Nevylejme s vodou aj dieťa. Pragmatický pohľad na elektromobilitu

Kontroverzným rozhodnutím Európskeho parlamentu sa minulý rok podarilo prijať na úrovni EÚ zákaz predaja áut so spaľovacími motormi od roku 2035.

Niektorým aktivistom sa to máli a proces zastavenia foriem pohonu založených na spaľovaní uhlíka by radi urýchlili. Aj pomocou kriminálnych aktivít.  

Iniciatívny blbec je horší ako triedny nepriateľ, kolovalo za socializmu. Do tejto kategórie jednoznačne patrí aj poškodzovanie pravekých kultúrnych pamiatok, blokovanie športových podujatí či útoky na policajtov. Všetko v záujme „ochrany“ klímy.

Akcia vyvoláva reakciu. Na podpise pod zákazom ešte neuschol atrament a už ho kritizuje pravica aj ľavica. Proti je Rakúsko, hoci v tejto krajine sa veľa automobilov nevyrába. Zákaz odmieta najväčšia česká automobilka.

Úspechom fanúšikov spaľovacích motorov je česká strana Motoristé sobě, ktorá sa s približne desiatimi percentami získaných hlasov umiestnila vo voľbách do Európskeho parlamentu na treťom mieste.

Nejde o novinku

Na Slovensku jazdia „elektromobily“ minimálne od roku 1895, keď bratislavskými ulicami prešla prvá električka. Teoreticky by sa ňou mohol previezť aj Štefan Anián Jedlík, uhorský fyzik a vynálezca, ktorý zomrel v Győri o pár mesiacov neskôr. Bratislavu určite poznal, v rokoch 1831 – 1840 tu pôsobil ako profesor fyziky na kráľovskej akadémii.

Tento benediktínsky kňaz narodený v Zemnom pri Nových Zámkoch vynašiel v období 1827 – 1829 prvý elektromotor. V roku 1842 skonštruoval vozík na koľajniciach poháňaný elektrinou.

Elektromobily sa po cestách preháňali približne v rovnakom čase ako prvé autá s motormi s vnútorným spaľovaním. Mali množstvo výhod – pohybovali sa nehlučne, nevypúšťali smradľavý dym, ich konštrukcia nevyžadovala komplikované sústavy chladenia a mazania.

V roku 1899 bola prvýkrát prekročená rýchlosť 100 km/h. Tento rekord dosiahol Belgičan Camille Jenatzy v elektrickom vozidle La Jamais Contente. Možno ho pomenoval po manželke, v preklade to znamená „Večne nespokojná“.

Prečo teda prakticky celé dvadsiate storočie patrí „spaľovákom“? Elektromobily, ktoré nedostávali energiu z trakčného vedenia a museli si ju voziť so sebou, „zabil“ nedostatočný dojazd.

Kilogram benzínu v sebe obsahuje približne 13 kWh. Účinnosť (pomer odovzdanej energie k spotrebovanej) spaľovacieho motora, limitovaná Carnotovým cyklom, ktorý platí pre všetky tepelné stroje, umožňuje z tejto energie získať asi štvrtinu.

Z kilogramu benzínu, ktorý poháňa spaľovací motor sa teda dá získať asi 3250 Wh. Dieselové motory s vyššou účinnosťou poskytnú na kilogram paliva viac energie, hoci špecifická energia (množstvo energie na kilogram paliva) nafty je o niečo nižšia.

Akumulátory známe v 19. storočí dosahovali len zlomok tejto hodnoty. Olovená batéria poskytne aj po vylepšeniach, ktoré sa podarilo implementovať za viac ako 150 rokov od jej objavu, iba 35-40 Wh/kg.

Železo-niklový akumulátor, ktorý si patentoval Edison a ponúkal ho ako zdroj energie pre elektrické vozidlá je veľmi robustný, jeho životnosť sa počíta na desaťročia. Špecifická energia sa však pohybuje len v rozsahu 19-25 Wh/kg.        

Klíma je súhrn komplikovaných závislostí

Mám už dosť odžité a dlhodobú zmenu charakteru počasia vnímam. Mierne zimy mi nevadia, viac ma trápia letné vlny horúčav. Nie som „obeť humanitného vzdelania“, ako sa so smiechom označoval môj bývalý šéf v IT korporácii, pôvodným povolaním historik. Uvedomujem si rolu oxidu uhličitého pri zmene klímy.

Na druhej strane mi je jasné, že celý problém je oveľa komplikovanejší. V sedemdesiatych rokoch minulého storočia ovládla média hypotéza o globálnom ochladzovaní. Potvrdzoval ju aj vtedajší charakter počasia, od roku 1945 dochádzalo k poklesu priemerných teplôt.

Dnes vieme, že za týmto javom bolo pravdepodobne „globálne stmievanie“ teda pokles množstva slnečného žiarenia dopadajúceho na zemský povrch. Za jeho príčinu sa považuje nárast množstva aerosolov (zmes pevných a kvapalných častíc vo vzduchu) spôsobených spaľovaním uhlia a zlúčenín síry, ktoré sa v ňom nachádzajú.

Možno prispela aj druhá svetová vojna s približne tromi megatonami zhodených bômb aj množstvom požiarov, ktoré vyvolali. Podarilo sa nám tak dosiahnuť slabšiu „nukleárnu zimu“.

Medzi príčinami klimatickej zmeny tak nájdeme snahu o čistejšie ovzdušie aj neexistenciu globálneho konfliktu. Pokusy o zvrátenie prvého dôvodu už prebiehajú, v súčasnej medzinárodno-politickej situácii sa nedá spoľahnúť ani na ten druhý.

Boj s oxidom uhličitým

Niektorí politici či aktivisti, občas sa to ťažko rozlišuje, zameriavajú celé svoje úsilie na „boj s oxidom uhličitým“. Až do tej miery, že pozabudnú na svojom aute poháňanom fosílnym palivom vykonať emisnú kontrolu.

Oxid uhličitý je pritom biogénna zlúčenina vstupujúca do životných procesov. Jeden typ organizmov ho vylučuje, kým druhý ho používa ako potravu. Príroda dokázala prežiť aj jeho štvornásobnú koncentráciu. Je pravdou, že vtedy nežili ľudia a oveľa väčšou hrozbou ako konečná koncentrácia oxidu uhličitého je tempo jeho nárastu.

Je však jeho nárast spôsobený Európskou úniou?

Požičiam si jednu snímku z „klíma-alarmistickej“ prezentácie, ktorá odznela na ostatnej konferencii ITAPA. Približne polovica emisií tohto plynu (červený polkruh) je spôsobená krajinami BRICS (Brazília, Rusko, India, Čína, Južná Afrika). EÚ tvorí zanedbateľný tmavomodrý „fliačik“ menší ako desať percent. Dokonca aj vysoko motorizované USA (čierny prúžok) prestavujú len niečo cez dvojnásobok emisií EÚ.

Klimatická prezentácia na ITAPA. Foto: Martin Chabada

Má teda „boj s oxidom uhličitým“ v EÚ zmysel? Absolútne nie. To, čo EÚ ušetrí, vyprodukuje Čína a India. Klimatické zmeny budú pôsobiť nezávisle od toho, či v EÚ budeme žiť ako v stredoveku alebo jazdiť do práce na osemvalcoch.

V rukách to majú krajiny BRICS, ktoré však kritizujeme, zavádzame voči nim clá či ich sankcionujeme. O to potrebnejší by tu bol dialóg.

Odkiaľ zoberieme energiu?

Predstavme si hypotetickú situáciu: celé Slovensko prestalo používať spaľovacie motory a prešlo na elektromobilitu. Budeme mať kde „natankovať“?

Štatistický úrad pravidelne vydáva publikáciu dokumentujúcu energetickú situáciu na Slovensku. V tej ostatnej, ktorá sa týka roku 2022, nájdeme, že sa u nás v doprave spotrebovalo 570 000 ton benzínu a 1 969 000 ton nafty. Do výpočtu môžeme ešte zahrnúť, aj keď ide o prakticky zanedbateľné množstvo, 34 000 ton propánu-butánu (LPG).

Hoci špecifická energia jednotlivých druhov palív využívaných v spaľovacích motoroch je mierne odlišná, použijem na výpočet spoločný faktor 3 kWh/kg. Teda 2 573 miliónov kilogramov fosílnych palív spotrebovaných spaľovacími motormi na Slovensku v roku 2022 by sa dalo nahradiť asi 7 719 GWh elektriny.

Rovnaký materiál spomína, že celková ročná spotreba elektriny v danom roku bola 22 870 GWh. Výrobu alebo dovoz elektriny by sme teda museli zvýšiť asi o tretinu.

Ak by sme chceli dosiahnuť sebestačnosť, potrebovali by sme elektráreň bežiacu 24 hodín denne a 365 dní v roku s výkonom asi 880 MW, čo zodpovedá približne dvom jadrovým reaktorom.

Jadrová energia dáva nádej

V súčasnosti je situácia o niečo optimistickejšia, v roku 2022 ešte nebola k dispozícii energia z tretieho bloku elektrárne Mochovce, tá sa dostala na plný výkon až v septembri 2023.

Ak predpokladáme postupný prechod na elektromobilitu trvajúci minimálne niekoľko desaťročí, po dobudovaní štvrtého bloku v Mochovciach by sme „natankovať“ teoreticky mohli.

Netreba však zabúdať na fakt, že fosílne palivá sa používajú aj na vykurovanie či v priemysle. Výroba ocele alebo cementu by dnes bez nich nefungovala. Plná transformácia bude vyžadovať oveľa viac spoľahlivých zdrojov elektrickej energie. 

Uvoľňovanie oxidu uhličitého však nie je jediným problémom fosílnych palív. Každý, kto sa postaví na rušnú križovatku v čase špičky, pocíti, že výfuk vypúšťa aj oveľa nepríjemnejšie emisie. A to za sebou máme nasadenie katalyzátorov, opustenie olovnatých prímesí do benzínu a desaťročia emisných kontrol.

Ďalším aspektom je dostupnosť palív. Na našom území sa prakticky neťažia, je potrebné ich dovážať aj z oblastí, kde nevládnu režimy kompatibilné s naším spôsobom života.

Z tohto pohľadu poskytuje jadrová energia nezanedbateľné výhody. Aj keď sa palivo do jadrových elektrárni musí dovážať, jeho celkové množstvo je oproti rovnako energeticky výdatným fosílnym palivám minimálne.

Počas vlády „Matovičovej koalície“ síce Sulík nezabezpečil testy, ktoré sa potom po exspirácii aj tak museli nákladne likvidovať, zabezpečil však dostatok jadrového paliva.

V roku 2022 priviezlo päť letov dostatok paliva minimálne na rok, pravdepodobne však aj na dlhšiu dobu. Rádioaktivita čerstvého paliva je minimálna, dopravovať sa preto môže aj letecky z ľubovoľného regiónu, kde vedia vyrobiť palivové články vhodné pre naše elektrárne.

Dostatočne výdatný ropný vrt sa asi na Slovensku objaviť nepodarí. Potenciálne ložisko uránu v Jahodnej pri Košiciach by nám ale prinieslo v tejto surovine sebestačnosť až na päťdesiat rokov.

Problémom zostáva dojazd, cena a rýchlosť nabíjania

V súčasnosti trápia elektromobily prakticky rovnaké problémy ako v čase ich vzniku. Komplexné zhrnutie stavu ponúka materiál vypracovaný Strojníckou fakultou Českého vysokého učení technického.      

Kľúčovým parametrom ostáva nedostatočný dojazd. V reálnych podmienkach dosahuje v priemere 377 km. Najvyššie hodnoty, ktoré však nepresiahnu 700 km, sa vyskytujú pri drahých, luxusných modeloch. Malé, relatívne lacné elektromobily nezájdu na „plnú nádrž“ ani 200 km.   

Aj keď sa špecifická energia súčasných akumulátorov zvýšila za storočie skoro desaťnásobne, stále je asi na desatine tohto parametra fosílnych palív v spaľovacích motoroch. Dojazd pritom závisí aj od štýlu prepravy, dynamická jazda ho výrazne znižuje.

Vysoká cena vozidla, spôsobená hlavne drahou batériou, ktorá predstavuje aj tretinu celkovej ceny, znižuje dostupnosť elektromobilov.

Dôležitým faktorom je aj pomalá rýchlosť nabíjania. Pri tankovaní fosílnych palív na pumpe tečie hadicou chemická energia výkonom až niekoľko megawattov. Takáto rýchlosť dopĺňania energie do batérie je nepredstaviteľná nielen z hľadiska schopnosti akumulátora, ale aj kapacity príslušnej infraštruktúry.

Pri intenzívnom nabíjaní treba počítať so stratami, tie môžu dosiahnuť 10 až 25 percent. Rýchle dobíjanie energie skracuje aj životnosť batérie.       

Výhody, ktoré spaľovací motor neposkytne

Z predchádzajúceho textu by sa snáď zdalo, že som odporcom elektromobility. Opak je pravdou. Ako elektrotechnický inžinier milujem veci, ktoré poháňa elektrina.

Aké výhody teda elektromobil má, okrem nulových emisií pri prevádzke?

Už bolo spomenuté, že konštrukcia samotného pohonného systému je jednoduchšia. Vysoká účinnosť elektrického motora, aj viac ako 90-percentná, odstraňuje vo väčšine prípadov potrebu chladiaceho systému.

Mazací systém je oveľa jednoduchší, na mazivo nepôsobí vysoká teplota počas spaľovania, odpadá tak najčastejší dôvod návštevy servisu – výmena oleja.

Spaľovací motor pracuje len v obmedzenom rozsahu otáčok. Na prispôsobenie rôznym rýchlostiam jazdy potrebuje prevodovku s meniteľným prevodovým pomerom. Vo väčšine prípadov aj spojku, ktorá odpojí pohon počas preraďovania.

Sériové elektromotory používané už v prvých elektricky poháňaných vozidlách majú obrovskú prevádzkovú výhodu. Pri nulových otáčkach majú maximálny krútiaci moment, ten so zvyšujúcimi sa otáčkami klesá. Stačí im teda len jednoduchá prevodovka bez spojky, ktorá nemení prevodový pomer.

Vektorové riadenie, kde sa prúd tečúci do motora vypočítava algoritmom bežiacim v mikroprocesore, umožňuje veľmi efektívne ovládanie charakteristiky motora. Tento spôsob kontroly dovoľuje vo vozidlách používať synchrónne motory s permanentnými magnetmi, ale aj jednoduché a lacné asynchrónne pohonné jednotky.  

Vzhľadom na to, že elektromotor je oveľa menší ako spaľovací motor porovnateľného výkonu, je možné skonštruovať vozidlo, ktoré bude mať viac pohonných jednotiek.

Elegantne sa teda dá vyriešiť nielen pohon 4 x 4, ale motor umiestnený priamo v kolese otočný o 90 stupňov umožní jazdu kolmo k osi vozidla. Vozidlo sa bude môcť otočiť na mieste a pozdĺžne parkovanie sa stane hračkou.

Nezanedbateľnou výhodou elektromobilu ostáva možnosť „domáceho tankovania“ jeho pripojením do elektrickej siete. V prípade použitia solárnych panelov sa to počas slnečného dňa dá urobiť aj „zadarmo“.                    

Politici aj aktivisti, nechajte to na inžinierov a podnikateľov

Pred praktickým naplnením cieľov elektromobility ostáva ešte dlhá cesta. Primárnym problémom sa stáva dosiahnuť nízku cenu elektrických áut s postačujúcimi prevádzkovými vlastnosťami.

Potrebujeme elektrický ekvivalent Chrobáka, Fiatu 500 či Mini, ktoré pomáhali rozbehnúť mobilitu po druhej svetovej vojne.

Je jasné, že dojazd spaľovacích motorov elektromobily tak rýchlo nedosiahnu. Nie každý však obrovský dojazd aj využíva. Vymenili sme viac ako týždňovú výdrž „hlúpych telefónov“ za každodenné dobíjanie smartfónov s oveľa širšou funkcionalitou. To isté možno urobíme aj pri automobiloch.

Je potrebné zabezpečiť spoľahlivý zdroj energie nezaložený na fosílnych palivách. V súčasnosti ním ostáva iba jadrová energetika. Fúzne elektrárne sú stále len vzdialeným snom a „občasné zdroje“ závislé na slnku a vetre sú použiteľné len v špecifických prípadoch.

Aj v jadrovej energetike však existuje cesta k zdokonaleniu existujúcej technológie. Jednou z možností je využitie takzvaných „množivých“ reaktorov, ktoré počas prevádzky premieňajú neštiepiteľné izotopy na jadrové palivo. Takéto reaktory sú v prevádzke v Rusku. Niektoré typy môžu „spaľovať“ aj jadrový odpad.

Najdôležitejšou výzvou tohto článku však zostáva, aby sa politici a aktivisti bez technického či prírodovedného vzdelania neplietli pod nohy tým, ktorí zmenu smerom k elektromobilite môžu reálne uskutočniť.

Miesto zákazov, regulácií, nových daní či emisných povoleniek zavádzaných stále širšou armádou byrokratov potrebujeme hlavne slobodu podnikať a objavovať. Prestaňme dogmaticky hlásať frázy a ideológie, riaďme sa prírodnými a ekonomickými zákonmi.