Tomasz Podgajniak: Skąd prąd?

Czy elektryczne ciężarówki Tesla będą w Polsce służyć do przewozu węgla?

Jeżeli myślimy o rozwijaniu, a choćby tylko utrzymaniu ludzkiej mobilności, immanentnej cechy świata wolnych ludzi, to powinniśmy wybierać takie sposoby zasilania napędów pojazdów, które charakteryzuje najwyższy wskaźnik wykorzystania energii pierwotnej i które nie ograniczają dostępności ważnych zasobów dla innych dziedzin ludzkiej aktywności. Wydaje się, że pierwszy warunek spełniają napędy elektryczne. Ale czy na pewno? I czy jest obojętne skąd pochodzi energia elektryczna wykorzystywana w takich pojazdach?

Chwila prawdy: czy elektromobilność się opłaca?
Pojęcie elektromobilności, które nagle stało się w naszym kraju modne i zaczęło być odmieniane przez wszystkie przypadki, wbrew pozorom nie jest pojęciem nowym. Pierwsze pojazdy elektryczne powstawały już w połowie XIX w na długo przed wynalezieniem żarówki i przed powstaniem silnika spalinowego. Dlaczego jednak przegrały w konkurencji ze swoimi kuzynami wykorzystującymi silniki spalinowe? I czy teraz mają szansę wygrać?

Złożyło się na to wiele przyczyn, ale najważniejszą z nich była efektywność wytwarzania energii elektrycznej. 150, czy nawet 100 lat temu nie było to ani proste, ani powszechne, ani tanie. A ropa i produkty jej przetwarzania zaczęły swój triumfalny okres rozwoju. Dziś sytuacja wydaje się odwracać.

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

Przemiany energetyczne
Aby właściwie ocenić wpływ źródła energii na efektywność pracy pojazdu konieczne jest wprowadzenie pojęcia stopnia konwersji (przemiany energetycznej). Konwersja energii polega na zamianie jednego rodzaju energii na inną. Cieplnej na mechaniczną, mechanicznej na elektryczną, elektrycznej na mechaniczną lub cieplną itp. Intuicyjnie czujemy, że im więcej stopni konwersji, tym proces pozyskania i ostatecznego wykorzystania energii jest droższy i mniej efektywny.

Sprawność
Drugie niezbędne pojęcie dotyczy sprawności procesu konwersji. W warunkach rzeczywistych na każdym etapie (stopniu konwersji) przemian energetycznych występują straty. W praktyce oznacza to, że w jednostkach bezwzględnych w wyniku przemiany otrzymujemy zawsze mniej energii użytkowej, niż wykorzystaliśmy do zasilania procesu. A straty to ciepło, hałas, drgania – różne drogi ucieczki energii z układu energetycznego.

Pojęcia te zaczerpnięte są wprost z praw termodynamiki: we wszystkich układach rzeczywistych, gdzie energię transformuje się do innych postaci, określone straty zawsze wystąpią. Ich poziom zależy od charakteru przemian (sprawność) oraz ich ilości (liczba stopni konwersji). Szacuje się, że nowoczesny konwencjonalny samochód wykorzystuje efektywnie ok. 30% energii zwartej w paliwie! W przypadku silnika zasilanego energią elektryczną z akumulatora wskaźnik ten sięga nawet 90%. Ale takie proste porównanie mogłoby nas wywieść na manowce!

Ponad 70% dla OZE
Jeżeli prąd wytwarzamy, korzystając z zasobów energii naturalnej – wiatru, słońca albo wody – stopień konwersji jest w praktyce tylko jeden. Kinetyczna energia wody czy wiatru, względnie fotonów, zamieniana jest bezpośrednio w energię elektryczną. Oczywiście i tu mamy do czynienia z określoną sprawnością procesów. Jednak 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). Nie ma żadnych przemian pośrednich.

Jeżeli dodatkowo uwzględni się skumulowane straty podczas przesyłu i ładowania/rozładowania akumulatora (czyli występujące poza samochodem) oraz sprawność silnika, to tak określona sprawność wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych w transporcie przekracza 70%.

A co, jeśli źródłem prądu są paliwa kopalne?
Procesy wytwarzania energii w energetyce konwencjonalnej trzeba bilansować nieco inaczej. 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 energia cieplna (gorące spaliny/para) zostaje zamieniona na energię mechaniczną (ruch wirnika turbiny), a następnie elektryczną (generator/prądnica).

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 spalin to raz, podgrzanie pary to dwa, zamiana ciepła pary w energię mechaniczną na turbinie to trzy, wykorzystanie energii mechanicznej do napędu generatora wytwarzającego energię elektryczną – cztery. W sumie daje to cztery, a w najlepszym wypadku trzy stopnie konwersji (gdy w procesie wykorzystuje się tylko spaliny, bez wytwarzania pary). Każdy z nich generuje konkretne straty energii pierwotnej zawartej w węglu, gazie czy ropie, a maksymalna sprawność takiego procesu wyznaczana jest przez prawa termodynamiki.

Ponieważ układy tego typu są powszechnie stosowane, wiemy sporo o ich rzeczywistej sprawności. Nowoczesne generatory napędzane silnikami diesla mają sprawność rzędu 38-42%. Najsprawniejsze bloki węglowe (pracujące w tzw. technologii nadkrytycznej) to 43-45%. Najbardziej efektywne są dziś bloki gazowo-parowe, w których odzyskać można w formie energii elektrycznej ok. 60% energii cieplnej gazu. Warto jednak pamiętać, że średnia sprawność bloków węglowych w Polsce nie przekracza 36%, co i tak jest wskaźnikiem lepszym niż w przypadku wielu elektrowni jądrowych.

Samochód elektryczny zasilany prądem z węgla przegrywa z dieslem.

Straty w sieci i podczas ładowania baterii energią elektryczną z siłowni konwencjonalnej 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 nie ma sensu.

Co więcej zawsze przegra w konkurencji z samochodem zasilanym bezpośrednio silnikiem diesla o efektywności 35-40%!

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%, ale trwają prace nad jej zwiększeniem.

Wniosek: Tak, ale
Oceniając efektywność energetyczną samochodów w zależności od rodzaju napędu i energii (paliwa) zużywanej na pokonanie konkretnego dystansu, a ich „ekologiczność” od ilości zanieczyszczeń, jakie wytwarzają w procesie produkcji, podczas eksploatacji, jak i po jej zakończeniu można stwierdzić, że pod każdym z tych względów samochód elektryczny per se bije swojego konwencjonalnego konkurenta na głowę. Zwłaszcza jeżeli weźmie się pod uwagę aspekty środowiskowe, jak choćby smog czy gazy cieplarniane wytwarzane przez silnik spalinowe, choć to już zupełnie inny rodzaj rachunku.

Jednak, rzetelnie odpowiadając na pytanie, czy pojazdy z silnikami elektrycznymi są bardziej „przyjazne dla środowiska”, trzeba uwzględniać, w jaki sposób pozyskamy energię elektryczną do ładowania baterii lub wodór do zasilania ogniwa paliwowego. Jeżeli źródłem energii elektrycznej jest spalanie nieodnawialnych zasobów, które można byłoby znacznie lepiej wykorzystać, to taka elektromobilność nie ma najmniejszego sensu.

Celem powinien być wielki transfer paliwowy – oszczędne wykorzystywanie ropy i gazu w znacznie efektywniejszych procesach petrochemicznych, jako źródła materiałów czy nawozów, co będzie możliwe tylko wtedy, gdy całkowicie wyeliminujemy je z transportu, dzięki wykorzystaniu energii ze źródeł odnawialnych do rozwoju elektromobilności. Czas na transformację i przejście z energetyki cieplnej, której nie da się przecież zasilać kopalinami w nieskończoność, do elektrotechniki wykorzystującej w coraz większym stopniu i z coraz większą efektywnością zasoby odnawialne.


 

Od Redakcji

Artykuł ten wywołał dynamiczną dyskusję na naszym profilu facebookowym. W komentarzach internauci zwracali uwagę na ekologiczność aut elektrycznych, które są ciche i nie wymagają płynów ustrojowych właściwych spalinowcom, ale wskazywali też na szkodliwe dla środowiska właściwości akumulatorów. Wiele osób podkreślało wysoką sprawność współczesnych elektrowni węglowych.

Jedni wciąż wierzą w przyszłość rozwoju paliw, inni poczuli niedosyt z powodu pominięcia strat energii związanych z ich wydobyciem, transportem i rafinacją. Jeden z komentarzy przykuł uwagę autora. Polemika ta jest przykładem merytorycznej dysputy, jakie chcielibyśmy na REO gościć częściej. Zapraszamy do lektury i dzielenia się z nami Waszymi opiniami.

Czas do następnego artykułu z tego cyklu

Dni
Godzin
Minut
Sekund

1 KOMENTARZ

  1. Byłby jeszcze jeden sposób tylko czy dałoby się “rozłożyć” lub rozczepić cząsteczkę gazu ziemnego czyli głównie metanu (CH4) na węgiel (C) i wodór (H4). Jest dostęp do instalacji gazociągów dystrybucyjnych (stacje tankowania autobusów gazem). Może warto by było o takiej technologii pomyśleć.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here