אופנוע המימן

פורסם ב- 07/04/2020 על ידי מוטי "ינוקא" גלברט בטכני // 0 תגובות

שימוש בתאי דלק במקום סוללות חשמל הולך ומסתמן כפתרון המועדף להנעת כלי רכב. תאי דלק פועלים על מימן ונמצאים בשימוש בחוות חקלאיות, בחלליות ובמקומות בהם יש שפע של מקום איחסון וחשיפה ראויה לשמש. התהליך היעיל יותר לפירוק מולקולת מים וליצירת מולקולות מימן הוא עדיין תהליך הפוטוסינתזה של הצמחים. המדענים מנסים לחקות אותו באופן מלאכותי על ידי בניית מערכות סולאריות אשר בעזרת קליטת אור השמש יספקו אנרגיה לתחילתו של תהליך כימי לפירוק מולקולת המים לחמצן ומימן גזיים. תהליכים אלו עדיין לא ממצים את הפוטנציאל והם עדיין יקרים ולא כלכליים.

אבל העולם מחפש חלופות לנפט ולהפחתת זיהום גזי החממה ושואף לשימוש בתאי דלק גם ברכב פרטי. ולכן כדאי שנתחיל להתרגל לרעיון שיום אחד יהיו לנו אופנועי מימן, ואולי רצוי שכבר עכשיו נתחיל להבין במה מדובר ובמה זה כרוך, מה טוב בזה ומה רע, מה הם היתרונות ומה הם החסרונות.

כך נראית באופן סכימטי מערכת הפעלה במכונית מימן

תא דלק הוא תא אלקטרוכימי אשר ממיר אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית ע"י ריאקציה בין חומר דלק כלשהו – מימן במקרה שלנו – לבין חמצן. שלא כמו במצבר אשר הריאקציה הכימית מתבצעת בתוכו במעגל סגור, בתא דלק זורמים החומרים לתוך התא, מייצרים חשמל ומעבירים אותו הלאה למנוע החשמלי. לכן תא דלק ימשיך להפיק אנרגיה רציפה ומתמשכת כל עוד יזרמו לתוכו חומרי הריאקציה, מימן וחמצן. אגב, תא הדלק הראשון הומצא ופותח כבר בשנת 1838.

המימן הוא היסוד הכי נפוץ ביקום ונמצא בעיקר במים אך גם במאובנים, בפחם ובגז טבעי. הפקתו מן המים נעשית בתהליך חשמלי אלקטרוליטי הכולל אנודה וקטודה (וממברנה ועוד רכיבים, אבל לא נכנס לפרוט של זה כרגע). הרכיב השני הוא חמצן חינמי הנמצא באויר בשפע. התוצאה היא חומר הדלק היעיל והנקי ביותר בטבע, אין תוצרי לוואי כמו פחמן דו חמצני, פיח וחומצות המזהמים את הסביבה בגזי חממה.

הרעיון הבסיסי מקסים ומעורר התפעלות: ממלאים מים במיכל במקום בנזין, ויאללה לדרך.

ככה פשוט? – לא כל כך.

וכך נראית מערכת הפעלה ע"י מימן במציאות (BMW)

מעל 20 שנה חוקרים בעולם הרכב איך ניתן לרתום את המימן לצורך הנעה. החברה הנחשבת כמובילה במחקר היא טויוטה, אך היא כמובן אינה היחידה וחברות רבות בעולם נמצאות בשלב מתקדם כזה או אחר ביישומי המחקר. בשנת 2015 הוציאה טויוטה לשוק את הדגם המסחרי הראשון המבוסס על הקאמרי ושמו "מיראי" והוא לא זול בכלל – 240 אלף ש"ח, אבל הצפי הוא שבעוד כחמש שנים, המחיר יצנח וישתווה למחיר מכונית רגילה. ב.מ.וו, שעובדים בשיתוף פעולה מחקרי הדוק עם טויוטה, מבטיחים כי בעשור הקרוב (לא לפני 2022) גם יחלו בשיווק מסחרי. ככלל, יש הסכמה די גורפת כי גמילת עולם הרכב מנפט כבר החלה, ועד שנת 2040 תרד צריכתו בכ-40%. לפני כעשור תיקצב האיחוד האירופי את מחקרי הנעת המימן בחצי מיליארד יורו והצפי הוא שהחברות ישקיעו בעניין סכום זהה.

אם כן, הנעה מימנית היא כבר לא חזון אוטופי אלא תהליך מעשי ומתקדם. כמובן, כאשר יפרוץ דור המימן יהיו תחנות דלק ייעודיות ותחנה כזו אם יהיה לה מתקן אלקטרוליזה עצמי לא תצטרך אספקה כלל. המימן שיופק ביחד עם החמצן שבאויר החופשי ישמשו אותה לאספקה בהליך תדלוק פשוט וקל.

רכיבי מכונית הקונספט המימנית של BMW

יתרונות וחסרונות המימן

היתרונות הם:

1. זמינות בלתי נדלית בטבע 2. חומר דלק נקי 3. ביטחון אנרגטי כיוון שאין תלות ביצרני נפט.

החסרונות הם:

1. האיחסון דורש מקום רב ומשקל. יש להשתמש במתכות אצילות ויקרות וגם אז הצפיפות האנרגטית של המימן בתנאי הסביבה היא נמוכה ולכן צריך לדחוס אותו, ומימן דחוס הוא חומר דליק. בטכנולוגיה הקיימת כיום, מיכל דלק מימני צריך להיות גדול פי שלושה ממיכל דלק בנזין כדי להשיג את אותו טווח נסיעה.

2. תהליך אנרגטי עתיר חשמל ומכביד להפקתו. אמנם הנצילות הראשונית עומדת על כ-80% אך יש להוריד את אחוזי ההנעה של המנוע החשמלי ואת החוב שגובים מכשירי ההתמרה ולכן הנצילות הריאלית הסופית עומדת כיום על 30% שזה קצת יותר מנצילות הבנזין שעומדת על 20%.

אופנועי מימן

שרטוט אופנוע המימן העתידי ע"פ הונדה

דגם ראשון של אופנוע מונע במימן, ושמו ENV (קיצור של Emission Neutral Vehicle) ראה אור בשנת 2005 בבריטניה. הוא השתמש במיכל מימן דחוס 350 אטמוספירות, שקל 100 ק"ג, הפיק 8 כ"ס בסך הכל, היה בעל טווח נסיעה של 161 קילומטר בשטח בנוי, משך נסיעה מקסימלי של ארבע שעות, ומהירות מירבית של 80 קמ"ש. מאז יצאו ממעבדות פיתוח שונות עוד מספר אופנועים.

בעיקרון, כפי שזה מצטייר כיום, יהיו באופנוע המימני 4 מערכות: המיכל, מערכת ההתמרה, מנוע חשמלי, מערכת התמסורת. ארבע מערכות לא פשוטות שצריכות להדחס ולהתמקם במרחב קטן שעד היום אותו מקום איפשר (ע"י מנוע בנזין) שימוש בהרבה מאד כוחות סוס מוכנים וזמינים לפעולה. כרגע מערכת כזו מפיקה מעט כוחות סוס וטווח נסיעה קצר. לא פשוט.

בפני מתכנני האופנוע המימני עומדות כמה אופציות: 1. לשלב מימן בדלק מנועי הבנזין ולהסתפק בהפחתת זיהום 2. שימוש במיכל של מימן דחוס 3. שימוש במתמיר.

בעיות וספקות

כ"ס וטווח – מעטים מידי.

מיכל דחוס? איפה? – קרבתו של הרוכב למיכל דחוס במאות אטמוספרות מטרידה משהו. ברכב ניתן למקם את המיכל בירכתי האוטו מאחור, אך באופנוע הרוכב תמיד יהיה קרוב אליו מידי. וכמובן שאלת הטווח: אם לא נדחוס – ניסע פחות קילומטרים.

מתקני התמרה? – קשה להאמין כי בקרוב כבר יגיעו לפיתוח סופי של מתקנים כאלה קומפקטיים מספיק על מנת לא לסבך ולא לגרום למערכת ההנעה להיות מגושמת.

תחנות תדלוק – כבר קיימות בעולם תחנות תדלוק מימן, אך הן בודדות וניסיוניות. במכוניות ניתן יהיה להגיע לטווח נסיעה סביר ע"י מיכל גדול יותר, אך באופנוע המקום מוגבל ועד שלא תהיה פריסה סבירה של תחנות תדלוק, יסבול הענף הדו גלגלי מטווח נסיעה קצר מידי שיעמיד בספק את הכדאיות לרכוש אופנוע כזה.