22 let na trhu autoopravárenství

Je elektromobilita řešením? (1. část)

Pokračování článku najdete v časopisu AutoEXPERT 9/2018.

 

<toto je na 3 strany (26-28), obrazky jsou bez popisek. Pokud se text nevejde cely nevadi. V kazdem pripade prosim pouzijte ramecek na konci clanku, i kdyz text nebude cely. Dekuji>

 

Na aktuální téma

Alternativní pohony

 

Text: Jan Macek

Foto: autor

 

Je elektromobilita řešením?

  1. část

 

Autor tohoto textu, prof. Ing. Jan Macek, DrSc., bývalý proděkan pro vědeckou a výzkumnou činnost Strojní fakulty ČVUT v Praze, si neklade za cíl rozebírat smysluplnost mobility. Přesto předpokládá, že jako taková je nutná, a proto vysvětluje tuto oblast v širších souvislostech.

 

Úvodem připomeňme všeobecně známá fakta. Lidská činnost může mít podíl na probíhajících klimatických změnách. Princip předběžné opatrnosti vede k tlaku na omezení emisí CO2 u osobních a nákladních vozidel, a to i přes jejich poměrně malý podíl na celkové produkci skleníkových plynů. Jak všichni víme, daleko větším znečišťovatelem (pokud zůstaneme v dopravě) jsou totiž motory velkých lodí a letadel, za něž ale zatím neexistuje adekvátní náhrada. Souběžným požadavkem se snížením emisí je omezení zdraví škodlivých polétavých částic (pollutants) s nereálným, leč dobře znějícím cílem „zero emission vehicles“. Při posuzování snižování emisí skleníkových plynů z vozidel je však nutno uvažovat nejen celý výrobní řetězec energie „od zdroje na kola“ (WTW, „Well to Wheel“), ale též celková spotřeba energie na celý životní cyklus výrobků „od kolébky do hrobu“ (nebo do recyklace), což je nejvíce vidět třeba u elektromobilů. U nich jsou sice nulové emise při jízdě, ale veliká ekologická zátěž nejen při výrobě nebo skladování elektrické energie, ale i při výrobě akumulátorů a částí elektráren využívajících obnovitelné zdroje (lithium a prvky vzácných nerostů pro akumulátory a elektropohony, křemík pro fotovoltaiku, materiály pro konstrukci větrných elektráren atd.).

 

Hmatatelným důkazem v evropském boji za snižování emisí v dopravě je změna homologace vozidel ze zastaralého testu NEDC  k nové proceduře WLTP pro osobní a další lehká vozidla, resp. WHTP pro nákladní automobily, s příslušnými testy WLTC a WHTC a navazujícími zkouškami v reálném provozu. Tyto procedury jsou připraveny k celosvětovému použití a aplikovány v současné době pro zdraví škodlivé emise, od roku 2020 pak povinně i pro posouzení emisí skleníkových plynů.

 

<M> Hlavní druhy hnacích jednotek

Ve všech osobních a nákladních vozidel se převážně používá spalovací motor (ICE) na fosilní paliva s příměsí biopaliv, a to v pístovém buď zážehovém, nebo vznětovém provedení. Pro jiné koncepce spalovacích motorů (krouživé písty – Wankel, spalovací turbína, Stirlingův motor, parní stroj) se zatím nenašlo konkurenceschopné uplatnění.

 

Alternativou, i když zatím ve značné menšině, jsou vozidla s elektrickými (BEV) nebo kombinovanými – hybridními – pohony (HEV). Pohon zajišťuje elektrický motor-generátor, u HEV je doplněný přímým mechanickým převodem od spalovacího motoru. „Palivem“ je elektřina uložená v akumulátorech nebo vyráběná přímo ve vozidle pomocí elektrochemického palivového článku ze vhodného zdroje chemické energie, tedy paliva, nejčastěji ve vozidlových aplikacích z vodíku.

 

<M> Struktura pohonů budoucích vozidel

V blízké budoucnosti lze určitě počítat se zlepšenými spalovacími motory s alternativními palivy a s elektrifikací pohonu různých agregátů včetně výkonově značně náročných turbodmychadel. Již zmíněnou alternativou budou „elektromobily s akumulátory“ (BEV, Battery Electric Vehicle) nebo s nízkoteplotními palivovými články využívajícími především vodík oxidovaný vzdušným kyslíkem na vodu procesem, který je opakem elektrolýzy vody. Ve článku je zapotřebí obě látky oddělit tak, aby volné náboje z ionizovaného vodíku bylo možné prohánět elektrickým obvodem pohonu před sloučením s kyslíkem. To vyžaduje polopropustnou membránu vodivou pro kladně nabitá jádra vodíku, tedy protony (PEMFC, Proton nebo Polymer Exchange Membrane Fuel Cell). Je možné použít i vysokoteplotní palivové články pro libovolná oxidovatelná paliva s pevným keramickým elektrolytem vodivým pro záporné ionty kyslíku (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), které však pracují až při vysokých teplotách a hodí se zřejmě spíše pro pomocné účely, kombinované s topením.

 

Jak již bylo naznačeno, elektrifikace může být zajímavá i pro některé agregáty samotných spalovacích motorů, neboť potřebný elektrický příkon může být kryt výkonem z využití odpadní energie výfukových plynů (výfuková spalovací turbína turbodmychadla nebo expandér) v přidruženém parním vodním nebo chladivovém oběhu (ORC, Organic Rankine Cycle) a pak může využít i možné rekuperace trakčních energií (viz dále).

 

Samozřejmě se zkoumají kombinace – hybridní pohony, obvykle s dobře regulovatelnou elektrickou částí (HEV), a to nejčastěji spalovací motor s elektrickým přenosem výkonu nebo FC, v obou případech s akumulací elektrické energie. V kombinacích s akumulátorem jde primárně jak o zvýšení nedostatečného dojezdu (spíše pro podporu téměř elektrického pohonu, např. před jízdou nabité plug-in hybridy PHEV nebo BEV s pouhým prodlužovačem dojezdu REHEV), tak o možnost rekuperace kinetické nebo potenciální energie během jízdy místo použití třecí brzdy. Velké brzdné výkony však vyžadují pro účinnou rekuperaci zásobníky schopné pohltit velké špičkové výkony, což mohou být speciální akumulátory s nižší hustotou uložené energie a intenzivním chlazením nebo superkondenzátory, které rovněž mají nízkou hustotu uložené energie. Obecně bohužel platí, že akumulace s nízkou hmotností zásobníku neumožňuje nabíjení vysokým výkonem a naopak. Existuje i akumulace ve formách mechanické energie – v setrvačníku (Kinetic Energy Recovery System, KERS), v tlakové energii stlačeného plynu atp. jakožto mezičlánku odstraňujícího nedostatečnou výkonovou schopnost nabíjení akumulátorů při brzdění, opět ovšem s omezenou energetickou kapacitou. V těchto případech může být zpětný převod na pohon řešen i mechanicky, ale velká regulační pružnost elektrického přenosu výkonu je i tady výhodou.

 

<M> Vliv nosiče energie a jejího uložení ve vozidle

<M1> Paliva

Použitelnost různých fosilních i syntetických paliv (k jejichž výrobě je zapotřebí energie) i elektřiny se liší v různých druzích vozidel. Spotřeba energie WTW u syntetických paliv je ovšem vyšší, a to i ve srovnání palivových článků s přímou akumulací elektrické energie.

 

Proto se pro zjednodušení architektury vozidla (které však v žádném případě neznamená zlevnění), odstranění lokálních emisí i využití obnovitelných zdrojů elektrické energie věnuje tak veliká pozornost přímému elektrickému pohonu, který je sice jednodušší a při pohonu vozidla účinnější, i když z hlediska cyklu WTW je účinnost celkem nevalná. Celkové emise skleníkových plynů jsou velké za použití současných zdrojů elektřiny v Evropě a v Číně, kam se přesunula většina výroby potřebných materiálů i akumulátorů samotných.

 

<M1> Negativa elektromobility

Uložení elektrické energie je u elektromobilů obvykle elektrochemické (a to jak v akumulátorech, tak superkondenzátorech). Přijatelný dojezd je zejména u malých vozidel, vhodných pro městskou mobilitu, největší slabinou užitné hodnoty elektromobilů. Jejich dojezd je omezen kapacitou akumulátorů a jejich zdlouhavým nabíjením, což z hlediska zákazníků vytváří strach z dojezdu (fear-of-range,). Strach ze ztráty svobody dojezdu je velký i při ježdění po známé trase (počasí a nutnost topení nebo klimatizace, dopravní změny – objížďky, zácpy, …). Závažným způsobem ovlivňuje i jízdní bezpečnost (odmrazování/odmlžení skel a zrcátek je energeticky nezanedbatelné) i komfort. Přijatelného dojezdu se však dosáhne jen při velmi omezené dynamice vozidla ve vyšších rychlostech (předjíždění je prakticky nemožné) a při provozu na tratích s krátkými stoupáními bez podstatného protivětru, což je ale možné v mnoha případech městského provozu.

I když cena akumulátorů neustále klesá a jejich životnost, měřená počtem nabití, roste, je jejich cena a nutnost výměny stále značnou položkou v celkových nákladech provozu.

 

Drahé elektromobily s deklarovaným delším dojezdem jej dosahují jen zvětšením hmotnosti a objemu akumulátorů, což vede k poklesu jízdní účinnosti. Kromě toho závisí využitelná kapacita akumulátoru na jeho stáří a vnější teplotě, takže realistické hustoty energie pro dobrou životnost i v blízké budoucnosti se pohybují mezi 10 a 15 kWh/100 kg, přičemž spotřeba energie na silnici bez topení a klimatizace bývá mezi 15 a 25 kWh/100 km u malých vozidel a mezi cca 30 a 40 kWh/100 km u velkých osobních vozidel.

 

<M> Elektromobily pohledem energetiky

Z hlediska sektoru energetiky jsou nejzajímavější vozidla BEV, elektrická vozidla s prodlužovačem dojezdu – REHEV (z hlediska závislosti na předem nabitém akumulátoru blízké BEV) a dobíjecí hybridy (plug-in, PHEV), využívající elektrickou energii do dojezdu cca 50 km. Realisticky je však nutno posuzovat jejich využití jako přirozené akumulační kapacity, připojené k síti: převažující noční nabíjení, které je svým malým výkonem k akumulátorům citlivé a nesnižuje pronikavě jejich životnost. Potřeba denního nabíjení po dojetí do práce a z práce spíše spadá do špiček spotřeby (i když se za příznivého počasí nabízí fotovoltaika), při sdílení vozidel jde o celodenní potřebu dobíjení a předtápění/předchlazení.

 

V budoucnosti jsou však také všechna vozidla, poháněná alternativními palivy, tedy i většina ICE a FCEV vozidel, zajímavá z hlediska řízené akumulace přebytkové elektřiny. V této souvislosti se bude hledat nejvhodnější palivo pro ukládání přebytečné energie, které se dá využít alespoň v některých pohonech. Palivově pružné jsou spalovací motory, především klasický vznětový a dvojpalivový zažehovaný vzněcovaným pomocným palivem, následovaný motorem zážehovým. Z hlediska WTW účinnosti jsou všechna syntetická paliva špatná, avšak jejich celkový efekt nemusí být negativní, neboť nevyžadují nákladnou infrastrukturu ani změny vozidlového parku, alespoň po přechodovou dobu.

 

<M> Problémy při sdílení vozidel

Současné neodborné vize zahrnují často také budoucnost sdílení vozidel v souvislosti s možnostmi globálnějšího řízení dopravy osob (a nákladu) při využití spojení vozidel a infrastruktury i s autonomním řízením vozidel, a to pouze v návaznosti na elektromobily. Samo řízení provozu vozidel a autonomní jízda vozidla bez řidiče nezávisí na způsobu pohonu. Problémem při sdílení vozidel je (v závislosti na různých denních, týdenních i ročních obdobích) jejich návrat do místa zvýšené poptávky, např. ranní doprava do míst zaměstnání a odpolední/večerní návrat do místa bydliště. Za těchto podmínek nemůže využití sdílených vozidel znamenat energetickou úsporu, ale spíše navýšení spotřeby elektrické energie v místech se zvýšenou poptávkou vozidel. Rovněž požadavek na počet vyráběných vozidel podstatně neklesne, neboť jejich kilometrický proběh za rok stoupne a jejich životnost se tak sníží.

 

<M> Energetická a ekologická náročnost

Další hledisko zahrnuje ekonomicko-politickou i ekologickou stránku mobility s ohledem na cenu primárních zdrojů energie (dnes hlavně fosilní paliva, ale i suroviny pro akumulátory a elektrické vybavení, hlavně prvky vzácných nerostů, kobalt, měď, drahé kovy – zejména platina atd.) a globální i lokální ovlivnění životního prostředí, především z hlediska emisí.

 

Zdraví škodlivé emise jsou vždy řešitelné, byť za cenu nárůstu ceny hnací jednotky nebo zdroje primární energie (emise oxidů dusíku a částic, případně dnes již méně aktuálních oxidů síry z elektráren), případně doplňkového média (např. AdBlue, tj. roztok močoviny). Populisticky je však heslo „zero emission vehicle“ (neprávem spojované s elektromobily) velmi přitažlivé. Není pravdivé ani ve smyslu emisí při provozu vozidla samotného (tank-to-wheel, TTW), protože výrazný podíl na škodlivosti současných vedlejších produktů dopravy mají prachové částice z otěru brzd a pneumatik, neméně též z výroby a distribuce energie (well-to-tank, WTT) se zahrnutím skleníkových plynů z provozu a výroby elektráren.

 

Pro vozidlo je důležitá celková účinnost hnací jednotky TTW. Musí se do ní zahrnout vedle účinnosti samotného motoru i ztráta pro pohon pomocných zařízení a vytápění, pro ventilaci a chlazení prostoru pro posádku (HVAC). Jde především o ztráty (nebo zisk) energie při přenosu z akumulátoru do motoru během jízdy (účinnost vybíjení akumulátoru je podle zatížení i méně než 90 %) a účinnost převodových ústrojí (vysoká u čistě mechanických převodovek včetně automatických, zhoršená u elektrických přenosů výkonu nebo automatických hydrodynamicko-mechanických převodovek). Tatáž hlediska je nutno uplatnit při posuzování přínosu rekuperace energie při brzdění.

 

Účinnost hnací jednotky vozidla, resp. energetickou spotřebu je nutno posuzovat s respektováním dostatečné výkonové rezervy motoru(ů) pro akceleraci nebo překonání stoupání. Tím však účinnost v provozu vždy proti optimu klesá, neboť na zatížení nezávislá část ztrát se projeví silněji při málo vytížené hnací jednotce.

 

U elektromobilů samozřejmé, ale i u hybridních vozidel velmi omezené zdroje energií pro vytápění vozidla z odpadních energií (nejen z hlediska komfortu, ale především pro bezpečnost – odmrazování, odmlžování výhledu řidiče) snižují celkovou účinnost vozidla. Proto je vhodné použít reverzní tepelné čerpadlo (dnes běžně zapojované jen pro klimatizaci, ale po úpravách okruhu použitelné i pro vytápění), což na druhé straně zvyšuje cenu vozidla.

 

<ramecek na konec clanku>

Slovníček pojmů:

BEV = akumulátorové elektrické vozidlo, battery electric vehicle

CO2 = oxid uhličitý, nejedovatý, leč skleníkový efekt zvyšující plyn

FC = palivový článek, fuel cell

FCEV = elektrické vozidlo s palivovým článkem

GHG = skleníkový plyn, green-house gas

HEV = hybridní elektrické vozidlo, hybrid electric vehicle

HVAC = vytápění, větrání a klimatizace, heating, ventilation and air-conditioning

ICE = spalovací motor, internal combustion engine

KERS = setrvačníkový akumulátor kinetické energie, kinetic energy recovery system

NEDC = evropský zkušební cyklus

ORC = oběh parního pístového expandéru nebo turbíny pro využití odpadního tepla s organickým médiem namísto vody (chladivem), organic Rankine cycle

PEMFC = palivový článek s protonově propustnou polymerní membránou

PHEV = dobíjecí hybrid, plug-in hybrid electric vehicle

REHEV = akumulátorové vozidlo s prodlužovačem dojezdu (ICE nebo FC), range extender hybrid electric vehicle

SOFC = palivový článek s pevným elektrolytem, solid oxide fuel cell

TTW = „z nádrže na kola“, tank to wheel

WHTC = globálně harmonizovaný jízdní cyklus pro nákladní vozidla, world harmonized heavy duty testing cycle

WHTP = globálně harmonizovaný zkušební postup pro nákladní vozidla, world harmonized heavy duty testing procedure

WLTC = globálně harmonizovaný jízdní cyklus pro osobní vozidla, world harmonized light duty testing cycle

WLTP = globálně harmonizovaný zkušební postup pro osobní vozidla, world harmonized light duty testing cycle

WTT = „ze zdroje do nádrže“, well to tank

WTW = „ze zdroje na kola“, well to wheel

<konec ramecku>

 

Pokračování příště.