מהרגע בו הומצא מנוע השריפה הפנימית, המונע בדלק שמקורו מנפט, ועד לפני שנים לא רבות, היו תוצרי פעולת המנוע בבחינת מטרד. התערובת שלא נשרפה יצרה עשן מסריח, שצבע בניינים בשחור וגרם לראות גרועה במיוחד בימי מזג אויר יציב. אבל זה היה מטרד, לא מעבר לכך. וכך, בעולם בו חבית דלק עלתה 2 דולרים יכולים היו האמריקאים, מכורים מאז ומתמיד לגודל, ליצר מנועי ענק זוללי דלק. בנפחים שהתחילו ב-3.8 ליטר למנועים הקטנים ונגמרו ב-8.2 ל', וחייבו גרירת תחנת דלק קטנה מחוברת לפגוש האחורי. יעילות הייתה משהו מאוד לא נחוץ, ואת המילה "אקולוגיה" לא ידעו לאיית לפני שלושה וחצי עשורים.
אלא שלא לעולם חוסן. עד תחילת שנות השבעים נשמר הסדר העולמי: המדינות המפותחות ייצרו מכוניות זוללות דלק והמדינות המתפתחות מכרו להן נפט בזול. אנחנו, דווקא, קשורים לשינוי בכללים. בסוף 1973, לאחר מלחמת יום הכיפורים, החליטו המדינות מייצרות הנפט, ברובן ערביות, להעניש את המערב על תמיכתו בישראל, והטילו חרם נפט. התוצאות היו קשות, בטווח המיידי, אך חיוביות, בטווח הרחוק יותר. אמנם, בחורף 1974 היה קר יותר בבתים באירופה ובארה"ב, מחוסר בנפט לחימום, והאמריקאים נאלצו לנסוע פחות במכוניותיהם הגדולות, אך באחת הגיעה התובנה כי עולם המבוסס על צריכה של דלק זול המניע מנועים מטופשים, חלף מהעולם. מעבר לכך הבינו כולם, כי התלות בנפט הנה בלתי-נסבלת.
אבל התמודדות המנועים עם בעיית מחיר הנפט שזינק פי עשר במחירו, הייתה רק המבוא לשתי בעיות חשובות ומשמעותיות יותר. האחת הייתה כי מלאי הנפט העולמי, גם ללא אמברגו כזה או אחר, הנו מוגבל וייגמר, על-פי האופטימיים, בעוד כ-100 שנים. אמנם, יש עדיין שדות נפט ענקיים מתחת לאדמה שטרם נוצלו, אך בשל צמיגות גבוהה של הנפט האצור בהם, אין אפשרות להפיקו, לפחות בטכנולוגיה הקיימת כיום.
העניין השני היה ההכרה כי לעולם יש בעיה סביבתית חמורה, וחלק ניכר ממנה נגרם בגלל פעולת מכונות. למאות מיליוני מכוניות (כיום: חצי מיליארד לערך) יש משקל אדיר בתחום זה.
שרפת הדלק גורמת לתופעות אקלימיות וסביבתיות הרות עולם; אפקט החממה – הנוצר מגז ה-CO2 הכבד – מונע פיזור הקרינה הנפלטת מהאדמה חזרה לאטמוספירה, וגורם, כמעט בוודאות, לעלייה הקבועה בממוצע הטמפרטורות העולמי. הגזים פוגעים באוזון וקרינה קטלנית של השמש חודרת היישר לכדור הארץ. ריכוז תחמוצות החנקן וחלקיקי הפיח באוויר העלו את רמת התחלואה במטרופולינים.
מה שהיה ידוע בתחילה לקומץ מדענים והפך בהמשך בסיס לפעולה של ארגונים ומאוחר יותר של מפלגות, הוכר כבעיה משמעותית ביותר בקנה מידה עולמי על-ידי הממשלות והארגונים הבין-לאומיים. פתרונות טכנולוגיים נדרשו ואנחנו נעסוק בשני צדדים של הפתרון לבעיה: הצד האחד הוא פתח מיכל הדלק במכונית – מה ייכנס לתוכו בעתיד, וכיצד ישפיע על יכולת הרכב כמו-גם על איכות הסביבה. במסגרת זו נבחן את ההנעה החשמלית וההיברידית, הנעה בתאי דלק (Fuel Cells), בגז טבעי, מנועי מימן ומנועי מתאנול. הצד השני הוא בחלקו האחורי של המנוע, היכן שנפלטים תוצרי השריפה – מערכת הפליטה. כיצד מטופלים הגזים השרופים כיום ומה הכיוונים העתידיים אליהם צועדות התעשייה והאקדמיה.
צילום: מנהל
מאז המצאת מנוע הבעירה הפנימית, מקור חומר הבעירה היה אחד – דלק שזוקק מנפט גולמי, שמקורו במאובנים; בעלי חיים שהיו פעם והכילו פחמן. הרבה פחמן. על מנת לשרוף את הדלק בתוך תא השריפה בצילינדר, נדרש לערבבו עם אוויר, ביחס מאד מסוים, על מנת לקבל בעירה מושלמת. אלא שיחס זה, "יחס סטויכיומטרי", העומד על כ-1:15 בין האוויר לדלק יכול להיות מושג רק במעבדה. כאשר הדלק, הבנוי ממולקולות של פחמן ומימן (ועל כן קרוי 'פחמימן'), נשרף עם חמצן, תוצרי הבעירה המושלמת הנם אדי CO2 ומים בלבד. אלא שבחוץ אין בעירה מושלמת. הואיל והאוויר מורכב בעיקר מחנקן, מצטרף זה לבעירה. התוצר של "התפלחות" זו לתוך הצילינדר משמעה יצירת תחמוצות חנקן מסוגים שונים, הקרויות בשם הכולל NOX.
מאחר שגם יחס התערובת בין האוויר לדלק לא נשמר באופן מדויק בעומסי עבודה שונים של המנוע, נוצרים תוצרי בעירה בלתי מושלמת, הכוללים, מלבד תחמוצות החנקן, CO2 ואדי מים (מהחלק שכן מגיע לבעירה מושלמת), גם פחמן חד-חמצני (CO), מימן פחמני (הידרוקרבון – HC) ותחמוצות גופרית, מהגופרית הנמצאת בדלק. אמנם בבנזין יש רק 0.04% משקלי של גופרית, אך בסולר אחוז הגופרית מגיע לפי חמישה – 0.2%. תקנים חדשים הורידו את אחוז הגופרית בסולר לפחות מ-0.1% (זו, אגב, משמעות הפרסומת של "אגד" ו-"דן" לדלק הירוק יותר שלהם). משמעות הזיהום הנוצר משריפה בלתי מושלמת ומהימצאות חומרים אחרים בדלק, פרט למימן ופחמן, תידון בכתבה אחרת.
בעיה נוספת נובעת מהעובדה כי טמפרטורת העבודה של המנוע מוגבלת. בטמפרטורות היפר-גבוהות, 800 מעלות למשל, הבעירה תהיה מושלמת. מכיוון שרק מנוע קרמי יכול לעמוד בחום כזה, ומכיוון שייצור מנוע כזה אינו ריאלי כיום, מחפשים את הפתרונות במקומות אחרים.
על מנת להיפטר מהתוצרים הלא רצויים ולהישאר רק עם אדי מים ו-CO2, שגם הוא לא רצוי, אך לפחות אינו מזהם אוויר, ניתן לבצע מספר דברים: להשתמש בדלק המכיל רק מימן ופחמן, להשתמש לבעירה בחמצן נקי ולדאוג, באמצעות מחשב, ליצירת היחס הסטויכיומטרי בכל מחזור עבודה, גם בעומסים משתנים. הסתבר, שבניית מנועים כאלה תהיה יקרה מאד, תחייב נשיאת מכלי חמצן, בנוסף למיכל הדלק, ועדיין נישאר תלויים בדלק פחמימני שמקורו בנפט.
אז מה עושים?
המצבר מתגייס לעבודה
הניסיון הראשון והטבעי היה ליצור מכונית חשמלית. בתנאים בהם בוצע הפיתוח הראשוני, ההנעה החשמלית נדונה מראש לכישלון, מסיבה אחת: המצבר. כל הנעה חשמלית מתבססת על התמרת אנרגיה כימית, האצורה במצבר, לאנרגיה חשמלית, המומרת לאנרגיה מכנית במנוע החשמלי. אלא שהמצבר, בהיותו הפתרון לבעיית זיהום האוויר, הוא גם הבעיה. מצברי האבץ-עופרת בהם נערכו הניסויים לפני כעשרים שנה, היו כבדים ובעלי קיבולת נמוכה מדי, שגרמה להתרוקנות המצברים בטווח פעולה קצר מדי, ביצועים מופחתים (וזה בעדינות...) וזמן טעינה ארוך מדי בין מחזורים.
עם זה, השיטה לא ננטשה, מכמה סיבות: מנוע חשמלי הוא המנוע השקט ביותר ומפחית את הפגיעה באיכות החיים, בפרט בשטח עירוני. המנוע מפתח מומנט שווה ומרבי לאורך כל טווח הסל"ד שלו, ובעת בלימה הוא משמש כגנרטור לטעינת המצבר. וחשוב מכל: אין לו כל פליטה מזהמת. פיתוח אינטנסיבי לאורך שנים, תוך צבירת ניסיון בכלי תחבורה תפעוליים (מלגזות, טרקטורים וכד'), הביא לכך שניתן היום לראות בכבישי אירופה, בעיקר, משאיות קלות וכלי רכב חשמליים, נעים במסגרת ניסויי דרך ממושכים, לבחינת כל המשמעויות.
לצורך דוגמא, נבחן את המשאית הקלה של מרצדס, ה-308 הפופולרית, שמרצדס התקינה עם הנעה חשמלית, וכבר ייצרו ממנה מספר תצורות שלדה שונות. הדגם, המכונה 'ספרינט', מונע באמצעות מנוע חשמלי בזרם חילופין, היעיל יותר מההנעה המקובלת במנוע חשמלי בזרם ישר.
המנוע החשמלי ניזון ממצברי ג'ל-עופרת, ללא צורך באחזקה, בעלי קיבולת חשמלית גבוהה משל אבץ-עופרת, או ממצבר מיוחד שפותח להנעת רכב, המכונה 'זברה'. מצבר זה הנו בעל יחס משקל לקיבול חשמלי טוב בהרבה משל מצבר הג'ל-עופרת: מצבר הג'ל-עופרת עבור ה'ספרינט' שוקל 1,000 ק"ג ומפיק אנרגיה של 29 קילוואט-שעה, לעומת מצבר ה'זברה', השוקל 420 ק"ג בלבד ומפיק 35 קילוואט-שעה. לטעינה חוזרת של המצבר נדרשות 6 שעות, בחיבור לשקע של V400 לפחות. הזמן יפחת בחיבור לשקע בעל מתח גבוה יותר.
ומה על הביצועים? בנסיעה עירונית ממוצעת, טווח הנסיעה עומד על כ-65 עד 80 ק"מ למצבר ג'ל-עופרת, ו-75 עד 100 ק"מ למצבר 'זברה'. הרכב מאיץ מאפס ל-50 קמ"ש ב-16 שניות ומגיע למהירות מרבית של 90 קמ"ש. המנוע מפתח מומנט של 19.5 קג"מ, בכל טווח הסל"ד שבין אפס ל-2,000.
אז נכון שגם אם נרכיב את המצבר היעיל יותר על מכונית פרטית לא נקבל ביצועים המתקרבים לביצועי מנוע בנזין, ובכלל לא בטוח שאחרי התקנתו יישאר לנו משקל פנוי לנהג, לנוסעים ולמטען, אבל כנראה שנצטרך בעתיד ללמוד לחיות עם זה. החיסרון העיקרי של רכב חשמלי נעוץ בטעינה. אמנם לייצור הראשוני של המצבר לא נדרשת אנרגיה רבה, אך לטעינתו בהחלט כן: אפשר להתעלם ממה שקורה מאחורי השקע שבקיר, אליו נתחבר כדי לטעון את המצבר, אך החשמל לשם יגיע מתחנת כוח, שבה החשמל מיוצר על-ידי שרפת דלק פחמימני - אז מה הועילו חכמים בתקנתם? תחנות כוח בעולם, בניגוד למנועים, מופעלות גם על-ידי מים, פחם (העדיף אקולוגית) ובסופו של דבר לא תהיה ברירה אלא לחזור לתחנות גרעיניות, אבל זה סיפור אחר. לצורך התקנת שקעים מתאימים במתח המתאים תידרש השקעה עצומה בתשתית – בכל חניון נרצה שיהיה שקע ליד מקום החניה, לטעינת המצבר בהיעדרנו.
צילום: מנהלהסדר ביניים
עד שהנעה חשמלית או מתקדמת יותר תהיה יעילה ובעלת ביצועים סבירים, ולמקרה שזה לא יקרה לפני שהנפט ייגמר, פותחו מנועי שריפה על בסיס גז טבעי. גז טבעי הוא גז מתאן, שהינו בעל הרכב כימי פשוט מאד, הכולל מספר מועט של אטומי פחמן ומימן. מאגרי הגז בעולם נמצאים בתת-תפוקה, ופוטנציאל ההפקה שלהם הוא כמעט בלתי נדלה. ההנעה על בסיס הגז פשוטה; המנוע בנוי בדומה למנוע שריפה רגיל, אלא שבמקום דלק נוזלי, מוזרם לצילינדרים גז טבעי, המאוכסן במכלים בלחץ של 200 אטמוספירות ברכב. בעירת הגז שקטה יותר ונקייה מבעירת דלק נוזלי, אך עדיין, ובזה חסרונה הגדול, מזהמת. הזרמת הגז לצילינדרים מבוקרת על-ידי מחשב ובכך מושגת יעילות גבוהה. תדלוק הרכב פשוט: נכנסים לתחנה ומחליפים מיכל גז. טווח הנסיעה הנו פונקציה של מספר מכלי הגז הנישאים ברכב, שמשמעותם, כמובן – משקל ומקום מבוזבזים. את מכלי הגז ניתן לאחסן מתחת לרצפה או בתא המטען.
ושאלת השאלות – ביצועים? ובכן, עקומת המומנט של מנוע גז טבעי כמעט זהה לזו של מנוע בנזין שווה, בעוד שצריכת "הדלק" שלו משופרת. ההספק, עבור מנוע 2,300 סמ"ק, מגיע ל-130 כ"ס – לא רע עבור הנעה אלטרנטיבית.
החיסרון העיקרי, מעבר לזיהום האוויר שעדיין מתרחש, בגלל שרפת הגז הפחמימני, הוא שהמנוע אינו הפיך – אמנם כך ניתן לתכנן מנוע ללא פשרות, אך מנוע כזה לא ניתן להסב לדלק אחר.
בקיצור, למרות הפתרון הזמין, השיפור ברעש, בזיהום האוויר ובתלות במקור הטבעי, כמו גם קלות רבה יותר ב"תדלוק" לעומת חשמל, כנראה שגם הנעה בגז טבעי לא תהיה נפוצה יותר מדי.
אז מה נשאר?
על הפתרונות האחרים, הכוללים הנעה על בסיס מתאנול, הנעות משולבות של חשמל ודלק וכן אלו המסתובבים סביב הגז הנפוץ ביותר, אך גם הבעייתי להפקה – המימן, נדון בכתבות הבאות. תאי דלק, המילה האחרונה בתחום, כדורי נתרן להפקת מימן ועוד פטנטים למכביר. יש למה לחכות.
