Zpět na materiály, výrobky, technologie

Doprava a energetika v České republice

5. dubna 2007
prof. Ing. Jan Macek, DrSc., FEng.

Při úvahách o energetice dopravy je vždy nutno brát na zřetel několik dílčích oblastí, k nimž patří:

  • energetické nároky provozu dopravních prostředků samotných a emise jimi způsobené;
  • energetické nároky a emisní důsledky výroby a distribuce nosiče energie, paliva;
  • energetické nároky a emisní důsledky výroby a likvidace vozidel a jejich částí;
  • dodatečné energetické nároky způsobené nedostatečnou výkonností (propustností) dopravní infrastruktury (podle oficiálního odhadu EC by koordinace jen 50 % dopravních signálů v EU přinesla úsporu 3 000 000 t CO2/rok).

Autor:


V současné době vede Národní centrum kompetence J. Božka pro pozemní vozidla, spojující výzkum 30 akademických, výzkumných i průmyslových účastníků. Absolvent Fakulty strojní ČVUT v Praze. Pracoval ve Výzkumném ústavu ČKD PRAHA. Současně vyučoval na ČVUT v Praze na katedře automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel. V letech 1994–2015 katedru vedl. V období 1997–2000 děkan Fakulty strojní ČVUT v Praze, v letech 2006–2018 proděkan pro vědeckou a výzkumnou činnost FS. V letech 1990–1991 vyučoval na Sinclair College, Dayton Ohio, v roce 1994 byl tzv. visiting scientist na ETH Zuerich.


Energetické požadavky provozu dopravních prostředků

Primárním důvodem určité spotřeby paliva na jednotku dráhy (u osobních automobilů), případně přepravovaného užitečného nákladu (nákladní dopravní prostředky a prostředky hromadné dopravy) je potřeba vytvoření trakční práce. Při obvyklém požadavku určité rychlosti jde navíc o to, za určitý čas zajistit trakční výkon pokrývající ?jízdní odpory?. Ty jsou způsobeny (obr. 1):

  • vratnými přeměnami energie - na zvýšení kinetické energie (překonání setrvačnosti) nebo potenciální energie (stoupání); požadovaný výkon závisí na hmotnosti vozidla, a tím i na hmotnosti užitečného nákladu;
  • nevratnými přeměnami na kinetickou energii neuspořádaného pohybu až energii tepelnou, tedy disipací mechanické energie;
  • v pevné fázi - tření - opět závisí na tíze - hmotnosti vozidla a provedení pneumatik;
  • ve vzduchu - závisí na rozměrech a rychlosti vozidla.

Pro nárok na výkon hnacího ústrojí je tedy rozhodující hmotnost vozidla včetně pohonové jednotky a zásoby paliva. Energetické nároky na rozjezd (setrvačný odpor) lze do určité míry (účinnost 60-70 %) rekuperovat v hybridních uspořádáních při brzdění, pokud je akumulační prostředek schopen přijmout výkon, porovnatelný se jmenovitým výkonem motoru, po dobu jednotek až desítek sekund. To není sice možné v případě akumulátorové baterie, ale lze užít superkondenzátoru (ultrakapacitoru) s převodníkem napětí stejnosměrného proudu (se ztrátami, zejména při vysokém proudovém zatížení). Nutno navíc počítat s větší hmotností hybridního pohonu (větší odpory, větší množství ztrátově rekuperované práce při brzdění) a s nižší účinností elektrického přenosu trakční práce na kola vozidla, takže se nedosáhne zdaleka ideálně očekávaného navýšení účinnosti.

Obr. 1 pohonové řetězce vozidel (vlevo) a odpory spotřebovávající trakční práci (vpravo)
Obr. 1 pohonové řetězce vozidel (vlevo) a odpory spotřebovávající trakční práci (vpravo)

Zvyšování energetické účinnosti pohonového řetězce

Úsporu spotřeby paliva je možné samozřejmě zajistit účinnější pohonnou jednotkou. V případě silniční dopravy jde nejčastěji o spalovací motory. Podle průměrných údajů roku 2001 emitovaly benzínové vozy o hmotnosti 1000 kg 160 g CO2/km, naftové 115 g CO2/km. Při hmotnosti 1600 kg (typické pro vozy střední třídy, zdaleka ještě ne SUV) stouply tyto hodnoty na 245, resp. 160 g CO2/km. U benzinu odpovídá přitom 1 dm3/100 km cca 24 g CO2/km, u nafty cca 26 g CO2/km.
Celkově lze shrnout, že spotřeby energie v osobní dopravě závisejí jak na účinnosti pohonové jednotky, tak na hmotnosti a vytížení vozidla. Zatímco u běžných automobilů lze počítat s 3-5 MJ/km (spodní mez u vznětových motorů), u nejmenších vozů se lze dostat i pod 2 MJ/km. Spotřeba na přepravní výkon osoba/km pak závisí na obsazenosti vozu, kde lze počítat v průměru maximálně se 2 osobami. Naproti tomu u autobusů v předměstské dopravě se uvádí kolem 0,8 MJ/osoba/km, u železničních motorových vozů podle údajů DB asi 2 MJ/osoba/km (nízké valivé odpory, avšak vysoké setrvačné odpory v důsledku několikanásobné hmotnosti proti autobusu a menší průměrné obsazenosti). U metra se započtením ztrát při výrobě a rozvodu elektrické energie činí spotřeba cca 1-1,5 MJ/osoba/km (důvody hodnocené metodou WTW). Je zřejmé, jak hmotnost vozidla, jeho setrvačné odpory a jeho obsazenost v důsledku vedení trasy i intervalu mezi spoji ovlivňuje výrazně energetickou spotřebu, a to často překvapivě. Poměrně dobře vycházejí i plně obsazené zámořské letecké spoje velkoletadly, kde energetická spotřeba může klesnout až na 2 MJ/osoba/km.

Obr. 2 pokrok ve snižování emisí vznětových motorů
Obr. 2 pokrok ve snižování emisí vznětových motorů: PM (částice), NOx (oxidy dusíku) NO a NO2, HC (nespálené organické látky), CO (oxid uhelnatý). Stupně Euro 1 až nyní platný Euro 4 (dle materiálů Association of Emission Control by Catalysts, AECC)

Obr. 3 účinnost vodíkového palivového článku s protonově vodivou polymerovou membránou (PEM)
Obr. 3 účinnost vodíkového palivového článku s protonově vodivou polymerovou membránou (PEM) od teoretické úrovně pro jeden článek po výslednou účinnost vztaženou na energii dodávanou elektromotoru, s vyznačením převažujících pracovních oblastí ve vozidle bez hybridního uspořádání (vlevo) a s hybridním uspořádáním (vpravo)

Obr. 4 účinnost vytváření trakční práce na kolech vozidla
Obr. 4 účinnost vytváření trakční práce na kolech vozidla

Hodnocení zdrojů energie včetně alternativních paliv

Zásoby fosilních paliv jsou nesporně omezené a jejich spalováním vzniká nezanedbatelné množství CO2. Veškerá doprava celosvětově spotřebovává téměř polovinu ropných paliv (48 % - [2], z toho silniční asi 70 %), také v Evropě se odhaduje pro pozemní dopravu cca 33 % spotřeby ropných paliv. I když již více než 30 let trvá situace, kdy se (dostupné!) zásoby ropy odhadují na pouhých 30-50 let, není možné omezenost světových zásob uhlovodíkových paliv podceňovat, nemluvě o politické stabilitě regionů, v nichž se těží. V každém případě budou fosilní uhlovodíková paliva (např. z olejonosných písků a hořlavých břidlic, jejichž zásoby se odhadují na cca 100 let) podstatně dražší. K těmto obavám se navíc připojuje globální oteplování, k němuž z příčin ne jednoznačně jasných dochází, v němž však emise skleníkových plynů hrají významnou roli.
Z těchto důvodů se hledají a vyhodnocují alternativy. Existují zhruba následující možnosti:

  • využít akumulované energie v podobě syntetického paliva z centrálních zdrojů (fosilních se zachycováním CO2, jaderných nebo z obnovitelných zdrojů - větrné, přílivové elektrárny); v této souvislosti se nejčastěji mluví o vodíku, ale existují i další kompromisní možnosti, založené zejména na chemickém zpracování zemního plynu (gas-to-liquid, GTL paliva);
  • využít obnovitelných zdrojů založených na palivech z biomasy, tj. olejích, alkoholech z rostlinných cukrů, škrobu nebo dokonce celulózy, případně plně syntetických paliv ze syntézního plynu (CO+H2 ad. plyny) po pyrolýze biomasy s vysokým podílem celulózy např. pomocí Fischer-Tropschovy syntézy uhlovodíků (biomass-to-liquid, BTL paliva);
  • změnit úplně dopravní systém (elektronická komunikace namísto osobní dopravy, animální a humánní trakce, omezení nákladní dopravy na větší vzdálenosti atp.).

Biopaliva zachycují z primární energie, tj. zářivého toku ze Slunce, rovněž velmi málo. U řepkového oleje je účinnost vztažená na výhřevnost získaného oleje (cca 37 MJ/kg, asi 1 t/ha) hluboko pod 1 %, činí jen asi 0,1 % - lze srovnat s fotovoltaickým článkem o cca 10-15 % účinnosti, poskytujícím navíc hodnotnější elektrickou energii. Obdobně vycházejí alkoholy z cukru nebo škrobu. Ekologickou výhodou je samozřejmě podpora zemědělství a údržba krajiny, avšak při intenzívním pěstování není možné přehlédnout vliv značného množství pesticidů (řepka se chemicky ošetřuje ve vegetačním období 6-8krát) a samozřejmě energetické nároky na pěstování, sklizeň a následné zpracování oleje na metylester, který je možné používat - byť s jistými riziky - v neupravených vznětových motorech. Alkoholy lze bez větších potíží používat v motorech zážehových (zejména při dnešních standardech adaptivního řízení motoru s ohledem na přebytek vzduchu a předstih zážehu), použití ve vznětových motorech je spojeno s podstatnými úpravami motoru s ohledem na velmi špatné vzněcování alkoholů, jež je naopak vítanou vlastností v motorech zážehových. Z hlediska emisí CO2 jsou biopaliva velmi vhodná, neboť uhlík vázaný v rostlinách se odčerpal z atmosféry a při spalování je pouze recyklován. To platí pro většinu našich zemědělských rostlin. Syntetická paliva tvoří rozsáhlý soubor, od téměř zcela uhlíku prostého vodíku (pokud je vyráběn z jaderné energie nebo obnovitelných zdrojů) až po paliva spočívající na fosilních zdrojích, jako je GTL. Proto se pro posouzení přínosů vyhodnocuje jak množství primární energie, tak celkové emise skleníkových plynů (green-house gases, GHG) v celém řetězci od získání primárního zdroje, obvykle jen na kola vozidla (od ropného vrtu - well-to-wheels, WTW). Celková bilance by měla na vstupní straně zahrnout i energetické náklady na výrobu a likvidaci dopravních prostředků a energetických zařízení (to velmi ovlivňuje např. celkový dopad křemíkových fotovolataických článků), na výstupu pak až přepravní výkon (ovlivněný např. nepříznivě velkou hmotností hybridních vozidel). Tyto komplexní analýzy jsou dosud na počátku, analýzy WTW lze však v aktualizované podobě najít např. na stránkách Joint Research Centre of EU - [3]. Jejich příklad pro extrémy benzinového motoru a palivových článků, poháněných vodíkem o různém systému uskladnění, ukazuje obr. 5 (vše vztaženo na primární energii, v případě jaderné elektrárny na teplo dodávané palivem do parogenerátoru). Velká energetická náročnost, a tím i vysoká cena vodíkové energetiky, je zcela zřejmá. Pro budoucnost lze očekávat poněkud výhodnější chemický rozklad vody přímým přívodem tepelné energie z reaktoru (např. cyklus využívající jodovodík a kyselinu sírovou), ale jejich ekologická bezpečnost ani ekonomika nejsou dosud plně vyřešeny.

Obr. 5 WTW poměry u benzínu a u vodíku, vyrobeného v jaderné nebo vodní elektrárně
Obr. 5 WTW poměry u benzínu a u vodíku, vyrobeného v jaderné nebo vodní elektrárně

Snížení produkce CO2 lze dosáhnout použitím paliva s nižším obsahem uhlíku na jednotku výhřevnosti, typicky nižších uhlovodíků (nejlépe metanu, tedy zemního plynu). Zde je však opět zapotřebí vzít v úvahu navýšení hmotnosti vozidla a její vliv na dráhovou spotřebu paliva. Z hlediska CO2 je ideální použít paliva s nulovou tvorbou tohoto plynu, tedy vodík nebo biopaliva, u nichž je CO2 pouze recyklován. Jejich nevýhodou je samozřejmě cena, čímž se dostáváme zpět ke dráhové spotřebě paliva vozidel na tato paliva upravených.
Výslednou bilanci z hlediska ceny paliva (srovnaného s ekvivalentní naftou) i jeho produkce emisí skleníkových plynů ukazuje pak obr. 6 [1] a [3]. Vliv země původu, primárního zdroje i současného zdanění nevyžaduje komentář. Světle je vybarvena oblast replicas de relojes de lujo konkurenceschopných paliv, k nimž zatím nefosilní vodík rozhodně nepatří. Je zřejmé, že při náhradě ropných paliv bude hrát velkou úlohu politická vůle a rozhodnutí o budoucí konkurenceschopnosti evropského hospodářství. Účelnost zavádění vodíku, vyžadující nákladné budování infrastruktury, je proto prozatím velkou otázkou. Zřejmě bude racionální začít s přestavěnými spalovacími motory, které umožňují za cenu dodatečných nákladů zachovat možnost provozu na různá paliva, a tím snížit závislost na postupu budování infrastruktury. K těmto problémům lze čerpat aktuální informace na stránkách projektu Roads to Hydrogen Communities [4], jehož řešení se účastní i pracoviště autora.

Obr. 6 WTW CO2 a cenové poměry (€/ekvivalentní dm3 motorové nafty) pro
Obr. 6 WTW CO2 a cenové poměry (€/ekvivalentní dm3 motorové nafty) pro vodík vyrobený v jaderných elektrárnách Francie, z biomasy a ze zemního plynu - NG. Červenou šipkou je znázorněna velikost průměrné spotřební daně v EU. Pro srovnání je vynesen benzin (Gasoline EU) a motorová nafta (Diesel EU) i stlačený zemní plyn (CNG) a zkapalněný propan-butan (LPG), etanol (EtOH) a metylester řepkového oleje (FAME). Dále je vynesena průměrná úroveň elektřiny pro elektrická vozidla v EU (EV UE) a Fischer-Tropschovo petrolejové palivo ze zemního plynu (Diesel Ft ex NG).

Závěr

Řešení problémů postavených před lidstvo v důsledku stále se zrychlujícího rozvoje globální společnosti [5], obsahuje i soubor otázek týkající se trvale udržitelné a všem dostupné dopravy, zejména individuální mobility. Současný růst spotřeby ropných i dalších uhlovodíkových fosilních paliv není trvale udržitelný. Přechod k novým zdrojům energie pro dopravu je však třeba pečlivě zkoušet porovnáváním jednotlivých alternativ, neboť ukvapená politická a legislativní rozhodnutí na základě pocitů a emocí mohou mít pro konkurenceschopnost nejen dopravního strojírenství, ale celé ekonomiky velmi závažné důsledky.
Jednoznačně nejvýhodnější řešení zřejmě ani neexistuje, optimální postup musí zahrnovat několik paralelních cest. Okamžitě proveditelné je navyšování omezeného podílu biopaliv 1. generace, která se musí pro doprovodné snížení uživatelského komfortu a nárůst pořizovacích i údržbových nákladů vozidla zvýhodnit fiskálně. V mezidobí je nutné dokončit poloprovozní ověření syntetických biopaliv 2. generace (např. z Fischer-Tropschova postupu) a začít zkoušet ve větším měřítku spalování vodíku, z počátku asi pocházejícího ze zemního plynu. V tomto okamžiku je však nutné porovnávat přímé využití zemního plynu (např. GTL paliva) s vodíkem, neboť výhodnost takto vyrobeného vodíku je velmi sporná a může mít význam spíše pro budování infrastruktury.
Z hlediska pohonových řetězců je zřejmá ještě desetiletí trvající dominance spalovacích motorů, i když v postupně pozměňované koncepci, včetně výbavy účinnějšími a dražšími systémy na zneškodňování emisí. Nadějné je i použití hybridních systémů pro osobní automobily. V každém případě je nutno stále přesněji stanovovat poměrnou škodlivost jednotlivých provozních faktorů motorů. Pak je možné hledat optimální řešení, minimalizující negativní účinky. Výsledkem musí být vždy inženýrský kompromis, ne absolutní vyloučení jednoho efektu za cenu zvýšení dalších. Kalifornský koncept vozidla s nulovými emisemi (zero emission vehicle, ZEV) je totiž pouze nesplnitelným ideálem. Energetický a emisní problém není řešitelný bez státních intervencí (není to rozhodně problém řešitelný volným trhem), ale jejich správné směrování je nutno předem velmi pečlivě propočítat a v případě pochybností podporovat více konkurujících si technologií pro nalezení optima - [5].
I v oblasti koncepce nových vozidel se musí dát přednost objektivnímu posouzení výsledků trpělivého vývoje před emotivními výroky neodborníků. I tady je velmi důležitá motivace zákazníků k nákupu nových dražších a z hlediska dnešního stavu méně uživatelsky příjemných řešení. Pokud se připustí volná soutěž s výrobky, neberoucími nové energetické požadavky v úvahu (a to třeba i ve formě prodeje ojetých vozidel), bude vyřešení energetického problému podstatně zpomaleno. Vhodné by zde bylo podstatné a podle obsahu biopaliv odstupňované zdražení pohonných hmot, avšak jeho provedení a důsledky budou velmi organizačně náročné, zejména v zemi, která prokázala tolik ?tvořivého? přístupu při používání lehkých topných olejů. Vzhledem k tomu, že nám zřejmě příroda poskytuje o něco více času, než věští poslové katastrofických proroctví, je možné jednat racionálně a soustavně. Doufejme, že úleva z pocitu časové odlehlosti termínu očekávaného problému nezpůsobí fatální odklad jeho řešení.
Autor by rád na tomto místě poděkoval spolupracovníkům z Výzkumného centra Josefa Božka za jejich přínos k výzkumu v prezentovaných oblastech, bez něhož by nebylo možné komplexní problematiku shrnout. MŠMT ČR patří dík za financování projektu 1M0568.

Použitá literatura
[1] AFFENZELLER, J. FURORE Results Presentation. Konference ke 140. výročí FS ČVUT. ČVUT: Praha, 2003.
[2] APETAUR, M. Automobilismus v 21. stoletní. UJEP: Ústí nad Labem, 2002. ISBN 80-7044-392-8.
[3] http://ies.jrc.ec.europa.eu/WTW
[4] http://www.roads2hy.com
[5] LOMBORG, B. Skeptický ekolog. Dokořán: Praha, 2006.