Efektywność i celowość wdrożenia w kraju elektrycznych napędów samochodów

fot. Ładowarka Tesla Supercharger

Niedawno krajowe media ogłosiły informację o innowacyjnym i ambitnym planie wicepremiera M. Morawieckiego, przewidującym wyposażenie, co najmniej miliona samochodów w napędy elektryczne, zasilane z baterii akumulatorów. Akumulatory będą ładowane z krajowej sieci elektroenergetycznej. Program ma zostać wdrożony w ciągu najbliższych kilku lat.

Poniżej podjęto próbę analizy efektywności ekonomicznej i ekolo­gicznej tego przedsięwzięcia, opartą na szacunkowych obliczeniach przykładowych. Uproszczona analiza, która ma charakter poglądo­wy, przyjmuje pewne założenia upraszczające oraz nie uwzględnia niektórych czynników, jak emisja innych odpadów, oprócz CO₂.

Zalety napędu spalinowo-elektrycznego samochodów

Silniki spalinowe stosowane w napędach samochodów mają pewne niedoskonałości. W pewnych warunkach silniki te zużywają znacznie więcej paliwa niż w czasie normalnej, płynnej jazdy. Dzieje się to w na­stępujących przypadkach:

• gdy uruchamiamy zimny silnik, to zużycie paliwa jest znacznie wyższe aż do osiągnięcia przez silnik normalnej temperatury roboczej,
• gdy następuje przyspieszanie samochodu, czyli gdy silnik pracuje przy prędkości obrotowej niższej (lub wyższej) od zalecanej jako najlepszej.

Konstruktorzy współczesnych napędów starali się wyeliminować te wady, stosując do napędu samochodów równolegle silnik spalinowy oraz silnik elektryczny. Jest to tzw. napęd hybrydowy. Silnik elektryczny jest wykorzystywany w tych przypadkach, w których silnik spalinowy zużywa dużo paliwa. Dzieje się to w czasie rozruchów i rozpędzania pojazdu. Jednocześnie silnik spalinowy jest podgrzewany, aby w cza­sie przejścia do płynnej jazdy z napędem spalinowym nie występowało wyższe zużycie paliwa zimnego silnika.

Silnik elektryczny samochodu jest zasilany z baterii akumulatorów. Sprawność energetyczna napędu z użyciem silnika elektrycznego jest bardzo wysoka. Napęd elektryczny ma również inne zalety. Mianowicie potrafi odzyskiwać energię zużywaną na hamowanie. Energia hamo­wania jest wykorzystana do ładowania akumulatorów; gdyż przy hamo­waniu następuje przełączenie pracy silnika na pracę prądnicową i na­stępuje ładowanie baterii. W silnikach spalinowych energia hamowania jest tracona bezpowrotnie przy zamianie na ciepło tarcia w tarczach czy bębnach hamulcowych.

Samochody osobowe z napędem hybrydowym mogą w ruchu miej­skim osiągać znaczne zmniejszenie zużycia paliwa, dzięki odzyskiwa­niu energii przy hamowaniu i braku dużego zużycia przy rozpędzaniu pojazdu. Pokazano, na podstawie obserwacji własnych, korzyści ze stosowania napędu hybrydowego w samochodzie osobowym o mocy 60 kW. Przy stosowaniu napędu hybrydowego w ruchu miejskim zu­życie benzyny przez samochód wyniosło ok. 4,5 litra na 100 km, pod­czas gdy w tych samych warunkach jazdy, przy wykorzystaniu tylko napędu spalinowego, zużycie wyniosło ok. 7 litrów paliwa. W czasie płynnej jazdy długodystansowej zużycie paliwa przy obu rodzajach na­pędu (hybrydowym i spalinowym) wynosiło ok. 6 litrów na 100 km. Na podstawie przytoczonych wyników prób nasuwa się wniosek, że napę­dy hybrydowe są szczególnie efektywne w ruchu przerywanym, co ma miejsce w warunkach miejskich. Konstruktorzy napędów poszli o krok dalej i zadali pytanie: Jeżeli napęd elektryczny jest tak oszczędny, to dlaczego nie należy stosować go jako jedynego napędu samochodu, bez łączenia z silnikiem spalinowym? Odpowiedź jest trochę skomplikowa­na i zagadnienie należy rozpatrywać dokładnie, uwzględniając warunki krajowa. W rozważaniach przyjęto założenie, aby w ciągu kilku lat wy­produkować i wdrożyć napędy elektryczne do miliona samochodów.

Właściwości i warunki napędu elektrycznego samochodów

Problem napędu elektrycznego jest problemem kompleksowym, ści­śle związanym z problemem produkcji i przesyłu energii elektrycznej w KSE (krajowym systemie elektroenergetycznym). Aby zilustrować liczbowa całe zagadnienie, należy przyjąć, np. że mamy do czynienia z milionem samochodów. Samochody te poruszają się w ruchu miej­skim, głównie jest to: komunikacja autobusowa, samochody dostawcze oraz samochody osobowa. Każdy z samochodów w ciągu dnia przebywa średnio 100 km. Przyjęto, że średnio każdy z tych samochodów zużywa energię elektryczną równoważną energii wytworzonej z 10 litrów pali­wa w silniku spalinowym (na 100 km), co odpowiada w przybliżeniu 40 kWh energii elektrycznej na dobę, po uwzględnieniu sprawności sil­ników spalinowych rzędu 40%.

Energia elektryczna zawarta w bateriach akumulatorów samochodu, zu­żyta w czasie jazdy musi być uzupełniona przez ładowanie baterii. Łado­wanie akumulatorów jednego samochodu, przy wykorzystaniu elektrycz­nych instalacji domowych, wymagałoby poboru prądu ok. 25 A przez 8 godzin, uwzględniając sprawność procesu ładowania. Dla umożliwienia ładowania należałoby zwiększyć przekroje przewodów zasilania każdej jed­nofazowej instalacji domowej z 2,5-4 mm² na przekroje rzędu 10-15 mm². Przyjmując, że można ładować wiele baterii jednocześnie oraz że część instalacji (szczególnie w mieszkaniach miejskich) jest jednofazowa, pro­wadziłoby to do niedopuszczalnego przeciążenia instalacji i sieci.

Należałoby odpowiednio zwiększyć przekroje linii zasilających oraz moce transformatorów w stacjach elektroenergetycznych. Aby uniknąć dużych nakładów na przebudowę sieci, celowe byłoby budowanie spe­cjalnych stacji ładowania kilkunastu (kilkudziesięciu) baterii. Problem potrzeby produkcji dodatkowej ilości energii elektrycznej dla celów ła­dowania zostanie omówiony oddzielnie.

Kraje stosujące już napędy elektryczne poszły inną drogą. Zorganizo­wały sieć stacji, w których można wymienić rozładowane akumulatory na naładowane. W tych stacjach można również ładować akumulatory. Należy zwrócić uwagę, że rozmieszczenie geograficzne stacji wymiany akumulatorów nie gwarantuje, że bateria akumulatorów w samocho­dzie może być całkowicie rozładowana. Często trzeba wymieniać ba­terię wcześniej, gdy jeszcze nie jest do końca rozładowana, ponieważ odległość do następnej stacji jest zbyt duża w stosunku do bieżącego zapasu energii w baterii. O ile wiem, w stacjach aktualnie nie mierzy się pozostałości energii nie do końca rozładowanej pozostawianej baterii, więc pozostałość tę należy zaliczyć do strat. Należy zauważyć, że samochody z napędem elektrycznym wdrażają kraje wytwarzające energię elektryczną z dużym udziałem elektrowni o niskiej emisyjności (np. jądrowe, wodne). Wracając do zapotrzebowania energii do łado­wania baterii z miliona samochodów, należy zabezpieczyć wytwarza­nie w elektrowniach dodatkowej mocy rzędu 6000 MW. Stanowi to ok. 20% mocy szczytowej istniejących elektrowni w kraju. Wpraw­dzie, w celu wyrównania obciążenia systemu elektroenergetycznego, należy przeprowadzać ładowania w okresie nocnej doliny obciążenia, wykorzystując nocne rezerwy produkcyjne w elektrowniach, to praw­dopodobnie nie da się uniknąć budowy nowych elektrowni, o mocy co najmniej 3000 MW (czyli kilku elektrowni wielkości Pątnowa).

Zdecydowana większość krajowych elektrowni (ponad 80%) pracuje na paliwie węglowym. Dla ujednolicenia rozważań przyjmijmy, że są to elektrownie na węgiel kamienny. Dla wyprodukowania 1 kWh energii elektrycznej elektrownia zużywa ok. 0,3 kg węgla kamiennego. Można łatwo obliczyć, ile węgła dodatkowo spalą krajowe elektrownie w cza­sie 8 godzin do ładowania baterii miliona samochodów. Wynik obliczeń daje dodatkowe spalanie 14 400 ton węgla w ciągu doby, uwzględniając sprawność ładowania.

Przyjęto, że ruch samochodów nie trwa codziennie, a np. 300 dni w roku. W takim przypadku elektrownie spalą dodatkowo 4,2 min ton węgla rocz­nie do wyprodukowania energii elektrycznej potrzebnej do ładowania ba­terii akumulatorów; Należałoby przy wdrażaniu napędów elektrycznych wspomnieć o możliwości ładowania baterii akumulatorów ze źródeł fotowoltaicznych, zainstalowanych na pojazdach. Średnio z 1 m² ogniwa uzyskuje się ok. 0,15 kW mocy, co przy 10-godzinnej ekspozycji na pro­mieniowanie słoneczne daje energię 1,5 kWh/nr w ciągu doby. Przyjmu­jąc, że autobus ma możliwość instalacji 15 m² ogniw, można z tych ogniw uzyskać 22,5 kWh energii w ciągu doby. W obliczeniach przyjęto średnie dobowe zapotrzebowanie energii 40 kWh na pojazd.

W przypadku autobusów to zapotrzebowanie będzie co najmniej dwu­krotnie większe. Można więc oszacować, że z fotoogniw można uzupełnić ok. 25% zapotrzebowania na energię elektryczną autobusu. W przypadku samochodów osobowych z uwagi na mniejszą powierzchnię umożliwiającą instalację fotoogniw, udział tej energii w całkowitym zapotrzebowaniu będzie znacznie niższy. Należy odnotować, że cena energii z fotoogniw jest znacznie wyższa w porównaniu z energią pochodzącą z sieci KSE.

Emisja gazów

Spalenie 1 kg węgla powoduje powstanie ok. 3,6 kg dwutlenku węgla (CO,), nie licząc związków siarki, pyłów i popiołów oraz innych zanieczyszczeń. Spalanie 1 litra paliwa płynnego daje ok. 2,6 kg CO,. Milion samochodów przy założeniach przyjętych wyżej spaliłyby 3 mld litrów paliwa płynnego rocznie, co spowodowałoby emisję 7,8 min ton CO,. Po zastąpieniu napędów spalinowych elektrycznymi, zasilanymi z ba­terii akumulatorów ładowanych energią elektryczną z elektrowni ciepl­nych, po spaleniu 4,3 min ton węgla, nastąpiłaby emisja 15,5 min ton CO,. Wzrost emisji CO, przy przejściu na napęd elektryczny wyniósłby ok. 7,7 min ton. Nie rozważano problemu opłat (kar) za emisję CO,. Taki wzrost emisji przekreśla całkowicie argumentację o ekologiczności ta­kiego przedsięwzięcia. Oczywiście w przypadku krajów produkujących energię elektryczną w elektrowniach na paliwo płynne lub gazowe emisja jest w przybliżeniu równoważna emisji silników spalinowych. Natomiast w przypadku produkcji energii elektrycznej w elektrowniach wodnych, jądrowych lub innych elektrowniach bezemisyjnych, efekt ekologiczny zmniejszenia emisji gazów jest bezsporny. W przypadku zastosowania ła­dowania baterii akumulatorów w części pojazdów (o dużej powierzchni dachu) z fotoogniw; można byłoby ograniczyć nieco emisję CO, (rzędu 10%) z jednoczesnym wzrostem ceny całkowitej energii ładowania baterii.

Koszty

Przyjęto cenę energii elektrycznej brutto z uwzględnieniem: wytwa­rzania, przesyłu i rozdziału oraz niższe koszty wytwarzania w dolinie nocnej w wysokości 16 zł/kWh. Koszt energii elektrycznej do zasilania napędów elektrycznych miliona samochodów w tych warunkach w cią­gu roku wyniesie 14,2 mld zł. Do tego należy doliczyć udziały roczne wynikające z poniższych czynników:

• amortyzacji nakładów na budowlę stacji ładowania i wymiany baterii,
• amortyzacji nakładów na zakup baterii akumulatorów do wymiany w stacjach obsługi, amortyzację nakładów na wymianę baterii zużywanych po upływie czasu ich żywotności,
• kosztów strat energii ładowania wynikających ze sprawności baterii z uwzględnieniem spadku sprawności przy zestarzeniu się baterii,
• kosztów utylizacji zużytych baterii akumulatorów.

Przyjmując szacunkową cenę paliwa płynnego 4,2 zł/litr oraz zużycie roczne przez milion samochodów w ilości 3 mld litrów, koszt energii do napędu miliona samochodów z napędem benzynowym wynosi 12,6 mld zł/rok. Z tych szacunków wynika, że koszt energii elektrycznej do ładowania akumulatorów samochodowych jest wyższy, co najmniej o 25% w porównaniu z kosztami paliw płynnych i napędzie spalinowym.

Podsumowanie

Stosowanie napędów elektrycznych samochodów z ładowaniem ba­terii akumulatorów energią pochodzącą z KSE w ogólnym przypadku ma następujące zalety:

• niższa cena napędu elektrycznego, a więc i całego samochodu w po­równaniu z ceną samochodu z napędem spalinowym,
• niższa emisja gazów w przypadku ładowania akumulatorów z elek­trowni wodnych, jądrowych i podobnych lub emisja równoważna napę­dom spalinowym przy elektrowniach gazowych.

Wady napędów elektrycznych z ładowaniem baterii energią pocho­dzącą z KSE, na podstawcie obliczeń przykładowych, to m.in.:

• w warunkach krajowych emisja CO, jest pięciokrotnie wyższa w po­równaniu z napędami spalinowymi (dla miliona samochodów - emisja 15,5 min ton CO, w ciągu roku),
• koszt energii elektrycznej ładowania baterii wyższy co najmniej o 25% w porównaniu z kosztem energii z paliwa płynnego w przypadku silników spalinowych,
• wymagane dodatkowe nakłady na baterie akumulatorów w rezerwie do wymiany oraz na układy zasilania do ładowania baterii w stacjach ładowania, koszty redystrybucji baterii między stacjami, koszty utylizacji itp.

Nie prowadzono rozważań dotyczących emisji innych związków, w tym siarki i pyłów. Przyjęto, że te czynniki są eliminowane w proce­sie odsiarczania i odpylania. Nie uwzględniono również kosztów (opłat, kar) wynikających z emisji gazów oraz popiołów. Po uwzględnieniu tych czynników efektywność stosowania napędów elektrycznych bę­dzie jeszcze bardziej obniżona. Należy również odnotować potrzebę rozbudowy KSE o nowe moce wytwórcze (nie mniej niż 3000 MW) oraz odpowiednią rozbudowę sieci.

Reasumując, decyzja o wprowadzeniu do ruchu miliona samochodów z napędem elektrycznym w naszym kraju, przy aktualnych technolo­giach produkcji energii elektrycznej, jest przedsięwzięciem nieefektywnym ze względów zarówno ekonomicznych jak i ekologicznych, jest więc niecelowa. Mówiąc ostrzej - jest przedsięwzięciem szkodliwym. Nastąpi dodatkowa emisja rzędu 7,7 min ton CO, w ciągu roku, co jest szkodliwie ekologicznie i spowoduje wzrost opłat emisyjnych. Należy zauważyć, że bezmyślne przenoszenie zagranicznych rozwiązań do wa­runków krajowych często przynosi szkody zamiast korzyści.

Przed wdrożeniem tego programu należałoby uruchomić i zrealizować krajowy program zmniejszenia emisji CO, z elektrowni węglowych poniżej poziomu generowanego w silnikach spalinowych. Pojawiają się doniesienia o jednostkowych próbach spalania gazu po gazyfikacji węgla lub odprowadzania dwutlenku węgla ze spalin w celu jego wykorzystania w innych procesach chemicznych (np. produkcji metanolu lub mocznika) lub po prostu bezpiecznego magazynowania do ewentualnego wykorzystania w przyszłości.