ענקים ידידותיים גדולים- חלק א'

עליית מחירי הדלק וזיהום האוויר הרב שיוצרים כלי רכב בעלי הנעה קונבנציונלית, מעודדים מעבר לשיטות הנעה אלטרנטיביות. בימים אלה שוקדים מרבית יצרני המשאיות על דגמים חדשים המבוססים על הנעה באמצעות תאי דלק. מנוע כזה מוזן במימן לצורך הפקת אנרגיה חשמלית נקייה. מקור האנרגיה של מנוע תאי דלק מבוסס על ריאקציה כימית בין המימן לחמצן. יתרונו של המימן הוא בהיותו ידידותי לסביבה ובפליטה נקייה, נטולת CO2 או CO, שאינה גורמת להתחממות כדור הארץ.

מנוע תאי דלק עונה על קריטריונים הנקובים בהסכם שנחתם על ידי מדינות G8. גובש יעד להפחית את פליטת הפחמן בשיעור של 80 אחוזים עד שנת 2050, ולעמוד בתקנות זיהום האוויר של ארה"ב, ואף בתקנות המחמירות במיוחד של מדינת קליפורניה (California Zero Emission Vehicle).

”   הנעה באמצעות תאי דלק נחשבת כיום מערכת הנעה אלטרנטיבית בעלת הפוטנציאל הגדול ביותר לפיתוח, בפרט לתחבורה ציבורית. מלבד פליטת המזהמים המינורית, היא כמעט איננה מייצרת רעש, ובכך מאפשרת לאוטובוסים עירוניים לנוע בשקט בשכונות מגורים   “

לכל יצרני הרכב ברור, כי הנעה באמצעות תאי דלק תיהפך להנעה השכיחה בענף הרכב בכלל ובענף התובלה הכבדה בפרט בשל יתרונותיה בהפחתת זיהום אוויר וחיסכון בתצרוכת אנרגיה. כרגע ישנן מגבלות לשימוש במימן בכלי הרכב (תדלוק, אחסנה ושימוש), ומתווספים אליהן תג מחיר גבוה של המנוע והיעדר תשתיות תדלוק. מנגד ניצבת השאיפה של ענף התובלה להגדיל את טווח הנסיעה, לפשט את המנוע היקר ולהוזילו.

בתחום התובלה הכבדה אין כנראה מנוס מלעבור לשיטה זו. נכון להיום קיבולת הטעינה של מצברי ליתיום-יון אינה עונה על הצרכים. הסוללות מתרוקנות מהר, וזמן הטעינה עד לחזרה לעבודה ארוך למדי. משקלה של המשאית ועבודתה המאומצת מדי יום (בעיקר בתובלה כבדה או ארוכה) מגבילים את טווח הנסיעה, ומרבית המשאיות לא מסוגלות לבצע את מטלותיהן. לפיכך חברות התובלה (להוציא אולי את אלה שעוסקות בחלוקה עירונית) לא ירכשו משאית חשמלית טהורה שנטענת בחניה.

טכנולוגיית העתיד בתחום התובלה הכבדה

מנוע תאי דלק המוזן במימן הוא ללא ספק מנוע העתיד. מקור אנרגיה זמין (מימן) והיעדר פליטות מזהמות הם שני גורמים שיהפכו את המנוע לדומיננטי בעתיד. לכל היצרנים בענף ברור שהמשאית החשמלית היא רק שלב ביניים בטרם תפרוץ לשוק הטכנולוגיה של תאי דלק. בבסיס טכנולוגיה נקייה זו נמצא מנוע תאי דלק המבוסס על ריאקציה כימית שנוצרת בין המימן לחמצן. במהלכה משתחרר אלקטרון המאפשר להפיק אנרגיה חשמלית נקייה. הפליטה היחידה של מנוע זה היא מים נקיים. אין פליטה של מזהמים (Zero-emission mobility). לא מדובר במשימה קלה. אומנם המימן נמצא בשפע באוויר, במים ובסוגי הדלק למיניהם (בכלל זה דלק המופק מנפט וגז טבעי), אלא שלשם הפרדת המימן נדרשת אנרגיה רבה, והתהליך אינו משתלם מבחינה כלכלית. נקודות תורפה נוספות הן תדלוק המימן ואחסונו, ובטיחותו של הרכב המונע במימן.

כאן מתעוררת שאלת הביצה והתרנגולת: התשתית הנדרשת לתחנת תדלוק במימן יקרה מאוד, אלא שהרכבים מעטים. בד בבד אף חברת תובלה לא תקנה משאית יקרה כשאין בנמצא תשתית תדלוק מתאימה. הפתרון הוא סיוע ממשלתי תומך הן בתחום התשתיות הן בעידוד כספי לעבור לטכנולוגיות העתיד.

”   הנעה באמצעות תאי דלק תיהפך להנעה השכיחה בענף הרכב בכלל ובענף התובלה הכבדה בפרט בשל יתרונותיה בהפחתת זיהום אוויר וחיסכון בתצרוכת אנרגיה. כרגע ישנן מגבלות לשימוש במימן בכלי הרכב, ומתווספים אליהן תג מחיר גבוה של המנוע והיעדר תשתיות תדלוק   “

בעיה אחרת שמונעת כיום שימוש במנוע תאי דלק קשורה להפקת המימן ולאחסונו. לכך נדרשת טכנולוגיה מיוחדת ויקרה. פיתוחים חדשים מאפשרים לאחסן מימן כנוזל, כשהוא נשמר יציב בטמפרטורת החדר, ואף נשאר יציב בתנאים של אוויר ולחות. עד כה נדרשו אמצעי אחסון מיוחדים ויקרים כדי לשמר מימן במצב נוזלי, ובהם קירור עמוק מאוד כדי שלא ייהפך שוב לגז. כדי לאגור כמות גדולה של מימן, כמקור אנרגיה שמאפשר נסועה ממושכת בין תדלוק אחד למשנהו, יש להפוך אותו לנוזל ולשמר אותו במצב זה. רק כך יתאפשר לצבור כמות מספקת של אנרגיה שתמנע תדלוקים תכופים. הפיתוח הזה מקל מאוד את האחסון הן ברכב הן בתחנות תדלוק, ומאפשר להפחית מאוד את העלויות הכרוכות בהקמת תחנת תדלוק למימן.

במסגרת הפיתוח, המימן נשמר כנוזל באמצעות שימוש בתרכובת המכונה BN-methylcyclopentane. את התרכובת הזאת אפשר "לטעון" על ידי הוספת אטומי מימן. כדי "לפרוק" את המימן מהתרכובת, נעשה שימוש בממיר המבוסס על ברזל וכלור (Iron chloride). הממיר מאפשר לפרוק את המימן באופן מהר ונקי, וכל התהליך ניתן לבקרה ולפיקוח מדוקדקים.

יצרני המשאיות נערכים אף הם למעבר לקראת תובלה כבדה נקייה, הן כמענה לדרישות הרגולטורים לתובלה בעלת זיהום אוויר אפסי הן כמענה ללקוחות שדורשים פתרונות לתובלה חשמלית שאינה תלויה בקיבולת הסוללות או בתשתית הטעינה.

מרצדס: ניסויים בטכנולוגיית תאי דלק

במרצדס חשפו לאחרונה את ורסיית תאי הדלק של הוואן הידוע, Sprinter F-Cell. מדובר בדגם קונספט, ועדיין לא בטוח שייוצר בייצור המוני, אלא שהוא מלמד שמרצדס לא ויתרה על תאי דלק, ושבטווח המשקלות הנמוך ניתנת העדפה להנעה חשמלית טהורה. למנוע הספק של 147 כוחות סוס. שלושה מכלי מימן הממוקמים מתחת לריצפה מאפשרים טווח נסיעה של 300 ק"מ, והתקנת מכל רביעי מאחור מגדילה את טווח הנסיעה ל-500 ק"מ. הוואן מצויד גם בסוללת ליתיום-יון לאגירה של האנרגיה החשמלית שיוצר מנוע תאי הדלק. המערכת החשמלית היא מסוג plug-in hybrid, מאפשרת טעינה ביתית לסוללה עם טווח נסיעה חשמלי טהור של 30 ק"מ נוספים.

בתחום התחבורה הציבורית, אנשי דיימלר החליטו ליישם את הנעת תאי הדלק באוטובוסים עירוניים מדגם Citaro, המסופקים ללקוחות נבחרים בשירותי ההסעה העירוניים. ההפעלה הראשונה נעשית באירופה, לפיכך מרצדס היא החברה הראשונה בהיסטוריה שמספקת כלי רכב המונעים בתאי דלק (ועוד אוטובוסים עירוניים) לשימוש מסחרי. האוטובוסים אמורים לעבוד ללא תקלות שעות רבות ביום. הייצור מתחיל בצעדים הססניים. בשלב זה מופעלים רק כשלושים אוטובוסים, במטרה לבחון לעומק את תפקודם ולבדוק אם השוק האירופי ערוך לקבלתם. התנאי להצלחה הוא מוכנותן של חברות האוטובוסים לרכוש את האוטובוס "הירוק" עם טכנולוגיה ניסיונית ועם תשתיות תדלוק מוגבלות.

”   כדי לאגור כמות גדולה של מימן, כמקור אנרגיה שמאפשר נסועה ממושכת בין תדלוק אחד למשנהו, יש להפוך אותו לנוזל ולשמר אותו במצב זה. רק כך יתאפשר לצבור כמות מספקת של אנרגיה שתמנע תדלוקים תכופים   “

תקופת המבחן של האוטובוסים תימשך כשנתיים, ופירושה שהם ייסעו כרגיל בתנועה העירונית השוטפת בתקופה זו. חברות ההסעה שיצטרפו לפרויקט יוכלו לקבל מחירים מיוחדים, ולכך יתווספו ההטבות הרבות שלהן זוכה הרכב הירוק באירופה, כלומר הנחות במיסים, בהיטלים ובאגרות רישוי. נוסף על כך, אותן חברות יירשמו בתור החלוצות הראשונות בעולם שמנסות כלי רכב המונעים בתאי דלק, כלומר הן יצברו ניסיון תפעולי בטכנולוגיית העתיד. הכוונה היא שחברות הסעה שירכשו את האוטובוסים האלו יוכלו להשוות את נתוניהם ועלויותיהם לאלו של האוטובוסים האחרים בצי הרכב שלהן.

במרצדס מקווים שהמסקנות התפעוליות יהיו חיוביות, וחברות הסעה נוספות ירכשו את האוטובוסים. מחיר של אוטובוס הוא כ-1.15 מיליון דולר - עדיין גבוה מאוד למרות היותו מסובסד. האוטובוסים מיוצרים ביחידות ולא בייצור שוטף, לכן מחירם מרקיע שחקים. המחיר הזה כולל מערך מיוחד שתפקידו לתת מענה מיידי לכל בעיה שמתעוררת בשטח. צוות מיוחד יספק ייעוץ, תמיכה ושירות טכני מלא 24 שעות ביממה במשך שנתיים (ללא תשלום נוסף).

הנעה באמצעות תאי דלק נחשבת כיום מערכת הנעה אלטרנטיבית בעלת הפוטנציאל הגדול ביותר לפיתוח, בפרט לתחבורה ציבורית. מלבד פליטת המזהמים המינורית, היא כמעט איננה מייצרת רעש, ובכך מאפשרת לאוטובוסים עירוניים לנוע בשקט בשכונות מגורים צפופות. הנעה זו גם מאפשרת ניצול אנרגיה גבוה (כלומר נסיעה חסכנית במקורות אנרגיה). מכלול הסיבות האלו מייצר פוטנציאל רב ל"הנעה ירוקה" עתידית, בפרט כאשר כלי הרכב הציבוריים יידרשו לעמוד בתקנות מחמירות במיוחד. במהלך הבדיקות נמצא שהנעה באמצעות מימן היא המתאימה ביותר להנעת אוטובוסים עירוניים מכיוון שהם חוזרים באופן קבוע לתחנות האוטובוסים המרכזיות, ויתאפשר לתדלקם בלי להקים תשתית תדלוק ברחבי העיר (התשתית יקרה מאוד).

מכלי המימן הדחוס מותקנים על גגו של האוטובוס, ותכולתם מאפשרת נסיעה למרחק של שלוש מאות ק"מ. הספק המנוע מגיע למאתיים וחמישים קילו-ואט, והוא מאפשר נסיעה במהירות של כשמונים קמ"ש עם שבעים נוסעים. חברת Xcellsis (חברה בת של מרצדס) פיתחה את מערכת ההנעה באמצעות תאי הדלק. מכיוון שהמנוע החשמלי, מערכת התמסורת וגלי ההינע מוקמו בחלקו האחורי של האוטובוס, אפשר להתקין ריצפה נמוכה במיוחד, שמאפשרת גישה נוחה ומהירה לאוטובוס. שלוש דלתות תורמות אף הן לזרימת נוסעים אופטימלית. המיקום מאחור של כל הרכיבים המכניים מאפשר גם גישה נוחה לעבודות תחזוקה ותיקונים.

טויוטה מוכרת דגמים מונעים בתאי דלק

חטיבת האוטובוסים של טויוטה החלה לאחרונה לשווק את הדגם סורה (Toyota’s Sora fuel cell bus) שיופעל באמצעות מנוע חכם של תאי דלק. זהו דגם האוטובוס הראשון שקיבל אישור ייצור והפעלה בכבישי יפן. החטיבה שעסקה בפיתוח האוטובוס, טויוטה מערכת תאי דלק (TFCS), מייעדת את הרכב לאזורים שנדרש בהם אפס פליטה מזהמת. יתרון סביבתי אחר הוא פעולתו השקטה ורטט עבודה מינימלי. Sora מצויד בהתקן המאפשר לו לשמש מקור כוח בעל הספק חיצוני גבוה. להתקן זה כושר אספקת חשמל מרבית של תשעה קילוואט, ויש לו פוטנציאל לשמש מקור כוח בשעת חירום. המושבים האופקיים ניתנים לאחסון אוטומטי (קיפול פנימי) כאשר אינם בשימוש, למען שיפור הנגישות לנוסעים עם כיסאות גלגלים. לסורה שמונה מצלמות High-Definition המותקנות בפנים ובחוץ, לזיהוי של הולכי רגל ורוכבי אופניים בסביבת האוטובוס. המצלמות משפרות את שדה הראייה של הנהג. כאשר הרכב מתקרב לתחנת האוטובוס, המערכת מזהירה את הנהג אם יש הולכי רגל או רוכבי אופניים באמצעות הודעה קולית ותמונות. פונקציית בקרת האצה מספקת בטיחות משופרת. היא מונעת תאוצה פתאומית ומאפשרת האצה חלקה ממצב של עצירה מוחלטת כדי לשפר את הביטחון לנוסעים העומדים. האוטובוס אינו מופעל עם מנוע מכני, לכן אין הילוכים ולא מורגשים זעזועים בעת החלפת הילוך. באוטובוס יושמה טכנולוגיית LED לאורות קדמיים ולאורות אחוריים. העיצוב הייחודי, stereoscopic, שונה מאוד מזה של אוטובוס מלבני קופסתי קונבנציונלי. טויוטה מצפה להשיק מעל 100 אוטובוסים המבוססים על תאי דלק, בעיקר באזור מטרופולין טוקיו, לקראת המשחקים האולימפיים ופאראלימפיק טוקיו 2020.

חטיבת המשאיות של טויוטה חשפה אף היא בתחילת השנה אב-טיפוס, Hydrogen Fuel Cell Truck. המשאית החדשה כבר נבחנה בכבישים אמיתיים במסגרת פרויקט Portal Alpha truck, בנסיעה לאורך 50 אלף ק"מ. למשאית, שמשקלה 36 טון, שתי יחידות של מנועי תאי דלק בהספק של 670 כוחות סוס. מתקבל מומנט של 184 ק"ג-מטר. כמו כן מותקנות סוללות בהספק של 12 קילו-וואט שעה. השיפור המרשים הוא בטווח הנסיעה שהועלה מ-320 ל-480 ק"מ.

בחלקה השני של הכתבה נעסוק בפיתוחים נוספים של יצרני המשאיות, וזאת לקראת שימוש מסיבי במנועי תאי דלק לתובלה כבדה.