסה לפני הוספת מימן. היתרונות של טכנולוגיה זו הם יעילות אנרגטית גבוהה יותר עם תצרוכת דלק נמוכה יותר והספק מנוע מוגבר.

בד בבד חתמה קבוצת וולוו על הסכם עם חברת Westport Fuel Systems להקמת מיזם משותף המשתמש בטכנולוגיית HPDI. המיזם נכנס לפעולה ברבעון השני של 2024.

סולאריס: אוטובוסים מונעים במימן

יצרנית האוטובוסים סולאריס הודיעה לאחרונה על הסכם רכש גדול עם חברת בלארד (Ballard Power Systems). האחרונה תספק לה 1,000 מודולים של מנועי תאי דלק המבוססים על מימן עד שנת 2027. יותר מ-1,700 אוטובוסים של תאי דלק המופעלים על ידי Ballard פועלים ברחבי העולם נכון להיום.

מעניין ש-44.5% מכל האוטובוסים שהופעלו במימן והיו רשומים באירופה בשנת 2023 היו אוטובוסים מבית סולאריס. ההסכם הנוכחי מאגד הזמנות קיימות ל-300 מנועי תאי דלק, תוך הוספת שירותי אחריות מורחבת ואחריות להזמנות קיימות כאלה עם התחייבות לאספקה חדשה של כ-700 מנועי תאי דלק מצטברים ושירותי אחריות מורחבת.

1,000 היחידות יהיו מורכבות מ-80% מנועי FCmove-HD בהספק 70 קילוואט ו-20% FCmove-HD+ בהספק של 100 קילוואט, כדי לתת מענה גם לאוטובוסים של 12 מטר ו-18 מטר. האספקה מ-2024 ועד סוף 2027. מנועים אלו צפויים להיות מוטמעים באוטובוסים של סולאריס ברחבי אירופה, המונעים על ידי מנועי תאי דלק של בלארד ביותר מ-22 ערים.

משאיות מימן בחסות האיחוד האירופי

האיחוד האירופי משיק פרויקט דגל של משאיות מימן, 'H2Accelerate TRUCKS', עם 150 כלי רכב כבדים מונעי מימן שנבדקו בנתיבים המחברים בין סקנדינביה לאיטליה. מדובר בשיתוף פעולה מעניין בתחום המימן, עם שילוב כוחות של יצרני משאיות, פיתוח טכנולוגיות מימן, הפקת מימן ותדלוק במימן.

150 המשאיות שמונעות בתאי דלק ינועו בכבישי אירופה בשנים 2025 עד 2030 כדי לפתח את הטכנולוגיה לשימוש המוני. שותפות H2Accelerate תפתח גם שמונה תחנות תדלוק מימן בצרפת ובהולנד, עם קיבולת גבוהה יותר מכל תחנה ציבורית הפועלת כיום. הדבר מאפשר גישה נוחה למשאיות הפועלות בכבישים מהירים.

הפרויקט אמור להסיר מחסומים בפני פעולות תובלה נפוצות ולסלול את הדרך להפצה רחבה יותר של משאיות מימן בעלות אפס פליטות ברחבי אירופה. משאיות המימן צפויות להשיג טווחים של 600 ק"מ לפחות. משוב משתמשים יספק תובנות לגבי הניסיון שלהם עם תשתית תדלוק מימן, שתשמש לקביעת פתרונות טכנולוגיים אופטימליים להפצה רחבה יותר של תחנות תדלוק מימן. הצלחת הפרויקט תלמד על רמת הבגרות של התוכניות ועל החשיבות האסטרטגית של פיתוח מגזר הובלות המימן באירופה.

תמריצים וסבסודים ממשלתיים למשאיות מימן

קיימים מספר תמריצים, סובסידיות ותקנות ממשלתיות לקידום השימוש במימן בתעשיית התובלה. שותפות המימן הנקי ממומנת על ידי האיחוד האירופי. המימון מופנה לחברות המתמקדות בפחמן כגון Shell, Total ומספר יצרנים מהמובילים באירופה, בהם מרצדס, איווקו וקבוצת וולוו.

שיתוף הפעולה הזה לפיתוח של משאית שמונעת במימן עשוי כעת לצאת לדרך חדשה. כשענקיות האנרגיה האירופיות מצטרפות לדרך, התוצאה עשויה להיות נקודת מפנה. השותפות קיימת אומנם יותר משלוש שנים והשאיפות גדולות, אבל 150 המשאיות הן התוצאה האמיתית הראשונה.

משאיות מימן לעומת משאיות חשמליות

תדלוק מימן למשאית עם טווח של 500 מייל נמשך 15 דקות, וסוללה חשמלית נטענת בין 30 דקות ל-6 שעות לטעינה של 70%, תלוי בתשתית הזמינה. מצד שני, מימן פחות חסכוני בחשמל (35%) מסוללות חשמליות (70%-80%). תאי דלק מימן נמצאים בשלב פיתוח מוקדם יותר, אך עקומת הפחתת העלויות שלהם תלולה יותר, ועלויות התדלוק במימן יורדות. לכך יש להוסיף סובסידיות ותמיכה ממשלתית לתובלה נקייה. מחירי הסוללות יורדים מהר למרות הגדלת הקיבולת החשמלית שלהן.

לתאי דלק מימן יש יתרון בצפיפות האנרגיה על פני סוללות ליתיום-יון במשאיות כבדות בשל משקל ודרישות פעולה תובעניות. מכיוון שהם אינם מייצרים פליטת צינור מוצא, משאיות המונעות במימן אינן פולטות גזי חממה כגון CO₂ בעת נסיעה. הם גם לא מייצרים מזהמי אוויר שעלולים לפגוע בבריאות האדם כגון פחמן חד-חמצני (CO) ותחמוצות חנקן (NOx). לרכבים אלו פליטת גזי חממה נמוכה רק אם הם מופעלים על ידי מימן ירוק.

בשקלול כל הרכיבים, מכון המחקר הגרמני העצמאי Fraunhofer טוען שרכבי תאי דלק צפויים להישאר בלתי תחרותיים אל מול רכבים חשמליים המבוססים על סוללות. אנשי המכון חישבו ומצאו שרכבי מימן מצריכים עלויות שוטפות גבוהות יותר מרכבים חשמליים המונעים רק בסוללות, ותשתית התדלוק במימן לוקה בחסר.

באיחוד האירופי אופטימיים יותר, ומעריכים שעלות הבעלות הכוללת של משאית מימן תשתווה לזו של משאית דיזל מקבילה עד שנת 2026. חישוב זה נסמך, בין היתר, על עלות הבעלות הכוללת של משאיות חשמליות מלאות, כגון תומך מתוצר טסלה, שנמוכה מעלות הבעלות של משאית דיזל בארה"ב.

אבל אפילו אם מניחים את הגורמים האלו בצד, גורם קריטי אחד שמשפיע הן על עלות-תועלת והן על מדרגיות הוא האנרגיה שאובדת בעת המרה של חשמל למימן, ואז מועברת לתוך תא הדלק. בנוגע לקיימות הסביבתית של טכנולוגיית תאי דלק מימן, מימן ירוק כדלק מצריך יותר חשמל לייצור.

אתגרים בייצור מימן ותשתיות

ייצור מימן הוא תהליך מסובך, רובו נגזר עדיין ממקורות 'אפורים', כלומר הפקה שמצריכה השקעת אנרגיה אחרת לצורך קבלת מימן טהור. נוסף על כך ההובלה והאחסון של מימן מציבים אתגרים לוגיסטיים. השימוש באנרגיה רבה להפקת מימן טהור וחזרה לייצור חשמל (באמצעות מנוע המימן), הרבה פחות יעיל מתהליך טעינה חשמלית רגילה לסוללה. למרות המכשולים האלו, יצרני משאיות כגון סקניה ומרצדס בוחנים מימן לתחבורה בת-קיימה מתוך הכרה שמימן ירוק המיוצר באופן ידידותי לסביבה, עשוי למלא תפקיד מכריע בסוגי תחבורה ספציפיים.

פיתוח תשתיות לתחנות תדלוק מימן הוא אתגר קריטי נוסף שיש לטפל בו כדי לתמוך באימוץ נרחב של משאיות מימן. שותפות H2Accelerate השיגה מימון לפריסה של שמונה תחנות תדלוק מימן כבדות באמצעות מכשיר המימון של האיחוד האירופי "Connecting Europe Facility". עם זאת התעשייה תדרוש רשת טעינת תדלוק צפופה כדי להפחית פחמן תוך המשך תמיכה בלקוחות ובסחר באיחוד האירופי ומחוצה לו.

דלק מימן: הצבע קובע

ישנם סוגים רבים של מימן, והם בדרך כלל מובדלים באמצעות מערכת צבעים.

מימן אפור הוא המימן הנפוץ ביותר בשוק כיום. הוא מיוצר על ידי שינוי של גז טבעי, אך ללא כל מאמצים ללכוד ולאגור את תוצרי הלוואי של הפחמן הדו-חמצני. יצירת מימן אפור גורמת פליטות בנפח גבוה.

מימן כחול מופק מגז טבעי, אך נתמך על ידי לכידה ואחסון של פחמן. למרות שהוא בר-קיימה יותר ממימן אפור, הוא עדיין מביא לפליטת גזי חממה עקב דליפות מתאן בלתי נמנעות (נקראות "פליטות נמלטות") בטכנולוגיית לכידה ואחסון של פחמן.

מימן ירוק מיוצר ממקורות מתחדשים בלבד כדי להפעיל את האלקטרוליזה. למרות שהוא עשוי להיות בר-קיימה מבחינה סביבתית, האפשרות להפיק אותו מוגבלת.

המשמעות היא שנדרש להסתכל על יכולתו של המימן הירוק לעמוד בדרישות התחבורה של מדינות. גם אם נתייחס ל-100% מימן ירוק שיהיה זמין בשנת 2030, תוך שימוש בנתונים החזויים על אספקת מימן ירוק (תוך הנחה שיהיה שיפור בטכנולוגיה) ונפרוס את כל הכמות למגזר התחבורה, בסופו של דבר כל כמות האנרגיה המיוצרת תהיה 5% מהצפי בהתבסס על סטטיסטיקות של האיחוד האירופי לתחבורה בשנת 2030.

למימן יש תפקיד בעתיד ללא פחמן, אבל במגזר התחבורה תפקידו מוגבל בשל כמות האנרגיה הדרושה לייצור, אחסון והובלה של מימן בהשוואה למה שהוא מספק כשהוא מומר לאנרגיה "שימושית". לפיכך התרחיש של תעדוף המימן הירוק בעולם לתחבורה, אינו סביר.

סביר יותר שהמימן הירוק יקבל עדיפות בתעשיות אחרות, ביישומים הנחשבים משפיעים יותר מאשר הפעלת רכבים המונעים בתאי דלק. לדוגמה, אפשר להשתמש בו להפחתת הייצור של פלדה על ידי האפשרות לייצר פלדה ללא צורך בשריפת פחם.