הבדיחה מספרת כי, כאשר מעבורת החלל צ'לנג'ר עלתה בסערה השמיימה (וכך גם ירדה משם) ב-1986, הקימה נאס"א ועדת חקירה לבדיקה מדוע התפוצץ מיכל המימן השמאלי. במקביל, הוקמה ועדה בק.ג.ב, לבדיקה, מדוע לא התפוצץ גם הימני. מקאברי ככל שזה יהיה, דבר אחד ברור: המימן והחמצן, ששימשו כדלק להעלאת המעבורת לחלל, יודעים גם להתפרע. כאשר זה קורה במעבורת חלל אחת, על אף המחיר האדיר, עדיין מדובר בכסף, בתדמית וגם בחייהם של מספר אסטרונאוטים. אם זה עלול לקרות חדשות לבקרים בכבישים, כאשר המכוניות הופכות להיות פלטפורמה לאליהו הנביא, זה כבר בלתי קביל.
העיקרון הבסיסי מאחורי תאי הדלק המוזנים במימן וחמצן הינו יצירת מתח חשמלי המסוגל לסובב מנוע. השימוש במימן ובחמצן מאפשר רמה אפסית (כמעט) של זיהום, הואיל ותוצר התגובה הכימית הוא אדי מים. ומדוע רק כמעט? בהמשך נבין, כשנדון באופן ייצור המימן.
תא הדלק מורכב מארבעה חלקים עיקריים:
אנודה – הצד השלילי של תא הדלק (במובן החשמלי, כמובן). דרכו מוזרם המימן המגיע מהמכל או ממתקן ההתמרה (בהמשך).
קתודה – הצד החיובי של תא הדלק, דרכו מוזרם החמצן.
ממברנת החלפת פרוטונים – לוח בעל יכולת סינון של חלקי האטום. פרוטונים, החלקיקים הטעונים במטען חשמלי חיובי, רשאים לעבור דרכו; האלקטרונים, השליליים, מסורבי כניסה.
זרז (קטליט) – אבקת פלטינה על גבי נייר פחם או סוג של בד דקיק.
ואיך כל זה מייצר חשמל? המימן המגיע לאנודה בא במגע עם הזרז. אופן פיזור אבקת הפלטינה על פני נייר הפחם הוא כזה שפני השטח של הנייר מאוד מחוספסים, כך שנוצר שטח פנים גדול מאוד למגע בין מולקולות המימן לפלטינה. בטמפרטורה של כ-80 מעלות, הפלטינה גורמת למימן להתפרק ליונים, חלקים טעונים במטען חשמלי. השליליים נקראים 'אלקטרונים', והחיוביים 'פרוטונים'.
הואיל והממברנה אינה מאפשרת לאלקטרונים לעבור לצדה השני, מופנים האלקטרונים דרך "תעלות" למעגל חשמלי חיצוני, שם הם מבצעים את העבודה שלשמה נבנה התא. הפרוטונים בעלי תעודת המעבר בתוקף, מסתננים דרך הממברנה, שם הם מתחברים עם מולקולות החמצן ועם האלקטרונים, שבינתיים הגיעו מסביב, ליצירת מים. החמצן מתחבר למימן, הואיל והזרז שובר את מולקולת החמצן לשני אטומים טעוני מטען שלילי חזק, כך שהם מושכים את הפרוטונים של המימן.
נשמע מסובך? זה לא אני, זה כימיה.
צילום: מנהלNecar 5: המכונית הסביבתית של מרצדס, המונעת בתא דלק מימני על בסיס מתאנול. מהירות מרבית 150 קמ"ש
תא דלק בודד מייצר מתח חשמלי של כ-0.7 וולט. אמנם מתח נמוך, כחצי משל סוללת אצבע, אך בחיבור טורי של מספר תאים, ניתן להגיע למתח המתאים: 12, 24 או אף 42 וולט. שיפורים בחומרים העלו את צפיפות האנרגיה המושגת לרמה כזו, שניתן היום להניע מכונית קומפקטית במארז תאי דלק שגודלו כגודל מזוודת נסיעות קטנה (טרולי).
מן המקורות
כאן אנו שבים לשאלת הפתיחה – מהיכן יגיעו החמצן והמימן? עם החמצן העסק יותר פשוט: הוא נמצא באויר החופשי – כ-21% ממנו, כך שניתן למושכו מהאויר, כפי שנעשה הדבר במנועי השריפה הרגילים. שאר המרכיבים באויר (בעיקר החנקן) אינם משתתפים בתהליך, כך שלא נוצרים כאן תוצרי לוואי רעילים כמו בבעירת דלק. ואולם העסק מסתבך עם המימן: שנינו כבר כי המימן אינו מצוי בטבע לבד (אולי בשמש, אך נצטרך להגיע אליה בלילה...), ולכן יש להפיקו מחומרים אחרים. אפשרות אחת היא להפיקו מגז טבעי או מתאנול – תהליך ההפקה מתרחש בנוכחות מים וחום, כך שתוצרי ההפקה הם מימן נקי, מים ו-CO2. אלא שאליה וקוץ בה: התהליך אינו מושלם, כרגיל, וחלק מהתוצר הוא בכל זאת חד תחמוצת הפחמן – CO, כך שגם כאן עדיין יש זיהום מסוים. בנוסף, המתמיר צורך אנרגיה.
כיוון נוסף המפותח כיום הוא כדורי אנרגיה: כדורי פלסטיק קטנים המכילים את החומר הנקרא נתרן הידרידי (NaH). הכדורים צפים להם להנאתם בתוך מיכל מים. בעת הצורך, כשפותחים כדור והחומר בא במגע עם מים, משתחרר מימן נקי. החומר הנותר, (בסיס הנתרן, NaOH), משמש כחומר גלם לתעשייה. כל ליטר כדורים כאלה מכיל מאות ליטרים של מימן.
השאלה היחידה שהתשובה לה עדיין בעבודה – כיצד ייפתחו הכדורים לפי דרישה להספקת מימן?
איך זה יעבוד במכונית?
לחיצה על דוושת הגז (מימן??) תפקוד על בקר המנוע החשמלי להזין את המנוע ביותר זרם, שייצר יותר הספק. (המומנט במנוע חשמלי קבוע, יחסית, לאורך טווח הסל"ד). כתגובה לצורך בזרם, יוזרמו יותר מימן וחמצן לתאי הדלק, הזרמה שתגרום להגברת הזרמת המתנול, הגז הטבעי או כדורי הנתרן למתמיר האנרגיה. תדרשנה שתי משאבות: אחת להזרים את חומר הבסיס למתמיר והשניה להזרמת המימן לתא הדלק. הגעת המימן בלחץ היא אחד התנאים לעבודת תא הדלק.
סולארי-סלולארי
ונתחיל בנתונים: כל שנה, השמש מקרינה לכדור הארץ 220,000 טריליון (220 עם 15 אפסים אחריו...) קילוואט-שעה של אנרגיה - פי 3,000 מצריכת האנרגיה השנתית של כל אוכלוסיית כדור הארץ! על כל מטר מרובע של פני כדור הארץ, מקרינה השמש ביום שמשי 1,000 וואט בשעה. בתחנת הכח הסולארית הגדולה ביותר בעולם, הממוקמת במדבר מוהאבי בארה"ב, והבנויה מ-2.3 מיליון מ"ר של מראות קולטות, מספקים חשמל ל-200,000 אזרחים בקליפורניה. הפקת חשמל בסדר גודל כזה מנפט, היתה משחררת לאטמוספירה במשך 30 שנה כמות של 18 מיליון טון CO2!!
צילום: מנהל
ואחרי שהבנו את הפוטנציאל האדיר בשמש, כמו גם את פוטנציאל מניעת זיהום האויר שבניצולו, עולה השאלה: כיצד נממש זאת על הכביש?
ראשית, נבין איך פועל תא שמש (סולארי). האור המגיע מהשמש בצורת חלקיקים הנקראים 'פוטונים', פוגע בחומר חצי מוליך – סיליקון גבישי ה'מזוהם' באטומים של זרחן ובורון. פגיעת הפוטונים משחררת אלקטרונים מהסיליקון, ואלה מנותבים דרך מגעים כזרם חשמלי.
דומה הדבר לקורה במכשירי ראיית-לילה, מגבירי אור-כוכבים, אלא ששם, בגלל כמות האור הדלה, משתמשים בחומרים יותר יקרים ורגישים, כמו גליום-ארסנייד.
היעילות של תא סולארי, עם זאת, נמוכה יותר משל מנוע שריפה פנימית. במקרה הטוב, מנוצלים 25% מאנרגיית השמש הפוגעת בתא, ובדרך כלל – רק 15% עד 20%. ומה קורה בלילה וביום מעונן? הפתרון, שאינו אופטימלי, הוא שימוש במצבר נטען ובאופציה לטעינה משקע חשמלי, בימים מעוננים. המצבר צריך להיות מסוג הפריקה המתמשכת, ולא כמו מצבר הרכב הרגיל, האמור לעמוד בדרישת אספקת זרם גבוה לזמן קצר (התנעה, לדוגמא). מצבר לרכב סולארי צריך להיות מסוגל לספק זרם לתפעול הרכב ומערכותיו לאורך לילה שלם, בלא שחייו יתקצרו עקב פריקת יתר. המצברים המתאימים לשימוש זה הם חומצה-עופרת הישנים והכבדים, או ניקל-קדמיום יקרים.
כמובן, על גג הרכב מותקן מערך תאים סולאריים, רצוי בעל יכולת כוונון ועקיבה אחרי השמש, כאשר לשם שינוי, חנייה בשמש היא דווקא יתרון.
והאלמנט?
מסקירת כל האפשרויות להנעה אלטרנטיבית ניתן לצאת קצת מבולבלים. אז מה עדיף? אמנם הבחירה כרגע אינה בידינו – לכל היותר עלינו להחליט בין הנעה בבנזין להנעה בסולר, ובכל זאת – האם ניתן להשוות בין השיטות השונות שנסקרו בכתבות האחרונות? ננסה לעשות בכך סדר, תוך בחינת היעילות האנרגטית של המערכות והשוואת השפעתן על זיהום האויר – הוא הגורם המניע את הפיתוחים.
על מנת לבחון את היעילות, יש לבחון מה הנצילות של כל מרכיב בתהליך. במכונית חשמלית, המונעת על-ידי תאי דלק של מימן טהור, לדוגמא, ניתן להגיע ל- 80% נצילות. כלומר – 80% מהאנרגיה האגורה במימן תותמר לאנרגיה חשמלית. אלא שבכך לא תם הסיפור: האנרגיה החשמלית צריכה להניע מנוע חשמלי, שנצילותו, הגבוהה יחסית, היא 80%. בכך ירדנו כבר ל-64% נצילות (מכפלת הנצילויות). זאת ועוד – אם מקור המימן במכלים אינו מימן טהור, וצריך להפיקו על-ידי מתמיר מתנול או גז טבעי, שנצילותו היא כ-50%, הנצילות הכוללת של התהליך יורדת ל-30%! יותר מאשר מנוע הבנזין, המסתובב סביב 20% נצילות. הנצילות הנמוכה של מנוע השריפה הפנימית "מושגת" בשל הצורך לפנות את החום הנוצר בתהליך השריפה. אם היינו יכולים לייצר מנוע שאינו מאבד את החום לסביבה (מנוע אדיאבטי), והמסוגל להתמודד עם הטמפרטורות הגבוהות המתפתחות בו, הייתה נצילות המנוע עשויה לעלות ל-70%. הרי החום הוא חלק מהאנרגיה האצורה בדלק. הצורך לסלקו באמצעות המצנן, כך שבפועל הוא מתבזבז, מביא לידי נצילות נמוכה זו.
צילום: מנהל
מכונית חשמלית המונעת על-ידי מצבר, שנצילותו היא כ-90% ומנוע חשמלי (80%), מגיעה ל-72%. אלא שלא ניתן להתעלם מהאנרגיה שהושקעה בטעינת המצבר: אם בייצור החשמל בתחנת הכוח (וסוג התחנה מאד משפיע – תחנות קונבנציונאליות של פחם ומזוט הן בעלות נצילות נמוכה; תחנות גרעיניות, הידרואלקטריות ומכוח הרוח – טובות יותר), ואם ביעילות הטעינה עצמה.
בסיכום כולל של התהליך, מגיעים לנצילות של 25%, אלא אם כן מקור החשמל הוא בכוח הידרואלקטרי, סולארי או אאולי (רוח), ואז הנצילות עשויה לעלות ל-65%.
המספרים של שיטות ההנעה די דומים, אך בל נשכח כי יש פרמטרים נוספים: זיהום האויר, זמינות הדלק, ביצועי הרכב, טווח הנסיעה, רעש ועוד. ברור כי בסופו של דבר, החוקים והתקנות שיתוקנו, הם שיקבעו באילו סוגי רכב נתגלגל בעתיד.
הפרמטר המרכזי, זיהום האויר, הוא יעדנו הבא. אחרי שבדקנו מה נכנס למיכל הדלק, נתמקד בכתבות הבאות במה שנפלט מהמנוע: החומרים הנפלטים והשפעותיהם, מערכת הפליטה, ממיר קטליטי, תקני זיהום אויר ושיטות לטיפול במזהמים.
