Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 9. a 10. díl: Jak se staví odborníci k e-mobilitě

Vzhledem k epidemiologické situaci probíhal rozhovor korespondenčně, proto měli oba respondenti možnost vypracovat odpovědi společně a každou z nich tak sloučit do jedné.

S úplným přechodem na elektromobilitu se počítá jako se skutečností, která má v blízké budoucnosti nastat. Deklarovaným smyslem tohoto přechodu je především snaha o snížení CO₂. Máte skutečně zato, že jsou elektromobily efektivním nástrojem ke snížení globálních emisí skleníkových plynů? Bude tedy úplný přechod na elektromobilitu v tomto směru účelný?

Především nesouhlasíme s tím, že v blízké budoucnosti dojde k úplnému přechodu na elektromobilitu, i když je to tak často prezentováno. V současné době je v ČR přibližně šest milionů osobních automobilů s průměrným stářím kolem 15 let. Pokud by neměl park stárnout, což se v současnosti bohužel děje, mělo by se tudíž ročně obnovit zhruba 6,3 % vozového parku (asi 375 000 vozidel), pokud by se obnova realizovala jen nákupem nových vozidel. Ve skutečnosti se však starší vozidla dovážejí jako ojetiny, takže velmi zhruba se ročně koupí 100 000 nových vozidel a doveze se kolem 200 000 vozidel o průměrném stáří pět let. A podle Národního plánu čisté mobility se v roce 2030 v optimistické variantě počítá s 500 000 elektromobily, to je 8,3 %, v pesimistické variantě s 220 800 elektromobily, to je jen 3,7 % všech osobních automobilů. V roce 2020 se v ČR prodalo pouhých 3 262 elektromobilů, z toho 741 vozů EnyaqiV, které však nejsou určeny pro konečné zákazníky.

Výpočty jednoznačně ukazují, že v prvních letech provozu je elektromobil z hlediska emisí skleníkových plynů, zejména CO₂, horší než automobil se spalovacím motorem v důsledku značných emisí při výrobě baterie, pokud výrobní emise rozpočítáváme na ujeté kilometry. To je otázka dále zmiňovaného hodnocení životního cyklu výrobku. Kdy dojde k vyrovnání emisí elektromobilu a automobilu, to záleží na způsobu výroby elektřiny pro pohon elektromobilů. V současných českých podmínkách je to zhruba po ujetí 130 tisíc km u automobilu s benzinovým motorem, u automobilu s naftovým motorem dojde k vyrovnání po více než 200 000 km, tedy zpravidla po nutnosti vyměnit baterii za novou. Je ovšem třeba podotknout, že v různých zemích se tyto údaje značně liší v závislosti na tom, z čeho se elektřina vyrábí. Příznivější bilance je v severských státech vlivem vodních zdrojů elektřiny a ve Francii nebo na Slovensku vlivem převažujícího podílu jaderných elektráren na výrobě elektřiny. Velmi špatné parametry vykazuje např. Lucembursko a Polsko, srovnatelné s Českou republikou je Německo nebo Nizozemsko.

Největším zdrojem CO₂ je v současné době energetika, následovaná průmyslem a domácnostmi, a pokud jde o ostatní skleníkové plyny (metan), také zemědělstvím. Osobní automobily se podílejí na emisích CO₂ v Evropě cca 5 % až 10 %, podíl Evropy na celkových emisích CO₂ vytvářených lidskou činností je zhruba 10 %. I když se na produkci CO₂ budeme dívat takto zúženým pohledem a nebudeme brát v úvahu emise při výrobě baterií a elektřiny, i hypotetická náhrada všech osobních automobilů v Evropě elektromobily by znamenala snížení lidmi vytvářených emisí CO₂ o cca 0,5 % až 1 %. A protože naprostá většina tvorby CO₂ je přirozeného původu (zhruba dvacetinásobek až třicetinásobek lidské produkce), jednalo by se ve výsledné změně produkce CO₂na světě o zlomky promile. Bez podstatné změny v ostatních odvětvích samotný přechod na elektromobilitu vytčený cíl neřeší.

Jsou tuzemské podmínky, hlavně co se týká podmínek energetických, vyhovující pro plánovaný úplný přechod na elektromobilitu? Co by musel český elektroenergetický mix splňovat, aby tento přechod ustál a aby byl navíc ekologicky účelný?

Český elektroenergetický mix by musel podstatně navýšit podíl nízkoemisních zdrojů a současně zajistit nárůst spotřeby elektřiny pro pohon elektromobilů. Často se uvádí, že elektromobily budou jezdit na elektřinu z obnovitelných zdrojů, zejména ze solárních a větrných elektráren. Podíl těchto dvou zdrojů na výrobě elektřiny v posledních letech v ČR soustavně klesá, v roce 2019 tvořil podle Národního energetického mixu přibližně 2 %. Česká republika nemá geografické podmínky pro mnohonásobné zvýšení podílu těchto zdrojů. Lépe je na tom vodní energie, zejména pro špičkové použití, a energie vyráběná z bioplynu. I tak jde o celkovou produkci o hodně menší než 20 %, podle ERÚ kolem 10 %. Pokud se někde uvádějí vyšší podíly, jde o fiktivní čísla z obnovitelných zdrojů, navýšená váhovými koeficienty evropskou metodikou RED II. Dalším skleníkově i zdravotně nízkoemisním zdrojem je jaderná energie, ovšem navýšení jejího podílu je vzhledem k dlouhé době výstavby jaderných elektráren otázkou vzdálenější budoucnosti a evropské orgány se brání započítávání jaderných zdrojů do nízkoemisních kategorií např. při posuzování oprávněnosti dotací, což je navýsost krátkozraké.

V současné době zhruba 50 % elektřiny pochází z uhelných elektráren. Volání ekologických aktivistů po jejich uzavření by skutečně snížilo české emise CO₂. Je však otázkou, čím je nahradit a čím pokrýt další spotřebu pro pohon elektromobilů. Je tu riziko, že ČR by se z vývozce elektřiny stala jejím dovozcem, a pak je otázkou, odkud a za jakou cenu by ji importovala. I v současné době existuje určitý dovoz elektřiny, zejména z Polska. Pokud by se navýšil, emise CO₂ by se ještě zhoršily.

Je dobré si uvědomit, že neexistuje žádný zcela bezemisní zdroj elektřiny, započítáme-li emise při výrobě a výstavbě těchto zdrojů a při jejich provozu a údržbě.

Jedním z dílčích účelů přechodu na elektromobilitu má být i posílení konkurenceschopnosti Evropské unie, a to nejen ekonomické, ale i technologické. Je přechod na elektromobilitu v tomto směru opravdu tak slibný?

Toto je těžká otázka a má několik rovin. Do vývoje elektromobilů a nabíjecí infrastruktury jsou vkládány obrovské prostředky. Navíc situaci automobilek ještě zkomplikovala koronavirová pandemie. Přesto Evropská komise trvá na dalších požadavcích, které musejí automobilky splnit a při nesplnění budou platit velké pokuty. To nutí automobilky výrazně šetřit nebo přenášet pokuty do navýšení ceny klasických automobilů – což byl zřejmě záměr Evropského parlamentu i Evropské komise. V praxi to však znamená snížení konkurenceschopnosti, vedoucí k už probíhajícímu propouštění zaměstnanců, zvyšování státních výdajů na podporu v nezaměstnanosti a omezování vývoje v jiných oblastech než v elektromobilitě. Jako vždy zaplatí tyto vícenáklady průměrný daňový poplatník, který si ovšem elektromobil zřejmě nedopřeje. Důsledkem zelené politiky je tudíž podpora bohatější části společnosti a konkurenceschopnosti pouze na trhu luxusních vozidel. Hnutí žlutých vest ve Francii i úspěchy AfD ve východní části Německa nepředznamenávají nic dobrého z hlediska stále hlubšího dělení společnosti.

Je nutno zmínit se též o navýšení konkurenceschopnosti zejména německých firem na trhu s prostředky pro zpracování obnovitelných zdrojů (větrné a fotovoltaické elektrárny). K nim je pro stabilizaci sítě nutností dostatečně dimenzovaná tepelná elektrárna nebo distribuovaná energetika kogeneračních jednotek pro pokrytí propadů dodávek z obnovitelných zdrojů. V případě německých firem jde o paroplynové elektrárny, které jsou účinné, leč investičně i provozně při současných cenách zemního plynu velmi nákladné. Existují dvě cesty, jak je učinit konkurenceschopnými v celé Evropě: buď pokutami (emisní povolenky), nebo státními dotacemi. Obojí dále velmi deformuje už nyní nepřehledný energetický trh a je velkou otázkou, jak se projeví globálně v konkurenceschopnosti Evropy na tomto neautomobilním trhu. Kromě toho je zvětšující se závislost na dodávkách ruského zemního plynu nežádoucí, i když ji zčásti kompenzuje plyn ze Severního moře (hlavně norský) a možný je i rozvoj obchodu s USA v oblasti frakovaně těženého a zkalpalněného zemního plynu, který zatím rozvíjí Polsko a pobaltské státy.

Ostatní státy světa (s výjimkou největších znečišťovatelů, to jest Číny a stále i USA) se také snaží plnit závěry pařížské konference o klimatu a snižovat emise. Ale na rozdíl od Evropy to neřeší jednostranným pohledem na automobily se spalovacím motorem. Např. v Japonsku tzv. next-generation vehicles (vozidla příští generace) zahrnují hybridy, plug-in hybridy, bateriové elektromobily, čisté diesely a CNG vozidla. Spalovací motory ještě velmi dlouhou dobu zůstanou rozhodujícím zdrojem pohonu vozidel ve velkých částech světa v Africe, Asii, Jižní Americe ap., kde nejsou podmínky pro rozvoj nabíjecí infrastruktury. Pokud evropské firmy omezí nebo zastaví jejich vývoj, na těchto trzích je nahradí asijští nebo jiní výrobci.

Pro elektromobily bude potřeba stále větší množství baterií. V současné době se v Evropě staví nebo připravuje několik továren na výrobu baterií, vesměs však jde o pobočky asijských výrobců, resp. kompletační závody závislé na subdodávkách anebo alespoň na surovinách, na něž mají prakticky monopol čínské firmy – také v důsledku obchodních aktivit Číny v Africe. Často se tvrdí, že cena baterií se bude snižovat, ale cena bude záviset na potřebných materiálech (kobaltu, lithiu, lanthanidech, zřejmě i niklu, mědi a hliníku pro lehké karoserie ap.). Již dnes se projevuje nedostatek kobaltu a prvků vzácných zemin (lanthanidů), jejich naleziště jsou omezená a patří převážně Číně. Podle EKOBATu se očekává nárůst poptávky po bateriích, a tedy i po těchto surovinách do roku 2030 17krát. I zde se Evropa může dostat do závislosti.

Existuje podle vás nějaký citelný důsledek, který vyplyne z přechodu na elektromobilitu, o němž se příliš nehovoří a o kterém by se podle vás hovořit mělo?

Těch otázek je samozřejmě více, ale zmínili bychom některé, které se při současných počtech elektromobilů jeví jako banální, ale pokud by skutečně došlo k masivnímu rozšíření elektromobilů, budou problémem:

První je nabíjecí infrastruktura. O té se samozřejmě hovoří, ale nedomýšlí se do všech důsledků. Dnes je rozšířena mylná představa, že otázku dobíjení vyřeší dostatečný počet rychlonabíječek. Z porovnání času tankování paliva (2 až 5 minut) a času dobíjení (20 až 50 minut) vyplývá, že by namísto každé benzinové pumpy s osmi stojany musela být nabíjecí stanice s 80 dobíjecími místy, aby obsloužila stejný počet vozidel. Na to v mnoha případech není prostor a příkon takovéto stanice by byl minimálně v megawatech. To již nelze zajistit z běžné rozvodné sítě, musí tam být vysokonapěťová přípojka, trafostanice, požární zabezpečení atd., nehledě na cenu ve stovkách milionů. Dominantním způsobem dobíjení (uvádí se až v 90 % případů) je z více důvodů pomalé dobíjení (mimo jiné z hlediska ceny, také kvůli snižování životnosti baterií opakovaným rychlodobíjením). To znamená, že by bylo nutné vybudovat počet přípojek odpovídající počtu elektromobilů. Problém nastává na sídlištích a v historických částech měst, kde by bylo nutné výrazně posílit (a tedy překopat), celou rozvodnou síť, a navíc vytvořit již dnes nedostatková parkovací místa.

Je přirozenou snahou dobíjet co nejrychleji. Ale s větší rychlostí dobíjení roste dobíjecí proud a s jeho druhou mocninou ztráty, které se bez užitku mění na teplo, jež je nutno rychle odvést (většinou s použitím tepelného čerpadla), a to nároky na příkon dobíjecí stanice dále zvyšuje. Tuto ztracenou energii je nutné zaplatit (což bude většinou úlohou zákazníka) a především je nutné ji vyrobit. Při její výrobě vznikají další zbytečné emise. Proto je snaha o rychlé dobíjení z ekologického hlediska špatná.

Odborné studie ukazují, že ze zdravotního hlediska jsou ze současných zdrojů zdravotně škodlivých emisí nejhorší oxidy dusíku a malé – submikronové – částice. Jejich množství vycházející z výfuků moderních automobilů je již velmi redukováno (pokud není poškozen nebo vymontován filtr) a je dostatečně dimenzován a reakčním agentem (většinou roztokem močoviny) zásoben selektivní katalytický systém. Úroveň obou těchto škodlivin je již nyní u autobusů a nákladních vozidel vyřešena, u osobních automobilů bude nadále omezována předpisy, které povedou ke zvětšení těchto chemických aparátů a jejich kontrole za provozu na silnici. Ale jiným zdrojem těchto částic je otěr z pneumatik (ty se ojíždějí a ojetý materiál se neztratí). Množství otěru roste s hmotností vozidla a právě snaha o velký dojezd elektromobilů vede k velkým bateriím vážícím několik set kilogramů, a tím k rychlejšímu opotřebení pneumatik a k nárůstu množství těchto zdraví škodlivých částic.

Může panovat představa, že elektromobil je prostě klasický automobil, pouze nejezdí na naftu nebo benzin, ale na elektřinu. Dá se ale skutečně přistupovat k elektromobilu jako ke klasickému osobnímu automobilu se spalovacím motorem, klást na něj stejné nároky a očekávat od něj totéž, co očekává uživatel od svého klasického osobního vozidla?

Podle našeho názoru nedá. Elektromobil je jiný výrobek, jak přiznávají mimo protokol všichni výrobci automobilů (s ElonemMuskem jsme ovšem nemluvili). Vyžaduje určitou změnu životního stylu, především větší míru plánování cest. To na jedné straně omezuje svobodu, kterou poskytuje klasický automobil, na druhou stranu to může být pozitivní tím, že se omezí zbytečné cesty, a tím se ušetří náklady i emise. Nesmíme zapomenout, že baterii nemůžeme nabíjet „do zásoby“, ale až před cestou. To představuje u nočního nabíjení nárok na určitou předvídavost. Jinak se zbytečným nabíjením na plnou kapacitu snižuje životnost baterie, stejně jako příliš hlubokým vybíjením.

Elektromobil má prostě jiné vlastnosti než automobil se spalovacím motorem. Je příjemný ve městě, neboť má dobrou akceleraci, ovládání je jednodušší (chybí spojka, řadicí páka, často jej lze ovládat jedním pedálem), navíc při brzdění dokáže částečně rekuperovat energii. Ale při jízdě na delší vzdálenosti, zejména při vyšších rychlostech, výrazně roste spotřeba a je nutné plánovat zdržení u nabíječek. V zimě klesá jeho dojezd změnou vlastností baterie při nízkých teplotách a nutností topit ve vozidle elektřinou z baterie. Navíc kapacita baterie klesá s počtem dobíjení a elektromobil se starou baterií bude mít malou hodnotu.

Elektromobil je tedy vhodnou alternativou za automobil, pokud bude provozován převážně ve městě, na kratší vzdálenosti a majitel bude mít možnost pomalého dobíjení. Dnes moderní honba za vysokým dojezdem vede k drahé a těžké baterii, kterou elektromobil musí stále vozit s sebou bez ohledu na to, jak je nabitá. Vyšší váha vede k vyšší ceně a k vyšším emisím, a tedy snaha zvyšovat dojezd jak z ekonomického, tak i ekologického hlediska nedává smysl.

Tím nejpodstatnějším problémem, zvláště v českých podmínkách, je vysoká cena elektromobilů, daná drahými bateriemi a drahým servisem. Je omylem šířit přesvědčení, že elektromobil je jednodušší a vydrží bez údržby – podmínkou záruky na baterii je její pravidelná údržba v odborném servisu. Výměna baterie velmi zatěžuje běžné provozní náklady a elektromobil nebude možné před touto nákladnou akcí poučeným zákazníkům výhodně prodat! Bez dotací jsou elektromobily těžko prodejné, kupovat je může jen bohatší část populace a řada obyvatel na jejich cenu nedosáhne. Ale na dotace se musí někde získat prostředky. Buď dotace zaplatí stát (v ČR zatím ne), pak tyto prostředky pocházejí z daní všech obyvatel a jedná se o podporu těch, kteří si vyšší cenu mohou dovolit. Nebo dotace (ve formě neekonomické ceny) zaplatí automobilka a musí na ně získat prostředky zdražením běžných automobilů. To ovšem vede k tomu, že řada obyvatel nákup nového vozu odloží nebo koupí starší ojetý vůz, a bude tedy provozovat starý automobil s vysokými emisemi. Přitom právě výměna starých vozidel za moderní automobily by byla tou nejrychlejší cestou ke snížení emisí a zlepšení ochrany klimatu.

Podle Jana Bezděkovského, pověřence ministra dopravy pro čistou mobilitu, s nímž jsme přinesli rozhovor v minulém čísle, je klíčovou věcí u elektromobilů „dvojnásobná energetická účinnost elektrického motoru v porovnání s účinností spalovacího motoru“. K pohánění elektromobilů tak potřebujeme méně energie, jejich provoz by pak měl být pochopitelně ekologicky méně intenzivní a energeticky ne tak zatěžující. Není tomu opravdu tak, že jsou elektromobily díky vysoké energetické účinnosti svých motorů vhodnou, ba přímo nutnou alternativou k automobilům se spalovacím motorem? 

S tou účinností je to poněkud složitější. Jak spalovací motor, tak i elektromotor ve vozidle pracuje v poměrně širokém rozsahu otáček i momentů. Nelze tedy porovnávat špičkové účinnosti elektromotoru a spalovacího motoru, jak se často děje. Průměrné účinnosti závisí na tom, kde vozidlo jezdí, a výrazně závisí na stylu jízdy řidiče. U benzinového motoru jsou obvykle kolem 25 %, u naftového vyšší, až kolem 30 %. U elektromotoru závisí na jeho typu a pohybují se kolem 80 %. Je tedy pravda, že průměrná účinnost elektromotoru je zhruba 2,5krát lepší než průměrná účinnost spalovacího motoru. Ale to není vše. U spalovacího motoru lze palivo natankovat a dopravit do motoru prakticky se 100% účinností. U elektrického pohonu je nutno počítat se ztrátami při nabíjení, které jsou podle měření německého autoklubu ADAC 10 % až 25 % při pomalém dobíjení, při rychlém dobíjení budou ztráty znatelně vyšší. Podobné ztráty jsou pak při vybíjení baterie během jízdy a menší ztráty jsou také v měniči řídicím elektromotor. Tedy účinnost elektrického pohonu může klesat k 50–60 % i níže.

Ztráty při těžbě a rafinaci ropných paliv jsou kolem 15 %. Ty je nutné započítat k účinnosti spalovacího motoru. I elektřinu je však zapotřebí vyrobit. Paroplynové elektrárny na zemní plyn mají špičkovou účinnost k 60 %, pokud ovšem běží parní část na plný výkon, jinak kolem 30–35 % při provozu samotné, rychle na změny zatížení reagující spalovací turbíny. Uhelné parní elektrárny na černé uhlí mají účinnost až kolem 45 % při použití nadkritických cyklů, běžně kolem 40 %, na hnědé uhlí pak pod 35 %.  Jaderné elektrárny mají vůči teplu z reaktoru účinnost pod 30 % (kvůli bezpečnosti používají poměrně nízkou teplotu páry), větrné pod 30 %, pokud uvažujeme nutnou vzdálenost mezi vrtulemi a tím ztracenou energii větru, fotovoltaické mezi 10 a 20 %, v průměru však méně. Pokud k tomu připočteme ztráty při rozvodu (kolem 5 %, pokud není síť špičkovým přenášeným výkonem z obnovitelných zdrojů přetížena), nutnou akumulaci nebo zálohování obnovitelných zdrojů za cenu udržování „teplé rezervy“ a ztráty při různě rychlém nabíjení, přenášíme na kola elektrických vozidel jen několik procent z výchozího zdroje.

Účinnost jako fyzikálně dobře definovaný pojem má však zásadní nevýhodu – srovnáváme nesrovnatelné primární zdroje z hlediska ceny i z hlediska zatížení životního prostředí odpadními látkami a energiemi, k nimž je zapotřebí připočítat i tepelné znečištění atmosféry, hluk a vibrace v okolí zdroje atd. Ani sluneční záření, vítr nebo vodní energie nejsou zadarmo. Pro jejich využití je zapotřebí mohutně investovat (u přehrad je to samozřejmě dávno známo, ale stejně je tomu u fotovoltaiky i větrných elektráren). Zvyšování „účinnosti“ vynaložených financí je žádoucí nejen z čistě finančního hlediska, protože každá výroba zařízení o vysoké ceně a nízkém výkonu znamená i zatížení životního prostředí spotřebou materiálů a energií pro jejich výrobu a současně otázku recyklace nebo likvidace po ukončení životnosti. To se již nyní projevuje u baterií, kde celkové emise elektromobilu je nutno zvýšit o rozpočítané emise z výroby – zejména v Číně s její uhelnou energetikou jde o velmi významnou položku. U větrných elektráren jde o ocel, beton a energeticky náročné, ale velmi obtížně recyklovatelné lamináty z desítky metrů dlouhých lopatek. U fotovoltaiky o energeticky značně náročnou výrobu křemíku a dalších materiálů.

Zatím se evropské orgány brání propočtům emisí z celého životního cyklu vozidel, ale doba na ně nyní přichází. V USA je tento propočet sledován z pozic ministerstev Department of Energy a Environmental Protection Agency už delší čas (je jím pověřena například Argonne National Laboratory) a vede k malému nadšení z elektromobility, naopak k podpoře vodíkových technologií. Neprovádět tento výpočet, a to se zvážením energetického mixu u hlavních („levných“) dodavatelů typu Číny, je prostě pokrytectví.

Věnujete se těmto otázkám anebo jiným otázkám spojeným s elektromobilitou i v Centru kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka? Co je úlohou tohoto Centra?

Začněme s úlohou Centra. Má dva hlavní směry činnosti – výzkum nových nebo podstatně modifikovaných způsobů pohonu vozidel a rozpracovávání inovací prostřednictvím experimentální a simulační optimalizace. K tomu pomáhá centrem zavedená úzká spolupráce mezi oblastmi silničních a terénních vozidel na straně jedné a kolejových vozidel na straně druhé, jimiž se Centrum zabývá. Není třeba zdůrazňovat, jak pokročil obor kolejových vozidel v elektrifikaci – byť především zprostředkované kontinuálním zásobováním vozidla z trakčního vedení, ale i pomocí elektrických přenosů výkonu ze spalovacího motoru – i jak naopak lehká stavba, hluboce rozvinutá dynamika silničních vozidel a rostoucí elektronizace a mechatronizace prvků hnacích jednotek a podvozků přispěla ke zvládnutí konstrukce vysokorychlostních vozidel v kolejové dopravě. Další vazby existují v optimalizaci řízení jízdy vozidla jak pro úsporu trakční energie, tak v souvislosti s autonomním řízením i se zajišťováním sdílené mobility nebo „mobility na vyžádání“, mobility lidí i nákladů jako služby.

Pro oba zmíněné hlavní směry je velmi důležitý i výzkum a vývoj nových metod návrhu vozidel a jejich hnacích jednotek, který jednak zrychluje přípravu nových výrobků prostřednictvím digitálních dvojic výrobků, tedy vývojem ve virtuální realitě podpořené cílenými experimenty, jednak umožňuje na základě kvantitativního ohodnocení (tedy srovnáním číselných hodnot) včas posoudit potenciál nových řešení. K objektivnímu posouzení je totiž obvykle nutné provést optimalizaci, aby bylo jisté, že žádná ze slibných možností nového řešení nezůstala nevyužita. Na druhé straně takto hluboká analýza často odhalí i slabiny „revolučních“ nápadů. Ale i prozkoumání slepých cest patří k důležité části inženýrské činnosti, neboť šetří náklady vynaložené na případnou výrobu a vývoj výrobku nebo systému služeb (jako jsou různé úrovně sdílených vozidel), který nemůže dosáhnout předpokládaných účinků. Využíváme svou dlouhodobou spolupráci s globálně vedoucí softwarovou firmou v oblasti hnacích jednotek –Gamma Technologies LLC z USA.

Elektromobilitou se samozřejmě zabýváme ve spolupráci akademických institucí (ČVUT v Praze, ZČU v Plzni, Škoda Auto, Škoda Electric, Škoda Transportation, SIemens, EatonEuroepanInnovation Center, TÜV SÜD Czech ad.) s ohledem na celá vozidla (např. zvyšování dojezdu optimalizací spotřeby energie, optimalizace konfigurací a úrovně hybridizace i řízení hybridních vozidel pro minimalizaci spotřeby atp.) i na komponenty a jejich použití v hnacích jednotkách (elektromotory, frekvenční měniče, otopné a klimatizační systémy, chladicí systémy a další příslušenství hnacích jednotek). Jde přitom o jak v Evropě jednostranně podporované akumulátory, tak o využití vodíku jako akumulátoru energie pro nízkoteplotní palivové články nebo – minimálně v přechodném období – pro vícepalivové spalovací motory. V těchto oblastech navazujeme na svou účast v evropských projektech Horizon 2020 a v dalších národních projektech.

Zmiňujete se tedy i o alternativách jak ke spalovacím, tak elektrickým motorům. Vyskytuje se mezi nimi nějaká taková, která by mohla představovat odpověď na výzvu, již představují ztenčující se zásoby fosilních paliv, ale i problémy spojené s naprostým spolehnutím se na elektromobily?

Přirozeně existuje více alternativ. V prvé řadě jsou to hybridní pohony, které se snaží spojit výhody obou druhů pohonu. Nejde jen o plug-in hybridy, které jsou dnes „tolerovány“ předpisy EU, ale i o další druhy hybridů: mild-hybridy, dnes již velmi časté, které sice poskytují malé snížení spotřeby a emisí, ale mají cenu velmi blízkou klasickému automobilu; full-hybridy mají dojezd na elektřinu v řádu několika km (což obvykle stačí na průjezd obcí nebo dojezd do centra města), ale dokážou plnit současný limit 95 g CO₂/km, vystačí s malou baterií cca 1,5 kWh vážící jen několik desítek kg, a co je důležité, podobně jako mild-hybridy nepotřebují žádnou dobíjecí infrastrukturu, s elektřinou si hospodaří samy. Dobíjecí plug-in hybridy mají dojezd v desítkách km a potřebují baterii s kapacitou 10 až 15 kWh, vážící menší stovky kg. Jejich reálné emise pak silně závisí na tom, jak často řidič dobíjí a využívá elektřinu pro jízdu. Pro srovnání: bateriové elektromobily potřebují baterii s kapacitou 30 až 100 kWh, vážící až 700 kg. Často se uvádí, že elektromotor je jednodušší a lehčí než spalovací motor. Ale baterie je podstatně složitější a těžší než palivová nádrž. Je nutné posuzovat hnací ústrojí jako jeden celek, a ne jenom jednu jeho část.

Palivové články jsou do budoucna velkým příslibem, ale vyžadují další vývoj, hybridní uspořádání kvůli dynamice jízdy (potřebují tedy malý akumulátor), infrastrukturu a zdroje obnovitelného paliva, jímž se jeví pro vozidlové použití jen velmi čistý vodík. Na rozdíl od baterií nejsou energeticky příliš náročné při výrobě, zatím však potřebují katalyzátor s drahými kovy (platina). V budoucnosti budou využívány zvláště pro těžká vozidla. Dnes již existují vlaky poháněné vodíkem a vozidla s tímto druhem pohonu jsou již v malosériové výrobě, problémem je stále vysoká cena a zdroje čistého vodíku.

Jinou alternativou jsou různá paliva obsahující menší či větší podíl biosložky, stlačený (CNG) či zkapalněný (LNG) zemní plyn, nadějné je přidávání vodíku do klasických paliv. Klasická paliva mohou být v budoucnu nahrazena syntetickými palivy, vyráběnými ze vzdušného CO₂. Nevyžadují žádnou novou infrastrukturu. Na jejich vývoji se již pracuje, cena je zatím vysoká.

Vedle samotných pístových spalovacích motorů, které jsou velmi pružné co do použitého paliva nebo dokonce kombinace paliv (např. motorová nafta nebo petrolej a zemní plyn nebo vodík u varianty se vznětem zapalovacího kapalného paliva, zemní plyn nebo vodík s intenzifikací zážehu zapalovací komůrkou, atp.), a zmíněných variant elektrických pohonů (z kapacitně omezeného akumulátoru nebo dojezdem i dobou plnění zásobníku prakticky neomezeného palivového článku) se pak nabízí a využívá kombinace s různým stupněm hybridizace.

Na palubě vozidla není při použití chemické energie „v nádrži“ jiná volba než mezi spalovacím motorem a palivovým článkem. Velmi důkladné zhodnocení ostatních druhů spalovacích motorů (parní stroje a turbíny, spalovací turbíny, Stirlingův motor atd.) vylučuje z těchto klasických pohonů každý jiný než pístový spalovací motor, a to kvůli jeho– ve srovnání s uvedenými druhy  –  bezkonkurenčně vysoké účinnosti při nízké ceně a nízké hmotnosti celého systému (motor, zásobník energie, chladicí systém spojený s otopným systémem vozidla, systém pro zneškodňování zdraví škodlivých emisí). Problém zdravotně škodlivých emisí je u spalovacích motorů vyřešen, pokud existuje účinný státní dohled nad jejich dodržováním.

Schůdné revoluční varianty nejsou dosud známy s výjimkou pohonu vozidla lidmi či zvířaty a samozřejmě pomocí vyloučení či podstatného omezení mobility nebo její lepší organizací, což je téma na samostatný článek. Co se humánní trakce týče, je to asi zdravé (cyklistika), ale nemožné pro celý objem mobility osob z hlediska celoročního a celozemského využití jak pro závislost na počasí a nízkou pasivní bezpečnost, tak energeticky (nároky na potraviny a tím zemědělství) a časově. Cesta by vedla omezením naší současné rozmařilosti z hlediska rozsahu individuální mobility, ale to jde zřejmě proti přirozenému vývoji lidstva.

Přímé využití obnovitelných zdrojů známe z moře, ale plachetní vozy asi řešení nepředstavují – stejně jako velkou plochu zabírající a na stín citlivá fotovoltaika. Další vize (letecká doprava, drony pro nákladní dopravu, podtlaková doprava v potrubí –  hyperloop atp.) vůbec neberou v úvahu energetické hledisko, v případě nutnosti budování paralelní infrastruktury ani investiční a ekologické požadavky (tam patří hyperloop i elektrifikované dálnice).  

Zároveň je zapotřebí smířit se se zdražováním vozidel, neboť všechny alternativní technologie jsou nákladné. Je ovšem velmi důležité umožnit nabídku nejpřijatelnější kompromisní varianty, neboť zákazníci hlasují peněženkou s uvážením užitné hodnoty vozidla, která může být velmi ovlivněna neoperativností bateriového pohonu, zejména při nerovnoměrném využití vozidla (dlouhé cesty nepravidelně střídané s pojížděním po městě) i velmi vysokými servisními náklady na provoz akumulátorového vozidla, pokud do nich oprávněně započteme servis a výměnu baterií. Jen prodané a správně využívané vozidlo může přispět ke snížení emisí skleníkových plynů!

Jako ve většině úspěšných koncepcí v dějinách se i tady zřejmě uplatní kompromis vysoce účinného hybridního vozidla, nikoli černobílé řešení jednoho, spíše ideologicky než technicky zdůvodněného řešení. Už nyní se ve světě jasně ukazuje, že to nemohou být pouhé akumulátory, výhodné jen pokud za zdroj elektřiny považujeme zásuvku a nestaráme se o to, kolik skleníkových plynů emitovala Čína při výrobě „levných“ akumulátorů (lithium, kobalt) a dalších komponent elektrických systémů, zejména spojených s prvky vzácných zemin – lanthanidů. I v dalších zemích jde o důsledky masového používání hliníku místo oceli ve stavbě karoserií pro úsporu hmotnosti, zvýšené spotřeby mědi, niklu a manganu. Na rozdíl od zdraví škodlivých emisí, které mohou lokálně silně zatížit životní prostředí v okolí těžby surovin a výroby (což nás nezajímá?), působí skleníkové plyny zcela jistě globálně! Problém skleníkových plynů se musí posuzovat komplexně, tedy včetně výroby vozidla a paliva, resp. energie k jeho pohonu.

Jen bychom rádi opravili katastrofický scénář o „tenčících se zásobách“ fosilních paliv. Jejich zásoby jsou určitě omezené, ale na rozdíl od vizí brzkého konce energetických zdrojů předpovídaných ještě kolem přelomu tisíciletí je dnes jasné, že jak kapalných, tak plynných fosilních paliv máme díky novým technologiím těžby na menší stovky let. I tady však platí, že rozmařilost je uhrazována vyššími náklady...

Mají automobily se spalovacím motorem ještě nějakou budoucnost?Pokud ano, jak bude vypadat?

Spalovací motory budou ještě dlouho sloužit, ať již jako jediný zdroj výkonu, nebo jako součást hybridních pohonů. Svět je nezavrhuje a většina výrobců automobilů je dále vyvíjí. V mnoha zemích k nim není dostupná náhrada. Zcela nezbytné jsou pro nákladní vozidla, kde bateriový pohon je nevyhovující, neboť těžké baterie vyčerpávají podstatnou část jejich nosnosti. Výjimkou je Evropa, která sází na elektromobilitu jako jedinou správnou cestu. Historie učí, že každá orientace na jediné řešení (ať již to byl Ford T, VW Brouk, nebo třeba tramvaje T3 z ČKD) vždy vedla ke ztrátě pozice na trhu a k dalším problémům. Budoucnost vidíme v diverzifikaci různých druhů pohonů, každý z nich by měl být používán v té oblasti, kde je nejvýhodnější. Současné evropské předpisy to však nerespektují.

Zatím není z důvodů nahoře uvedených jasné, co může spalovací motor plně nahradit – pokud nepředpokládáme drastické regulatorní omezení mobility osob a nákladů, které asi nebude ani ekonomicky, ani politicky průchozí. Jistě lze očekávat a přivítat rozšíření elektrických vozidel pro městskou lokální osobní – hromadnou, zčásti individuální i nákladní (dodávkovou) dopravu. Ani nejoptimističtější scénáře pro rok 2050 však nepředpokládají snížení podílu spalovacích motorů na celkovém zajištění trakční energie pod 60 %! Převážně jde o motory nákladních automobilů a hybridní pohony elektrifikovaných osobních vozidel.

Spalovací motor může být snadno poháněn syntetickým palivem, k jehož výrobě se použije energie z obnovitelných zdrojů. To souvisí se zmíněnou palivovou pružností. Samozřejmě je celková účinnost výrobního řetězce od obnovitelného zdroje na kola vozidla o něco nižší než v případě přímého nabíjení akumulátoru z obnovitelného zdroje. Zde je však problém časové nekoordinace nabídky a poptávky. Jakmile však do elektrického řetězce od obnovitelného zdroje vložíte další vyrovnávací akumulátor (bateriové úložiště), klesne celková účinnost o cca jednu pětinu až čtvrtinu. Pomalé nabíjení a vybíjení má účinnost cca 90 %, tedy obě fáze procesu samy o sobě snižují účinnost o cca 20 %; ve skutečnosti je zapotřebí akumulovat také rychleji a účinnost pak klesá více. Pak varianta s jinak akumulovanou energií – syntetickým palivem – začne být konkurenceschopná i z úzkého pohledu jen energetiky provozu.

Přitom jde navíc o výstavbu velmi nákladné infrastruktury pro pomalé i rychlé nabíjení, která u syntetických kapalných paliv odpadá. U plynných paliv je již infrastruktura vybudovaná do značné míry pro zemní plyn nebo bioplyn. U vodíku samozřejmě tento argument není použitelný –infrastrukturu je také nutné vybudovat, ale mezi výhody patří stále rychlé tankování paliva, nedosažitelné u baterií ani při podstatném navýšení výkonu nabíjecích stanic.

U syntetických paliv také nevznikají při rychlém tankování velké energetické ztráty. Naproti tomu účinnost rychlonabíjení je běžně pod 70 %, ale při opravdu rychlém nabíjení v řádu minut klesá i pod 50 % („zaplatím litr benzinu, ale v nádrži mám půl litru“) a poškozuje navíc životnost baterie.

Proto nemáme o budoucnost spalovacích motorů obavy. Motory však budou poháněny částečně syntetickými palivy (v přechodném období i zemním plynem), budou vybaveny velmi dokonalým emisním systémem i prediktivním řízením a velká část jich poběží v hybridních hnacích jednotkách, kde se odstraněním provozu při nízkém zatížení jejich provozní účinnost přiblíží jejich daleko vyšší jmenovité účinnosti.  

Zmínili jste se, že se elektromobilitou zabýváte i na FS ČVUT. Je tento fenomén rovněž předmětem výuky, a pokud ano, jak taková výuka probíhá?

V Ústavu automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel FS ČVUT probíhá již několik let výuka předmětu Hybridní pohony, který zahrnuje nejen hybridy, ale i bateriové elektromobily. Rovněž v dalších předmětech jsou alternativní pohony zmiňovány. Snažíme se poskytnout studentům co nejobjektivnější informace o výhodách i nevýhodách různých druhů pohonů. V přednáškách a v laboratorních cvičeních spolupracujeme s kolegy z Elektrotechnické fakulty, kteří dávají studentům podrobnější informace o elektrických komponentech pohonů. 

Na téma hybridních a elektrických pohonů studenti zpracovávají jednotlivé projekty i závěrečné diplomové a disertační práce včetně náročných simulačních výpočtů a vyhodnocování měření v laboratořích fakulty. Mají i možnost zapojit se do prací na řešení úkolů v rámci různých evropských projektů a stáží na jiných univerzitách, kde se vyučuje obdobná problematika.

Děkuji vám za rozhovor i celoroční velmi obohacující spolupráci na seriálu.