אנרגיה בתנועה

מנוע חשמלי, ביודלק וכלכלת מימן – האם הם יכולים להוות אלטרנטיבה לנפט מזוקק בהנעת כלי רכב? על החומרים שיניעו כלי תחבורה בעתיד הלא רחוק

מאת ג'ודי ואריה מלמד-כץ | מגזין גליליאו

שוק הנפט העולמי עבר טלטלה במהלך חמש השנים האחרונות. המגמה הכללית בתקופה זו התאפיינה בעליות חדות במחיר, וכך למשל מחירה של חבית נפט גולמי היה גבוה ביולי 2008 כמעט פי חמישה ממחירה חמש שנים קודם לכן.

חסרונן העיקרי של מכוניות חשמליות נעוץ במגבלותיו של המצבר. הטווח המרבי של נסיעה בודדת עומד בדרך כלל על מרחק קצר מ-100 קילומטר.

הסיבות לאי-יציבות זו, שכללה לעתים (כולל בחודשים האחרונים) גם ירידות פתאומיות, אינן ברורות די צורכן. ייתכן שהן קשורות לחששות מפני הידלדלות מאגרי הנפט או שהן מהוות ביטוי לשינויים בביקוש, וייתכן שקיימות סיבות פוליטיות מורכבות יותר. כך או אחרת, המשבר הנוכחי, שקשה לחזות את תוצאותיו, מגדיל את הכדאיות הכלכלית של השקעה במשאבי אנרגיה חלופית – השקעה שיכולה לסייע למדינות עניות בנפט, דוגמת ישראל, להגיע ל”עצמאות אנרגטית” כבר במהלך המחצית הראשונה של המאה ה-21.

נכון להיום, הנעה של כלי תחבורה תלויה כמעט לחלוטין במוצרי נפט מזוקק, והכוונה בעיקר לבנזין ולסולר עבור כלי רכב יבשתיים וימיים וקרוסין עבור מנועי סילון של מטוסים. בשנים האחרונות חלה תזוזה ביחס לשימוש בגז פחמימני (גז טבעי) וכן בכל הקשור ליישום פתרונות של אנרגיה חלופית עבור כלי תחבורה, בין היתר מתוך מגמה להקטין את פליטת גזי החממה לאטמוספרה. קשה לחזות את סופו של התהליך, אולם כבר עתה ברור כי תהיה לו השפעה נרחבת על הכלכלה העולמית, וזאת עקב הנתח הגדול של צרכני האנרגיה הממונעים בשוק האנרגיה הגלובלי.

מילון מונחים חשובים:

• ביוגז – גז שמופק מביומסה. הכוונה בדרך כלל למתאן.
• ביודיזל – ביודלק המיועד לשריפה במנוע דיזל. הוא מיוצר בדרך כלל משמנים צמחיים או משומנים.
• ביודלק (biofuel) – דלק שמקורו בביומסה. כך למשל, אתנול (כוהל היין, אלכוהול בשפת היום-יום) ובוטאנול (בוטיל אלכוהול), שמופקים מצמחים בתהליך של תסיסה וזיקוק, יכולים לשמש כדלק עבור מנועי בעירה פנימית של כלי רכב.
• ביומסה (biomass) – המסה הכוללת של יצורים חיים. באותו מונח משתמשים גם כדי לתאר חומר גלם ביולוגי טרי המשמש לייצור דלק.
• דלק מאובנים (fossil fuel) – דלק שנוצר בתהליכים גיאולוגיים ארוכי שנים. הכוונה בדרך כלל לפחם, לגז טבעי (תערובת של מתאן עם גזים נוספים), לפצלי שמן ולנפט גולמי. בתהליך הזיקוק ניתן להפיק מהנפט מגוון דלקים, דוגמת בנזין, סולר וקרוסין.
• כלכלת מימן – גישה שלפיה גז המימן יחליף את סוגי הדלק הנפוצים כיום בהנעה של כלי רכב. ניתן להשתמש במימן במנוע בעירה פנימית או כחומר גלם עבור תא דלק.
• מכונית חשמלית – מכונית המבוססת על הנעה באמצעות מנוע חשמלי שמחובר למצבר (סוללה חשמלית). המצבר הוא בעצם שרשרת של תאים אלקטרוכימיים.
• מכונית כלאיים (היברידית) – מכונית שמשלבת מספר סוגי הנעה, או שניתן להשתמש בה בדלקים שונים. בדרך כלל הכוונה למכונית שמשלבת מנוע חשמלי עם מנוע בעירה פנימית.
• מכונית סולארית – מכונית חשמלית שאספקת האנרגיה שלה נעשית באמצעות תאים פוטו-וולטאיים שממירים את אנרגיית השמש לחשמל.
• מנוע בעירה פנימית – מנוע המבוסס על שרפת דלק בתא קטן. ההנעה מתקבלת בעזרת לחץ הגז שנוצר בתהליך הבעירה. במכוניות נפוצים שני סוגים של מנועי בעירה פנימית: מנוע בנזין ומנוע דיזל.
• תא דלק (fuel cell) – מתקן דמוי תא אלקטרוכימי שמפיק חשמל באמצעות תגובה כימית. בניגוד לתא אלקטרוכימי, תא דלק צורך באופן קבוע הספקה של חומרים (המגיבים). אחד מסוגי תאי הדלק המיועד למכוניות מבוסס על תגובה בין מימן לחמצן. התוצר היחיד של תגובה כזו הוא מים.


הפתרון החשמלי

הרצון לבנות כלי רכב שנע בכוחות עצמו הוא עתיק יומין. המכוניות הראשונות, שפותחו בסוף המאה ה-18, מסמלות את תחילתה של תקופה עשירה בהמצאות ששינו את פני התחבורה. הגרסה המוקדמת של כלי הרכב הממונע היתה מבוססת על מנוע קיטור, שיטה שהפכה במשך השנים לאמצעי הנעה עיקרי עבור רכבות ואוניות.

במהלך המאה ה-19 החלו להשתמש גם במנועי בעירה פנימית, שהגרסאות המודרניות שלהם, מנוע בנזין ומנוע דיזל, השתלטו על שוק המכוניות במהלך המאה ה-20. אולם, לקראת סוף המאה ה-19 היתה המכונית החשמלית נפוצה הרבה יותר. פיתוח המכונית החשמלית, לפני כ-170 שנה, התאפשר בזכות המצאת המנוע החשמלי. מנוע כזה, שמחובר למצבר, יכול להפוך אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית ולהניע את גלגלי הרכב.

כאמור, במאבק ארוך השנים בין המנוע החשמלי למנוע הבעירה הפנימית היתה בסופו של דבר ידו של האחרון על העליונה, לפחות בכל הקשור לכלי רכב. החל מהעשור השני של המאה העשרים הפך ייצורן של מכוניות המשתמשות במנוע בעירה פנימית לזול יותר, והשימוש בהן נעשה נוח יותר. אחד הגורמים העיקריים לכך היה המצאת המתנע, המשמש להפעלת מנוע הבעירה הפנימית, ומהווה בעצם מנוע חשמלי קטן שמחובר למצבר.

מנועים חשמליים קטנים נוספים, שגם הם מחוברים למצבר, משמשים למספר מטרות משניות כמו פתיחת החלונות וסגירתם, אולם בעת נסיעה רגילה הנעת הרכב וטעינת המצבר מתבצעות באמצעות מנוע הבעירה הפנימית בלבד. שרפת בנזין או סולר במנוע כזה היא אחד הגורמים לעליית ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה במהלך עשרות השנים האחרונות, כמו גם לזיהום האוויר החמור בערים הגדולות. מכוניות חשמליות הן “ירוקות” מבחינה זו.

מגבלות השימוש בחשמל

חסרונן העיקרי של מכוניות חשמליות נעוץ במגבלותיו של המצבר. הטווח המרבי של נסיעה בודדת עומד בדרך כלל על מרחק קצר מ-100 קילומטר, אם כי מרחק זה צפוי לעלות בשנים הקרובות. בעיה נוספת היא אורך החיים הקצר של המצברים, שעומד כיום על פחות מ-5 שנים, אך גם מבחינה זו צפוי שיפור ניכר.

המגבלה העיקרית, שמוֹנעת חדירה נמרצת יותר של מכוניות חשמליות לשוק כלי הרכב, היא זמן הטעינה הארוך של המצבר, שחייבת להיעשות במצב חניה. למעשה, טעינה מלאה נמשכת בדרך כלל כמה שעות. הזמן הארוך נובע מהצורך להוריד את עצמת זרם הטעינה בשלבים הסופיים שלה, כשהמצבר מלא ב-80% ומעלה, משום שחלק ניכר מאנרגיית הטעינה הופכת בשלב זה לחום. בעיות אלה מגבילות את שוק המכוניות החשמליות, אם כי הנעה חשמלית יכולה להוות פתרון מצוין כבר להיום לשם מטרות מסוימות, כמו למשל שימוש ברכב לנסיעות עירוניות בלבד.

מנקודת מבט רחבה יותר יש להתעכב על הדרך שבה מיוצר החשמל שמשמש לטעינת המצבר. אם, למשל, חשמל זה מיוצר על-ידי תחנות כוח ששורפות דלקי מאובנים, אין משמעות רבה לשימוש במכונית חשמלית מבחינת ההפחתה בפליטת פחמן דו-חמצני לאוויר (על “דלקי מאובנים” ומונחים נוספים במאמר ראו בהמשך). לפיכך, מעבר רחב למכוניות חשמליות ראוי שייעשה במסגרת כוללת של פיתוח אנרגיה חלופית לייצור חשמל.

אפשר להזכיר בהקשר דומה גם את המכונית הסולארית, שהיא בעצם מכונית חשמלית שהשטח העליון שלה מצופה בתאים פוטו-וולטאיים הממירים את אנרגיית השמש לחשמל. החיסרון העיקרי שלה נעוץ בהספק הנמוך שהתאים יכולים לייצר.

שטח של כמה מטרים רבועים לא יוכל לתרום יותר מכוחות סוס בודדים, אפילו ביום שמש בהיר וביעילות גבוהה של התאים, וזה הרבה פחות מההספק הדרוש למכונית מודרנית ממוצעת.בעיה קשה קיימת כמובן בלילה, ובימים מעוננים. עם זאת, סביר להניח שמכונית העתיד תקבל חלק מההנעה שלה באמצעות אנרגיה סולארית, גם אם חשמל זה ישמש בעיקר לטעינה אטית של המצבר כשהמכונית חונה.

הנעה כפולה‏

הרעיון הישן של מכונית כלאיים (היברידית), המבוססת על שילוב בין מנוע חשמלי גדול למנוע בעירה פנימית זוכה לאחרונה לתחייה, עקב השאיפה להקטין את צריכת הדלק של כלי הרכב. מכונית כזו לא סובלת מחסרונותיה של המכונית החשמלית משום שטעינת המצבר נעשית בזמן נסיעה. פרדיננד פורשה (Porsche) תכנן וייצר את הדגם המוצלח הראשון של מכונית כלאיים כבר בשנת 1902. הוא השתמש במערכת הנעה טורית שבה מנוע בעירה פנימית מסובב גנרטור המשמש לטעינת המצבר. המצבר עצמו מספק חשמל למנוע חשמלי שמחובר לגלגלים.

כיום מעדיפים היצרנים תכנון אחר – מערכת הנעה מקבילית. בתכנון כזה מחוברים שני המנועים לגלגלים. בעת נסיעה איטית, או במצב עצירה, מחשב המכונית מפעיל בדרך כלל רק את המנוע החשמלי. מנוע הבעירה הפנימית מותנע באמצעות המנוע החשמלי במהירויות שבהן מתקשה המנוע החשמלי לספק את מלוא דרישות האנרגיה של המכונית.
בעת בעירת אתנול נפלט פחמן דו-חמצני, וכשאתנול ובנזין משמשים להנעת כלי רכב, גם הם אחראיים לפליטת גזי חממה לאטמוספרה

מאותו רגע, מנוע הבעירה הפנימית משמש גם לטעינת המצבר באמצעות גנרטור (אלטרנטור) הממיר אנרגיה מכנית לחשמל. שילוב של הנעה חשמלית עם מנוע בעירה פנימית מציב כיום את המכוניות ההיברידיות בראש רשימת המכוניות החסכוניות מבחינת צריכת דלק.

מבנה טיפוסי של מערכת הנעה מקבילית ברכב היברידי. שני המנועים יכולים להניע את גלגלי הרכב יחד או לחוד. טעינת המצבר (מסומנת בירוק) נעשית תוך כדי נסיעה באמצעות גנרטור שמחובר למערכת ההנעה. בעת בלימה עובד המנוע החשמלי כגנרטור ומספק זרם נוסף לטעינת המצבר.

טעינה בעת בלימה

המצבר במכונית הכלאיים, כמו גם במכונית החשמלית, מספק מתח ישר שיכול להפעיל ישירות מנוע DC (זרם ישר). עם זאת, כיום יש נטייה להעדיף שימוש במנוע AC (זרם חילופין) שמחובר לממיר DC ל-AC (מתח ישר למתח חילופין). המתח הדרוש למנועיAC בדרך כלל גבוה יותר (בסביבות 300 וולט), והמנועים יקרים יותר, אולם למנועים אלו יש יתרון חשוב – ניתן לטעון בעזרתם את המצבר בעת בלימת הרכב.

שיטה זו מכונה בלימה רגנרטיבית (regenerative braking): לחיצה על דוושת הבלמים מנתקת את זרימת הזרם החשמלי מכיוון המצבר אל המנוע החשמלי, והמנוע מתחיל לעבוד בכיוון ההפוך, כגנרטור, כלומר הגלגלים מניעים את הרוטור שלו והוא מפיק חשמל שטוען את המצבר. לפי חוק לֶנץ (Lenz's law), המהווה ביטוי לחוק שימור האנרגיה, הזרם שמתפתח בגנרטור יוצר שדה מגנטי בכיוון הפוך לשדה המגנטי שיצר אותו, ובכך מאט את הרוטור, כלומר בולם את הרכב.

בנוסף למערכת הבלימה הרגנרטיבית מותקנים ברכבים אלו גם בלמים רגילים, על מנת לסייע לעצירה מוחלטת של הרכב, אולם פעולתם מועטה והם נשחקים פחות מבלמים טיפוסיים ברכב רגיל

לנסוע על אלכוהול?

המונח מכונית כלאיים מתייחס בדרך כלל למכונית שמשלבת הנעה חשמלית עם מנוע בעירה פנימית, אולם במובן הכללי כל מכונית שבה שני סוגי הנעה משמשים באופן משולב יכולה להיחשב כמכונית כלאיים. כזו היא למשל מכונית שמוּנעת בעזרת תערובת של בנזין ואתנול.

למכוניות אלו יש מערכת הנעה “גמישה” (ועל כן הן מכונות flexible-fuel או בקיצור flex-fuel) שמאפשרת להן לזהות את ריכוז האתנול בתערובת הדלק (דלק שמכיל אתנול מסומן באות E. כך למשל, E85 מכיל 15% בנזין ו-85% אתנול מעורב עם מעט חומרים אחרים כגון מתנול), ולהתאים את מנגנון הזרקת הדלק ואת תזמון הדלקת המצתים לבעירה אופטימלית.

דרישה נוספת ממכונית כזו היא הצורך בעמידות של חלקי מערכת הדלק בפני אתנול, שנחשב לחומר קורוזיבי יותר מבנזין. הנרי פורד (Ford) היה מהראשונים שמימש את הרעיון לצרוך אתנול במנוע בעירה פנימית. המאייד (קרבורטור) של “פורד מודל T”, שיוצרה בין 1908 ל-1927, היה ניתן לכוונון ויכול היה לעבוד עם תערובות דלק שונות.

אתנול – יתרונות וחסרונות

בשל משבר הנפט שהתחולל עקב חרם הנפט הערבי החלה בשנות ה-70 התעוררות עולמית בכל הנוגע לייצור אתנול לצורך הנעת מכוניות. ברזיל היתה חלוצה בכל הנוגע להקצאת שטחים נרחבים לגידולים המיועדים לייצור אתנול. כיום ברזיל שמפיקה אתנול מקנה סוכר, וארצות הברית שמפיקה אתנול מתירס, מספקות כ-90% מהצריכה העולמית של אתנול כחומר דלק.

ברזיל חלוצה גם בכל הנוגע למעבר למכונית שמונעת בעזרת אתנול בלבד (E100), ויצרניות הרכב הגדולות החלו לייצר דגמים שיכולים לעבוד על אתנול נקי – דגמים שכרגע מיועדים בעיקר לברזיל ולארגנטינה, החולקת מדיניות דומה. ברזיל עשתה צעד נוסף לכיוון הטמעת הביודלק, דלק ממקור ביולוגי, בשוק כלי הרכב, וכיום כבר לא ניתן למצוא בה דלק שמכיל פחות מ-26% אתנול. הפופולריות של האתנול בברזיל נובעת בין השאר ממחירו הנמוך, וזאת ללא סובסידיה ממשלתית.

כיום קיימת נטייה לנסות להפיק ביודלק מצמחים שאינם נצרכים כמזון או להשתמש בחלקי צמחים שאינם משמשים את תעשיית המזון.

שאלת הקצאת השטחים הנרחבת לייצור ביודלק עלתה לכותרות במהלך השנה האחרונה בגלל העלייה התלולה במחירי המזון בעולם. סוגיה זו, שזכתה לכינוי “מזון כנגד דלק” (food vs. fuel), מעלה את השאלה האם עדיף היה להשתמש בשטחים אלו עבור גידולים המיועדים לשמש כמזון. זו שאלה גלובלית שיש לה השלכות בכל הנוגע לסוגיית המאבק ברעב במדינות עניות במיוחד שכמעט אינן צורכות דלק, באופן לא מפתיע.

גם מבחינה אקולוגית אין האתנול מהווה פתרון אופטימלי. בעת בעירת אתנול, כמו בבעירה של תרכובות אורגניות אחרות, נפלט פחמן דו-חמצני, וכשהם משמשים להנעת כלי רכב אחראיים אתנול ובנזין לכמות דומה של גזי חממה שנפלטת לאטמוספרה לנסיעה לכל ק”מ. הטיעון המרכזי של תומכי האתנול מתמקד בדרך שבה הוא מיוצר – הרי הגידולים שמהם מופק האתנול צורכים פחמן דו-חמצני בתהליך הפוטוסינתזה, ובכך מתקבל מִחזור של הגז.

דלק מהשדה

ביומסה היא שם כולל לחומר גלם ביולוגי טרי המשמש לייצור ביודלק, למשל האתנול. אתנול מיוצר באמצעות תסיסה ולאחריה זיקוק. בתהליך כזה ניתן להגיע לתערובת שמכילה 96% אתנול ו-4% מים (יחסי משקל), משום שביחסים כאלו התערובת רותחת יחד ולא ניתן להפריד בין המרכיבים שלה בזיקוק רגיל (תמיסה אזאוטרופית, azeotropic). ניתן לקבל אתנול נקי על-ידי הוספת בנזן (Benzene) בעת הזיקוק. באתנול כזה אסור להשתמש למאכל משום שהבנזן, ששרידים שלו עלולים להישאר באתנול, הוא חומר מסרטן.

התסיסה הכוהלית של חומר הגלם, המבוצעת על-ידי שמרים, יכולה להתרחש אך ורק בתנאים אל-אווירניים. בשלב הראשון הופכים השמרים את הסוכרים שמקורם בחומר הגלם לחומצה פירובית (Pyruvic acid), ותוך כדי כך הם זוכים באנרגיה כימית זמינה. אחר כך, הם מפרקים את החומצה הפירובית לפחמן דו-חמצני ולאצטלדהיד (Acetaldehyde), והוא מתחזר לאתנול.

התהליך מוכר היטב בתעשיית המזון: הפחמן הדו-חמצני שמיוצר על-ידי השמרים בתסיסה כוהלית הוא זה שמתפיח את הבצק, ואילו האתנול, שמתאדה באפיית הלחם, דווקא מהווה תוצר רצוי בתסיסת מיץ ענבים ליין.

איסוף מתאן ליצירת ביוגז

ביוגז הוא דוגמה נוספת לביודלק. מדובר בעיקר בגז מתאן שנוצר מחומר אורגני במספר שלבים. השלב הסופי של ייצור המתאן, הקרוי מתאנוגנזה, מתבצע באופן בלעדי על-ידי ארכאונים (“חיידקים קדומים”), בתנאים אל-אווירניים, כלומר בהיעדר חמצן. הם צורכים מולקולות פשוטות, דוגמת מימן מולקולרי (H2), פחמן דו-חמצני וחומצת חומץ (חומצה אצטית), והופכים אותן למתאן (CH4).

חומר הגלם הראשוני לאותן מולקולות פשוטות יכול להיות מגוון ביותר, למשל רב-סוכרים, חלבונים ושומנים, ולכן אין זה מפתיע שמתאן נוצר באופן ספונטני במזבלות העירוניות. בשלב הראשון, מיקרואורגניזמים שונים מפרישים אנזימים שמפרקים את השרשרות הארוכות של המולקולות האורגניות ליחידות הבסיס שלהן – גלוקוז, חומצות אמינו וחומצות שומן – שבעצמן הופכות למולקולות קטנות יותר בעזרת אותם מיקרואורגניזמים.

ניתן לאסוף את המתאן שנוצר במזבלות בקלות יחסית והדבר מיושם כיום בישראל. כך ניתן לקבל ביוגז במחיר נמוך, ובו בזמן למנוע מהמתאן, המהווה את אחד מגזי החממה, להשתחרר לאטמוספרה.

הפקת אתנול מתאית

לחלופין ניתן לייצר מתאן ופחמן דו-חמצני באופן יזום במתקן עירוני המיועד להפרדת סוגי אשפה ולטיפול בזבל. בדומה לגז טבעי, המורכב ברובו ממתאן, יש לביוגז שימושים רבים. על אף ששרפתו מלווה בפליטת פחמן דו-חמצני, שימוש במתאן בתחנות כוח נחשב לידידותי לסביבה הרבה יותר מפחם, למשל. כמות הפחמן הדו-חמצני הנפלטת בבעירה של מתאן נמוכה בהשוואה לכל חומר אורגני אחר, וכמו כן לא נפלטים בתהליך חלקיקים מזהמים ואין תוצרי לוואי מסוכנים.

מחקרים העוסקים בייצור ביודלק נעשו פופולריים בשנים האחרונות. כיום קיימת נטייה לנסות להפיק ביודלק מצמחים שאינם נצרכים כמזון או להשתמש בחלקי צמחים שאינם משמשים את תעשיית המזון. ביודלק מסוג זה, שאינו מהווה בעיה בכל הקשור לסוגיית “מזון כנגד דלק”, מכונה “ביודלק מהדור השני”.

דוגמא לפיתוח שכזה הוא הרעיון להפיק אתנול מתאית (צלולוז), שאינה מתעכלת על-ידי בני אדם. תאית היא רב-סוכר שבנוי כשרשרת ארוכה של מולקולות גלוקוז. אחד הקשיים בהכנת תאית לתהליך התסיסה נובע מהצורך להפריד בין התאית ובין מרכיבים לא-סוכריים של העץ, דוגמת ליגנין.

קושי נוסף טמון בצורך לפרק את התאית למולקולות גלוקוז. הפירוק יכול להיעשות בעזרת חומצה או באמצעות אנזים הקרוי צלולאז. בטבע, אנזימים השייכים לקבוצת הצלולאז מופרשים על-ידי פטריות ומיקרואורגניזמים, כמו למשל מיקרואורגניזמים החיים במערכת העיכול של מעלי הגרה, שבזכותם יכולים בעלי חיים אלו לעכל תאית. עקב תמיכת הממשל האמריקאי בייצור אתנול מתאית, זכה הרעיון להתקדמות ניכרת בשנתיים האחרונות, במיוחד בכל הקשור לייצור אנזימים משופרים ולהקמת מפעלים לייצור אתנול מתאית.

האתגר: מנוע דיזל

מנוע דיזל מהווה אתגר מסוג אחר לתעשיית הביודלק. למנוע זה דרוש דלק כבד יחסית שנדלק מהר כשהוא מוזרק למנוע שנמצא בו אוויר בלחץ גבוה. כיום נהוג לתדלק כלי רכב המצוידים במנוע כזה בסולר, אחד מתוצרי הזיקוק של נפט, אולם יש אפשרויות נוספות.
המימן לא זכה להצלחה כמו בנזין בקרב כלי הרכב היבשתיים, אך במרוץ לחלל היה למימן נוזלי תפקיד חשוב כדלק עבור המנועים הרקטיים של המשגרים

למרבה הפלא, רודולף דיזל (Diesel) עצמו סבר ששמן צמחי הוא הדלק המועדף עבור המנוע שהמציא. שימוש בשמן צמחי, טרי או משומש, אכן אפשרי למטרה זו, אך הצמיגות הגבוהה שלו עלולה למנוע את היפרדות הנוזל לטיפות זעירות בעת ההזרקה למנוע, ובכך לפגוע במנגנון ההזרקה ולגרום לבעירה לא-שלמה של הדלק.

לבעיה זו יש פתרון פשוט למדי – תהליך כימי הקרוי טרנס-אִסטור (Transesterification). בתהליך זה מוסיפים אלכוהול (אתנול או מתנול) לשמן או לשומן. הטריגליצרידים מגיבים עם האלכוהול בנוכחות בסיס שמשמש כזרז. תוך כדי כך נוצר גליצרול ומונו-אסטר. האסטר שנוצר בתהליך, שצמיגותו נמוכה יחסית, מתאים לשמש כביודיזל, כלומר ביודלק המיועד למנוע דיזל.

אצות או לא להיות

אחד הכיוונים המעניינים בתחום הביודיזל הוא שימוש באצות כחומר גלם. בשנת 1978 הכריז הממשל האמריקני על תכנית מחקר שנועדה לקדם כיוון זה באפיקים רבים – החל ממציאת זני אצות שמכילות כמות גדולה של חומצות שומן וכלה בשיפור שיטות הפקת השמן מהאצות. כך למשל התגלה שניתן להגדיל את הפקת חומצות השומן שמייצרות האצות לא רק באמצעות תזונה מתאימה, אלא גם בשיטות גנטיות.

החוקרים מצאו שביטוי יתר של הגן המקודד ייצור של אנזים אצטיל-CoA קרבוקסילאז (acetyl-CoA carboxylase), אנזים שיש בו עניין גם בכל הקשור לחקר השמנה אצל בני אדם, יכול להגדיל באופן ניכר את אחוז חומצות השומן בתאי האצות. התכנית הופסקה ב-1996 עקב ההערכה שגידול אצות להפקת ביודיזל ישתלם רק אם יעלה מחיר הנפט באופן משמעותי, מה שאכן התרחש עשר שנים מאוחר יותר.

לאצות יש כמה יתרונות משמעותיים יחסית לגידולים אחרים להפקת ביודלק – הן גדלות מהר וכמעט שאינן צורכות שטח. ניתן לגדל אותן בשקית או במכל שקוף וכך להגדיל את כמות האור שמגיעה אליהן. הנטייה היא להקים חוות אצות בסמוך למפעלים שפולטים כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני, ולהזרים את הגז, הנחוץ לתהליך הפוטוסינתזה, ישירות לחווה. הדבר מגדיל את קצב הגידול של האצות ובו בזמן מאפשר מִחזור של גז החממה.

חווה של אצות יכולה לשמש לא רק לייצור ביודיזל. את הסוכרים שנותרים לאחר הפקת השמן ניתן להתסיס ולייצר אתנול, ובחלבונים אפשר להשתמש בתעשיית המזון. הקושי העיקרי בגידול אצות הוא רגישותן לזיהומים ולתנאי הסביבה, ולכן הגידול צריך להיעשות בתנאים מבוקרים.

כלכלת מימן

הדלק היחיד שלא פולט פחמן דו-חמצני בעת שרפתו הוא מימן. בעת בעירת מימן, המימן מתרכב עם החמצן והתוצר היחיד הוא מים. המעבר לשימוש בגז מימן כמקור דלק עיקרי לכלי רכב יחייב הכנת תשתיות נרחבות, שיכללו לא רק פיתוח כלי רכב בעלי מערכות הנעה מתאימות, פיתוח מערכת להובלת כמויות גדולות של מימן ופיתוח מערכת תדלוק נוחה, אלא גם מערכת להפקת מימן – גז שנמצא בכמות מזערית באטמוספרה. הגישה התומכת בהחלפת הדלקים שמשמשים להנעת כלי רכב בגז המימן קרויה כלכלת מימן.

צפיפות האנרגיה של מימן, כלומר כמות האנרגיה שניתן להפיק מכל קילוגרם של החומר, היא הגבוהה ביותר בין כל חומרי הבעירה הקיימים, ואין פלא שהוא משמש במנועי בעירה פנימית מאז המצאתם בתחילת המאה ה-19. אמנם, המימן לא זכה להצלחה כמו בנזין בקרב כלי הרכב היבשתיים, אך במרוץ לחלל היה למימן נוזלי תפקיד חשוב כדלק עבור המנועים הרקטיים של המשגרים.

לצורך שימוש יעיל במכוניות יש לדחוס את הגז עד כדי 700 אטמוספרות. זו משימה לא פשוטה שדורשת השקעת אנרגיה רבה, אבל מרגע שהגז נדחס יהיה קל יחסית לשנע אותו לתחנת הדלק ולתדלק את המכוניות באמצעות צינור תדלוק אטום.

יש לציין, שכל עוד המימן לא בא במגע עם חמצן, השימוש בו פחות מסוכן משימוש בבנזין, עקב טמפרטורת ההצתה העצמית (autoignition temperature. טמפרטורת ההצתה העצמית היא הטמפרטורה המינימלית שבה החומר נדלק בתנאים אטמוספריים רגילים באופן ספונטני, ללא התערבות חיצונית.) הגבוהה שלו (מעל 500 מעלות צלזיוס). מצד שני, מימן דולף שבא במגע עם חמצן עלול להידלק בטמפרטורה נמוכה.

מכונית רב-דלקית

כבר היום אפשר לעבור לשימוש במימן כדלק במנועי בנזין, והצרכן יכול לבחור בין קניית דגם חדש ובין התאמה של רכב ישן להנעה באמצעות מימן. השינויים המהותיים הם החלפת מנגנון הזרקת הדלק והתאמת החומרים שמהם בנוי תא השריפה, אולם רוב עלות ההתאמה נובעת דווקא מהצורך להחליף את מְכַל הדלק בכזה שעשוי מסיבי פחמן, מכל קל וחזק שיחזיק את גז המימן הדחוס.

המגבלה העיקרית כיום נובעת מהצורך במכל דלק ענקי – מכל דלק טיפוסי של רכב משפחתי יספיק לנסיעה של פחות ממאה קילומטר, אפילו אם ייעשה שימוש במימן נוזלי.
אפשרות שמתאימה לטווח הקרוב היא “מכונית רב-דלקית”, שיהיו בה כמה מכלים המיועדים לסוגים שונים של דלקים, כמו בנזין, אתנול, גז טבעי וגז מימן

חומרים חדשים עבור מכלי דלק נמצאים בשלבי פיתוח. חומרים אלו יוכלו להגדיל את כמות המימן המאוחסן באמצעות התרכבות המימן עם החומר עצמו. דוגמא לחומר כזה היא תרכובת של נתרן ואלומיניום שבנוכחות מימן יכולה להפוך להידריד. האתגר הוא להקטין את הטמפרטורה שבה משתחרר המימן מהחומר, שכיום עומדת על כ-300 מעלות צלזיוס.

אפשרות שמתאימה יותר לטווח הקרוב היא “מכונית רב-דלקית”, שיהיו בה כמה מכלים המיועדים לסוגים שונים של דלקים, כמו בנזין, אתנול, גז טבעי וגז מימן. מחשב המכונית יכוון באופן אוטומטי את מערכות ההזרקה וההצתה של המנוע בהתאם לסוג הדלק הנבחר על-ידי הנהג.

תאי דלק להנעת מנוע חשמלי

לטווח ארוך יותר נשענת התקווה של כלכלת המימן על שיטת הנעה אחרת – רכב חשמלי שמקבל את החשמל מתאי דלק. תא דלק הוא התקן דמוי תא אלקטרוכימי, אלא שבניגוד לתא אלקטרוכימי, תא דלק זקוק להספקה קבועה של המגיבים. מצד שני, תא דלק אינו זקוק לטעינה כמו מצבר רכב רגיל. החומרים המגיבים בתא דלק מימני הם מימן וחמצן, כך שדרושה לו הספקה קבועה של מימן מולקולרי ושל אוויר. המימן מוזרם בלחץ גבוה לעבר האנודה, שבה הוא עובר תגובת חמצון בנוכחות זרז, דוגמת פלטינה (ראו איור).

כתוצאה מתגובת החמצון מופרדת כל מולקולת מימן (H2) לשני פרוטונים ולשני אלקטרונים. האלקטרונים זורמים דרך מעגל חשמלי חיצוני אל צרכן הזרם, המנוע החשמלי, ואילו הפרוטונים חוצים את האלקטרוליט שנמצא במרכז התא. בקתודה הנמצאת מעברו השני של האלקטרוליט, שמונֵע מעבר של אלקטרונים דרכו, מתרחשת תגובת חיזור של חמצן (O2) בנוכחות זרז. האלקטרונים, שזרמו במעגל החשמלי, נקלטים על-ידי מולקולות החמצן, שמקורן באוויר המוזרם לקתודה, ולאחר מכן יוני החמצן השליליים מגיבים עם יוני המימן החיוביים (הפרוטונים) ונוצרים מים.

תא דלק מימני מייצר מתח חשמלי של 0.7 וולט, ולכן יש צורך באוסף גדול של תאי דלק להנעת מנוע חשמלי. עלות הייצור של רכב חשמלי כזה היא גבוהה, עקב מחירם של תאי הדלק, ויש לשער שמכוניות כאלו לא ייוצרו בכמויות גדולות עד שתושג התקדמות בפיתוח תאי הדלק. תא דלק מימני מנצל את האנרגיה שמשתחררת בעת התרכבות של מימן עם חמצן. התהליך ההפוך, שבו מיוצר גז מימן ממים, הוא תהליך שצורך אנרגיה רבה.

שיטות לייצור מימן

מבין השיטות לייצור מימן, המעניינות ביותר הן אלו שניתן לבצע אותן באמצעות אנרגיה סולארית וללא שימוש בדלקי מאובנים. התהליך הפשוט ביותר, הקרוי תרמוליזה, מבוסס על חימום מים לטמפרטורה של כ-2,500 מעלות צלזיוס, שאותה ניתן להשיג באמצעות ריכוז אור השמש. בטמפרטורה כזו מולקולות המים מתפצלות למימן מולקולרי ולחמצן מולקולרי.

הכלים המשמשים לתהליך הדורש טמפ' כה גבוהות עשויים חומרים קֶרמיים, כמו למשל תרכובות זירקוניום (Zr).

שיטה נוספת, שדורשת טמפרטורה נמוכה יותר, קרויה מַחזור תרמוכימי. בשלב הראשון מפרידים תחמוצת מתכתית, למשל תחמוצת אבץ, למתכת ולחמצן. שלב זה מתבצע בטמפרטורה גבוהה של כאלף עד אלפיים מעלות צלזיוס (תלוי בסוג התחמוצת). בשלב השני, המתרחש בטמפרטורה נמוכה יותר, מאפשרים למתכת להגיב עם מים; בתגובה זו נוצרת התחמוצת המקורית ומשתחרר מימן.

כלכלת המימן מהווה אופציה מעניינת בעבור מדינת ישראל. קיים אמנם סיכון בהשקעה כזו, משום ששוק המימן תלוי ביצרני הרכב הגדולים ובהתפתחות תחום תאי הדלק, כמו גם בלחצים שמפעילים ספקי הנפט הגדולים. עם זאת, אם אכן תהיה תזוזה עולמית לכיוון של כלכלת מימן, יש לישראל סיכוי להפוך לשחקן מרכזי בשוק זה על-ידי השקעה במפעלי ייצור מימן בעזרת המשאב הזמין ביותר בארצנו – אנרגיית השמש.

* ג'ודי מלמד-כץ היא כימאית, מסיימת בימים אלה דוקטורט בחוג להגנת הצומח באוניברסיטה העברית.

* אריה מלמד-כץ הוא מהנדס אלקטרוניקה ודוקטור לפיזיקה, מרצה בנושאי מדע ועוסק בייעוץ מדעי ובכתיבה.