Paromobilita je budoucnost
Imaginární rozhovor v imaginární hospodě, rok cca 1890.
Cože, jestli jsem slyšel automobilech? No slyšel. Podle mě je to úplný nesmysl. Četl jsem o tom v místních novinách moc pěkný článek. To ti mladí, s jejich potřeštěnými nápady. Je jim sotva čtyřicet a už chtějí měnit svět.
Povídám vám, že jasná budoucnost je parní železnice. Ta nepotřebuje žádné nové výmysly, nemusíme vymýšlet závody na chemické zpracování ropy a pak jí rozvádět po celé zemi. Koleje jsou jednoduché a už je máme. Vlaky jsou pohodlné, můžete si po cestě třeba číst, nedrncá to, lístky jsou levné. Zato ty automobily; vždyť na vás za jízdy prší, musíte to řídit, jak nějaký vozka, je to hlasité a ten smrad! *zakoulí očima* Představa že to někdy nahradí konské spřežení je úplně absurdní.
Benzín se prodává v lékárnách, tak jak si tihle mladí atomobilisti představují jízdu mezi městy? Podívejte se na mapu všech míst, kde se dá koupit benzín. A ujede to sotva pár kilometrů. Ropy je málo, v evropě vesměs žádná není, ani nemáme jak zajistit spolehlivé dodávky. Skoro nikdo to neumí zpracovat.
Zato uhelné doly, panečku, těch máme přece spoustu. Takhle vypadá respektuhodný průmysl. A když není uhlí, dá se topit stromama. Představte si tu absurditu, stavět rozvod ropy do každé dědiny. Vždyť na to přece současná infrastruktura vůbec nestačí, to je stejně nesmyslné, jako kdyby v každém domě měl být vodovod, nebo kanalizace. Není prostě možné vyrobit v dohledné době dost trubek. To možná tak za sto let! Víte kolik by se muselo všeho postavit, kolik by to stálo? Kdo to asi tak zaplatí?
A ani na to nemáme cesty, vždyť naprostá většina cest jsou různé polňačky, sem tam sice jsou cesty dlážděné kamenem, to je pravda, ale je jich minimum. Představte si, kolik by bylo potřeba kamene, kdybysme měli takhle stavět všechny cesty mezi městy.
Vy si myslíte, že jde vyrobit dost automobilů aby to nahradilo současné použití koňských spřežení? To je přece úplná hloupost, víte kolik by to vyžadovalo továren? Tolik továren přece nikdo nemůže postavit, to by si nemohl dovolit. Nejsou lidi, není kapitál. A parní průmysl by úplně zkolaboval. To je bláhovost.
Podívejte, já vám to vypočítám. Tahle moderní manufaktura vyrobí třicet parních strojů za rok. Kdybysme takhle měli vyrábět automobily, tak jich potřebujete tolik, že by to zabralo celou plochu naší malé země!
A všechny ty nádrže a motory, to je přece hrozně složitá a přesná věc, těžká na výrobu, a navíc se to bude neustále rozbíjet. To by musel být mechanik v každé vesnici. Koňské spřežení, to vám spraví každý kovář, ale automobil? A co s těmi automobily budem časem dělat? Za chvíli se bude povalovat rozbitý automobil všude kam pohlédnem. A taky na to není dost lidí. A té technologii stejně nikdo nerozumí.
Vy mi chcete říct, že se má jezdit na výbuchy? Výbuchy?! Zlatá pára, zlatí koni. Když hoří parní stroj, tak je to známá problematika, máme bezpečnostní ventily v nádržích a víme jak se s tím vyrovnat. Až bude hořet ten váš benzínový stroj, tak to ani nikdo nebude umět uhasit! Bude to hořet celý den a nikdo neví co s tím. Taková absurdita, jezdit na výbuchy.
Pára je silná, čistá, je to sto let ověřená technologie s velkou inženýrskou tradicí. Vždyť ty vaše ropu-požírající stroje nemají dobrý výkon, ani dojezd. Jo, kdyby to jezdilo na páru, tak prostě zastavíte u lesa, naložíte další dříví a jedete dál. Kůň se taky může nažrat všude. Ale automobil? Co když vám dojde benzín, nebo nafta?
Možná je rozumnou alternativou dřevoplyn. Už se o něm mluví asi dvacet let a pořád to nikdo moc nevykoumal, ale zní to slibně. Svítiplynem se místama i osvětlují města, to si dokážu představit. Je to rozhodně perspektivnější technologie, než ta divná ropa. Taková černá břečka, akorát smrdí a čadí.
Kdo nechce jezdit vlakem, může si koupit koně, nebo najmout spřežení. Chcete snad říct, že koně nebudou dál potřeba? Vždyť to je příšerná myšlenka, úplně narušující ideál osobní mobility. A co kočí a všechny ty stáje? Mysleli vůbec na kočí?
Ba ne, já vám povídám, že ta myšlenka ropných automobilů je úplně zcestná.
Pointa
Sepsáno jako ilustrace demence dnešní doby, kde po vyřešení všech těžkých a složitých problémů elektromobility lidi neustále naříkají nad úplnýma blbostma, jako je natažení (dalších, či tlustějších) drátů, nebo aktuálním nedostatkem kapacity na výrobu baterek.
Byla doba, kdy nestály továrny na auta, nebyly asfaltové cesty, nebo dokonce dálnice, nebyla elektřina, elektrické rozvody, nebo elektrárny, dokonce ani nebyl běžný vodovod, či kanalizace. A všechno se to vyřešilo, dokonce se na tom dá i vydělat.
Přestaňte brečet nad blbostma, technologické výzvy, které nás čekají ohledně posílení soustavy a větší decentralizace výroby energie bychom zvládli vyřešit s prstem v nose i před padesáti lety. Pusťe si radši dokument z doby kdy lidi nebrečeli předem jak je to všechno těžké a složité.
Příklady
(Bude updatováno o další příklady jak na ně budu narážet).
Dodatek k častým diskuzním argumentům
Často je možné vidět následující argumenty, které se neustále objevují v každé druhé diskuzi o elektromobilitě:
- Elektrická auta vychází energeticky hůř než spalovací motory! Elektřina je pořád fosilní!
- Svoboda a individuální mobilita.
- Když už něco, tak vodík!
- Nemáme na to soustavu.
- To nebudu dál řešit, od toho je ten sarkastický článek na začátku.
Elektro-auta a fosilní zdroje
Hned zkraje je třeba vypustit první bombu, která z nějakého důvodu většině lidí nedochází;
Elektroauta jsou jako systém (kam počítám i výrobu elektřiny, přenos, nabíjení a motor) podobně efektivní, nebo efektivnější, než fosilní auta.
Nemůže za to tolik pokročilá technologie elektrických aut, ale jako spíš efektivita pístových spalovacích motorů. V následujících podkapitolách si ukážeme konkrétní čísla.
Efektivita spalovacích motorů
Efektivita spalovacích motorů je omezená něčím, čemu se říká Carnotův cyklus. Ve zkratce je to omezení dané fyzikou, které udává, jak moc efektivně využitelné práce jste schopni dostat ze spalovacího cyklu, a kolik se jí zahodí na teplo.
Výsledek vypadá pro ilustraci u spalovacích motorů v autech nějak takhle:
Sehnat konkrétní čísla pro konkrétní auta je poněkud těžší. Zde jsou některé relevantní odkazy na vědecké studie:
Různé zdroje tvrdí různé věci, a jsou různě staré. Obecně se ale většina shoduje, že v průměru se většina benzínových motorů reálně používaných v autech pohybuje někde v 18-25% účinnosti "power to wheels" metrik. Dieselové jsou o trochu lepší, ale stále se v autech nedostávají moc nad 30%.
Například tady je oficiální zdroj americké vlády: https://www.fueleconomy.gov/feg/atv.shtml, dole se dá najít další tabulka se zdroji dat. Schválně mě neberte za slovo, a zkuste si dohledat alternativní zdroje, pokud vám zde uvedené odkazy nevyhovují. Tady je třeba pěkný teoretický výpočet vrcních hranic: http://files.strojarna.webnode.cz/200000012-5fc5660bf5/MOTORY- teorie.pdf. Problém samozřejmě je, že se jedná o teoretický výpočet horní hranice, ne praktické měření se vším všudy (tj s třením v motoru, třením v převodovce a tak dál). Reálná měření vypadají o dost hůř.
Obecně budu velkorysý, a pro další výpočty přiznám autům se spalovacími motory 35% účinnost, i když kdybyste zprůměrovali vozovový park na našich silnicích, tak to bude minimálně o deset procent nižší. Ale nechci být v pozici, že nadržuji elektrickým autům.
Odbočka; Ale některé spalovací motory dosahují až 50% účinnosti!
Občas je možné narazit na články jako Nissan claims it's made a more thermally efficient gas engine, které tvrdí že Nissan dosáhl 40%, nebo dokonce 50% efektivity. Na základě těhle článků se pak zákonitě někdo přiřítí do diskuze a tvrdí že všechny výpočty o elektro autech jsou založeny na špatných číslech.
Problémy s tímhle vidím tři;
- To co je v článku popisováno není motor který má většina lidí v autě. Je to motor běžící ve statických otáčkách, pohánějící generátor pro baterie hybridu.
- Jedná se o "thermal efficiency". To co vás zajímá je většinou "power to wheels" metrika. Rozdíl je v tom že to první je teoretická efektivita samotného motoru, to druhé je reálná efektivita toho co dostanete na pohon kol.
- Většina lidí tohle nemá a ještě dlouho mít nebude. Je to ukázka prototypu. Reálné hybridy se pohybují od 30 do 40%.
Obecně je nutné uznat, že speciálně dieselové motory běžící v ideálních otáčkách s ideální zátěži, můžou dosahovat větší teoretické účinnosti, v závislosti na technologii někde od 35 do 50%. To splňují například některé lodní motory, a nebo motory pohánějící elektrický generátor.
To se ale nebavíme o běžném čtyřtaktním motoru v autě. Je to tedy argument naopak; pro spalování v těhle motorech, ideálně někde v elektrárně, či dobíjecí stanici, nebo v hybridu. Ostatně to je celé důvod proč hybridy existují - protože je to prostě účinnější.
Efektivita elektrických aut
Elektrické motory jsou obecně mnohem efektivnější, než spalovací motory. Například motory používané v některých Teslách se pohybují u 90% efektivity převodu elektřiny na pohyb. Je ovšem nutné brát v úvahu celý řetězec, stejně jako to uděláme za chvíli s auty. Ten se skládá ze zhruba následujících kroků:
- Výroba elektřiny a její efektivita.
- Přenos elektřiny a jeho efektivita.
- Nabíjení a jeho efektivita.
- "Power to wheels" efektivita elektromobilů, tedy kolik dostanete výkonu když se vezme v úvahu tření, různé invertory, konvertory a tak dál.
Zde si dovolím použít obrázky z již uvedené studie:
Obecně je možné počítat se zhruba následujícími procenty:
- Efektivita výroby elektřiny; ~40% (plynové elektrárny dosahují víc, až 60%, uhlí míň (~30%)).
- Efektivita přenosu a nabíjení; ~80%.
- "Battery to wheel" třeba u té tesly; ~80%.
Což vychází na ~25%. Tohle číslo je ovšem dost diskutabilní, protože počítá s 40% účinností výroby energie, a třeba plynové turbíny od GE dosahují nad 60% už roky v reálném provozu, dál se do toho motá jádro, obnovitelné zdroje a tak dál. Schválně jsem ale vybral nižší číslo, aby mi lidi netvrdili že nadržuji elektrickým autům.
Ještě jsme ovšem neskončili, protože když už započítáváme efektivitu celé soustavy elektrických aut, musíme započítat efektivitu celé soustavy i u fosilních aut, ne jen jejich motoru.
Efektivita soustavy fosilních aut
Zde budu opět požívat ilustrační obrázky z výše uvedené studie:
Když se podíváte na výše uvedené obrázky, a hrubé výpočty efektivity, je z toho asi jasné, že speciálně v případě benzínu si elektrická auta nevedou špatně. Samozřejmě, tohle všechno jsou takové +- autobus úvahy, ostatně pokud vás zajímají konkrétní čísla, projděte si ty studie které jsem odkazoval.
Celkové srovnání efektivity
K tomu dobré ještě připočíst, že ~40% výroby energie v ČR jde z jaderných a obnovitelných zdrojů:
V České republice bylo v roce 2020 podle předběžných výsledků vyrobeno celkem 81 427,6 GWh elektrické energie. Největší část energie, a to 43,2 %, byla vyrobena v parních elektrárnách. V jaderných elektrárnách bylo vyrobeno 36,9 % energie, 7,4 % připadlo na paroplynové a 4,7 % na plynové a spalovací elektrárny. Ve fotovoltaických elektrárnách bylo vyrobeno 2,7 % energie, na vodní elektrárny připadlo 2,6 % a na větrné 0,9 %vyrobené elektřiny.
— Výroba a spotřeba elektrické energie v roce 2020
To tu neřeším kvůli ekologii, ale kvůli tomu, že co vyrobíme jinak, to ušetříme na nutných fosilních palivech.
Vedlejší efekty, jako že to řeší smog a prachové částice, které by ubyly hlavně ve městech zanedbávám. A než mi to někdo vyčte, jako že bude smog a prach jinde, tak si nastudujte jakou efektivitu mají prachové a jiné (oxidy síry, ..) filtry v elektrárnách a jakou mají v autě, sám jsem docela čuměl.
Obecně se dá tedy říct, že by se nám vyplatilo pálit fosilní zdroje v elektrárnách, protože to vychází stejně, nebo pokud použijeme efektivní technologii ala plynové turbíny, tak lépe, než to pálit v motorech. Speciálně když se do toho zamontují další zdroje energie.
O co mi tady šlo je ukázat, že argument "elektrická auta jezdí na fosilní paliva" ve skutečnosti není argument proti elektrickým autům.
Ale svoboda a individuální mobilita!
Tohle je hrozně divný argument, který je asi motivovám nadšenými prohlášeními různých idiotů o car sharingu a tak podobně. Reálně není moc rozdíl, jestli závisíte na soustavě elektrické, nebo na soustavě rozvodu ropy. Teda kromě toho že elektřinu si umíme vyrobit lokálně, ropu ne.
Car sharing a různé další vymyšleniny nesouvisí s typem pohonu auta. Ostatně se zkuste zamyslet, nad hypotetickou situací, kdy totalitní režim nařídí všem občanům situaci, kde nesmí vlastnit auta a můžou si je jen objednávat přes aplikace pro jejich sdílení. Je zde v této situaci něco co brání přenosu na klasická auta? Není.
Vodík
Kde jen začít. Vodík má následující problémy;
- Technologie výroby vodíku a její neefektivita.
- Využití vodíku ke konání práce, neefektivita a ceny technologií s tím spojených.
- Zkapalňování.
Technologie výroby vodíku a její neefektivita
Jsem líný to dohledávat konkrétní procenta, protože to není moc podstatné, jak si ukážeme v poslední podkapitole o kousek níž.
Hlavní problém je, že většina lidí si představuje že vodík se asi vyrábí elektrolýzou, což se reálně skoro nedělá, místo toho se používá industriální výroba z fosilních zdrojů. Převážně protože narozdíl od elektrolýzy se dobře škáluje a vychází levněji. Což je pro palivo úplně špatně, protože stejně tak můžete spálit rovnou to fosilní palivo, a ještě ušetříte spoustu energie.
Důvod proč se to dělá je, že na mnoha místech je vodík zapotřebí k nějaké jiné technologii, ne protože by se vodík pak používal jako palivo. Ale i kdyby se to dělalo elektrolýzou, už jen tady vyhodíte přes 50% energie.
Využití vodíku ke konání práce
Vodík má několik výhod, mezi které patří, že se dá spalovat. Teoreticky nepotřebujete o moc jiné motory, než třeba pro LPG, takže by se ušetřila výměna všech aut. Z hlediska praktické použití v autech to ale nedává moc smysl, protože to není o moc efektivnější než současné spalovací motory, a na výrobě vodíku ztratíte kopec energie.
Hlavní výhoda je transport; obecně se dá tankovat a vozit, stejně jako třeba to LPG.
Velká výhoda je, že existuje technologie palivových článků. Tyto články fungují s vysokou efektivitou (40-60%), a převádějí přímo vodík a kyslík na elektrickou energii. Vedlejším produktem je čistá voda. Krása.
Dál jsou ovšem samé nevýhody:
Jsou tu různé praktické problémy, jako že vodík je potvora malá, nejlehčí a nejjednodušší prvek, který má tendence časem vlézt mezi molekuly nádrže a způsobit její křehčení, vedoucí k rozpadu. A taky že je bezbarvý, bez zápachu, a má tendence eplozivně vybuchovat.
Palivové články jsou drahé, a asi ještě nějakou dobu budou drahé. Od roku 2005, kdy se mi kdysi jako studentovi elektroprůmky dostal v rámci nějaké studentské soutěže do ruky malý vodíkový palivový článek, se cena o moc nesnížila. Vzpomínám si tenkrát na nadšené články o vodíku, jak je to budoucnost a záchrana světa. Všichni očekávali propad ceny aspoň o řád.
Problém je, že na palivové články jsou třeba vzácné kovy, nanomembrány, a obecně technologie, které jsou drahé, a záleží na surovinách, které jsou taky drahé. Stále tu je potenciál pro snížení ceny, ale bude to trvat nejspíš ještě několik desetiletí. A například různé nanomembrány se blbě škálují co se objemu výroby týče.
Jen pro srovnání, baterie mezitím předvedly:
a stále pokračují. A narozdíl od vodíkových článků se už prakticky vyrábí ve velkém. Oproti vodíku mají jednu skvělou vlastnost, že nepotřebují vodík. Ehm. Což zní trochu paradoxně, ale uvědomte si, že baterie je prostě krabička s nějakým interním chlazením, load balancingem, invertorama a tak dál. Oproti nádrži vodíku v podstatě jednoduchá věc na používání.
Ale ono to stejně není moc podstatné, protože..
Zkapalňování
Problém všech technologií výroby vodíku je, že vyrábí vodík v plynném skupenství. Což je prakticky k ničemu, protože ho chceme tankovat do nádrží, a v plynném skupenství by se na jednu nádrž nedalo ujet moc daleko.
Proto je nutné vodík zkapalňovat. Což je složitý a náročný proces, který nám sežere něco jako 50% energie. Tady je celé krásné video, kde to vysvětluje do detailu;
Abych nebyl zaujatý, tak vodíkové palivové články mají svoje využití. Všude tam, kde není problém vysoká cena. Záložní generátor datového centra, nebo nemocnice. Různé sondy, robotická vozítka. V autech je to nesmysl, protože prostě vyhodíte nesmyslné procento energie při výrobě a následném zkapalňování.
Taky to úplně zabíjí myšlenku používání palivových článků k úschově energie, protože sice jsou reverzibilní, to znamená, že když do nich pustíte proud, tak vám z vody vyrobí zase kyslík a vodík, ale jen v plynném skupenství. Což pro libovolnou užitečnou kapacitu v řádu kilowatt vyžaduje obrovské nádrže, nebo zkapalňování.
