Emocjonujemy się osiągami aut, ich wyglądem, wyposażeniem, dynamiką, liczbą koni mechanicznych czy kilowatów, ale żaden samochód nie ruszy z miejsca bez energii. I choć na pierwszy rzut oka energia dla aut spalinowych i dla aut elektrycznych jest zupełnie różna, to warto przyjrzeć się sprawie sprowadzając jej zużycie do wspólnego mianownika.
Efektywność energetyczna, a normy emisji i bilans węglowy
Zwykle w porównaniach dotyczących zużycia energii przez samochody spalinowe i elektryczne stosuje się bardzo uproszczone porównanie typu: jeżeli samochód powiedzmy, segmentu B, spala średnio 5 litrów paliwa (benzyny lub ropy) na 100 km, to porównywalne auto elektryczne powinno zadowolić się 15 kWh energii na 100 km. To łatwo wpada w pamięć, ale niczego nie wyjaśnia. Owszem, można przyjąć z bardzo dużym przybliżeniem, że auto elektryczne zużyje średnio trzykrotność w kilowatogodzinach, co auto spalinowe w litrach paliwa – internet jest pełny tego typu porównań. Tyle, że takie zestawienia niczego nie wyjaśniają i tak naprawdę wprowadzają w błąd, bo kompletnie ignorują kwestię efektywności energetycznej silników wykorzystywanych w samochodach. Proponujemy inne podejście, które pozwoli zrozumieć jak auta konsumują energię
Jedzenie, ropa i akumulator – to nośniki energii
Akumulator przechowuje prąd elektryczny, to wie każde dziecko. Ale już niewielu zdaje sobie sprawę, że ropa naftowa stała się siłą napędową naszej cywilizacji głównie dlatego, że jest znakomitym, łatwym w przechowywaniu i transporcie, nośnikiem energii. My sami nie możemy funkcjonować (na dłuższą metę) bez jedzenia, które również jest dla naszych organizmów nośnikiem energii. Zacznijmy od człowieka.
Ile palisz na setkę drogi homo sapiens?
Siedząc przed komputerem lub trzymając w ręku smartfona i czytając te słowa twój organizm zużywa nieco ponad 100 kcal (kilokalorii) na godzinę. Innymi słowy w ciągu godziny zużyłeś 0,1163 kWh energii. Mało, prawda? Miliardy lat ewolucji wypracowały całkiem efektywny energetycznie biologiczny mechanizm. Całkowita przemiana materii ludzkiego organizmu jest zależna oczywiście od tego co robimy, jakie działania wykonujemy, czy nawet od masy naszego ciała. Dietetycy tak właśnie obliczają dzienne kaloryczne zapotrzebowanie danej osoby. Uwzględniają wagę i rodzaj aktywności fizycznej. I tak np. osoba o wadze 60 kg o umiarkowanej aktywności fizycznej ma wskaźnik CPM (całkowitej przemiany materii) wynoszący niecałe 2500 kcal. Tyle kilokalorii powinna dostarczyć własnemu organizmowi by bilans energetyczny się spinał. 2500 kcal to jakieś 2,9 kWh.
No dobrze, a jak to będzie z zużyciem na setkę? Marsz to konkretny wysiłek. Człowiek ważący 70 kg maszerując z szybkością 5 km/h spala ok. 250 kcal w ciągu godziny, czyli zużywa 0,3 kWh. Czysto hipotetycznie zakładając, że spacer będzie trwał 20 godzin w tym samym tempie (mało prawdopodobne, ale załóżmy taki eksperyment myślowy), wówczas przejdziesz 100 km, spalisz 5000 kcal, czyli zużyjesz nieco ponad 5,8 kWh. Niezły rezultat, prawda? Tylko, że ważysz (zgodnie z naszym wcześniejszym założeniem) 70 kg, a nie ponad tonę, jak samochód osobowy.
Samochód spalinowy zużywający 5 litrów oleju napędowego na 100 km – oszczędny? To zależy
Powszechnie uznajemy, że samochód z silnikiem wysokoprężnym zadowalający się w normalnej jeździe 5 litrami oleju napędowego na każde 100 km to oszczędne auto, ale czy na pewno? Wiemy ile zużywa paliwa, ale ile to jest energii? Na ile silnik spalinowy jest efektywny? Cóż – nie jest efektywny. 1 litr oleju napędowego to zgromadzone w płynnej postaci ok. 10 kWh energii (w przypadku benzyny jest podobnie – są pewne różnice, ale dla uproszczenia przyjmijmy przelicznik 1 l paliwa = 10 kWh). Zatem nasze przykładowe auto spalające 5 litrów ropy na każde 100 km wymaga dostarczenia aż 50 kWh energii na taki dystans. To dużo, zwłaszcza, gdy porównamy to z zużyciem energii przez auto elektryczne.
Samochód elektryczny, niewielki, miejski – 15 kWh / 100 km
Na samym początku wspomniałem o “modnym”, często spotykanym w internecie porównywaniu zużycia spalinowych aut i elektrycznych i tym trzykrotnym “mnożniku” (typu 5 litrów to 15 kWh). Już widzicie mam nadzieję ten błąd. Miejski, elektryczny odpowiednik oszczędnego diesla zadowalającego się 5 litrami oleju napędowego na dystansie 100 km, powinien zużywać ok. 15 kWh energii na takim samym dystansie. Tym samym pułapka została odsłonięta. To samochód spalinowy okazuje się dramatycznie mniej efektywny – wszak do pokonania tej samej odległości potrzebowałby aż 50 kWh, bo taka energia jest zgromadzona w 5 litrach węglowodorowego paliwa.
Skąd ta różnica? Efektywność energetyczna napędu
Ani nasz biologiczny aparat mięśniowy, ani jakikolwiek skonstruowany na świecie silnik spalinowy nie są tak efektywne energetycznie jak silnik elektryczny. Wynika to z prostoty tego mechanizmu i ograniczonej liczby przemian energii. W naszych organizmach energię chemiczną pożywienia przetwarzają nasze komórki w procesie przemiany materii (spalanie komórkowe). W samochodach spalinowych również mamy spalanie (i to nawet bardziej dosłowne). Ba, wręcz co każdy cykl dostarczenia mieszanki paliwowo powietrznej do tłoków silnika spalinowego mamy do czynienia z kontrolowaną eksplozją. Energia wyzwolona w tym procesie jest zamieniana na energię mechaniczną, ale niestety – w niewielkim stopniu. Większość energii powstała w procesie spalania paliwa w silniku spalinowym to ciepło. Jest go tyle, że każde auto spalinowe musi być wyposażone w układ chłodzenia (który również wymaga energii do działania). W rezultacie sprawność najlepszych pod względem efektywności energetycznej silników spalinowych pracujących w cyklu Atkinsona osiąga maksymalnie 40 procent. Cała reszta energii powstałej w wyniku spalenia paliwa znajdującego się w zbiorniku auta idzie – dosłownie – w kosmos w postaci ciepła.
Tymczasem w przypadku samochodu elektrycznego aż 95 procent energii dostarczonej do silnika w postaci prądu elektrycznego może być zamieniona na pracę! Celowo pomijamy tu dla uproszczenia kwestie z wytworzeniem prądu, efektywnością elektrowni bądź źródeł odnawialnych, stratami przesyłowymi, stratami w procesie ładowania etc. Pamiętajmy jednak, że paliwo w zbiorniku auta spalinowego też nie wzięło się magicznie z powietrza – wydobycie, przetwórstwo i przemysł petrochemiczny to potężni konsumenci energii, a i same dystrybutory paliwa na stacjach benzynowych bez prądu nie działają.
Silnik elektryczny jest najbardziej efektywny, ale… tu mamy problem – gęstość energii dostarczanej
Porównując czystą energię, czyli kilowatogodziny – jasno widać, że auto elektryczne jest znacznie bardziej efektywne energetycznie od jakiegokolwiek pojazdu spalinowego. Jest tylko jeden problem – silniki spalinowe, choć dramatycznie nieefektywne, dysponują kapitalnym magazynem energii: paliwem. Jak już wcześniej wspomnieliśmy 1 litr paliwa płynnego w baku to dawka 10 kWh. Paliwo jest lżejsze od wody, zatem w 1 kilogramie paliwa mamy nawet kilkanaście kWh energii. A ile mamy energii w 1 kilogramie akumulatora auta elektrycznego? Obecnie sięga ona 200 Wh, czyli 0,2 kWh na kilogram “paliwa”. To 50 razy mniej niż w przypadku paliw płynnych!
Właśnie problem z gęstością energii w akumulatorach był główną przyczyną, dla której auta elektryczne w XX wieku nie zdobyły popularności, choć pierwszymi pojazdami silnikowymi były właśnie modele na prąd. Dalekie od doskonałości, ale powstały na długo przed pojazdami spalinowymi, bo jeszcze w pierwszej połowie XIX wieku! Tymczasem dopiero w XXI wieku nauczyliśmy się budować akumulatory zapewniające już jakąś użyteczność samochodów elektrycznych. Jednocześnie technologie materiałowe pozwoliły nam konstruować ekstremalnie efektywne silniki elektryczne. Warto pamiętać, że o ile technika spalinowa jest już bardzo dojrzała i niewiele da się w niej usprawnić, by uzyskać jeszcze bardziej efektywny energetycznie silnik, to w przypadku napędów elektrycznych wiele jest jeszcze do zrobienia – szczególnie w kwestii gęstości energii w akumulatorach.
Elektromobilność, a globalne zużycie energii – damy radę?