מכוניות היברידיות תופסות תאוצה

בעוד רוכשי מכוניות פונים למכוניות היברידיות חסכניות המשלבות בנזין וחשמל, באופק כבר ניצבות מכוניות היברידיות ירוקות עוד יותר

מאת ג'וזף ג'יי רום ואנדרו פרנק, סיינטיפיק אמריקן

בקיץ 2005, כשעלו מחירי הדלק בארצות הברית, החלו נחטפות מחדרי התצוגה מכוניות היברידיות, המשלבות מנוע בעירה רגיל עם מנוע חשמלי הפועל באמצעות מצבר, שילוב המביא לחיסכון בדלק ולשיפור בביצועים. מכונית אמריקנית ממוצעת נוסעת כ- 10 קילומטר לליטר, ולעומת זאת, מכונית היברידית מן המניין, כמו טויוטה פְּרִיוּס לדוגמה, מגיעה למרחק כפול באותה צריכה, בהתאם לאופי הנהיגה. המכירות השנתיות של מכוניות היברידיות בארה”ב הוכפלו מ-2004 ל-2005 והגיעו ל-200,000 יחידות. צופים כי הן יוסיפו לתפוח ויעברו את מחצית המיליון עד 2010. סביר להניח כי עד 2020 כל דגמי המכוניות יגיעו עם אפשרות להנעה היברידית.

עד אז, טכנולוגיית הדור הבא, הקרויה מכוניות היברידיות נטענות מרשת החשמל (plug-in hybrids) תשפר את תצרוכת הדלק עוד יותר, ותציע גם כמה הטבות נוספות: מצבר זול שייטען במשך הלילה באמצעות חיבור פשוט לשקע החשמל בבית או בעבודה, לא יותר מכמה עצירות בתחנת הדלק כל שנה ואפילו סיכוי למכור עודפי חשמל בחזרה לחברת החשמל. לבד מן היתרונות לצרכן, יסייעו המכוניות הנטענות החדשות להפחית את פליטת גזי החממה, שייפלטו, במקום ממיליוני אגזוזים – מתחנות כוח. כיום תחנות הכוח בארה”ב שורפות פחם וגז טבעי מקומיים, ובעתיד הן יוכלו לייצר חשמל נקי יותר ממקורות אנרגיה כמו רוח, שמש ואפילו מערכות מתקדמות לשרפת דלק מחצבי, הקוברות את הפחמן הדו-חמצני במעבה האדמה.

כדי להבין לאן מועדות פניה של תעשיית המכוניות ההיברידיות, יש להביט לאחור ולראות מה עלה בגורלם של כלי הרכב הרגילים. במשך מאה שנה, כמעט כל כלי הרכב השתמשו במנוע בעירה פנימית השורף בנזין או סולר. כבר בתחילת המאה ה-20 ניסו מהנדסי תחבורה לקדם את רעיון השילוב בין מנוע בעירה למנוע חשמלי הפועל על מצבר כדי להוסיף כוחות סוס ולשפר את תצרוכת הדלק, אך הם חדלו מכך כשמנועי הבעירה הפנימית נעשו חזקים יותר ולא נזקקו עוד לשיפור. הדלק היה זול וזמין, ותחנות כוח רעבות לבנזין לא היוו בעיה של ממש. עד ימי משבר הנפט של שנות ה-70, הייתה הדעה הרווחת בקרב נהגים כי כדי להשיג תצרוכת דלק טובה, יש להקריב גודל, משקל וביצועים. אף כי המכוניות הקטנות זכו לעדנה זמנית, כלי הרכב בארה”ב שבו לגדול וצריכת הדלק שלהם עלתה בקצב אדיר. עם תחילת העלייה הנוכחית במחירי הנפט, תצרוכת דלק משופרת שבה והייתה לתכונה נחשקת.

המכוניות ההיברידיות של ימינו משלבות בקרת הספק אלקטרונית ממוחשבת מתקדמת עם שני מנועים – רגיל וחשמלי. הדבר מאפשר שיפור בתצרוכת הדלק והפחתה בפליטת הגזים, לצד תאוצה מעולה וטווח ארוך יותר. מכוניות היברידיות יכולות להסתדר עם מנוע בעירה פנימית קטן יותר משל רכב רגיל, מכיוון שהמצבר והמנוע החשמלי מספקים עוד אנרגיה בעת הצורך, בשעת האצה או עלייה במדרון.

כל טכנולוגיה המסוגלת לשפר את תצרוכת הדלק יכולה לשמש גם להגדלת מספר כוחות הסוס. עד כה, מערכות ההינע של המכוניות ההיברידיות הביאו לשיפור כה רב ביעילות, ומנועיהם החשמליים מפתחים תאוצה גבוהה כל כך, עד שיצרני המכוניות משתמשים בטכנולוגיה להגדלת כוחות הסוס ולשיפור תצרוכת הדלק גם יחד. המכונית ההיברידית פורד אסקייפ, לדוגמה, מגיעה לתצרוכת דלק טובה בהרבה אך מספקת כמעט את אותו הספק. כלי רכב היברידיים אחרים, כמו טויוטה היילנדר, רכב שטח ספורטיבי בעל הנעה של 4X4, מנצלים את המערכת ההיברידית לקבלת שיפורים מתונים בשתי הקטגוריות.

בשל ההוצאה הנוספת על המצבר הגדול, המנוע החשמלי ורכיבי האלקטרוניקה הנוספים, מחירה של מכונית היברידית גבוה, באופן בלתי נמנע, ממחירה של מכונית רגילה. התוספת למכוניות ההיברידיות המצויות כיום בשוק בארה”ב היא מ-3,000 עד 7,000 דולר, והממוצע עומד על 4,000 דולר [בישראל, מכונית היברידית זולה ממקבילתה הרגילה בשל מדיניות מיסוי מעודדת – העורכים]. על חבילת המצבר והמנוע החשמלי משלמים גם במשקל: כ-5% ממשקלה של הונדה אקורד היברידית, לדוגמה. תוספת העומס מפחיתה מעט את השיפור בתצרוכת הדלק.

עבור רכב הנוסע 24,000 ק”מ בשנה וצורך בנזין שמחירו 65 סנט לליטר בארה”ב, טכנולוגיה היברידית המשפרת את ביצועי צריכת הדלק מ- 8 ל- 12.5 קילומטר לליטר, תוכל לחסוך לצרכן כ- 600 דולר בשנה [במחירי הדלק בישראל מדובר בחיסכון של כמעט 7,000 שקל בשנה – העורכים]. כך שבמחירי המכוניות ההיברידיות של היום, יחד עם זיכוי מס פדרלי חדש ברכישת מכוניות היברידיות בארה”ב, אפשר להחזיר את ההשקעה בתוך כמה שנים, אם לא לוקחים בחשבון את שאר היתרונות, כמו הטווח המוגדל.

אך עם עליית מחירי הדלק, היעילות המשופרת של המכוניות ההיברידיות תקצר במידה ניכרת את תקופת החזרת ההשקעה. לפי שעה, יש לצפות כי נפחי הייצור הגדלים ושיפור טכנולוגיית המצברים יפחיתו את עלויות הייצור. מ-1997 עד 2004, לדוגמה, ירד במחצית מחירו של מצבר ניקל-מתכת הידרידית, המשמש במכוניות היברידיות, , וכך גם משקלו. אפילו כך מהווה המצבר כ-50% מתוספת המחיר ברכבים ההיברידיים של היום. חברת טויוטה לבדה מתכננת לייצר כמעט את כל דגמיה גם בגרסה היברידית ולמכור מיליון מכוניות היברידיות מדי שנה בכל העולם במהלך העשור הקרוב. יש לצפות כי מאמציה יגדילו את נפחי הייצור ויעודדו ירידה במחיר.

סוגי מכוניות היברידיות

המכוניות ההיברידיות מתוכננות בכמה רמות, תלוי בדרגת החיסכון בדלק שאליה מכוון המהנדס. מכונית היברידית “מלאה” מנצלת את יתרונותיהן של שיטות מגוונות לחיסכון בדלק. במכונית היברידית “מתונה” יש פחות אסטרטגיות לחיסכון בדלק, כדי לחסוך בעלויות המערכות הנוספות. ואילו מכונית “מיקרו היברידית” רק מכבה את המנוע בעצירות לקבלת שיפור קל בצריכת הדלק.

מכונית היברידית מלאה, כמו טויוטה פריוס, יכולה לספק שיפור של 60% ויותר בתצרוכת הדלק. החיסכון הגדול ביותר שמשיגה מכונית היברידית מלאה מגיע משחזור אנרגיית הבלימה (regenerative braking), טכנולוגיה הלוכדת את רוב האנרגיה שבדרך כלל מתבזבזת בחימום הבלמים, ומסבה אותה לאנרגיה חשמלית. בדיוק כפי שהמנוע יכול להפוך את האנרגיה החשמלית האצורה במצבר למומנט כוח (הכוח המסובב את הגלגלים ודוחף את המכונית), אפשר להפוך את התהליך, וליצר חשמל ממומנט הכוח הנוצר מהאטת המכונית הנוסעת ולאגור אותו במצבר.

נהיגה עירונית, המאלצת את הנהג לבלום לעתים קרובות, היא ההזדמנות הטובה ביותר לשחזור אנרגיית הבלימה, אך התהליך יעיל גם בנהיגה בעליות ובירידות בשטח הררי. מכוניות היברידיות אוגרות בימינו כמחצית מאנרגיית הבלימה. בעתיד, מצברים משופרים ומערכות מתוחכמות יותר יאפשרו למכוניות לאגור אף יותר אנרגיה זמינה.

ככל מנוע, גם מנוע הפועל על בעירה פנימית מתפקד באופן היעיל ביותר בטווח מצומצם של מומנטים ומהירויות. משום שבמכונית היברידית המצבר והמנוע החשמלי יכולים לספק את תוספת הכוח הדרושה להאצה או לעלייה במדרון, יכולים המהנדסים להקטין את מנוע הבעירה של המכונית ולהביא אותו לפעולה מיטבית על ידי כך שיפעל רק בנקודות התפעול היעילות שלו, שבהן הוא שורף הרבה פחות דלק. בעת הצורך יכולה המכונית לשלב באופן אלקטרוני את המנוע החשמלי, כך שיספק את תוספת הכוח הדרושה.

חלק מיצרני המכוניות ההיברידיות המלאות, כמו טויוטה ופורד, החליפו את המנוע הסטנדרטי המתבסס על תהליך הקרוי “מחזור אוטו” (Otto cycle), המשמש את רוב המכוניות הנוסעות על בנזין, והחלו להשתמש בתצורה חסכונית יותר בדלק, המבוססת על “מחזור אטקינסון”. מנוע מחזור אטקינסון מודרני משתמש בבקרה אלקטרונית ובתזמון שסתומי הכניסה, לקבלת התפשטות רחבה יותר של תערובת הדלק-אוויר הבוערת בגליל הבוכנה, מה שמאפשר למנוע להשתמש בדלק באופן יעיל יותר. עד כה, השתמשו מהנדסים במחזור אטקינסון לעתים נדירות בלבד, משום שהשיפור בתצרוכת הדלק שלו בא על חשבון ההספק שהוא מייצר. אבל במכונית היברידית המנוע החשמלי יכול לפצות על ההספק האבוד. בנסיעה בכביש מהיר, השילוב של מנוע אטקינסון וחיסכון האנרגיה הנובע משחזור אנרגיית הבלימה יכול להביא ליעילות כוללת במערכת ההיברידית העולה על יעילות מנוע דיזל מודרני – מנוע הבעירה הפנימית המוביל מבחינה זו.

במכוניות היברידיות אפשר להימנע מאי יעילות נוספת שבה לוקות מכוניות רגילות שבהן מנוע הבנזין מפעיל את המזגן, הגה הכוח, מערכת המים, משאבת השמן, המאוורר ומערכות זוללות אנרגיה נוספות. במכונית היברידית, המצבר הגדול והאלקטרוניקה הזולה מפעילים את הרכיבים החשמליים והיעילים האלה. ביום קיץ חם, מזגן חשמלי יכול לצרוך 20% פחות אנרגיה מזו שצורך מזגן הפועל באמצעות המנוע.

יתרון עצום נוסף מבחינת תצרוכת הדלק במכונית היברידית מלאה נובע מן היכולת להשתמש במצבר ובמנוע החשמלי להנעת המכונית ללא מנוע הבעירה. ואז, כשמנוע הבעירה שורף דלק ללא כל צורך, למשל, בעצירה או במהירות נמוכה, אפשר להפעיל את המכונית כרכב חשמלי לכל דבר ולחסוך דלק.

מערכות כוח היברידיות מתונות, כמו מערכת מנוע הסיוע החשמלי המשולבת של דגמי אינסייט, סיוויק ואקורד החדשים של הונדה, מספקות חיסכון של עד 35% בתצרוכת הדלק. בנוסף לתפקידו בשעת נהיגה בתנאי נסיעה-עצירה, המנוע החשמלי במכוניות היברידיות מתונות עוזר להן להאיץ, וגם אוגר חלק מאנרגיית הבלימה.

במכונית מיקרו-היברידית, או היברידית נסיעה-עצירה, כמו אלה שמשווקת חברת ג'נרל מוטורס, מנוע הבעירה כבה כשהמכונית נעצרת, ומערכת מתנע-מחולל מדליקה את המנוע מיד כשהנהג לוחץ על דוושת הדלק. רכב כזה, העושה שימוש במנוע חשמלי כדי להניע את העזרים השונים, אך לא את הגלגלים, מגיע ל-10% שיפור בתצרוכת הדלק בנהיגה עירונית, אך לשיפור מועט בלבד בכביש מהיר.

שלטון הנטענות

סביר להניח כי עם הזמן תעלה חשיבותו של אחד מיתרונות המכונית ההיברידית: תצרוכת הדלק המשופרת שלהן מפחיתה את פליטת הפחמן הדו-חמצני, גז החממה העיקרי, לאטמוספרה. ייתכן מאוד כי בעתיד תושפע מדיניות התחבורה הפדרלית של ארה”ב מן הדאגה בנושא שינוי האקלים. מדיניות מתועשות רבות כבר הידקו את תקני תצרוכת הדלק שלהן כדי להביא להפחתה בפליטות הפחמן הדו-חמצני. בארה”ב, ב-2002 העבירה קליפורניה חוק להפחתת פליטות גזי החממה מכלי רכב ב-30% עד שנת המודל 2016. קבוצת מדינות נוספת בארה”ב יישרה אף היא קו עם מדיניות זו (אף כי יצרני המכוניות הגישו עתירות משפטיות נגד המהלך).

מכוניות היברידיות הנטענות מרשת החשמל משלבות הן את יתרונות טכנולוגיית ההינע החשמלי והן את יתרונות טכנולוגיית ההינע ההיברידי. הן מתפקדות באופן מלא הן במצב חשמלי והן במצב היברידי, ומאפשרות חיסכון גדול אף יותר בפליטות ובשימוש בדלק. מכוניות אלה פועלות באופן חלקי על חשמל המיוצר בתחנות כוח מקומיות, דבר שעשוי להפחית את תלות האומה האמריקנית בנפט, והן גם מספקות לתחנות הכוח שוק קבוע לחשמל בשעות השפל, ולנהגים אפשרות תדלוק נקייה וזולה בהרבה. וכמו מכונית היברידית רגילה, ההיברידית הנטענת יכולה לשרוף בנזין לקבלת טווח נסיעה ארוך ותדלוק מהיר. זאת ועוד, אין כל סיבה שמכוניות היברידיות נטענות יהיו מורכבות, כבדות או יקרות יותר מן הדגמים ההיברידיים שיש כיום. ראשית, מנועי הבעירה הפנימית שלהם יתכווצו ככל שהמצברים והמנועים החשמליים יגדלו. שנית, מחירי המצברים ורכיבי האלקטרוניקה יורדים בהתמדה.

במחירי הדלק כיום, עלות תפעול רכב רגיל בארה”ב היא 7.5 סנטים לקילומטר. לעומת זאת, מכונית היברידית נטענת יהיה אפשר להפעיל ב-2 סנטים לקילומטר באמצעות חשמל ביתי שמחירו הממוצע בארה”ב הוא כ-8 סנטים לקילוואט-שעה. בהתחשב בכך שמחצית המכוניות בארה”ב נוסעות לא יותר מ-40 קילומטר ביום, שימוש במכוניות היברידיות נטענות ובמצבר המסוגל לספק אנרגיה לנסיעה של 32 קילומטר יאפשר קיצוץ של עד 60% בצריכת הדלק המיוצר מנפט. גם אדם שייסע כל יום במכונית היברידית נטענת למקום עבודה מרוחק יוכל לנסוע ברוב הימים על חשמל לא יקר שיאוחסן במצבר מתקדם שיוטען כל הלילה באמצעות חיבור לשקע החשמלי הרגיל בבית, ויוטען מחדש במקום העבודה במשך היום.

המצבר הגדול יותר של מכוניות היברידיות נטענות, בשילוב המנוע החשמלי המחוזק, מאפשר הקטנה ניכרת של מנוע הבנזין ושל מערכות מכניות נוספות הקשורות אליו. חוקרים באוניברסיטת קליפורניה שבדייוויס בנו מכוניות אב-טיפוס היברידיות נטענות המסוגלות לנסוע כמעט 100 קילומטר על חשמל בלבד, עם מנוע בעירה שגודלו פחות ממחצית גודלו של מנוע רגיל. שמונה מכוניות הנוסעים ורכבי השטח הספורטיביים שלהם עוברים כעת מבדקים. חברת דיימלר-קרייזלר חשפה ב-2005 את האב-טיפוס הראשון של מכונית היברידית נטענת המיוצרת אצל יצרן מכוניות גדול. זאת הייתה גרסה היברידית של טנדר מתוצרת מרצדס. לטנדר המשודרג יש מנוע בעירה פנימית של 143 כוחות סוס, ומנוע חשמלי של 120 כוחות סוס. הוא יכול לנסוע למרחק של 30 קילומטר במצב חשמלי מלא. תצרוכת הדלק שלו נמוכה ב-40% מן הטנדר הרגיל והתאוצה שלו טובה יותר. עד כה הופעל רק מספר מצומצם של רכבים היברידיים נטענים מדגם זה.

עם התקדמות טכנולוגיית המצברים, יוכלו המהנדסים לפתח מכוניות היברידיות נטענות שיצרכו הרבה פחות דלק מכלי רכב רגילים. טווח הנהיגה בעיר, עם מכל דלק מלא ומצבר טעון, יהיה עשוי להגיע ל-1,000 עד 1,600 קילומטר. גודלן של מערכות האנרגיה השונות בכל מכונית יהיה תלוי בצורכי הנהיגה של הקונה. אנשים הנוסעים מרחקים גדולים מדי יום אולי יעדיפו לרכוש מכונית היברידית נטענת עם מצבר גדול יותר, אם כי לדעתנו טווח של 30 קילומטר בהנעה חשמלית מלאה יספק את רוב הצרכנים.

חשבונות התדלוק הנמוכים יקזזו את מחירה הגבוה של המכונית ההיברידית הנטענת, בהנחה שטכנולוגיית המצברים תוסיף להתפתח והעלויות ירדו. מחירו של מצבר אלקטרו-כימי אחד בעל טווח מוגדל יכול להגיע כיום עד ל-10,000 דולר. אנו סבורים כי מצבר ניקל-מתכת הידרידית, או מצבר יון ליתיום במחיר סביר של פחות מ-3,000 דולר יספקו בסופו של דבר די אנרגיה לטווחים של 30 קילומטר ויותר. בבוא הזמן, אפשר לצפות כי המהנדסים יאריכו את אורך חיי המצברים הללו ליותר מ- 15 שנה ו-240,000 קילומטר.

כמו כן, בעזרת מנוע בעירה פנימית משופר, יוכלו מכוניות היברידיות נטענות לנסוע על תערובת של 15% בנזין ו-85% ביו-דלק, כמו למשל, אתאנול המופק מתאית (אתאנול זה מופק ממקורות שאינם גרעיני תירס, כמו פסולת חקלאית וגידולי אנרגיה ייעודיים). כלי רכב כאלה יוכלו לנסוע 800 קילומטר על תערובת של 4 ליטרים בנזין ו-20 ליטר אתאנול, וכך לקחת חלק באסטרטגיה ארוכת הטווח המיועדת להתמודד עם ההידלדלות הבלתי נמנעת במקורות הנפט העולמיים, שתבוא לאחר שניצולם יגיע לשיא.

למכוניות היברידיות נטענות יתרונות ייחודיים נוספים. מכיוון שאפשר לחברן לרשת החשמל, אפשר ליהנות מתעריפי החשמל בשעות השפל, הנמוכים בהרבה מן התעריפים הרגילים לצריכה ביתית. לתחנות הכוח יש עודפי חשמל בעיקר בלילה, משום שעומסי השיא נובעים ממיזוג אוויר בקיץ. יהיה אפשר לטעון את המכוניות ההיברידיות הנטענות במשך הלילה, ולהזין חשמל או להעניק שירותי בקרת מתח לרשת במהלך היום, כשצריכת החשמל בשיאה. ייתכן אף כי בעלי המכוניות יוכלו לקבל זיכוי או תשלום מתחנות הכוח בעבור שירות כזה. לדברי חוקרים באוניברסיטת דלוור, ערכו הכספי הפוטנציאלי של שירות כזה משמעותי, עד 3,000 דולר בשנה, סכום שעשוי לסבסד את עלות רכישת המכונית ההיברידית הנטענת או המצבר שלה. אפשר לשער כי תחנת כוח תחכיר מכוניות היברידיות נטענות ללקוחות או לעסקים שיסכימו לחבר את הרכב לרשת בכל פעם שהוא לא על הכביש, ולאפשר לתחנת הכוח לשלוט בזמני הטעינה והפריקה של המצבר, בהתאם לייצור בתחנה או לצורכי בקרת המתח. סידור כזה יעזור לתחנות הכוח לאזן עומסים, לדוגמה.

בשביל קובעי מדיניות המודאגים מהתחממות כדור-הארץ, למכוניות היברידיות נטענות יתרון על פני טכנולוגיית רכב ירוקה ומבוקשת אחרת – מכוניות המונעות בתאי דלק מימניים. מכוניות היברידיות נטענות יהיו טובות יותר בניצול חשמל נטול פחמן, מכיוון שבסך הכול, תהליך התדלוק במימן הוא יקר ובלתי יעיל מיסודו. משק מימן יעיל יזדקק לתשתית שתוכל להשתמש בחשמל נטול פחמן כדי לפרק מים באלקטרוליזה למימן ולחמצן, להזרים את הגז הדליל הזה למרחקים ארוכים ולמלא בו את מכלי המכוניות בלחץ גבוה. וכל זאת – כדי להפוך את המימן לחשמל בתא הדלק שיניע את המנוע החשמלי במכונית. כל תהליך האלקטרוליזה, השינוע, השאיבה וההמרה בתא הדלק, ישאיר להנעת המנוע עצמו רק 20% עד 25% מן החשמל נטול הפחמן המקורי. לעומת זאת, במכוניות היברידיות נטענות תהליך הולכת החשמל, טעינת המצבר בכלי הרכב ופריקת המצבר יותירו 75% עד 80% מן החשמל להנעת המנוע. מכונית היברידית נטענת תוכל אפוא לנסוע למרחק גדול פי שלושה עד פי ארבעה לכל קילוואט-שעה של חשמל ממקורות מתחדשים משתוכל מכונית המונעת בתא דלק מימני.

אם המגמות הרווחות כיום במחירי הדלק והדאגה באשר לשינויי האקלים ייוותרו בעינן, אנו צופים כי בסביבות 2020 יחול שינוי נרחב בשוק, שאחריו לרוב דגמי המכוניות תהיה גרסה בעלת הנעה היברידית. לדעתנו, זמן קצר לאחר מכן, יזכו המכוניות ההיברידיות הנטענות למעמד של כלי הרכב החלופי השליט. מהירות התהליך תלויה בייחוד בעליות במחירי הנפט ובמדיניות הממשלה בנוגע לשינוי האקלים ובטיחות אנרגיה. כשלבסוף תפעל מערכת התחבורה העולמית להחליף את הנפט כמקור האנרגיה המרכזי שלה, סוג הרכב הסביר ביותר יהיה מכונית היברידית נטענת וגמישה מבחינת הדלק, שתפעל על שילוב של חשמל נטול פחמן ותערובת של ביו-דלקים. אם בשלב מסוים יחול שיפור ניכר בתפקוד המצברים, ייתכן כי הנהגים יוכלו לעבור למכוניות חשמליות מלאות. יהיה זה אך נבון מצדנו לאמץ את טכנולוגיית התחבורה האישית השימושית הזו בזריזות מרבית.
סקירה כללית מכוניות היברידיות

מספר קטן, ההולך וגדל, של מכוניות ומשאיות היברידיות מונעות באמצעות שילוב של מנוע חשמלי ומנוע רגיל ששורף בנזין. הטכנולוגיה הזאת, שמביאה להפחתה בתצרוכת הדלק, החלה להתפתח במהירות.

מערכת הכוח ההיברידית מייקרת היום את המכוניות בכמה אלפי דולרים. בעל הרכב צריך לנהוג בו כמה שנים עד שהחיסכון בדלק יחזיר את ההשקעה הראשונית הנוספת. אך ככל שתשתפר טכנולוגיית המצברים ויעלה נפח הייצור, צפויה צניחה חדה בתוספת המחיר.

פיתוח מצברים טובים יותר יעודד כנראה גם את ייצורן המסחרי של מכוניות היברידיות שיהיה אפשר להטעינן במשך הלילה מרשת החשמל, וליהנות מתעריפי שפל נמוכים. מכיוון שרוב תחנות הכוח בארה”ב מייצרות חשמל ממקורות אנרגיה מקומיים כמו פחם, אנרגיה גרעינית ואנרגיה הידרו-אלקטרית, המעבר יפחית את התלות של ארה”ב ביבוא נפט לתחבורה ממדינות זרות.

מהנדסים משתמשים בכמה אסטרטגיות לחיסכון באנרגיה במכוניות חשמליות היברידיות, המשלבות מנוע בנזין ומנוע חשמלי. כאן מפורטת מכונית היברידית “מלאה”, כמו טויוטה פְּרִיוּס, שבה נעשה שימוש בכל הטכנולוגיות המתוארות. מכוניות היברידיות מלאות יכולות להגיע לחיסכון של יותר מ-60% בדלק, ואילו מכוניות היברידיות “מתונות” חוסכות עד 35% ומכוניות “מיקרו-היברידיות” כ-10%.

שימוש ברכיבים חשמליים חוסכי אנרגיה במכוניות רגילות, המזגן, הגה הכוח, משאבות המים והשמן והמאווררים שואבים כוח מכני היישר מחלקי המנוע המסתובבים, באמצעות רצועות. אבל מכיוון שמדובר ברכיבים חשמליים, הם פועלים באופן הטוב ביותר באמצעות מתח קבוע של סוללה ולא באמצעות מערכות מכניות שחייבות להסתגל למהירויות מנוע משתנות. המצבר הגדול של המכונית ההיברידית מאפשר לספק חשמל היישר לרכיבים אלה, וכך נחסכת אנרגיה.

תכנון מנוע הבעירה כך שייכבה בעצירות מנועי בעירה רגילים אינם פועלים ביעילות בעצירות ברמזור ובנסיעה בעומס נמוך. מכוניות היברידיות מצמצמות אובדנים אלה על ידי כיבוי מנוע הבעירה והסתמכות על המנוע החשמלי ועל המצבר כמקורות האנרגיה לרכב.

לכידה של אנרגיה מבוזבזת

חלק ניכר מן החיסכון בדלק נובע ממערכת לשחזור אנרגיית הבלימה (regenerative braking), המשיבה חלק מן האנרגיה שאלמלא כן הייתה אובדת כאנרגיית חום כתוצאה מחיכוך בעת האטת הרכב. עקרונית, כשהמערכת פועלת, המנוע החשמלי נע בכיוון הנגדי, כמו גנרטור, וממיר את אנרגיית סיבוב הגלגלים לחשמל שנאגר במצבר.

החלפת סוג המנוע

כמה יצרני רכב החליפו את מנוע הבנזין הרגיל הפועל בשיטת “מחזור אוטו” במנוע הפועל בשיטת “מחזור אטקינסון”. מנוע כזה שורף את הדלק באופן יעיל בהרבה, אבל עד כה לא הרבו להשתמש בו משום שההספק שלו נמוך יותר. המנוע החשמלי של המכונית ההיברידית מפצה על העוצמה האבודה.

מנוע קטן יותר

מנועי בעירה פועלים באופן מיטבי במהירויות מסוימות ובכמה רמות מוגדרות של מומנט כוח, אבל מכוניות רגילות נאלצות לפעול בטווח הספקים רחב בנהיגה יום-יומית. יכולתו של המנוע החשמלי לחזק את מנוע הבעירה במהלך האצה או עלייה במעלה גבעה מאפשר למתכנני מכוניות היברידיות להקטין את מנוע הבעירה.

בעתיד – חשמל מן הרשת בדור הבא של דגמי מכוניות היברידיות תוכל המכונית להיטען במשך הלילה, כלומר בשעות השפל, כשתעריפי החשמל זולים, באמצעות מצבר גדול יותר וכבל חשמלי עם תקע. כך יהיה אפשר לספק יותר ממחצית צורכי הנהיגה של האמריקני הממוצע באמצעות חשמל זול יותר (ונקי יותר ויותר) מרשת החשמל המרכזית.

על המחברים:

ג'וזף ג'יי רום (Romm) ואנדרו א' פרנק (Frank) תומכים באימוץ טכנולוגיית המכוניות ההיברידיות זה שנים רבות. רום, שקיבל את תואר הדוקטור שלו בפיזיקה מן המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), מכהן כמנהל בחברת הייעוץ לאנרגיה נקייה, Capital E. ספרו האחרון הוא “שיגעון המימן: עובדות וסיפורים במירוץ להצלת האקלים” (הוצאת איילנד, 2004). בתפקידו כמשנה בפועל לשר האנרגיה האמריקני בסוף שנות ה-90, סייע רום למאמצי המשרד לפתח ולהשתמש בטכנולוגיות אנרגיה מתקדמות. פרנק קיבל את תואר הדוקטור שלו באוניברסיטת דרום קליפורניה. הוא כיהן כפרופסור להנדסת חשמל באוניברסיטת ויסקונסין שבמדיסון משך 18 שנה, וכעת הוא פרופסור להנדסת מכונות ואווירונאוטיקה באוניברסיטת קליפורניה שבדייוויס. בתחומי המחקר שלו הנדסת מכוניות היברידיות מתקדמות, ובכלל זה מכוניות נטענות.

מכוניות היברידיות

בעולם האמיתי חלק מרוכשי המכוניות התאכזבו משום שמכוניותיהם ההיברידיות לא הגיעו לתצרוכת הדלק המעולה שהובטחה להם בדירוגי המשרד האמריקני לאיכות הסביבה ( (EPA. אין הן שונות בכך מרוב המכוניות המשיגות בשטח לעתים קרובות תצרוכת דלק גרועה באופן משמעותי מזאת שצפה הדירוג של ה-EPA. כמה גורמים מסבירים את הדבר (ה-EPA הכריז בתחילת 2006 על תיקונים בנוהלי הבדיקה שלו, שאולי יתנו מענה למקצת הבעיות). נוהלי בדיקה לקויים של ה- EPA. מחזור הנהיגה המשמש במבדקי התצרוכת הממשלתיים אינו משקף את חוויית הנהיגה ותנאי הכביש האמיתיים, משום שהוא מבוסס על הנחות לא מציאותיות באשר להרגלי הנהיגה האופייניים.

לדוגמה, מהירות הנהיגה הגבוהה ביותר בכביש המהיר היא 90 קמ”ש במבחן, ולעומת זאת הנהג הממוצע עובר מהירות זו לעתים קרובות.עליות עונתיות גדולות בתצרוכת. במכוניות היברידיות כמו טויוטה פריוס, תוכנת מחשב מחליטה מתי להפעיל את מנוע הבעירה, מתי את המנוע החשמלי ומתי לטעון את המצבר. צריכת החימום בחורף מחייבת התערבות בפעולת התוכנה לייעול תפקוד מערכת החשמל, משום שיש צורך להפעיל את המנוע לעתים קרובות יותר. התוצאה: במכוניות היברידיות יש עלייה גדולה יותר בתצרוכת הדלק בחורף מאשר בכלי רכב רגילים. אין מנוס מכך שבעלי מכוניות היברידיות החיים בצפון הקר יראו ירידה חדה בחיסכון בדלק בהשוואה לדירוג של ה-EPA שנקבע בטווח טמפרטורות של C°20 – C°30.

תכנון היברידי מובנה.

מכיוון שמכוניות היברידיות מסתמכות על מערכות לשחזור אנרגיית הבלימה, תצרוכת הדלק שלהן רגישה יותר לאופן הנהיגה. נהגים המתאימים את נהיגתם למכונית ההיברידית, למשל על ידי גלישה לעצירה, מדווחים על נתוני תצרוכת דלק הקרובים לדירוג ה-EPA.

נהיגה אגרסיבית עלולה לגרום לירידה של יותר מ-30% ביעילות החיסכון בדלק, אבל השפעתה בכלי רכב רגילים קטנה בהרבה. באופן כללי, מכוניות היברידיות מלאות משיגות תצרוכת דלק טובה בנסיעות עצור-וסע עירוניות ויתרונן קטן יותר בנסיעה בכביש המהיר.

עוד בנושא

The Car and Fuel of the Future. Joseph Romm Report for the National Commission on Energy Policy, 2004

Driving the Solution: The Plug-In Hybrid Vehicle. Lucy Sanna in EPRI Journal; Fall 2005

עוד על מכוניות היברידיות נטענות: www.calcars.org
עוד על מכוניות היברידיות: www.hybridcars.com
מאמריו הטכניים של אנדרו א' פרנק על מכוניות היברידיות נטענות: www.team-fate.net