Datum zveřejnění: 
4. 9. 2018

Autor tohoto textu, prof. Ing. Jan Macek, DrSc, bývalý proděkan pro vědeckou a výzkumnou činnost Strojní fakulty ČVUT v Praze, si neklade za cíl rozebírat smysluplnost mobility. Přesto předpokládá, že jako taková je nutná, a proto vysvětluje tuto oblast v širších souvislostech.

Úvodem připomeňme všeobecně známá fakta. Lidská činnost může mít podíl na probíhajících klimatických změnách. Princip předběžné opatrnosti vede k tlaku na omezení emisí CO2 u osobních a nákladních vozidel, a to i přes jejich poměrně malý podíl na celkové produkci skleníkových plynů. Jak všichni víme, daleko větším znečišťovatelem (pokud zůstaneme v dopravě) jsou totiž motory velkých lodí a letadel, za něž ale zatím neexistuje adekvátní náhrada. Souběžným požadavkem se snížením emisí je omezení zdraví škodlivých polétavých částic (pollutants) s nereálným, leč dobře znějícím cílem "zero emission vehicles". Při posuzování snižování emisí skleníkových plynů z vozidel je však nutno uvažovat nejen celý výrobní řetězec energie "od zdroje na kola" (WTW, "Well to Wheel"), ale též celková spotřeba energie na celý životní cyklus výrobků "od kolébky do hrobu" (nebo do recyklace), což je nejvíce vidět třeba u elektromobilů. U nich jsou sice nulové emise při jízdě, ale veliká ekologická zátěž nejen při výrobě nebo skladování elektrické energie, ale i při výrobě akumulátorů a částí elektráren využívajících obnovitelné zdroje (lithium a prvky vzácných nerostů pro akumulátory a elektropohony, křemík pro fotovoltaiku, materiály pro konstrukci větrných elektráren atd.).
Hmatatelným důkazem v evropském boji za snižování emisí v dopravě je změna homologace vozidel ze zastaralého testu NEDC k nové proceduře WLTP pro osobní a další lehká vozidla, resp. WHTP pro nákladní automobily, s příslušnými testy WLTC a WHTC a navazujícími zkouškami v reálném provozu. Tyto procedury jsou připraveny k celosvětovému použití a aplikovány v současné době pro zdraví škodlivé emise, od roku 2020 pak povinně i pro posouzení emisí skleníkových plynů.

Hlavní druhy hnacích jednotek

Ve všech osobních a nákladních vozidel se převážně používá spalovací motor (ICE) na fosilní paliva s příměsí biopaliv, a to v pístovém buď zážehovém, nebo vznětovém provedení. Pro jiné koncepce spalovacích motorů (krouživé písty - Wankel, spalovací turbína, Stirlingův motor, parní stroj) se zatím nenašlo konkurenceschopné uplatnění. Alternativou, i když zatím ve značné menšině, jsou vozidla s elektrickými (BEV) nebo kombinovanými - hybridními - pohony (HEV). Pohon zajišťuje elektrický motor-generátor, u HEV je doplněný přímým mechanickým převodem od spalovacího motoru. "Palivem" je elektřina uložená v akumulátorech nebo vyráběná přímo ve vozidle pomocí elektrochemického palivového článku ze vhodného zdroje chemické energie, tedy paliva, nejčastěji ve vozidlových aplikacích z vodíku.

Struktura pohonů budoucích vozidel

V blízké budoucnosti lze určitě počítat se zlepšenými spalovacími motory s alternativními palivy a s elektrifikací pohonu různých agregátů včetně výkonově značně náročných turbodmychadel. Již zmíněnou alternativou budou "elektromobily s akumulátory" (BEV, Battery Electric Vehicle) nebo s nízkoteplotními palivovými články využívajícími především vodík oxidovaný vzdušným kyslíkem na vodu procesem, který je opakem elektrolýzy vody. Ve článku je zapotřebí obě látky oddělit tak, aby volné náboje z ionizovaného vodíku bylo možné prohánět elektrickým obvodem pohonu před sloučením s kyslíkem. To vyžaduje polopropustnou membránu vodivou pro kladně nabitá jádra vodíku, tedy protony (PEMFC, Proton nebo Polymer Exchange Membráně Fuel Cell). Je možné použít i vysokoteplotní palivové články pro libovolná oxidovatelná paliva s pevným keramickým elektrolytem vodivým pro záporné ionty kyslíku (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), které však pracují až při vysokých teplotách a hodí se zřejmě spíše pro pomocné účely, kombinované s topením.
Jak již bylo naznačeno, elektrifikace může být zajímavá i pro některé agregáty samotných spalovacích motorů, neboť potřebný elektrický příkon může být kryt výkonem z využití odpadní energie výfukových plynů (výfuková spalovací turbína turbodmychadla nebo expander) v přidruženém parním vodním nebo chladivovém oběhu (ORC, Organic Rankine Cycle) a pak může využít i možné rekuperace trakčních energií (viz dále).
Samozřejmě se zkoumají kombinace - hybridní pohony, obvykle s dobře regulovatelnou elektrickou částí (HEV), a to nejčastěji spalovací motor s elektrickým přenosem výkonu nebo FC, v obou případech s akumulací elektrické energie. V kombinacích s akumulátorem jde primárně jak o zvýšení nedostatečného dojezdu (spíše pro podporu téměř elektrického pohonu, např. před jízdou nabité plug-in hybridy PHEV nebo BEV s pouhým prodlužovačem dojezdu REHEV), tak o možnost rekuperace kinetické nebo potenciální energie během jízdy místo použití třecí brzdy.
Velké brzdné výkony však vyžadují pro účinnou rekuperaci zásobníky schopné pohltit velké špičkové výkony, což mohou být speciální akumulátory s nižší hustotou uložené energie a intenzivním chlazením nebo superkondenzátory, které rovněž mají nízkou hustotu uložené energie. Obecně bohužel platí, že akumulace s nízkou hmotností zásobníku neumožňuje nabíjení vysokým výkonem a naopak. Existuje i akumulace ve formách mechanické energie - v setrvačníku (Kinetic Energy Recovery System, KERS), v tlakové energii stlačeného plynu atp. jakožto mezičlánku odstraňujícího nedostatečnou výkonovou schopnost nabíjení akumulátorů při brždění, opět ovšem s omezenou energetickou kapacitou. V těchto případech může být zpětný převod na pohon řešen i mechanicky, ale velká regulační pružnost elektrického přenosu výkonu je i tady výhodou.

Vliv nosiče energie a jejího uložení ve vozidle Paliva

Použitelnost různých fosilních i syntetických paliv (k jejichž výrobě je zapotřebí energie) i elektřiny se liší v různých druzích vozidel. Spotřeba energie WTW u syntetických paliv je ovšem vyšší, a to i ve srovnání palivových článků s přímou akumulací elektrické energie.
Proto se pro zjednodušení architektury vozidla (které však v žádném případě lokálních emisí i využití obnovitelných zdrojů elektrické energie věnuje tak veliká pozornost přímému elektrickému pohonu, který je sice jednodušší a při pohonu vozidla účinnější, i když z hlediska cyklu WTW je účinnost celkem nevalná. Celkové emise skleníkových plynů jsou velké za použití současných zdrojů elektřiny v Evropě a v Číně, kam se přesunula většina výroby potřebných materiálů i akumulátorů samotných.

Negativa elektromobility

Uložení elektrické energie je u elektromobilů obvykle elektrochemické (a to jak v akumulátorech, tak superkondenzátorech). Přijatelný dojezd je zejména u malých vozidel, vhodných pro městskou mobilitu, největší slabinou užitné hodnoty elektromobilů. Jejich dojezd je omezen kapacitou akumulátorů a jejich zdlouhavým nabíjením, což z hlediska zákazníků vytváří strach z dojezdu (fear-of-range). Strach ze ztráty svobody dojezdu je velký i při ježdění po známé trase (počasí a nutnost topení nebo klimatizace, dopravní změny - objížďky, zácpy, ...). Závažným způsobem ovlivňuje i jízdní bezpečnost (odmrazování/odmlžení skel a zrcátek je energeticky nezanedbatelné) i komfort. Přijatelného dojezdu se však dosáhne jen při velmi omezené dynamice vozidla ve vyšších rychlostech (předjíždění je prakticky nemožné) a při provozu na tratích s krátkými stoupáními bez podstatného protivětru, což je ale možné v mnoha případech městského provozu.
I když cena akumulátorů neustále klesá a jejich životnost, měřená počtem nabití, roste, je jejich cena a nutnost výměny stále značnou položkou v celkových nákladech provozu.
Drahé elektromobily s deklarovaným delším dojezdem jej dosahují jen zvětšením hmotnosti a objemu akumulátorů, což vede k poklesu jízdní účinnosti. Kromě toho závisí využitelná kapacita akumulátoru na jeho stáří a vnější teplotě, takže realistické hustoty energie pro dobrou životnost i v blízké budoucnosti se pohybují mezi 10 a 15 kWh/100 kg, přičemž spotřeba energie na silnici bez topení a klimatizace bývá mezi 15 a 25 kWh/100 km u malých vozidel a mezi cca 30 a 40 kWh/100 km u velkých osobních vozidel.

Zdroj: 
Autoexpert