26 czerwca 2019


Poprawna odpowiedź na to pytanie jest złożona i brzmi następująco: Po pierwsze, zależy z jakiego źródła pobieramy energię elektryczną do ładowania akumulatorów i jaki jest wpływ wytworzenia i recyklingu takiego pojazdu na środowisko naturalne. Jeżeli tym źródłem są elektrownie wiatrowe, fotowoltaika lub elektrownie wodne to samochód elektryczny może być ekologiczny w aspekcie eksploatacyjnym. Jeżeli natomiast energia elektryczna jest wytwarzana w elektrowniach spalających paliwo kopalne, to samochód elektryczny jest szkodliwy dla środowiska naturalnego. Po drugie, koszty wytworzenia i recyklingu samochodu elektrycznego powinny być porównywalne lub niższe od tych samych kosztów dla samochodu z silnikiem spalinowym.

Jerzy Mydlarz

Aspekt energetyczny ruchu pojazdu z napędem elektrycznym w porównaniu do pojazdu z silnikiem spalinowym
Poniżej przeprowadzono proste rozumowanie dotyczące wykorzystania energii przez samochód elektryczny zasilany energią wytwarzaną przez elektrownię cieplną. Załóżmy, że do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystamy elektrownię cieplną spalającą olej opałowy, który jest zbliżonym paliwem do oleju napędowego stosowanego w silnikach z zapłonem samoczynnym, zwanych potocznie dieslami. Takie założenie umożliwi obiektywne porównanie dwóch rodzajów pojazdów. Zakładamy, że pewna ilość paliwa dostarcza 100% energii do zasilania samochodu elektrycznego. Energia ta przetworzona zostaje w elektrowni na energię elektryczną. Sprawność elektrowni cieplnej nie przekracza 46%. Powstała w generatorze energia elektryczna zostaje przetworzona, w celu zmniejszenia tzw. strat przesyłania i zmniejszenia przekroju przewodów na energię elektryczną o wysokim napięciu. Sprawność transformatora wysokiego napięcia wynosi około 95%, zaś sprawność przesyłania energii za pomocą linii wysokiego napięcia wynosi około 88%. Przed przystąpieniem do wykorzystywania energii elektrycznej do naładowania akumulatorów samochodu elektrycznego, należy tę energię ponownie przetworzyć. W pierwszej kolejności należy obniżyć napięcie z wysokiego do średniego, a następnie ze średniego do niskiego. Sprawność każdego z procesów wynosi około 95%.

eco
Wyk. 1

Ponieważ akumulator jest ładowany prądem stałym o niższym napięciu niż w sieci (230 V), należy prąd elektryczny przetworzyć ze zmiennego na stały i raz jeszcze obniżyć jego napięcie. Przyjęto, że sprawność urządzenia elektronicznego ładującego akumulator, zwanego potocznie prostownikiem lub ładowarką, wynosi około 93%. Akumulator, w którym jest zgromadzona energia elektryczna też ma określoną sprawność, wynoszącą około 99%.
Mając naładowany akumulator możemy rozpocząć jazdę. Energia elektryczna jest przekazywana do silnika elektrycznego samochodu przez sterownik elektroniczny, który dopasowuje pobór mocy do sytuacji ruchowej samochodu. Jego sprawność wynosi około 95%. Silnik elektryczny ma zbliżoną sprawność, która wynosi około 96%. Pomiędzy silnikiem elektrycznym a kołami pojazdu znajduje się przekładnia zębata. Nawet w najprostszym przypadku, gdy stanowi ją para kół zębatych, jej sprawność wynosi około 98%. W nowych rozwiązaniach konstrukcyjnych układów napędowych samochodów elektrycznych widać trend wzrostu ilości przełożeń, potrzebny do poprawy dynamiki i rekuperacji energii w czasie hamowania, co spowoduje dalszy spadek sprawności. Jeżeli przemnożymy wszystkie cząstkowe sprawności, to okaże się że ze 100% energii zawartej w paliwie na koła dociera około 29%. Jest to skutek wielokrotnego przetwarzania energii. Nawet jeśli dane rzeczywistych urządzeń różnią się nieco od średnich wartości przyjętych na podstawie ogólnodostępnych źródeł, to rezultat jest łatwy do przewidzenia. Kolejne fazy jej przetwarzania wyliczono raz jeszcze poniżej:
Sprawność elektrowni cieplnej – 46%
Sprawność transformatora wysokiego napięcia – 95%
Sprawność przesyłania energii – 88%
Sprawność obniżenia napięcia z wysokiego na średnie – 95%
Sprawność obniżenia napięcia ze średniego na niskie – 95%
Sprawność prostownika do ładowania akumulatora – 93%
Sprawność akumulatora – 99%
Sprawność inwertora – 95%
Sprawność silnika elektrycznego – 96%
Sprawność przekładni zębatej – 98%

 Całkowita sprawność:

ηc = 100 • 0,46 • 0,95 • 0,88 • 0,95 • 0,95 • 0,93 • 0,99 • 0,95 • 0,96 • 0,98 = 28,6

Spadek sprawności całkowitej, samochodu elektrycznego przedstawiono na wykresie 1.
Podobne rozważanie przeprowadzono dla samochodu konwencjonalnego z silnikiem spalinowym z zapłonem samoczynnym i turbodoładowaniem. Sprawność takiego nowoczesnego silnika wynosi około 45%. Energia mechaniczna ruchu obrotowego jest przenoszona przez przekładnię mechaniczną i półosie na koła. W samochodzie z silnikiem spalinowym, jest to bardziej rozbudowana wielobiegowa przekładnia, dlatego jej sprawność wynosi średnio około 96%. Sprawność półosi napędowych w obu przykładach pominięto. Po wykonaniu podobnego wyliczenia otrzymujemy sprawność całkowitą:

ηc = 100 • 0,45 • 0,96 = 43%

Spadek sprawności całkowitej, samochodu z silnikiem spalinowym typu TDI1 przedstawiono na wykresie 2.

wykres 2
Wyk. 2

Pozostawiam czytelnikowi ocenę przedstawionych liczb. Wymowa ich jest taka, że na tej samej ilości paliwa samochód z silnikiem spalinowym, typu TDI, przejedzie ponad 1,5 (43/28,6 = 1,5) razy dłuższy dystans niż samochód elektryczny, o zbliżonej masie i oporach ruchu, zasilany energią wytworzoną z tej samej ilości paliwa w elektrowni. Identyczne rozumowanie można przeprowadzić dla innego rodzaju paliwa tj. gazu ziemnego ponieważ istnieją elektrownie zasilane tym paliwem i pojazdy2 na CNG3. Byłoby ono również prawdziwe, gdyby istniały nowoczesne samochody parowe na węgiel. Logika byłaby identyczna, ponieważ wykorzystywanie energii w miejscu jej wytworzenia, w pojeździe, jest zawsze korzystniejsze niż jej wielokrotne przetwarzanie i przesyłanie.
Twierdzenie organizacji Transport & Environment Brussels, lobbującej na rzecz tzw. zrównoważonej polityki środowiskowej, że w Polsce, gdzie prawie cała energetyka oparta jest na węglu, samochód elektryczny przyczyni się do zmniejszenia emisji CO2, należy włożyć pomiędzy bajki. Pikanterii całej sprawie dodaje fakt, że bardzo obszerne opracowanie na temat strategii redukcji emisji w transporcie w Polsce, udzielające nam nieracjonalnych porad, jest wspierane przez niemieckie ministerstwo ochrony środowiska, a zatem rząd niemiecki, i Bundestag, czyli drugą izbę niemieckiego parlamentu. Strona tytułowa raportu znajduje się na rysunku 1.

Rys
Rys. 1

Zainteresowanych lekturą całości tekstu odsyłam do źródła – https://www.transport­environment.org/publications­
Aspekt zużycia energii w czasie eksploatacji jest tylko jednym z istotnych zagadnień związanych z samochodami elektrycznymi. W mediach, głównym i najczęściej podnoszonym jest aspekt energochłonności wytwarzania akumulatorów. Nawet gdyby istniały tanie, nieszkodliwe dla środowiska, lekkie i pojemne akumulatory, to w naszym kraju, z powodów wcześniej przytoczonych, samochód elektryczny nie ma logicznego uzasadnienia. Chyba, że zmienimy sposoby wytwarzania energii elektrycznej.

Aspekt kosztów środowiskowych wytworzenia i recyklingu
Znane są opracowania szwedzkich i brytyjskich naukowców w tym obszarze. Szwedzki Instytut Środowiska (IVL) na zlecenie szwedzkiego Ministerstwa Transportu i szwedzkiej Agencji Energii przeprowadził badania wpływu na środowisko baterii litowo-jonowych, które dzisiaj używane są w samochodach elektrycznych i hybrydowych [1].
Podobne badania przeprowadził też Brytyjski Low Carbon Vehicle Partnership (Partnerstwo ds. Pojazdów Niskowęglowych) [2]. Wyniki obu tych badań są zbliżone. Wskazują one na duże zużycie energii w procesie wytwarzania i recyklingu akumulatorów. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest stosowanie w nich wielu odmian (oprócz litu) materiałów takich jak aluminium, kobalt, mangan, nikiel i tytan, które są wytwarzane przemysłowo w energochłonnych procesach. Z badań przeprowadzonych przez w/w instytucje wynika, że wytworzenie i recykling samochodu z silnikiem spalinowym jest mniej uciążliwe dla środowiska naturalnego niż samochodu elektrycznego.
Kilka liczb pochodzących ze szwedzkiej publikacji robi duże wrażenie. Dotyczą one ilości dwutlenku węgla emitowanego w procesie produkcji akumulatorów litowych. Otóż wyprodukowanie 1 kWh pojemności elektrycznej akumulatora powoduje emisję 150-200 kg CO2.
Popularne samochody elektryczne Nissan Leaf i Tesla model S mają akumulatory o pojemnościach odpowiednio: 40 i 100 kWh. Wziąwszy nawet mniejszą wartość tj. 150 kg CO2 na 1 kWh mamy 6000 i 15000 kg CO2 wytworzonego na akumulatory do każdego z tych samochodów.
Dla zrozumienia znaczenia tych liczb wspomnę tylko, że podróż jednej osoby ze Sztokholmu do Nowego Jorku samolotem powoduje emisję 600 kg CO2. Zważywszy na to, nie można się też oprzeć refleksji, że człowiek świadomy ekologicznie powinien oprócz samochodów elektrycznych unikać również latania samolotami. Linie lotnicze przyczyniają się bowiem do znaczącej emisji CO2.

2 Nissan Leaf kopia
Rys. 2 Nissan Leaf (źródło: www.nissan.pl)

Firma konsultingowa Berylls Strategy Advisors z Monachium oszacowała, jaka byłaby emisja CO2 w przypadku produkcji akumulatorów do aut elektrycznych w porównaniu do produkcji samochodów z napędem konwencjonalnym. W ich ocenie przy produkcji najcięższych akumulatorów ważących ok. 500 kg dla samochodów sportowych, emisja CO2 byłaby większa nawet o 74% niż w przypadku wytworzenia tradycyjnego auta w fabryce napędzanej paliwami kopalnymi, np. w Niemczech [3].
Firma Tesla świadoma złej prasy odnoszącej się do kosztów środowiskowych, związanych z produkcją akumulatorów, zapewnia, że ona stosuje do ich produkcji energię pozyskaną z instalacji solarnych. Podobne deklaracje składa firma Volkswagen z okazji premiery nowego samochodu elektrycznego VW ID.1. Ciekawe czy w zimowe, krótkie, pochmurne i bezwietrzne dni fabryka w Zwickau, gdzie będzie produkowany ten samochód, będzie zatrzymywała produkcję? Być może ta fabryka ma gigantyczny magazyn energii w postaci akumulatorów litowo-jonowych? Takie rozwiązanie, z powodów wcześniej podanych również nie jest ekologiczne. Nie można też wykluczyć, że źródłem zasilania rzeczonej fabryki są wyłącznie elektrownie wodne. Jak jednak oddzielić w sieci energetycznej prąd z elektrowni wodnych od tego z elektrowni cieplnych jest dla mnie zagadką.

3 Tesla Model S
Rys. 3 Tesla model S (źródło: www.tesla.com)

Czy zatem samochód elektryczny nie ma wcale racjonalnych przesłanek? Oczywiście że ma. W krajach o mocno rozbudowanej energetyce wiatrowej, poważnym problemem są nadwyżki energii wiatrowej w czasie silnych wiatrów. Jest to znakomity czas na doładowania akumulatorów samochodów elektrycznych. Cena energii do ładowania samochodów elektrycznych powinna być powiązana z jej podażą. Również energetyka solarna jest dobrym źródłem energii dla samochodów elektrycznych. Natomiast w naszym kraju, gdzie energia elektryczna jest wytwarzana głównie z węgla, samochody elektryczne są nieporozumieniem. Niemniej jednak, mogą i powinny być one wprowadzane w najbardziej zanieczyszczonych miastach. Tam rachunek ekonomiczny jest sprawą drugorzędną, ponieważ chodzi o życie i zdrowie mieszkańców.
Nie można też tracić nadziei, że rządzącym minie w końcu absurdalny zapał do energetyki węglowej. Jeśli będziemy mieli tak rozbudowaną energetykę jądrową, wiatrową i fotowoltaiczną jak inne kraje, to przyjdą czasy na racjonalnie uzasadnione samochody elektryczne.
W międzyczasie pozostają nam w transporcie indywidualnym silniki spalinowe i samochody hybrydowe. Dużo złej prasy samochodom tradycyjnym zrobiły firmy fałszujące testy emisji spalin. W szczególności tyczy się to wielokrotnie przekroczonej emisji tlenków azotu (NOx) przez silniki z zapłonem samoczynnym i słynnej tzw. Dieselgate. Sprawa ta ma głównie kontekst przestępczy, zaś wynika ona z nienasyconej żądzy zysku i bezkarności wielkich koncernów samochodowych w Europie [4]. Współczesne turbodoładowane silniki z zapłonem samoczynnym mogą być mniej szkodliwe dla środowiska naturalnego, jeśli tylko pozwoli się działać inżynierom. Doświadczenia eksploatacyjne wskazują jednak, że tzw. turbo-diesle są bliskie deklarowanych emisji jedynie na drogach poza miastami, na dystansach zapewniających osiągnięcie przez silnik i układy oczyszczania spalin normalnej temperatury pracy. Natomiast w ruchu miejskim bardzo dobrze sprawują się w aspekcie emisji CO2 i NOx samochody z napędami hybrydowymi.
Na koniec refleksja natury ogólniejszej. Posiadanie „nowoczesnych” poglądów jest przyczyną wielu problemów naszej cywilizacji. Jeśli tak zwane elity uznają jakiś pogląd za światły i nowoczesny, to pomimo jego szkodliwości pokutuje on przez wiele lat. Jeszcze gorzej jest, gdy wpływowe firmy robią pieniądze pod osłoną ekologii. Nie tak dawno zostaliśmy przymuszeni do stosowania energooszczędnych żarówek pierwszej generacji. Były to energooszczędne świetlówki zawierające rtęć. Z pewnością zużywały one mniej energii niż klasyczne żarówki z żarnikiem wolframowym. Żarówki te zużywają więcej energii zamieniając ją w ciepło, nie są jednak takim obciążeniem dla środowiska naturalnego jak rtęć, którą zatruta jest już znacząca część środowiska naturalnego i która wywołuje wiele chorób, włącznie z wadami genetycznymi. Jest bowiem bardzo prawdopodobne, że pewna ilość rtęci wskutek zakłóceń procesów produkcyjnych, transportowych i nieprawidłowej utylizacji przenika do środowiska naturalnego.
Oświetlenia sztucznego używamy głównie w zimie, wtedy kiedy musimy ogrzewać nasze mieszkania. Zatem klasyczne żarówki powodowały, że część ciepła była dostarczana przez energię elektryczną, co aspekcie tzw. niskiej emisji i smogu było zjawiskiem bardzo korzystnym.
Wymowa przytoczonych faktów powinna być powodem do zadumy. Nie jest dobrze, gdy uprzywilejowane grupy społeczne, działające tylko w swoim wąskim interesie, wspierane przez tzw. ekologów, upierają się przy szkodliwym społecznie rozwiązaniu, ponieważ ktoś uznał je za nowoczesne. Przyszłe pokolenia będą zachodzić w głowę, jak ich przodkowie mogli być tak nierozsądni i obstawać przy tak absurdalnych rozwiązaniach.
To co jest dobre dla Francji (mającej duży udział energetyki jądrowej w bilansie energetycznym) lub dla Niemiec (mających dużo elektrowni wiatrowych i solarnych, oprócz 40% energii z elektrowni węglowych) niekoniecznie musi być dobre dla naszego kraju. Tyczy się to nie tylko samochodów elektrycznych.

Jerzy Mydlarz

Dziękuję żonie Barbarze za słowa zachęty i inspirujące dyskusje przy porannej kawie oraz korektę interpunkcji.
Dziękuję synowi Michałowi za wnikliwą i konstruktywną krytykę, w życzliwej atmosferze.
Dziękuję pani Katarzynie Lurce z firmy invenio Sp. z o.o. za poprawę całości artykułu.


1 TDI oznacza silnik z zapłonem samoczynnym i turbodoładowaniem, zwany potocznie turbo-dieslem
2 Dobrym przykładem takiej aplikacji są autobusy miejskie w Tychach
3 CNG od Compressed Natural Gass, czyli sprężony gaz ziemny

 

Literatura:
motoryzacja.interia.pl/wiadomosci/producenci/news-szokujacy-raport-samochody-elektryczne-nie-sa-ekologiczne,nId,2411032
www.motofakty.pl/artykul/elektryczne-nie-jest-ekologiczne.html
forsal.pl/artykuly/1306179,samochod-elektryczny-kontra-spalinowy-emisja-co2-zanieczyszczenie-srodowiska
J. Ewing: Szybciej, wyżej, dalej, Skandale Volkswagena, Dom Wydawniczy Rebis, 2017

artykuł pochodzi z wydania 3 (138) marzec 2019