Jaka jest efektywność energetyczna różnych napędów? Specjaliści Komisji Europejskiej od momentu wejścia w życie normy Euro 6d ISC-FCM, czyli od początku 2021 roku, analizują dane dotyczące emisji i spalania, a także zużycia (bo analizowane są również auta elektryczne), mają skończyć w czerwcu 2021. Wtedy też poznamy wytyczne dotyczące przyszłej normy emisji Euro 7, która – jak wieszczą co niektórzy ma być “końcem silników spalinowych”. Już teraz branża paliwowa naciska na UE, by nowa norma definiowała pewną pulę kredytów węglowych (emisji CO2) dla paliw syntetycznych i biopaliw. Jednak wytwarzanie biopaliw lub paliw syntetycznych z energii odnawialnej, co jest technologicznie możliwe, jest też – jak informuje Europejska Federacja Transportu i Środowiska (powszechnie znana pod nazwą Transport & Environment – T&E) – ekonomicznie i środowiskowo po prostu bezsensowne.
Organizacja opublikowała dającą wiele do myślenia infografikę dotyczącą efektywności poszczególnych rodzajów paliw, przy założeniu że są one wytwarzane ze 100-procentowej energii odnawialnej. Zobaczmy:
Na wykresie widzimy trzy rodzaje “samochodów”, a właściwie typów napędów i rodzajów paliw. Mamy auto elektryczne zasilane z akumulatorów, które mogą być ładowane bezpośrednio “zieloną” energią (pochodzącą ze źródeł odnawialnych), mamy auto z napędem wodorowym (ale nie spalinowym, lecz elektrycznym – ogniwa wodorowe dostarczają energii silnikom elektrycznym, zamiast akumulatorów). Wreszcie na końcu (kolumna po prawej) mamy dane dotyczące aut spalinowych, zasilanych paliwem syntetycznym wytworzonym także w 100 proc. z energii odnawialnej (co od strony technologicznej jest możliwe). Cała grafika pokazuje efektywność energetyczną całego procesu od wytworzenia paliwa poprzez poszczególne etapy przetwarzania, magazynowania, dystrybucji, efektywności napędu itp.
Elektryk z baterią (BEV) – najbardziej efektywnie wykorzysta energię odnawialną
Doskonale widać, że auto elektryczne zasilane z akumulatorów jest najbardziej efektywnym, dziś znanym typem napędu. Ze 100 proc. energii odnawialnej np. przechwyconej ze Słońca (fotowoltaika), czy z innych źródeł odnawialnych (wiatr, woda, pływy oceaniczne, etc.) finalnie na pracę wykonaną przez auto elektryczne zostaje aż 73 proc. energii pierwotnej. Gdzie są straty? Energia odnawialna (w sensie prąd otrzymany z OZE) nie musi być w żaden sposób przetwarzana by trafić do akumulatorów, zatem nie ma tu strat w procesie “wydobycia”, ale prąd trzeba przesłać, a ponieważ sieci energetyczne nie są nadprzewodzące, oznaczają pewne straty. T&E przyjęła te straty na poziomie 5 proc. Przesłany (ze stratą po drodze) prąd trafia do ładowarki, która przesyłając prąd do akumulatorów auta również generuje straty (prawo Ohma działa). Sama efektywność akumulatorów również nie jest 100 procentowa i w procesie gromadzenia przez nie energii również dochodzi do strat, które oszacowano na kolejne 5 proc. Kolejne straty to proces konwersji DC/AC, czyli zamiany prądu stałego w prąd zmienny, wreszcie choć silniki elektryczne są fenomenalnie efektywne, to fizyki nie oszukamy i tutaj również są pewne straty. Niemniej w całym tym łańcuchu do “opon” auta elektrycznego trafia aż 77 proc. energii otrzymanej ze źródeł odnawialnych. To, przy dzisiejszej technologii wynik nie do pobicia przez alternatywne metody zasilania aut.
Wodór – też może być “zielony”, ale jest znacznie mniej efektywny
Z jak z wodorem? Cóż, niektórzy sobie wiele obiecują po ogniwach wodorowych, jako przyszłości napędowej motoryzacji. Jednak w tym przypadku efektywność jest już znacznie gorsza. Duże straty mamy już na “wejściu”. Żeby otrzymać wodór z energii odnawialnej znamy od dawna bardzo prostą metodę: elektrolizę wody. Sęk w tym, że elektroliza jest dość energochłonnym procesem, w efekcie, żeby z wody otrzymać wodór 22 procent energii otrzymanej wstępnie trzeba włożyć w ten właśnie proces. Tutaj pewna dygresja – obecnie na skalę przemysłową wytwarza się wodór w procesie reformingu parowego gazu ziemnego i innych węglowodorów, pochodnych przemysłu naftowego. Jednak takie podejście jest absurdalne w kontekście ograniczania emisji. Jeżeli mamy myśleć o zeroemisyjnym transporcie o paliwach kopalnych trzeba zapomnieć. Całkowicie.
Ponadto wodór jest pierwiastkiem bardzo trudnym w przechowywaniu i nie wierzcie tym, którzy mówią, że to łatwe. Wodoru nie da się “zatankować” do baku w sposób równie prosty co benzynę czy olej napędowy. Owszem, znamy sposoby by przechowywać wodór w zbiornikach ciśnieniowych (pod ciśnieniem nawet 350 barów), ale gęstość objętościowa takiego paliwa wciąż pozostaje około 10 razy niższa niż w przypadku benzyny. Teoretycznie znamy technologie przechowywania wodoru w stanie ciekłym (zbiorniki kriogeniczne), ale utrzymywanie stale w zbiorniku temperatur rzędu -250°C (temperatura krytyczna wodoru to -240,18°C) to – zgadliście – bardzo wymagający energetycznie proces. Ostatecznie eksperci T&E oszacowali, że wymagania energetyczne dotyczące transportu, przechowywania i dystrybucji wodoru zmniejszą pozostałe zasoby energii pierwotnej o kolejne 22 proc. Co dalej? Owszem, wodór nie potrzebuje ładowarek, nie ma tez znaczenia efektywność akumulatorów, bo wodorowe elektryki ich (teoretycznie) nie potrzebują (ale np. nowa Toyota Mirai ma na pokładzie niewielki akumulator, mimo że jest właśnie wodorowym elektrykiem). Jednak ogniwa wodorowe nie są doskonale efektywne. Straty w procesie przekształcenia wodoru w prąd, który zasili silnik elektryczny to kolejne 46% pozostałej nam na tym etapie energii. Dalej – ponieważ mamy już prąd z wodoru – pozostałe straty są identyczne jak w przypadku auta elektrycznego z akumulatorami: 5 proc. strat na konwersję DC/AC i 5 proc. strat na efektywności samego silnika. W efekcie na koła pojazdu wodorowego trafi ok. 30 proc. pierwotnej energii otrzymanej ze źródeł odnawialnych.
Paliwo syntetyczne/biopaliwo – to zły pomysł
Wreszcie ostatnia kolumna dotyczy pomysłu forsowanego przez lobby paliwowe. Efektywność energetyczna jest w tym przypadku zdecydowanie najgorsza. Sam proces produkcji takich paliw jest bardzo energochłonny. Z całej energii ze źródeł odnawialnych po wytworzeniu takiego paliwa zostanie nam 44 proc. Owszem, nie ma strat na magazynowaniu, bo takie paliwo składuje się równie łatwo jak istniejące paliwa kopalne. Jest infrastruktura, zatem T&E słusznie założyło brak strat w magazynowaniu. Nie ma potrzeby budowania ładowarek, nie ma konwersji DC/AC, nie ma konwersji wodoru na prąd. Jest po prostu silnik spalinowy, który otrzymane z “zielonej” energii paliwo ma spalić. Sęk w tym, że silnik spalinowy to bardzo mało efektywny energetycznie silnik. W procesie spalania aż 70 proc. energii zawartej w paliwie się marnuje w postaci ciepła. Ile w efekcie trafia na koła? Zaledwie 13 proc. Nie stać nas na takie marnotrawstwo. Wreszcie nie zapominajmy o jednym: nawet jeżeli syntetyczne paliwo będzie wytwarzane w całości z energii odnawialnej (bilans węglowy będzie się zgadzać) to i tak produktem spalania takiego paliwa są te same substancje, co z dzisiejszej benzyny i oleju napędowego. Te same, które trują nasze miasta.