התפתחויות בתובלה חשמלית

מערכות האנרגיה ברחבי העולם עוברות בשנים האחרונות שינוי מהותי. הרצון להפחית פליטת CO2 מצריך הפחתה של התלות בדלק מאובן, והעולם דורש פתרונות כוח מגוונים יותר לצרכי ענף התחבורה. חברות שעומדות בחזית משקיעות 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 לא מובן, וגם לא איזו טכנולוגיה עדיפה, למי ומתי.

אינטגרציה לכוח טוב יותר

רכבים חשמליים בעלי סוללות הם טכנולוגיה שרבים מכירים ואוהבים: מוואנים שמבצעים משימות משלוח ועד מחפרים חשמליים קטנים. תשתית הטעינה מתרחבת, ועימה רשת ההנעה החשמלית, שצוברת פופולריות.

למרות שמערכות תאי דלק וסוללות נתפסות בעיני חלק מהאנשים כטכנולוגיות מתחרות, הן למעשה פועלות יחד כדי להביא אפשרויות נוספות לענף התובלה וההסעות. מערכות החשמל של תאי דלק מבוססות על פלטפורמות של סוללה והנעה חשמלית, שממשיכות לצמוח ברחבי העולם. לכל מערכת יתרונות משלה, ושילוב הטכנולוגיות המתפתחות של סוללות ותאי דלק, עשוי לעזור לנו להפחית את רמת הפחמן ולהגביר אימוץ של כוח בר קיימא.

מערכות תאי דלק משפרות ביצועים של סוללות, ומשפרות את הטיפול בבעיות של טווח נסיעה ותדלוק. שני חסרונות אלו מנעו אימוץ של רכבים חשמליים עם סוללות ליישומים מסוימים. לא משנה איך מוגדרים המנוע ומקור הכוח, מערכת הסוללות היא חלק חיוני מהפתרון לרכב חשמלי, ותמיד תישאר כזו. מכיוון שכך, סוללות לא יוחלפו בתאי דלק אלא רק יתמכו בתאי הדלק לשם הפחתה נוספת בפליטת הפחמן, בלי לגרוע בביצועי הרכב.

כאשר בוחנים איזו מערכת מתאימה ללקוח, יש לבחון בקפידה טווח נסיעה, משקל, זמן השבתה, דרישות ביצועים, פעילות כלכלית-תפעולית של הלקוח ותשתיות קשורות, הכול כדי לספק לו את האפשרויות הטובות ביותר - תאי דלק, סוללה חשמלית או צורה מסורתית יותר של כוח, המבוסס על דיזל או גז. מה שחשוב הוא להבין את צרכי הלקוח.

השוואה בין סוללה לתא דלק עשויה לבלבל, שכן שניהם יכולים לשמש כמקורות כוח, אך 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, לרוב תצורות 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.

עם זאת, תאי דלק עדיין מספקים שיפור בביצועים ומעמעמים את הפערים התפעוליים שיש לכלי רכב חשמליים עם סוללות. כמו כן לתאי דלק יש פוטנציאל לנצל טוב יותר אנרגיה מתחדשת בקנה מידה גדול, ולהגביר את האימוץ של מקורות כוח בני קיימא מהר יותר.

יישום, ביצועים ותפעול

ביישום, ההבדל הגדול ביותר בין טכנולוגיית תא דלק חשמלי לסוללה הוא בהתאמתם לתובלה בינונית עד כבדה. אשר לרכבים חשמליים, קיבולת המצבר מצומצמת, ישנם הגבלות למשקלל מרבי שמותר לשאת על הסרנים, וכך למעשה מוגבל מספר ערכות המצברים שאפשר להתקין לפני פגיעה במגבלות המשקל ובכושר ההעמסה של המטען. היצרנים פועלים כל הזמן כדי להפוך את מערכת ההנעה החשמלית של הסוללה לקלה ויעילה יותר.

מרחקים ארוכים ומטענים כבדים מצריכים סוללות גדולות וכבדות יותר, ואלו מביאות לירידה בביצועים וביעילות. במקרים מסוימים, דרישות עבודה ודפוסים תפעוליים יכולים להיות מיושמים ביעילות על ידי רכבים חשמליים עם סוללות לפני שהם מגיעים לרמת היעילות הפוחתת. כך לדוגמה כאשר המסלולים והמטענים אינם גורמים מגבילים (כגון משלוחים עירוניים), רכב חשמלי מבוסס על סוללות יהיה פתרון אופטימלי.

בסופו של דבר, אין כאן עניין של איזו טכנולוגיה עדיפה, אלא איזו מתאימה יותר לתנאים ולצרכים של הלקוח. פתרונות חשמליים לסוללות יכולים לשרת ביעילות מגזרי תחבורה רבים. היכן שהם נופלים, תאי דלק יכולים לעזור. אבל בפועל, נראה שרק יצרנים שיוכלו להציע את שתי האפשרויות הטכנולוגיות יוכלו להעניק ללקוחות את כוח הבחירה.

משאיות יונדאי מונעות במימן

יצרנית הרכב הקוריאנית יונדאי מוטורס מתכננת לשלוח סדרה חדשה של משאיות תאי דלק לאירופה ברבעון האחרון של השנה, להציג את הישגיה ולבחון את כדאיות ההובלה של סחורות כבדות המונעות במימן.

ביונדאי יצרו לשם כך משאית Xcient חדשה, מצוידת בתאי דלק יעילים יותר עם תוחלת חיים ארוכה יותר. מארק פריימולר, מנכ"ל חברת HHM (Hyundai Hydrogen Mobility) מסר, כי החברה הקימה מיזם משותף של יונדאי וחברת המימן השוויצרית H2 Energy. שתי החברות משכירות בחודשים האחרונים משאיות מימן ללקוחות מסחריים בשוויץ, בפיילוט המתקדם בעולם בתחום זה.

HHM מתכננת להיכנס למדינות אירופה נוספות בשנה הבאה. מנכ"ל HHM מעריך שהמדינות הבאות בתור הן גרמניה והולנד. בד בבד החברה נערכת לביצוע של מבחני פיילוט באוסטריה, בנורווגיה, בצרפת, באיטליה, בספרד ובדנמרק. לכל ברור שמשאיות המימן של יונדאי ייצרו לחץ על החברות האירופיות שמפתחות תוכניות מימן משלהן.

יצרני המשאיות שפעילים כיום בענף פיתוח מנועי תאי הדלק הם וולוו עם מרצדס וניקולה (האמריקנית) עם איווקו (ששייכת לקונצרן הרכב האיטלקי-אמריקני CNH Industrial).

למשאיות מימן יש חיסרון מהותי. רק רבע מהאנרגיה המקורית מועברת להנעה יעילה, ואילו שלושה רבעים הולכים לאיבוד בהמרה. לעומת זאת במשאיות חשמליות המבוססות על סוללות, היחס הפוך.

יונדאי בחרה בשוויץ לפיילוט שלה על בסיס רגולציה תומכת, לקוחות שמודעים לאיכות הסביבה וכוח הידרו אמין, שהוא 58 אחוז ממערכת החשמל במדינה. הרגולציה התומכת באה לידי ביטוי בביטול של האגרות בכבישים מקומיים. לעומת זאת רכבי דלק שמונעים בדיזל משלמים בסביבות 800 אירו לכל טונה CO2 שהם פולטים. המס הזה גבוה מאוד במונחים שנתיים.

משוב ראשוני מלקוחות שכבר נמצאים בפיילוט של יונדאי על בסיס תשלום לפי שימוש, נראה חיובי מאוד. בפיילוט משתתפים נהגי תובלה ברשת המכולת Coop. הם מדווחים שכושר ההעמסה דומה לזה של משאיות דיזל מקבילות, ונדרשות דקות ספורות בלבד לתדלוק. טווח הנסיעה מרשים.

כבר כיום אפשר לראות איך עובדת טכנולוגיית תאי הדלק בכבישי שוויץ. ככל שיגיעו יותר משאיות יונדאי, חברת החשמל השוויצרית Alpiq מתעתדת להגביר את קיבולת האלקטרוליזה שלה במיתקן Niedergoesgen, שם היא מייצרת מימן ירוק שמועבר על גבי משאיות (בצורת צבירה של גז) לתחנות תדלוק.

בחטיבת ייצור האנרגיה ההידרומית בחברת החשמל השוויצרית נערכים לעבור משני מגה-ואט כיום לייצור דו-ספרתי של כעשרה מגה-ואט. לשם כך הוקם מיזם המימן הירוק Hydrospider, בשיתוף חברת החשמל, קבוצת יצרנית הגזים Linde וחברת H2 Energy. לפי ההיתכנות הכלכלית, המיזם המשותף עשוי להגיע לאיזון כבר ב-2022.

סוללה מול תאי דלק

בחברת הייעוץ מקינזי, שעוקבת אחרי המגמות בענף התובלה, מצפים שמימן לרכבים חשמליים מתאי דלק יגיע לאיזון עם מנועי הדיזל לכל המוקדם בשנת 2028. המציאות מלמדת שיצרניות הרכב מקדימות את התוכניות, אם כי במהירויות שונות זו מזו.

המתחרה האיטלקית-אמריקנית, המיזם של ניקולה ואיווקו, כבר נערכת לחשיפת משאית מונעת במימן. בקבוצה טוענים לייצור רכב חשמלי עם תאי דלק עד שנת 2023, והבטיחו להעמידו לנסיעות מבחן. גם במרצדס נערכים לניסויים ללקוחות נבחרים, שיחלו בעבודה עם משאית GenH2 של החברה בשנת 2023.

בחברת המחקר מעריכים, כי ציר הזמן של איווקו וניקולה מקדים בהרבה את לוח הזמנים של וולוו ומרצדס. יונדאי נכנסת לתחרות הדוקה עם ניקולה-איווקו, אם תציע את משאית Xcient בשווקים אחרים באירופה.

מנכ"ל חטיבת המשאיות של מרצדס, מרטין דאום, אמר שחייבים להקים רשת תדלוק במימן לפני שיימצאו קונים למשאיות המופעלות בתאי דלק. דאום מעריך שייקח שנים לפתח רשת תדלוק ברמה מספיקה, ולכן המהלכים מתוזמנים לפי התשתיות. נציין שמרצדס כבר הציגה אב טיפוס בעל טכנולוגיה חשמלית עתידית במסיבת עיתונאים שנערכה אשתקד בברלין.

גם יצרנית המשאיות דאף (בבעלות קונצרן Paccar) נמצאת במשחק, אבל העדיפות אצלה מכוונת לחשמליות המבוססות על סוללות. חברת ניקולה פעילה גם בתחום זה, אך מתכננת להיכנס לשוק בשבועות הקרובים. גם יצרני המשאיות האחרים ממקמים בינתיים את טכנולוגיית תאי הדלק במקום השני.

בקבוצת טראטון, חטיבת המשאיות המשותפת של פולקסווגן, סקניה ומאן, בחרו רק במסלול הסוללות החשמליות. ההנעה באמצעות מימן נותרה הרחק מאחור. עם זאת טראטון השאירה את האופציה הזאת קיימת בעת שהגדילה את השקעתה ביצרנית המשאיות נביסטאר (בעלת משאיות אינטרנשיונל) המפתחת מנועי תאי דלק באצות הברית.

איך עובדים תאי דלק?

תאי דלק אינם חדשים. למעשה, את ההתייחסות הראשונה לתאי דלק מימן אפשר למצוא בשנת 1838. כמעט 200 שנה מאוחר יותר העולם מכיר בתאי דלק כטכנולוגיית מפתח לפתיחת עתיד ניטרלי מפחמן.

מה זה תא דלק?

כמו סוללות, תאי דלק הם ממירי אנרגיה. הם משתמשים בתגובה אלקטרוכימית כדי להמיר אנרגיה כימית האצורה במקור דלק לחשמל. שלא כמו סוללות, המכילות אספקה ​​קבועה של אנרגיה, תאי דלק אינם מצריכים טעינה. כל עוד דלק מסופק ברציפות לתא הדלק, יופקו חשמל, מים וחום.

תא דלק מורכב משתי אלקטרודות ומממברנת אלקטרוליט. האלקטרודות נקראות קתודה ואנודה, והן סוחבות ביניהן את קרום האלקטרוליט. בתוך מערכת זו מתרחשת סדרה של תגובות כימיות להפרדת האלקטרונים ממולקולות הדלק ליצירת אנרגיה.

הדלק, בדרך כלל מימן, מוזן לתוך האנודה מצד אחד, וחמצן מוזן לתוך הקתודה מצד שני. באנודה, מולקולות דלק המימן מופרדות לפרוטונים ולאלקטרונים שיעברו נתיבים שונים לעבר הקתודה. האלקטרונים עוברים במעגל החשמלי ויוצרים את זרימת החשמל. הפרוטונים עוברים דרך האלקטרוליט אל הקתודה. לאחר הקתודה, מולקולות חמצן מגיבות עם האלקטרונים ועם הפרוטונים כדי ליצור מולקולות מים.

תא דלק הוא מקור אנרגיה נקי. תוצרי הלוואי היחידים הם חשמל (כוח), חום ומים. תא דלק יחיד מייצר לבדו רק כמה ואטים של כוח. לכן אפשר לערום מספר תאי דלק יחד כדי ליצור ערמת תאי דלק. כאשר הם משולבים בערמות, תפוקת תאי הדלק יכולה להשתנות מאוד, ממספר קילוואטים בלבד של כוח ועד למיתקנים של רב מגה-ואט.

באילו סוגי דלק אפשר להשתמש בתאי דלק?

תאי דלק מציעים גמישות בסוג הדלק שאפשר להשתמש בו. מימן הוא מקור הדלק הנפוץ ביותר לתאי דלק (ומכאן השם הנפוץ, תאי דלק מימן), ואילו דלקים העשירים במימן כגון גז טבעי ואמוניה הם גם מקורות דלק בני-קיימא.

כאשר מימן מיוצר באמצעות חשמל מתחדש כגון אנרגיה סולרית, רוח וכוח הידרו, המימן מופרד בהליך נקי ומייצר אפס פליטות. תאי דלק מימן (כלומר תאי דלק שמתודלקים על ידי מימן) מייצרים חשמל, חום ומים, ואינם משחררים פחמן דו-חמצני או מזהמים אחרים לאוויר.

גז טבעי הוא כיום הדלק המשמש ביותר להנעת תאי דלק, מכיוון שהייצור הנרחב של מימן ירוק נמצא עדיין בעיצומו. במקרה זה תאי הדלק אינם נטולי פליטות לחלוטין, אך הפליטות נמוכות בהרבה מאלו של סוגי דלק אחרים כגון נפט ופחם.

אמוניה משמשת בעיקר בחקלאות כדשן, אבל בשנים האחרונות פועלות מספר חברות לפיתוח אמוניה ירוקה. אמוניה ירוקה מיוצרת עם מימן שמגיע מאלקטרוליזה של מים המופעלת על ידי אנרגיה חלופית, מה שהופך אותה לאופציה נוספת לדלק דל פחמן.

ישנם מספר סוגים של תאי דלק שנמצאים בפיתוח, כל אחד מסווג בעיקר לפי סוג האלקטרוליט שהם פועלים בו. לכל סוג של תא דלק יש יתרונות משלו, מגבלות ויישומים פוטנציאליים. להלן שתי דוגמאות.

תאי דלק של קרום חילופי פרוטונים (PEM): מכונה גם תאי דלק של קרום אלקטרוליט פולימרי. סוג זה של תאי דלק משתמש באלקטרוליט פולימרי ופועל בטמפרטורות נמוכות יותר של כ-80 מעלות צלזיוס. תאי דלק PEM מתאימים ליישומי כוח ניידים וגיבוי בשל צפיפות ההספק הגבוהה ויכולות ההתחלה והעצירה המהירות שלהם.

תאי דלק תחמוצת מוצקה SOFCs: משתמשים בתרכובת קרמית קשה ולא נקבובית בתור האלקטרוליט שלהם, ופועלים בטמפרטורה גבוהה, עד 1,000 מעלות צלזיוס. סוג זה של תא דלק מתאים ביותר ליישומים נייחים מכיוון שהוא יעיל מאוד וגמיש לדלק. אפשר גם לרתום את חום הפסולת ולהשתמש בה שימוש חוזר כדי להגביר את יעילות המערכת הכוללת.