סחר החליפין של מנועי הבעירה והחשמל

השוואה בין מנועי בעירה פנימית לבין מנועי חשמל מצביעה על יתרונות וחסרונות המקיימים ביניהם סחר חליפין. תחבורה חשמלית פועלת מתחילת המאה העשרים, אך הריבונות החשמלית הוכנעה על ידי זו של הבעירה הפנימית. לאחרונה, התחבורה החשמלית מרימה את ראשה ומעוררת את השאלה, האם התחבורה החשמלית תזכה לתחייה מחודשת?

התחבורה המנועית החלה את דרכה במנועי בעירה שהניעו בעיקר רכבות – הייתה זו בעירת פחם שהתקיימה מחוץ לדודי קיטור והצליחה להפיק עוצמה מספקת כדי להניע נוסעים רבים על מסילות ברזל לאורך מסדרונות בעלי שיפועים מתונים. כאשר נפרסו רשתות החשמל בתחילת המאה העשרים, החלו מנועים חשמליים לכבוש במהירות רבה מעמד הן להנעת רכבות להסעת המונים והן להנעת כלי רכב אישיים. הכנסת הליך הבעירה לתוך המנוע הפכה את המגמה, והריבונות של מנועי החשמל דעכה כמעט באותה מהירות מפתיעה שבה עלתה. לאחרונה, מנועי החשמל מרימים ראש, ובאמצעות שיפורים טכנולוגיים מנסים לחזור ולהגדיל את שליטתם במרחבי התחבורה. בשנת 1996 “ג’נרל מוטורס” החלה לשווק לזמן מוגבל מכונית חשמלית בשם “EV1”, שבאופן מפתיע נגנזה. בשנים האחרונות החלו חברות הרכב לפתח ולייצר כלי רכב היברידים, המכליאים שילוב של מנועי בעירה פנימית עם מנועים חשמליים, כשחברת “טויוטה” מובילה את המהפכה בשווקים באופן מעשי. לאחרונה פורסם בעיתונות העולמית כי חברת “טסלה מוטורס” מקליפורניה  (http://www.teslamotors.com), הצליחה לבנות דגם של מכונית חשמלית המתגבר על המכשולים שעצרו את התפתחות הרכב החשמלי. באופן מרענן אין מדובר ביצרן רכב מסורתי, אלא ביזם קטן יחסית מעמק הסיליקון, המתייחס לחברה שהקים כאל חברת הזנק. “טסלה מוטורס” פיתחה מכונית קטנה וקלה, דו-מושבית, בעלת עיצוב אווירודינמי ספורטיבי, הקרויה “רואדסטר”, שגופה מיוצר מסיבי פחמן קלים, והיא אוגרת אנרגיה במצבר חדשני.

עלייתם, ירידתם ותחייתם המחודשת של מנועי החשמל קשורים בסחר חליפין המתקיים בין היתרונות והחסרונות של המנועים השונים – המתחרים על לבם של מדינות, קהילות וצרכנים פרטיים. ננסה למנות את היתרונות והחסרונות של המנועים המתחרים.

ביצועי המנועים – כאשר מנועי חשמל זוכים להספקה רציפה של זרם חשמלי הם יכולים להאיץ ולהאט את מהירותם בקצב מהיר יותר ממנועי בעירה פנימית ולהגיע למהירויות והספקים גבוהים יותר. העדות לכך היא הרכבות החשמליות המהירות הפועלות ברחבי העולם כשהן ניזונות מקווי מתח חשמלי. ניסויים שנערכו ברכבות חשמליות מהירות ביפן ובצרפת הצליחו להשיג מהירויות נסיעה מרשימות של כ – 580 קמ”ש באמצעות הנעה חשמלית. “טסלה מוטורס” טוענת כי במכונית החשמלית שפיתחה ניתן להאיץ ממצב עמידה למהירות של 100 קמ”ש תוך 4 שניות, ולהגיע למהירות מרבית של 210 קמ”ש.

תחזוקה ואמינות – מספר החלקים הנעים בכלי תחבורה חשמליים קטן הרבה יותר מאשר בכלי תחבורה הפועלים באמצעות מנועי בעירה פנימית, ולכן התחזוקה שלהם פשוטה וזולה יותר, והם נחשבים פשוטים ואמינים הרבה יותר ממנועי הבעירה הפנימית. ב-“רואדסטר” 12 חלקים נעים בלבד, והרכב אינו זקוק להחלפת שמנים, מסננים, מצתים או מצמד.

כלי הרכב המונעים במנועי בעירה פנימית כוללים מערכות חשמל, והם יוצרים ואוגרים חשמל מהאנרגיה המכנית לשירותם של מערכות שונות הפועלות בכלי הרכב. הרכב החשמלי אינו מחייב קיומו של מחולל חשמל מכני ומערכת החשמל היא חלק טבעי מהמערכת.

ניצול אנרגיה –  במכונית בעלת מנוע בעירה פנימית כ – 80% מהאנרגיה הנכנסת למיכל הדלק הולכת לאיבוד בדרכה ממיכל הדלק עד גלגלי הרכב, ואילו במכונית חשמלית כוח הפיתול של המנוע מועבר ישירות לגלגלים. בדרך הישירה של המנוע החשמלי ניתן לנצל יותר מ – 80% מהאנרגיה האגורה ברכב, מייד עם הלחיצה על הדוושה. כשרכב חשמלי עוצר המנוע מפסיק לפעול והוא אינו צורך אנרגיה, וכאשר הוא בולם, אנרגיית הבלימה מוחזרת. בניגוד לכך, עצירה זמנית של מנוע בעירה פנימית ללא כיבוי מוחלט של המנוע צורכת אנרגיה, ובלימת הרכב נעשית באמצעות שימוש באנרגיית בלימה סותרת, בשעה שהאנרגיה הנדרשת להנעה ולבלימה הולכות לאיבוד בצורת חום.

כאשר מנוע חשמלי על כלי רכב ניזון מחשמל המולך סביבו באמצעות כבלים, ההולכה גורמת לאובדן אנרגיה, מאידך צבר האנרגיה אינו מאוחסן על כלי התחבורה וכלי התחבורה אינו נדרש לשאת את משקלו. במאזן השוואת היתרונות והחסרונות של מנועי חשמל הצורכים אנרגיה המסופקת מתשתית קבועה או ממצברים ניידים, לבין מנועי בעירה הממצים אנרגיה מחומרים ניידים, צריכת החשמל חסכונית ועדיפה.

תפוקת תשתית הדרכים – צוואר הבקבוק של התחבורה המנועית במאה העשרים ואחת אינו הספק המנועים של כלי הרכב, אלא נפחים מוגבלים של קרקעות ותשתיות המשמשות לדרכים, ומיצוי מוגבל של אמצעים אלו. תפוקת תשתית נתונה של תחבורה תלויה במהירות הנסיעה על התשתית, בזרימה הרמונית ובמרווחי הבטיחות בין כלי הרכב הנעים עליה. שימוש בתחבורה חשמלית מהירה יכול להגדיל באופן ניכר את התפוקה של צירי הנסיעה, אך מלבד המהירות, קיימת חשיבות רבה לעובדה שמנועים חשמליים מסוגלים להגיב לפקודות האצה והאטה באופן מהיר הרבה יותר מאשר מנועי בעירה פנימית. תגובה מהירה נותנת אפשרות להניע כלי רכב רבים יותר במרווחים בטוחים קטנים יותר, ובכך להגביר את התפוקה על התשתיות הקיימות.

השפעות סביבתיות – לעומת מנועי הבעירה הפולטים לסביבתם הקרובה גזי בעירה, מנועי החשמל אינם מזהמים את סביבתם הקרובה ולכן הם יכולים לפעול ללא קושי בסביבה המאוכלסת בצפיפות או במנהרות. ייצור אנרגיה חשמלית מדלקים מאובנים או חומרי בעירה בתחנות כוח, יוצר זיהום ממוקד, אך ריכוז התהליך מקנה אפשרויות יעילות וטובות יותר לסינון ובקרה במוקד אחד. בנוסף יש לציין כי ניתן להפיק אנרגיה חשמלית ממקורות אנרגיה מתחדשים כמו זרימת נהרות, רוח או שמש. הפקת אנרגיה חשמלית מכורים גרעיניים מעוררת שאלות סביבתיות הנוגעות לפסולת הגרעינית, והנעת כלי רכב באמצעות מצברים מחייבת לשקול את השפעת הזיהום שיוצרים חומרי הגלם המשמשים בתעשיית המצברים, והשפעתם כמקור זיהום בסוף תקופת חייהם. פריסת תשתית חשמלית נוספת למטרות תחבורה יוצרת סכנות להתחשמלות והיא מקור קרינה אלקטרומגנטית, שעלולה ליצור סכנות בריאות. מנקודת המבט של מטרדי הרעש, מנועי חשמל שקטים בהשוואה למנועי בעירה פנימית, ומנקודת מבט של מטרדים חזותיים, תשתית חשמל עילית פוגעת באופן מוחשי במראה הסביבה.

העצמאות מהתשתית – היתרון הבולט שעמד למנועי הבעירה הפנימית לעומת מנועי החשמל היה עצמאותם היחסית מהתשתית. את מכלי הדלק של כלי הרכב בעלי מנועי הבעירה הפנימית ניתן למלא תוך זמן קצר ולנוע עמם למרחקים ארוכים יחסית עד התדלוק הבא. נקודת התורפה של מנועי החשמל הייתה התלות בתשתית. כאשר מתקיימת תשתית המזרימה חשמל לכלי הרכב באופן רציף, התחבורה החשמלית פועלת היטב, אך כאשר נדרש לאגור אנרגיה חשמלית על כלי הרכב יש צורך במצברים כבדים ובעלי נפח רב, שמשך טעינתם איטי והם אוגרים אנרגיה המספיקה לתנועה למרחקים ופרקי זמן קצרים יותר בהשוואה לאנרגיה האגורה במכלי הדלק של מנועי הבעירה.

העצמאות של מנועי בעירה פנימית מתשתית צמודה מתבטאת ביתרונות של פיזור והישרדות ללא תלות במערכת הספקת אנרגיה מרכזית קבועה, שהרי מנוע הבעירה הפנימית הוא “תחנת כוח” זעירה וניידת. בשיטה שבה מנועים חשמליים רבים סמוכים על הזנה של רשת חשמלית מרכזית אחת, הפגיעה במרכז הרשת תפגע בכלי רכב רבים. ניתן לאזן חסרון זה באמצעות מערכות גיבוי או פריסה של מספר תחנות כוח בינוניות במקום מערכת מרכזית אחת.

ראוי לזכור כי גם מנועי בעירה פנימית דורשים תשתית מיוחדת – הם דורשים תשתית של תחנות תדלוק פרוסות במרחב, תשתית של מוסכים לתחזוקת כלי הרכב, וכלי רכב יטיבו לנוע על תשתית של דרכים כבושות. יחד עם זאת, אין ספק כי התשתית הנדרשת להזנת מנועי הבעירה הפנימית גמישה הרבה יותר מזו הנדרשת למנועי החשמל. מנגד ראוי לציין, כי מדינות וערים רבות בעולם הצליחו מאז תחילת המאה העשרים להקים תשתית לקווי רכבות חשמליות הדורשות פריסה של קווי חשמל מזינים מעל או מתחת לפסים עליהם הן נעות. רכבות חשמליות – עירוניות ובין-עירוניות, רגילות ומהירות – ניזונות מקווי מתח הסמוכים למסלולי תנועתם, בשתי שיטות עיקריות – הזנה עילית באמצעות זרועות גמישות (“פנטוגרף”), היוצרות מגע רצוף בין הרכבת לבין רשת חשמל עילית, או הזנה תחתית באמצעות חיבור חשמל למסילה אמצעית העוברת תחת הרכבת. למרות שמדובר בחיבור לרשת חשמל במתח גבוה, המערכות פועלות בבטיחות ברחבי העולם שנים רבות.

מדינות וערים בעולם המפותח אימצו מתחילת המאה העשרים את הרעיון שרשת כבלי חשמל תיפרס לאורכם ולרוחבם ותזרים חשמל מתחנות כוח מרכזיות לתאורת רחובות ולבתי התושבים, אך הרעיון שרשת כבלי חשמל תספק זרם לכלי הרכב הנעים על הדרכים לא זכה להתקבל. למרות שלא נהוג לפרוס תשתית חשמל להזנת ישירה של כלי רכב אישיים, הדבר בהחלט אפשרי. מי שביקר במתקן “מכוניות מתנגשות” בפארק שעשועים, חזה באפשרות זו. “המכוניות המתנגשות” הן מכוניות זעירות מרופדות בגומי לספיגת חבטות המונעות במנועים חשמליים. הספקת החשמל ל-“מכוניות המתנגשות” נעשית מסבכת חוטים הפרוסה מעל, כאשר המגע החשמלי נוצר בעזרת מוטות העולים מהמכוניות לרשת הפרוסה מעליהן.

העדרה של תשתית חשמלית ישירה למערכות תחבורה אישיות כרוכה כנראה לא רק במגבלות טכנולוגיות, אלא במעורבות הציבורית והמורכבות הנדרשת לכך. תשתית חשמל דורשת אישורים של רשויות ציבוריות שונות, הליכי תכנון ובנייה, אישורי בטיחות, איכות סביבה, משרדי אנרגיה ותשתיות, אישורי משרד האוצר וכיוצא בכך. ככל שמיזם מורכב מבחינה בירוקרטית ודורש אורך נשימה ורציפות של גורמי שלטון שיפעלו לקידומו, כך סיכויו להסתבך ולהיכשל גבוהים. למרות המורכבות והסיבוך הציבורי, בתחילת המאה העשרים ג’ורג’ ווסטינגהאוז ותומס אדיסון התחרו ביניהם מי יצליח לשווק את תפיסת רשת החשמל שייצר, אך כנראה שמה שניתן היה להקים בקלות כשהקרקע הייתה בתולה, קשה היום על קרקע חרושה היטב. יצרני המכוניות והחשמל בזמננו אינם מנסים לשווק תשתית רשתות חשמל לתחבורה חשמלית מנועית, ולכן הם פועלים לשווק פתרונות המנסים ליצור כלי רכב המסוגלים לנוע באמצעות אנרגיה חשמלית ניידת ונטענת. הפתרון שהצליח לחדור לשווקים הוא הרכב ההיברידי, המשלב מנוע בעירה פנימית הטוען מצבר של מנוע חשמלי, בשעה שכלי הרכב שואף לנצל את היתרונות היחסיים של כל אחד משני המנועים בהתאמה לצרכים והמגבלות. הדור הבא של מכוניות הכלאיים כולל מצבר שיכול להיטען לא רק ממנוע הבעירה, אלא גם מרשת החשמל. חברת “טויוטה” פיתחה דגם היברידי חדש ל-“טויוטה פריוס”, הכולל מצבר נוסף שמסוגל לאגור חשמל מהרשת ולהניע את הרכב לנסיעה של כ – 65 קילומטרים בהנעה חשמלית.

חידוש בולט, שעשוי לסייע לרכב החשמלי לפרוץ את דרכו הוא מצבר “ליתיום-יון”. סוללות “ליתיום-יון” משמשות במחשבים ובטלפונים ניידים, והן מסוגלות לאגור יותר אנרגיה בנפח ומשקל נתון, הן תופסות ושוקלות כשישית מסוללות חומצה-עופרת האוגרות כמות זהה של אנרגיה, תופסות פחות מחצי הנפח ושוקלות כשליש מסוללות “ניקל -מטל הידריד”, המשמשות היום במכוניות היברידיות. לסוללות “ליתיום-יון” יש מספר חסרונות – מחיריהן עדיין גבוהים והן בעלות נטייה להתחמם ובמקרים נדירים להתפרץ בלהבות. הכנסת מצברי “ליתיום-יון” מעלה חששות ברורים של התחממות או התלקחות, כאשר שוקלים לעשות בהם שימוש בכלי רכב הדורשים כלי קיבול לאנרגיה הכפול מאות מונים מאלו המשמשים מכשירי אלקטרוניקה. ג’נרל מוטורס הודיעה לאחרונה כי פתחה מצבר מסוג “ליתיום-יון”, המתאים לרכב חשמלי. המצבר בו משתמשת ה-“רואדסטר” של “טסלה מוטורס” הוא כנראה הסוד המרכזי של המערכת. המעט הידוע הוא כי מדובר במצבר בעל מערכת בקרת אקלים, חיישנים ויחידת עיבוד, הוא כולל מערכות בקרה מפני טעינת יתר או פריקת יתר ומערכות בטיחות. המצבר, המכונה “יחידת הספקת אנרגיה” נמצא במארז קשיח ואטום שעבר בחינות בטיחות חמורות ונוסה ברעידות וחבטות. “יחידת הספקת האנרגיה” מבוססת על טכנולוגיות “ליתיום-יון”, אך גודלה בערך פי 7,000 מסוללה המשמשת למחשב נייד, והיא שוקלת כשליש מהמשקל הכולל של המכונית.

אחד היתרונות של הרכב החשמלי הוא השימוש ברשת החשמל הקיימת – ניתן לטעון את המצבר החשמלי בשעות הלילה, בהן הביקושים לחשמל ותעריפי החשמל נמוכים יחסית ואין צורך בתחנות דלק מיוחדות. מאידך, קיים צורך בטעינה ממושכת, וכל בעל רכב יידרש למצוא שקע טעינת חשמל קרוב למקום החנייה של הרכב סמוך לביתו, ותשתית של נקודות טעינה זמינות לזמן ממושך,  כאשר הוא יחנה רחוק מביתו.

כלכלה – השיקולים הכלכליים המכריעים בין מנועי בעירה פנימית למנועים חשמליים נגזרים במידה רבה משאלת העצמאות של כלי הרכב מהתשתית, מהעדפות בין כלכלת טווח ארוך לכלכלת טווח קצר, או בין כלכלה ציבורית לכלכלה פרטית.

מרבית הרכבות הפועלות בעולם הן רכבות חשמליות, ומחירה של רכבת חשמלית זול יותר ממחירה של רכבת דיזל, אך הקמת תשתית לרכבת חשמלית יקרה, ואילו מנוע דיזל אינו דורש פריסה של קווי מתח, אלא נקודות תדלוק בודדות. תשתית חשמלית קבועה לרכבות דורשת השקעה הונית גבוהה שהחזרה ארוך טווח, בפרט כאשר מדובר בקווי רכבת ארוכי טווח. כשמדובר בקווי רכבות קצרי טווח, כמו רכבות עירוניות או פרבריות עם תחנות קרובות ועומס נוסעים גבוה קיימת הצדקה כלכלית לגיוס ההון הרב הדרוש להקמת תשתית חשמלית, אך כאשר תנאים אלו לא מתקיימים יש יתרונות ברורים למנועי דיזל.

רכבת ישראל בוחנת שנים רבות ומעת לעת מעבר מקטרי דיזל לקטרי חשמל. בשנת 2001 פורסם כי רכבת ישראל הקימה ועדת היגוי לבחינת הנעת הרכבות בישראל בחשמל במקום באמצעות מנועי דיזל, ודווח על הכנת מכרז ראשון לחשמול של הקווים הראשונים בהיקף של כ – 15 מיליון שקלים חדשים. למרות שועדת היגוי המליצה להסב את הרכבות באופן מדורג לחשמל, הביצוע לא הוגשם, בעיקר עקב מחסומים כלכליים ושיקולי כלכלה קצרי טווח שהכריעו שיקולים ארוכי טווח.

כלי רכב היברידיים או חשמליים הם עדיין מוצרים מיוחדים ומחירם גבוה בהשוואה לכלי רכב שגרתיים. “טסלה מוטורס” הודיעה כי הרכב החשמלי שהיא עתידה לייצר צפוי להימכר במחיר יחסי גבוה מאוד – קרוב למאה אלף דולר. מאידך, עלות צריכת האנרגיה של ה-“רואדסטר” מוערכת כעלות זולה באופן יוצא דופן – כ – 5 אחוז מעלות צריכת האנרגיה לקילומטר במחירי הדלק הנוכחים בישראל. למרות המחיר הגבוה “טסלה מוטורס” טוענת כי בידי החברה צבר הזמנות לכלי רכב ורשימת המתנה לשנת ייצור שלמה, וכי אם הייצור ייהפך להמוני מחירו ירד, ועמו עלות הרכב החשמלי.

חברה – הקמת תשתית רחבה או מוגבלת לכניסתם של כלי רכב חשמליים תלויה במידה רבה בעניין הציבורי והחברתי בטכנולוגיות אלו. הנטייה הטבעית של ארגונים גדולים, ציבוריים ופרטיים, היא להישאר בחיק החם של המצב הקיים ולהעמיד את הישן ביושנו. רתיעה משינויים וחוסר רצון להתנצח עם ספקנים, שאינם מוכנים ליטול סיכונים, אך שמחים לומר בדיעבד כי סימני האזהרה היו כתובים מראש על הקיר, מנציחים את הקיים ועוצרים פריצות דרך ויציאה מחוץ לגבולות הקיימים. שינוי דרך ציבורי דורש הנהגה חזקה או שינוי אקלים הגורם לתמיכה ציבורית. יתכן שמחירי הדלק המאמירים, והדאגה מהתחממות כדור הארץ ובריאות תושביו ייצרו את האקלים החברתי ויפרו את האיזון הקיים בין מנועי הבעירה הפנימית למנועים החשמליים.

Leave a Reply