Elektromobilność? Silniki spalinowe będą z nami jeszcze długo
Na wstępie chciałbym podkreślić, że nie jest moim celem ani dyskredytowanie elektromobilności, ani też jej bezrefleksyjna promocja.
Ten artykuł pochodzi z archiwalnego iMagazine 8/2022
W przestrzeni publicznej od dłuższego czasu trwa debata, czym zastąpić silniki spalinowe? Wiadomo już, że Parlament Europejski przegłosował, iż auta z takim układem napędowym będą mogły być sprzedawane (mowa oczywiście o autach nowych) w Europie do 2035 roku. Obecnie w samej Polsce zarejestrowanych jest ponad 24 mln pojazdów. To dane ACEA (Europejskie Stowarzyszenie Producentów Samochodów). Czy to znaczy, że za niecałe 13 lat na drogach nie będzie aut spalinowych? Nic z tych rzeczy. Przegłosowany „zakaz”, nie jest w istocie zakazem, lecz co najwyżej rekomendacją. Ponadto nie dotyczy on aut już obecnych na rynku. Biorąc pod uwagę, że średni wiek importowanych obecnie aut do naszego kraju przekracza już 12 lat (zarówno benzyniaki, jak i diesle), oznacza to, że samochód spalinowy wyprodukowany i sprzedany w „ostatnim dla aut spalinowych” roku 2035 będzie na drogach jeszcze co najmniej kilkanaście lat.
Powolna elektromobilność
Elektromobilność to dziś najbardziej medialne remedium na spalinową motoryzację. Faktem jest, że liczba aut ładowanych z gniazdka stale rośnie. Według Licznika Elektromobilności prowadzonego przez Polskie Stowarzyszenie Paliw Alternatywnych, po naszych drogach jeździ już prawie 50 tys. samochodów zdolnych do czerpania energii elektrycznej z zewnętrznego źródła, przy czym proporcje na „pełne” elektryki i hybrydy plug-in rozkładają się mniej więcej po połowie. Wow! Powiecie: niezły wynik, prawda? No tak, tyle że… nie. Po pierwsze w kontekście całkowitej rezygnacji ze spalinowej motoryzacji hybrydy plug-in nie mają dalszej przyszłości, bo również korzystają z silnika spalinowego, ale coś innego ma znaczenie. W samym tylko 2021 roku zarejestrowano w Polsce niemal 1,5 mln aut osobowych (i dostawczych do 3,5 t), z tej liczby 446 tys. to samochody nowe, a prawie milion – importowane pojazdy używane. Ile w tej masie aut było samochodów wyłącznie elektrycznych? Około 20 tys. egzemplarzy – zarówno nowych, jak i używanych. Mniej niż 2% nowo zarejestrowanych w 2021 roku aut.
Te liczby pokazują jedno – spalinowa motoryzacja ma się dobrze. Polska to nie Norwegia, gdzie bogatego obywatela stać na hołdowanie swojemu ekologicznemu sumieniu, choć raczej nie o sumienie tu chodzi. Znaczenie mają z pewnością norweskie ulgi podatkowe dla elektromobilnych (niemal ośmiokrotnie niższy podatek drogowy dla BEV w stosunku do aut spalinowych), ograniczone cła na import aut elektrycznych czy brak VAT od zakupu auta elektrycznego. Wszystkie te obecne przez lata zabiegi norweskich władz spowodowały, że dziś ten skandynawski kraj jest liderem elektromobilności na świecie. Trudno jednak się dziwić. Gdy auto spalinowe kosztuje tyle samo, ile elektryczne, sieć ładowarek jest gęsta, a infrastruktura energetyczna rozwinięta, to nie miłość do planety, ale czysty pragmatyzm wystarczy, by dokonać wyboru auta na prąd. Oczywiście ulgi znikną, ale co Norwegowie ugrali, to ich. Zresztą i w Polsce bonusy takie jak legalna jazda buspasem skończą się 1 stycznia 2026 roku. Wynika to wprost z zapisów w art. 148a Ustawy prawo o ruchu drogowym. Oznacza to koniec przywilejów, zanim ta nasza elektromobilność się na dobre rozpędzi. Nawet jeżeli przyjmiemy za pewnik entuzjastyczne prognozy wyrażone w raporcie Polish EV Outlook 2022 opublikowanym przez PSPA, według których już za trzy lata będzie w Polsce 300 tys. aut na prąd, to wciąż jest to pięć razy mniej aut, niż zarejestrowano w Polsce w jednym tylko 2021 roku.
Infrastruktura ładowania
Jednak nawet zakładając hiperoptymistycznie, że Polacy jako swoje kolejne auto jak jeden mąż wybiorą samochód elektryczny (co jest mrzonką), problemem jest infrastruktura, która w naszym kraju już teraz rozwija się wolniej niż flota aut elektrycznych. Przyjrzyjmy się liczbom. W styczniu 2021 roku na polskich drogach jeździły 10 924 auta z napędem elektrycznym (hybrydy plug-in pomijam, bo one są odporne na problemy z infrastrukturą ładowania, dzięki obecności baku i silnika spalinowego). W tym samym czasie w Polsce były 462 tzw. szybkie ładowarki DC, przy czym „szybkie” nie oznacza punktów o mocy 100 kW i wyższej (te faktycznie są szybkie), lecz o mocy większej niż 22 kW. Na koniec czerwca 2022 liczba aut elektrycznych wzrosła w stosunku do stycznia 2021 roku do 23 698 sztuk. Oznacza to ponad dwukrotny wzrost. Jednak liczba ładowarek DC na koniec czerwca to zaledwie 644 punkty. Liczba aut BEV wzrosła przez półtora roku o prawie 117%, a liczba ładowarek DC w tym samym czasie o 39%. Sytuację ratuje fakt, że większość posiadaczy aut elektrycznych ładuje się w domu (gniazdka są przecież wszędzie), ale dalsze podróże w Polsce wymagają wciąż skrupulatnego planowania. Nawet gdy uwzględnimy liczbę ładowarek AC, tych wolniejszych, wymagających często wielu godzin na naładowanie niemal pustego akumulatora samochodu elektrycznego, to ich również jest mało: na koniec czerwca było ich 1588. Dla porównania w znacznie mniejszej terytorialnie Holandii zlokalizowanych jest ponad 90 tys. stacji ładowania. Najwięcej w Europie. Jednak długi żywot silników spalinowych i konieczność użycia ropy naftowej jako paliwa zapewnią nie samochody osobowe, bo tu elektromobilność istotnie może być jakąś (choć niełatwą) alternatywą, ale transport ciężki.
Transport ciężki: ciężarówki, statki, samoloty – ropy szybko się nie pozbędziemy
W przypadku ciężkiego sprzętu zdolnego do transportu ludzi czy towarów na znaczne odległości, to zmniejszenie emisji udało nam się tylko w kontekście jednego środka: kolei. W przypadku ciężkiego transportu drogowego, morskiego czy lotnictwa, sprawa jest o wiele bardziej skomplikowana. Ktoś może zapytać: skoro udało się zastąpić silnik spalinowy w samochodzie osobowym silnikiem elektrycznym, to nie możemy zbudować np. elektrycznego kontenerowca? Możemy oczywiście, co więcej taki statek już powstał, ale ograniczenia technologiczne i prawa fizyki nieubłaganie dopominają się o swoje.
Ponownie wspomnę o Norwegii. To właśnie w tym kraju opracowano i zbudowano jednostkę „Yara Birkeland”. To całkowicie autonomiczny, bezzałogowy statek handlowy i pierwszy kontenerowiec świata z napędem elektrycznym, który w swój dziewiczy rejs wyruszył 19 listopada 2021 r. Czyli co, da się? Nie do końca. Autonomiczny i całkowicie bezemisyjny (energia do akumulatorów czerpana jest z elektrowni wodnych, licznych w Norwegii) kontenerowiec to jednostka relatywnie mała, do rejsów lokalnych, a nie oceanicznych. Pojemność tej jednostki to 120 standardowych kontenerów TEU. Mało. Dla porównania oceaniczni giganci jak np. kontenerowce klasy Gülsün (w użyciu od 2019 roku) mieszczą w swoich ładowniach 23 756 kontenerów TEU. Norweska elektryczna jednostka będzie pływać na szlaku o długości zaledwie kilkudziesięciu mil morskich, giganci klasy Gülsün są w stanie przepłynąć z Hongkongu do Hamburga bez tankowania.
No i w czym kłopot, nie wystarczy efekt skali? I tu rozpoczynają się problemy, z których najpoważniejszym jest gęstość energii. W 1 kg paliwa dla gigantycznych kontenerowców (oleju napędowego lub mazutu) zmagazynowanych jest 11,4 kWh energii (41 megadżuli, jak kto woli), a ile energii zmagazynujemy w najlepszych akumulatorach litowo-jonowych? Jakieś 300 Wh/kg (nawet nieco mniej – gęstość energii w akumulatorach Tesli Model 3 to ok. 260 Wh/kg). Zatem hipotetyczny, gigantyczny, elektryczny kontenerowiec zdolny do przetransportowania towarów z Hongkongu do Europy w miesiąc (tyle czasu płyną statki klasy Gülsün) musiałby poświęcić 100 tys. ton swojej ładowności (40% ładowności całkowitej) na same akumulatory. Przy niemal 40-krotnie większej gęstości energii ropa naftowa deklasuje akumulatory elektryczne. Owszem, diesle mają mniejszą sprawność (co najwyżej 50%) niż silniki elektryczne (ponad 90%), ale to wciąż ponad 20-krotna przewaga ropy naftowej w gęstości energii zamienianej na faktyczną pracę. Co więcej, ropa jest łatwiejsza w transporcie i dystrybucji niż prąd elektryczny.
A może wodór albo atom?
Owszem, wodór jest paliwem nadzwyczaj wysokoenergetycznym (33 kWh/kg), ale jest kłopotliwy w transporcie i magazynowaniu. To też najlżejszy pierwiastek z tablicy Mendelejewa. W efekcie nawet w bardzo wysokociśnieniowych zbiornikach (700 barów) 1 kg tego gazu zajmuje objętość aż 27 l. I znowu równanie się nie spina. 27 liltrów sprężonego do ciśnienia 700 barów wodoru da nam 33 kWh. 27 l ropy to… 270 kWh (ropa jest nieco lżejsza od wody). Szerokokadłubowe masowce i kontenerowce na wodór zdolne do jednorazowego pokonania transoceanicznej trasy musiałyby być… bardzo, bardzo szerokokadłubowe.
To może atom? Energia pochodząca z rozszczepienia dowiodła już swojej przydatności zarówno na lądzie (elektrownie atomowe), jak i na morzach (lotniskowce, okręty podwodne, etc.). Technologia również nie jest nowa, bo reaktory atomowe rozwijamy od 70 lat. Pierwszym okrętem nawodnym z napędem jądrowym był krążownik rakietowy USS Long Beach zwodowany w 1959 roku. Pięć lat wcześniej debiutowała pierwsza jednostka z napędem nuklearnym: okręt podwodny USS Nautilus (SSN-571). Skoro mamy tak duże doświadczenie z napędami nuklearnymi, czemu nie mamy nuklearnych statków cywilnych? W istocie dziś pływa jedna taka jednostka: rosyjski barkowiec NS Siewmorput. Czemu nie ma takich okrętów więcej? Od strony czysto technicznej i inżynierskiej nie ma przeciwdziałań, ale istotne są koszty, polityka i bezpieczeństwo. Wyobrażacie sobie atak somalijskich piratów na okręt cywilny z napędem nuklearnym? Owszem, są okręty wojenne z napędem nuklearnym, tyle że dostęp do tych jednostek jest dla osób postronnych praktycznie niemożliwy.
Spalinowe lotnictwo
To może w lotnictwie się uda? Możemy tu powiedzieć sobie od razu – przekształcenie szerokokadłubowych, międzykontynentalnych liniowców pasażerskich na bezemisyjny napęd jest przy dzisiejszym stanie techniki nierealne. Ponownie jest problem z masą akumulatorów czy objętością wodoru. Elektryczny Airbus A380 w ogóle nie wzniósłby się w powietrze, a wodorowy może przeleciałby z Warszawy do Radomia. To może biopaliwa? To przecież też węglowodory, ale pochodzące z upraw roślin oleistych, zatem w ogólnym bilansie emisyjnym to, co wchłonie roślina, spali samolot, nadmiarowych emisji brak. To prawda, ale znowu mamy problem ze skalą i areałem. Hektar rzepaku daje nam ok. 0,5 t biopaliwa. Zbiorniki Airbusa A380 mieszczą niecałe 300 t paliwa. Zatem jednorazowe zatankowanie tego pasażerskiego molocha wymaga przekształcenia w biopaliwo plonów z 600-hektarowego areału. A to tylko jeden długi rejs i jeden samolot. Samych Airbusów A380 jest na świecie 254 (i więcej już nie będzie). Nawet zakładając, że każdy z tych samolotów wykonuje trzy loty transkontynentalne tygodniowo (często jest to więcej, samolot, który stoi, nie zarabia), to cała flota w ciągu roku wymagałaby takiej ilości biopaliw, którą wyprodukowalibyśmy z areału przekraczającego 15,8 mln ha. To powierzchnia połowy Polski. A to tylko Airbusy A380. Równie paliwożernych Boeingów 747 lata na świecie obecnie niemal dwa razy więcej (443 maszyny wg danych na koniec czerwca 2022). Biopaliwa to jest jakaś alternatywa, ale nie na masową skalę.
Na koniec zostawmy te nieszczęsne silniki spalinowe (których, jak widać, szybko się nie pozbędziemy) i skupmy się na samej ropie naftowej. Nawet gdy uda nam się zastąpić cały transport rozwiązaniami bezemisyjnymi, ropa wciąż będzie nam towarzyszyć, gdyż jest nie tylko energetycznym, ale i chemicznym fundamentem naszej cywilizacji. Tworzywa sztuczne, medykamenty, polimery, barwniki i wiele więcej. Czy to znaczy, że transformacja energetyczna jest mrzonką? Nic bardziej błędnego, fizyka nie bawi się w politykę, a planeta nie negocjuje. Albo sobie z tym poradzimy, albo…
