Elektromobilita

Elektromobil - energetická bilance

Početní úloha na úrovni středoškoláka s chemicko-fyzikálními tabulkami a kalkulačkou a přístupem k internetu

Martin Prokš: martin (tečka) proks (zavináč) gmail (tečka) com

Sepsáno xx.07.2012 - 28.09.2012

Pár slov úvodem

Tento text nebyl původně  určen ke zveřejnění. Jednalo se původně o mé poznámky pro mě samotného o energetické náročnosti dopravy a její potenciální možnosti převedení na elektřinu. Jaké by to mělo výhody a nevýhody. Výpočty a energetické rozvahy jsem nedokázal držet v­ hlavě, tak jsem si je začal sepisovat, doplňovat komentáře a rozšiřovat technické argumenty pro a proti. Začal jsem uvažovat o zveřejnění k diskusi o správnosti těchto rozvah.

Energetická bilance osobního elektromobilu

Pro výchozí předpoklady jsem vyšel z následující úvahy. Osobní automobily prošly od svého vzniku velkým vývojem. Osobní vozy jsou dnes zcela běžné a má je ve vyspělejším světě “kde kdo”. Trh ukazuje, že aby byl osobní vůz úspěšný (zákazníci ho chtěli), měl by splňovat některá pravidla:

• musí se do toho vejít rodina, minimálně 2 dospělí lidé a ideálně alespoň další 3 děti + alespoň minimální nákup - zavazadlový prostor.
• dojezd musí být alespoň 150km na jednu nádrž pro městská vozidla, ideálně přes 400km, až k 1000km pro delší cesty.
• musí to být levné (relativně)
• musí to být flexibilní ve smyslu dojezd kam je zrovna potřeba bez složitého plánování nebo technických úprav, rozhodně ne v průběhu cesty.
• doplňování paliva / energie musí být jednoduché a rychlé, ideálně v řádu minut
• životnost vozidla musí být přes 5 let
• ekologičnost výroby, provozu a likvidace musí být “rozumná”, ve dnešním světě jsou na tento požadavek kladeny čím dál větší nároky.

Ze všech těchto bodů mi přijde jako dobrý modelový zástupce dnešní vůz střední kategorie. Pro výchozí předpoklady jsem vzal osobní automobil kategorie Škoda Octavia 1.9TDI. Obsah nádrže cca 40l motorové nafty, průměrná spotřeba je kolem 5,5l/100km při průměrné cestovní rychlosti kolem 60-70km/h (kombinovaná, něco město, něco mimo město, něco dálnice). To dává asi 11h provozu na nádrž. Prostě jsem vzal jako základ svůj osobní automobil z bazaru z roku 2001. Ve skutečnosti mám Seat Cordoba 1.9TDI, 66kW, ale to asi moc lidí nezná, zatímco obdobný vůz Škodu Octavii zná snad každý a je to stejná kategorie, “jak přes kopírák”. Dnes rozhodně nic moc extra, ale je v dobrém technickém stavu a hlavně mám palubní počítač co umí zobrazit skutečné spotřeby dlouhodobé i aktuální, takže vím za kolik jezdím dlouhodobě i aktuálně při různých režimech jízdy (třeba zrychlování nebo zpomalování, jízda na volnoběh, jízda do kopce a tak podobně).

Nejdříve jsem si položil otázku kolik energie si vlastně vůz nese v nádrži a kolik jí skutečně využije k pohybu. Takže co na toto zadání řeknou tabulky a jednoduchá čísla?

Výhřevnost nafty cca = 42,6MJ/kg

hustota nafty cca = 0,85kg/l

objem nádrže = 40l

účinnost vznětového motoru cca = 35%

Jednoduchým výpočtem lze zjistit, že nádrž obsahuje cca 1,45GJ energie (elektricky 402,8kWh) tepelné energie

(objem nádrže * hustota nafty * výhřevnost nafty = 40 * 0,85 * 42,6x10^6    [J]  / 3,6x10^6 [kWh])

Nicméně ne všechna energie lze využít k jízdě. Motor (jako každý stroj) má nějakou účinnost a tím i ztráty. Část energie bude využita k pohybu, část se ztratí přes výfukové splodiny, chladič a další ztráty. To je prostě fyzikální zákon a s tím nikdo nic nenadělá.

Využité pro jízdu je cca 506,9MJ (elektricky 141kWh)

(35% * 1,45x10^9    [J]    / 3,6x10^6    [kWh])

Elektromobil ekvivalentní tomuto osobnímu automobilu by měl mít akumulátor se srovnatelnou akumulovanou energií (pro 24V akumulátor to znamená kapacitu 5875 Ah, pro akumulátor 48V 2938 Ah, vyšší napětí jsou pak z bezpečnostních důvodů problém).

Teoretická žádaná doba nabíjení 7h na těch 141kWh => nabíjecí příkon 20kW

    (141 / 7    [kW] )

Ale ve skutečnosti bude nějaká účinnost nabíjení, akumulace, opětně přeměny energie z akumulátoru na pohyb, i elektromobil je jen stroj s nějakou účinností - úhrně takhle na začátku odhad od boku 30% a tím nám narostou nároky na nabíjecí příkon na 67kW. Jen pro srovnání, 30 000 automobilů nabíjejících se přes noc z nuly na plno tedy má spotřebu 2GW - výkon plně fungujícího Temelína...

Ne každý ale ujede denně 800km, spíše kolem 100 km, tím tedy bude průměrný odběr cca 8x menší, respektive do oněch 2GW se tedy vejde 8x více vozů - 240 000. Ale kolik že je osobních automobilů v ČR a hlavně - kolik že je nákladních které mají o řád větší spotřebu?

Registr motorových vozidel, počty přihlášených vozidel k 31.12.2011:

Osobních vozů        4 582 903

    Autobusů           19 699

    Užitkové automobily      682 800

    Nákladní automobily      585 873

    Tahače               10 529

    Speciální           34 979

    Traktory          156 004

To jsou čísla o několik řádů jinde, nějakých 30 000 osobních vozů / jeden Temelín je jen plivanec v moři. Jen v ČR!

Zcela vědomě jsem zanedbal možnost rekuperace energie. Ono to zní skvěle, rekuperovat brzdnou energii zpět do akumulátorů, ale ono to v celkovém úhrnu moc neudělá. Zkuste si městskou úlohu: automobil 1 500kg za 6s akceleruje z nuly na 50km/h (aktuální spotřeba kolem 11l/100km), 60s jede ustáleně (aktuální spotřeba kolem 4l/100km) a pak 6s brzdí na nulu na semaforech (aktuální spotřeba 0,2l/100km). Schválně na kolik vyjde “úspora”. Na silnici mimo město se skoro nebrzdí, nebo jen krátce přibržďuje a drtivou většinu dělá cesta pod plynem - neboli v záběru, takže rekuperace tam nevrátí nic. Řidiče typu brzda-plyn nemá smysl moc řešit, ten nebude úsporně jezdit nikdy a s kolama ve smyku stejně nic nezrekuperuje.

Celková energetická bilance dopravy založená na ropě

Za rok 2010 byla spotřeba benzínu a nafty v ČR dle statistik čerpadlářů (veřejně dostupný údaj z internetu):

* benzín 2 400 000 000 litrů (hustota 0,71-0,77kg/l, výhřevnost 32 MJ/l, 46,4 MJ/kg) = 76 800 TJ

* nafta 4 500 000 000 litrů  (hustota 0,85kg/l, výhřevnost 42,6MJ/l) = 191 700 TJ

Z toho lze udělat průměrnou denní spotřebu a z toho odhadnout energetickou náročnost dopravy založené dnes na ropě. Celkem tedy v roce 2010 byla spotřeba dopravy v naftě+benzinu = 268 500TJ (elektricky 74,58TWh). Denní spotřeba tedy byla 735,6 TJ (elektricky 204,33MWh). Za předpokladu rovnoměrného nabíjení/spotřeby v průběhu celého dne to vychází na příkon = 8,5 GW. To znamená prakticky stejný průměrný odběr jako je již nyní v celé stávající rozvodné síti. Neboli pokud by měla doprava plně přejít na elektřinu, pak by se výroba a distribuce elektrické energie musela minimálně zdvojnásobit vůči dnešnímu stavu!

Jenže výše uvedené předpoklady mají několik velkých děr...

Výroba elektrické energie a její doprava

Elektrická energie je velmi nehospodárná již v momentě svého vzniku. Drtivá většina elektrické energie se v současnosti vyrábí v tepelných elektrárnách a to znamená pálení uhlí a plynu. Rok 2010 v ČR (zdroj internet):

57% elektřiny z uhlí

33% jádro

3,6% vodní elektrárny

2% biomasa

4,4% ostatní...

Takže výrazně dominuje uhelná energie a ta má účinnost výroby elektřiny kolem 40% z výhřevnosti uhlí. Druhé v pořadí jsou jaderné elektrárny s účinností kolem 30% z tepla produkovaného jadernými rozpady.

Samotný rozvod elektrickou sítí je velmi dobrý, má účinnost kolem 96,5%, ale i tak to znamená ztrátu kolem 3,5% v rozvodech. Ve finále ale tedy máme celkovou účinnost jen výroby a rozvodu elektrické energie ke spotřebiteli někde kolem 28-35% z výchozí vstupní energie (ať už uhlí, plynu, ropy nebo uranu) a to nemluvíme o dalších ztrátách u spotřebitele vlivem účinnosti nabíjení, akumulace a samotné účinnosti přeměny energie na žádaný efekt elektrického stroje.

Účinnost 28-35% je samotná účinnost spalovacího motoru automobilu. Již zde je vidět, že ta účinnost bude velmi podobná a samotná elektrifikace dopravy tedy z ekologického hlediska vlastně vůbec nic neřeší. Principielně pouze přesune produkci škodlivin z automobilů do elektráren při velmi podobném výsledném množství škodlivin. Tedy za předpokladu, že elektroenergetika bude i do budoucna stát na podobném základě jako dnes. To znamená převažují tepelky (ať již uhelné, plynové nebo ropné, to je jedno), něco jaderky a zbytek do 10% roční produkce elektřiny.

Přímá spotřeba versus akumulace versus palivové články

Nejzásadnější neznámou je však samotný dopravní prostředek a jeho způsob užívání, respektive zcela zásadní je způsob jak je dopravní prostředek zásobován energií při jízdě.

Pokud k zásobování používá nějaký způsob trakčního vedení - např. troleje - pak ztráty přenosem elektrické energie k motoru budou nejspíše také malé, 5-10%. Znamená to ale všude mít natažené nějakou formou troleje - doslova zadrátovaný svět. Tudy asi cesta nepovede, to je realizovatelné na železnici s přísně koordinovanou dopravou, zkrátka železnice, ale pro individuální dopravu a dopravu materiálu nákladními vozy silničního typu s dojezdem “všude kam je zrovna potřeba” je to jen stěží použitelné. Snad nějaká páteřní trasa za zvláštních podmínek...

Pokud ale používá akumulátory, je to zcela někde jinde. Akumulátor je potřeba nabít a ten je pak schopen vydat energii zpět až když je potřeba. Nicméně zde je velký rozdíl mezi tím kolik přijme a kolik je schopen vydat. Olověný akumulátor pokud je v perfektní kondici má 90% účinnost, ostatní typy akumulátorů obvykle nižší (50% až 80%). To znamená, že minimálně dalších 10% energie je zase ztraceno ještě než se dostane k motorům. V praxi v globálu to bude ale více, spíše 20-25%, ne všichni mají a budou mít akumulátory nové a v perfektní kondici. A to nemluvě o stávající ekologii samotných akumulátorů - jejich výroba, likvidace, těžké kovy a kyseliny, … A na výrazně lepší časy se neblýská ani přes velké úsilí vývojářů a vědců ohledně akumulátorů.

Další možná cesta jsou palivové články. Vlastně velmi obdobná varianta k akumulátorům, jen účinnost bývá obvykle nižší. Zde je ale možná jedna velmi důležitá varianta. Je totiž možné, že by se palivo pro palivový článek nemuselo vyrábět elektrickou cestou, ale třeba přímo tepelnou nebo chemickou cestou s vyšší účinností než je účinnost výroby elektrické energie. Například se uvažuje o přímé výrobě vodíku pomocí vysokých teplot v některých typech jaderných reaktorů (ale neznám podrobnosti a účinnost takového procesu, nedokážu kvantifikovat). Tím by se mohla obejít celá ta účinnost výroby, distribuce a akumulace elektrické energie a byla by pouze účinnost výroby, dopravy a akumulace náplně do palivového článku. Tato cesta by se mohla ukázat jako efektivnější a s mnohonásobně menšími nároky na přenosovou soustavu - možná, nemám podklady ke kvantifikaci. Nicméně pokud by byla praktická vize na nějak dramaticky lepší výsledek, věřím tomu že už by se na tom zuřivě pracovalo a všude propagovalo.

Další velký problém související s problematikou trakce / akumulátorovým / palivovým vozidlem je způsob odběru a zatížení rozvodné sítě.

Jedna věc je elektřinu vyrobit a druhá věc je dopravit ji ke spotřebiteli. A právě doprava elektřiny je ne vždy doceňovaný problém - no dnes už alespoň začíná. Existující dráty, trafostanice a vůbec rozvodná síť snese jen omezený výkon na který byla kdysi konstruovaná když ji stavěli, pak laicky řečeno “shoří”. Pokud chceme přenášet víc, musíme postavit další paralelní vedení, nebo nahradit stávající rozvody “tlustšími”. Je to jako když si do 50let starého bytu/baráku pořídíte troubu na elektřinu, mikrovlnku, pračku se sušičkou a vše pustíte na ráz. V lepším případě vypadne jistič, v horším shoří zásuvky a kabely. No a pak musíte rozkopat zdi a natahat nové tlustší vedení a posílit jističe. To je vaše vlastní domácí rozvodná soustava v malém. Z tohoto jednoduchého přirovnání je jasné, že přenosovou soustavu je záhodno zatěžovat jen co nejméně a bez velkých nárazových špiček. I stará elektroinstalace v bytě vydrží pouhou elektrickou troubu, nebo pouhou mikrovlnku nebo pouhou pračku se sušičkou. Takže nejdříve v mikrovlnce rozmrazíte, pak to upečete a teprve pak si pustíte pračku na zamaštěné utěrky. Odběr bude rovnoměrnější a v každém okamžiku významně menší než když vše pustíte na ráz. Konec analogie.

Trakce znamená, že elektřina je ze sítě odebírána přímo při pohybu a zatížení sítě je přímo úměrné velikosti aktuální dopravy. To bude znamenat velké výkyvy odběru v průběhu dne a bude to klást velké požadavky na přenosové a regulační schopnosti sítě v řádech 50% i více. Stačí se podívat jak vypadá doprava ve městech a na dálnicích ve špičkách a jak v noci. Špičky budou rozhodně ve dne v hodnotě několikanásobku provozu v noci - alespoň v osobní dopravě. Nákladní dopravu je možné, a v tomto případě vysloveně žádoucí, cíleně přesměrovat na noční provoz například zlevněním tarifu energie v daném čase. To by mohlo velmi silně pomoci. Nicméně skutečně dokážeme takto rozložit zatížení aspoň trochu stejnoměrně přes celý den?

Naproti tomu akumulace energie znamená, že vozy si svou energii nesou sebou a dobíjejí se jen občas, nahodile. Ale to opět znamená velké problémy pro síť, zátěž bude velmi špičková, jistě mnohem horší než v případě trakce. Typický uživatel přes den jezdí do práce a v práci a večer přijede domů, připojí elektromobil na dobíjení a jde spát... Večer / v noci lze očekávat ohromné špičky odběrů jak se zapnou autodobíječky. Navíc uživatel potřebuje nabít vozidlo řádově za 4-6 hodin než se vyspí. Večer přijel z práce pozdě s prázdným akumulátorem a brzo ráno zase musí vyrazit do práce. To znamená nabíjet vysokými proudy/výkony a to znamená jednak ztráty, jednak ohromné problémy pro rozvodnou síť a její regulaci. Obávám se, že tento přístup k elektromobilitě je pro rozvodné sítě vražedný. Zde by mohlo být částečně řešením mít výměníkové stanice na akumulátory. Individuální dobíjení by bylo omezené (omezený výkon) jen pro dobíjení malého výkonu/malé kapacity a pro větší potřebné kapacity by se prostě měnili celé baterie. Tak jako dnes na čerpací stanici obrazně řečeno “měníme prázdnou nádrž za plnou” tak by se prostě fakticky vyndal prázdný akumulátor a ze skladu by se přivezl plný a namontoval by se místo něj. Nabíjení by pak probíhalo ve firmě která by v součinnosti s distributorem elektřiny vyvažovala odběr tak aby síť byla zatížena stejnoměrně. Znamenalo by to však další technické komplikace a problémy, nicméně by to jistě stálo za to.

Závěr

Samostatně myslící člověk si asi udělá závěr z výše řečeného sám.

Netvrdím že vše co bylo výše řečeno je do posledního detailu přesné. Všechny výše uvedené údaje jsem dohledal v nejrůznějších fyzikálních a technických tabulkách, mnoho údajů se doslova povaluje na internetu a vše lze je velmi snadno ověřit z několika nezávislých zdrojů. Asi to nesedne na setiny, ale rámcově tam chyba nebude.

Také nejsem odborník na elektromobilitu ani energetiku. Jsem technik - konstruktér strojů - kterého baví a zajímá technika a přemýšlí kam by se ten který obor lidské činnosti a techniky mohl ubírat a kam by asi nebylo záhodno jít. Pocházím ze Severních Čech a moc dobře pamatuji jak to tam vypadalo v 80-90tých letech, smrduté žluté mlhy které si jistě nic nezadali s pověstnými londýnskými mlhami druhé poloviny 19tého století. A také jsem viděl proměnu svého kraje po odsíření elektráren a “očištění” prakticky celého průmyslu, změnu chování důlních společností vůči krajině a lidem tam a také šílenství všelijakých tak zvaných ekologů (mimochodem ekolog je člověk který zkoumá vztahy mezi živými organismy mezi sebou a mezi prostředím, ne aktivistou bojujícím za .. cokoli ..). A co hlavně, nevěřím na konspirační teorie. Za to věřím na přirozenou lidskou blbost, lenost myslet a z toho plynoucí stádnost jakéhokoli dostatečně početného společenství. Co tím vším chci říci? Zkrátka že vím že s touto zprávou bude mnoho lidí nesouhlasit a nebudou se obtěžovat fakty. Většina lidí. A že s tím nic nezmůžu. Takže můj jistě pro mnoho lidí kontroverzní závěr:

Masivní elektromobilita v současné chvíli je slepá cesta. Nic významně pozitivního by nepřinesla, pouze by přesunula exhalace z výfuků aut do komínů a odkališť tepelných elektráren. Přechod nebo i jen snaha o přechod na masivnější elektromobilitu by si při současném stavu techniky vyžádal astronomické finanční výdaje, ohromné technické problémy a v neposlední řadě by znamenal ohromné dopady na krajinu a životní prostředí ať již samotnými stavbami nových elektráren, dalších vedení vysokého napětí, chemických provozů pro masivní produkci a následnou likvidaci akumulátorů...  Dokud lidstvo nepřijde s lepším a efektivnějším způsobem výroby a skladování elektrické energie, plošná elektromobilita je slepá cesta. Ropa ať je jakákoli je stále nejlepší zdroj energie pro dopravu i z pohledu životního prostředí.

Tím neříkám že pár elektromobilů je nějaký problém, nebo že by elektromobily nefungovaly. On moderní frekvenčně řízený elektromotor je skvělá věc. Je to malé, lehké, velice výkonné, účinnost je velmi dobrá, relativně levné, je možné mít v každém kole nezávisle řízený elektromotor, co víc si konstruktér automobilu může pro jízdní vlastnosti přát? Elektromobily jako záležitost nadšenců, nebo menší počty pro nějaké speciální účely za specifických podmínek proč ne, ale v masovém měřítku by to byla finanční i ekologická tragédie z důvodů výroby a distribuce elektrické energie a výroby, údržby a likvidace akumulátorů. Rozhodně při dnešním stavu znalostí a techniky.