מהו המצב הקיים בתחום כלי הרכב החשמליים המסחריים, וכיצד יכולה הטכנולוגיה לסייע לחולל מהפכה בתעשייה?
בהתחשב בכל הגורמים, תעשיית הרכב עברה לחשמול במהירות מרשימה. למרות גודלה המדהים, התהליכים המושרשים ומחזורי המו”פ הממושכים יחסית, העלולים לעכב את ההתקדמות, יצרנים ברחבי העולם השיקו במהירות מגוון דגמים רחב ומלא של כלי רכב חשמליים (EV). לאחר ההשקה של Nissan Leaf בשנת 2011, שהיה הרכב החשמלי הראשון בעולם שיוצר באופן המוני באמת, מספר הדגמים של כלי רכב חשמליים אמיתיים הזמינים למכירה עלה על 450 בשנת 2021. משנת 2015 עד 2021, קצב הצמיחה השנתי המורכב (CAGR) של דגמים חדשים הגיע לערך מדהים של 34%.
ככלל, ולמרות השווקים הגלובליים המאתגרים, שוק כלי הרכב החשמליים לנוסעים הצליח. אך למרות ההצלחה המשמעותית של כלי הרכב החשמליים לנוסעים, המגזר המסחרי, הכולל כלי רכב גדולים או כבדים (LGVs/HGVs), לא התקדם מהר במיוחד.
מחקרים מצביעים על כך, שלמרות שכלי רכב בינוניים וכבדים מהווים רק 4% מאוכלוסיית כלי הרכב העולמית הם אחראים לשיעור מדהים מהפליטה המיוצרת על ידי תעבורה בכבישים (40%).נתון זה מדגיש את המשמעות של מגזר זה, ואת הצורך לתעדף את פיתוחו ולשלב בהצלחה כלי רכב חשמליים מסחריים למען עתיד בר-קיימא.
האתגרים הניצבים בפני כלי רכב חשמליים מסחריים
בשנת 2022, כלי רכב חשמליים לנוסעים היוו 14% מהמכירות החדשות, בעוד שמשאיות חשמליות היוו רק 1.2% מסך מכירות המשאיות של אותה השנה. מורכבות הרכב היא ללא ספק אחד ההבדלים העיקריים בין שוק כלי הרכב החשמליים לנוסעים לשוק כלי הרכב החשמליים המסחריים, העשוי להסביר באופן חלקי פער זה.
משאיות מטען כבדות (HGVs) הן לב ליבה של התחבורה המסחרית. משאיות אלה, השוקלות בדרך מעל 3,500 ק”ג, כוללות מגוון רחב של כלי רכב, לרבות משאיות כבדות מפרקיות, מכליות וכלי רכב ייעודיים כמו משאיות כריתת עצים ומערבלי בטון. כלי רכב אלה עשויים להיות מצוידים בשניים עד שישה סרנים, ולעיתים קרובות צריכים לתקשר עם ציוד גדול, כגון מערכות העמסה ונגררים, תוך כדי כיסוי מאות אלפי מייל מדי שנה. נוסף למשאיות מטען כבדות, קיימים גם טנדרים קטנים יותר ופתרונות שילוח ייעודיים לקילומטר האחרון, החיוניים כולם לרשתות מודרניות של הפצה והובלה
איור :1 דוגמה לסוגים הזמינים של כלי רכב מסחריים.
(מקור: com.adobe.stock2517/phaisarnwong)
כדי להוביל מטענים כבדים, כלי רכב אלה זקוקים לסוללות גדולות וחזקות יותר אשר לא רק מגדילות את העלות אלא מוסיפות לאתגרי התכנון שלהם לעומת מקביליהם המשמשים להובלת נוסעים. כמו כן, המגבלות הקיימות של טכנולוגיית הסוללות מציבות אתגרים משמעותיים הנוגעים לקיבולת המטען של כלי רכב מסחריים, כיוון שמשקל הסוללה משפיע על הקיבולת הכוללת.
גם בניית תשתית הטעינה למשאיות חשמליות מסובכת ויקרה בהרבה בהשוואה לזו, המשמשת כלי רכב חשמליים לנוסעים. הדרישה לביצועים גבוהים יותר של תחנות טעינה למשאיות מציבה מספר חסמי תכנון, הקשורים לבטיחות ולביצועים.
המרכז האירופי לדלקים חלופיים (EAFO) מציין, כי נכון לשנת 2023 קיימות באירופה מעל 550,000 נקודות טעינה ציבוריות. אולם, איגוד יצרני הרכב האירופיים (ACEA) צופה כי עד סוף שנת 2025 רק 40,000 נקודות טעינה יהיו זמינות למשאיות בינוניות וכבדות. כדי לתמוך בהרחבת רשת המשאיות החשמליות, מספר זה צריך לגדול ל-270,000 עד שנת 2030.
התגברות על חסמים טכניים
בדומה לכלי רכב חשמליים מוקדמים, הטווח המוגבל של משאיות חשמליות הוא חסם משמעותי, המיוחס בעיקר לפער בצפיפות האנרגיה. הצפיפות של סולר היא 12,500Wh/kg לערך, לעומת צפיפות של 300Wh/kg עבור תא ליתיום-יון ממוצע. למרות שמערכות הנעה חשמליות יעילות ממנועי בעירה פנימית המוזנים בדיזל, שהיעילות התרמית הטיפוסית שלהם היא 40% לערך מאפיין זה לבדו אינו מספיק כדי לפצות על הובלת המשקל הנוסף באותה תפוקת אנרגיה. כמו כן, משקל נוסף זה משפיע לרעה על טווח הנסיעה של הרכב ומחייב התייחסות יתרה לשיקולים ההנדסיים הנוגעים למתלים ולצמיגים.
סוללות מצב מוצק
אחד השינויים העשוי לחולל מהפכה בענף המשאיות החשמליות הוא שימוש בסוללות מצב מוצק. תא ליתיום-יון רגיל מורכב משתי אלקטרודות מוצקות (קתודה ואנודה), מפריד מרכזי הפועל כמחסום מכני ואלקטרוליט ליתיום-יון נוזלי (ראה איור 2, המציג מארז סוללות טיפוסי של רכב חשמלי).
איור :2 מארז סוללת ליתיום-יון במהלך הייצור.
לעומת זאת, בסוללת מצב מוצק המפריד והאלקטרוליט מוחלפים במצע קרמי או פולימרי מוצק. מצע מוצק זה מפריד בהצלחה בין הקתודה לאנודה, המורכבת בדרך כלל מליתיום טהור.
השינוי במבנה, בשילוב האנודה העשויה מליתיום טהור, מוביל לשיפורים משמעותיים בצפיפות האנרגיה, ומגיע לרמות תאורטיות של 11kWh/Kg; אך בפועל, הערך 1kWh/Kg בר-השגה יותר בעתיד הנראה לעין. עקיפת היכולות של התאים הקיימים על ידי סוללות מצב מוצק עשויה לאפשר ירידה של עד 30% במשקל תוך שמירה על קיבולת זהה. שיפור צפיפות האנרגיה של מארז הסוללה מאפשר למתכננים של כלי רכב לקבל מארזים קטנים יותר, להגדיל את קיבולת המטען של הרכב או להאריך את טווח הנסיעה שלו. במתארים רבים, המוגבלים בעלויות או בביצועים, שדרוג ביצועים זה עשוי לאפשר מעבר לכלי רכב חשמליים.
סוללות מצב מוצק קטנות כמו סוללת ה-SMD הנטענת CeraCharge™ של TDK היו זמינות בשוק במהלך השנים האחרונות, ואנליסטים רבים בענף הרכב הציעו להכניס לשוק פתרונות מצב מוצק משנת 2025 ואילך. בהתאם לתחזית זו, Toyota הודיעה לאחרונה על כוונתה לייצר כלי רכב הכוללים סוללות מצב מוצק החל משנת 2025. כלי רכב אלה יציעו טווחים של 700 ק”מ וייטענו תוך 10 עד 15 דקות בלבד.
רשתות טעינה מהירה
אחד מהפתרונות האפשריים להתמודד עם הבעיה של זמני עצירה ממושכים הוא מערכת טעינה בהספק של מגה-ואטים (MCS). תקן MCS, המוכר באופן בינלאומי, מוסדר על ידי CharIN – מאגד שהוקם על ידי רשויות רכב בולטות ברחבי העולם. MCS הוא מיזם מקיף, שתוכנן לפתח מטענים מתוקננים, בטוחים ועתירי ביצועים וליצרם. התקן יחייב רכיבים כמו תקע בעל מוליך יחיד (המסוגל לתמוך בעד 1250VDC ו-3000A), תקשורת רכב לכול (V2X) בפרוטוקול Ethernet ומיקומים אחידים של שקעי טעינה בכלי רכב.
יצרן המשאיות MAN העריך, כי טעינה בתקן MCS עשויה להימשך 10 דקות בלבד – שיפור משמעותי לעומת הטכנולוגיה הנוכחית. תקן MCS מתייחס בעיקר לכלי רכב מסחריים, אך ניתן להתאימו גם לאוטובוסים, למטוסים ולכלי רכב חשמליים גדולים אחרים המסוגלים לתמוך בקצב טעינה העולה על 1MW.13
מהירויות טעינה גבוהות יותר עשויות להפחית גם את הדרישה לעמדות טעינה רבות במרכזי תחבורה עמוסים, כיוון שמשאיות יוכלו להשקיע פחות זמן בטעינה ויותר זמן על הכביש. תקן MCS עודנו בחיתוליו, ומחייב פעולה בטיחותית של רכיבים עתירי ביצועים, אך תחנות ברחבי בריטניה ויבשת אירופה נפתחות השנה.
החלפת סוללה
סין ממשיכה למלא תפקיד ראשי בייצור ובהפצה של משאיות חשמליות. בשנת 2022 נמכרו בסין כ-52,000 משאיות חשמליות בינוניות וכבדות, המהוות 85% מהמכירות העולמיות. התפוצה הגוברת של משאיות חשמליות מלווה בהרחבה בו-זמנית של תשתיות, המציעה תובנה חשובה לגבי אסטרטגיות יישום אפשריות באזורים אחרים.
לדוגמה, החלפת סוללות צוברת תאוצה בסין עם תהליך אוטומטי לחלוטין הנמשך 3 עד 5 דקות. זרועות רובוטיות מנתקות ומוציאות את מארזי הסוללות מתא המשאית ומחליפות אותם במארזים שנטענו לאחרונה. לאחר מכן, מחברים את המארז המרוקן למטען מהיר וטוענים אותו. פיתוח זה משפר באופן ניכר את הנצילות של טעינת הסוללה, ומתעלה אפילו על מטעני המשאיות המהירים ביותר.
על פי המועצה הבינלאומית לתחבורה נקייה (ICCT), הערכות ראשוניות מוכיחות את הצלחת התשתית. אולם, ההתמקדות העיקרית שלה הייתה בסיוע לתפקוד של משאיות חשמליות המשמשות למשימות קצרות-מרחק בנמלים, במכרות וללוגיסטיקה עירונית. משאיות אלה מצוידות בדרך כלל בסוללת ליתיום ברזל פוספאט (LFP) בקיבולת של 141kWh או 282kWh ומרחק הנסיעה הממוצע שלהן קצר מ-100 ק”מ. עם זאת, עדיין נותרו חסמים למסחור נרחב של החלפת הסוללות. האתגר העיקרי טמון בהיעדר מארזי סוללות מתוקננים ובהוצאות המשמעותיות הכרוכות בהקמת תחנות אלה, כאשר ה-ICCT מעריכה את עלות ההקמה של תחנת החלפת סוללות בסין ב-1 מיליון דולר ארה”ב לערך.17
סיכום
המעבר המהיר של תעשיית הרכב לחשמול, במיוחד בשוק כלי הרכב החשמליים לנוסעים, מציג התקדמות מרשימה. אולם, האימוץ האיטי של כלי רכב מסחריים חשמליים מדגיש את הצורך הדחוף בפעולה נרחבת ושיתופית כדי להתגבר על חסמים טכניים ולגשר על פער זה – תחום שבו תעשיית האלקטרוניקה תמלא תפקיד מכריע.
יש צורך בביצועים גבוהים ובפתרונות אלקטרוניים מתוקננים – החל משיפור טכנולוגיית הסוללה על ידי התקדמות למצב מוצק, דרך פיתוח רשתות טעינה מהירה כמו MCS ועד לבחינת פתרונות חדשניים כמו החלפת סוללות. שיתוף הפעולה בין יצרני הרכב, מהנדסי האלקטרוניקה, קובעי המדיניות ובעלי העניין חיוני להאצת הפיתוח והפריסה של כלי רכב מסחריים חשמליים. תעדוף מחקר, השקעה ושיתוף פעולה יאפשר לתעשיית הרכב להשיג עתיד בר-קיימא, שבו כלי רכב חשמליים מסחריים ימלאו תפקיד משמעותי בהפחתת פליטה בהשוואה לרכבי הדיזל של ימינו.
קרדיט תמונת שער:
com.adobe.stock86/scharfsi
