Tomasz Podgajniak: Kiedy elektromobilność ma sens?

Czy samochody elektryczne są bardziej „przyjazne środowisku” niż spalinowe?

Odpowiedź na to pytanie nie jest wcale taka oczywista. Zastanówmy się, jak będzie brzmiała, jeśli w naszych rozważaniach ograniczymy się do tego, co będzie źródłem energii poruszającej samochód elektryczny.

Można oceniać efektywność energetyczną samochodów w zależności od rodzaju napędu i ilości zużywanej energii (paliwa), a ich ekologiczność od ilości zanieczyszczeń, jakie wytwarzają w procesie produkcji, podczas eksploatacji, jak i po jej zakończeniu. Pod każdym z tych względów samochód elektryczny per se bije swojego konwencjonalnego konkurenta na głowę.

Jednak, rzetelnie odpowiadając na pytanie, czy pojazdy z silnikami elektrycznymi są bardziej przyjazne dla środowiska, trzeba w pierwszej kolejności skupić się na tym, w jaki sposób pozyskamy energię elektryczną do ładowania baterii lub wodór do zasilania ogniwa paliwowego.

Aby właściwie ocenić wpływ źródła energii na efektywność pracy pojazdu konieczne jest wprowadzenie pojęcia liczby stopni konwersji (przemiany), które ma kluczowe znaczenie dla tych rozważań. Konwersja energii polega na zamianie jednego rodzaju energii na inną. Cieplnej na mechaniczną, mechanicznej na elektryczną, elektrycznej na mechaniczną lub cieplną itp. W warunkach rzeczywistych na każdym etapie (stopniu konwersji) występują określone straty, co oznacza, że w jednostkach bezwzględnych w wyniku przemiany otrzymujemy zawsze mniej energii, niż jej wykorzystaliśmy do zasilenia procesu.

Konwersja energii polega na zamianie jednego rodzaju energii na inną. Cieplnej na mechaniczną, mechanicznej na elektryczną, elektrycznej na mechaniczną lub cieplną itp.

Drugie niezbędne pojęcie dotyczy sprawności i jest zaczerpnięte wprost z praw termodynamiki: we wszystkich układach rzeczywistych, gdzie energię transformuje się do innych postaci, jakieś straty zawsze wystąpią. Poziom tych strat zależy w dużej mierze od ilości i charakteru przemian, czyli stopni konwersji właśnie. Szacuje się, że nowoczesny konwencjonalny samochód wykorzystuje efektywnie ok. 30% energii zwartej w paliwie.

W bilansie energetycznym samochodu elektrycznego musimy uwzględnić straty na każdym etapie konwersji, także na tych, które zachodzą niejako zewnętrznie, tam gdzie produkowana jest energia.

Jeżeli prąd wytwarzamy, korzystając z zasobów energii naturalnej – wiatru, słońca czy wody – stopień konwersji jest tylko jeden. Energia mechaniczna wody czy wiatru, względnie energia fotonów, zamieniane są bezpośrednio w energię elektryczną. Nie ma żadnych przemian pośrednich. Pozyskując z otaczających nas zasobów odnawialnych tyle energii, ile dziś najlepiej potrafimy, niczego nie tracimy (choć cały czas jednak dążymy, aby wskaźniki efektowności turbin czy paneli poprawiać, bo ma to istotne znaczenie dla kosztów wytwarzania). Jeżeli uwzględni się skumulowane straty podczas przesyłu i ładowania/rozładowania akumulatora, (czyli występujące poza samochodem), to tak określona sprawność wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych w transporcie przekracza 70%.

Co, jeśli źródłem prądu są paliwa kopalne?

Nieco inaczej trzeba opisywać procesy wytwarzania energii w energetyce konwencjonalnej. Jeżeli prąd wytwarzamy z paliw kopalnych (węglowodorowych), to najpierw musimy je pozyskać, następnie zamienić ich energię chemiczną w cieplną, dopiero ona bezpośrednio (silnik spalinowy, turbina gazowa) lub pośrednio (blok parowo-elektryczny) podgrzeje nośnik energii, który poprzez interakcję z ruchomymi elementami generatora spowoduje, że zaczną się one poruszać, a tym samym produkować energię elektryczną.

Policzmy zatem ilość stopni konwersji (pomijam energetyczne koszty pozyskania paliw i dostarczenia ich do jednostki wytwórczej, gdyż pozyskanie energii z oze też wymaga podobnych nakładów): przemiana paliwa kopalnego w ciepło to raz, zamiana ciepła w energię mechaniczną to dwa, a energii mechanicznej w energię elektryczną – trzy. W sumie daje to trzy stopnie konwersji. Każdy z nich generuje jakieś straty energii pierwotnej zawartej w węglu, gazie czy ropie.

Dla promowania idei elektromobilności nie jest obojętne, co będzie źródłem energii elektrycznej.

Ponieważ układy tego typu są powszechnie stosowane, wiemy sporo o ich rzeczywistej sprawności. Najsprawniejsze są bloki gazowo-parowe, w których odzyskać można w formie energii elektrycznej ok. 60% energii cieplnej gazu, nowoczesne generatory z silnikami diesla mają sprawność rzędu 38-42%. I wreszcie najsprawniejsze bloki węglowe (w tzw. technologii nadkrytycznej) to 43-45%. Warto jednak pamiętać, że średnia sprawność bloków węglowych w Polsce nie przekracza 36%. Straty w sieci i podczas ładowania baterii będą identyczne jak w przypadku energii z OZE.

Wynika z tego, że – biorąc pod uwagę stopień wykorzystania energii pierwotnej – samochód elektryczny z baterią zasilaną prądem z węgla czy nawet z ropy lub gazu nie ma sensu. Co więcej zawsze przegra w konkurencji z samochodem zasilanym bezpośrednio silnikiem diesla o efektywności 40%!

Przegra także z ogniwem paliwowym zasilanym wodorem. W tym wypadku mamy do czynienia z dwoma stopniami konwersji – energia cieplna lub elektryczna konieczna do wytworzenia wodoru i zamiana energii chemicznej wodoru na energię elektryczną w ogniwie paliwowym. Sprawność tego procesu szacowana jest na ok. 50%, choć trwają prace nad jej zwiększeniem.

Biorąc pod uwagę stopień wykorzystania energii pierwotnej, samochód elektryczny z baterią zasilaną prądem z węgla czy nawet z ropy lub gazu nie ma sensu.

Oczywiście są też aspekty środowiskowe, jak choćby smog wytwarzany przez samochody czy gazy cieplarniane emitowane przy spalaniu węgla w elektrowni, które trzeba brać pod uwagę, ale to już zupełnie inny rodzaj rachunku.

Z punktu widzenia bilansu energetycznego, jeżeli myślimy o elektromobilności, to jako źródło energii elektrycznej powinniśmy wybierać zasoby odnawialne, gdzie ilość stopni konwersji nie przekracza dwóch, a wskaźnik wykorzystania energii pierwotnej jest najwyższy.


 

Dorota M. Zielińska, Tomasz Podgajniak

 

Tomasz Podgajniak
Prezes firmy Enerco, członek zarządu Polskiej Izby Gospodarczej Energetyki Odnawialnej i Rozproszonej, minister środowiska w rządzie Marka Belki.