DIMENZE UDRŽITELNOSTI: K elektromobilitě je nutné přistupovat pragmaticky

Přestože je emisními předpisy dlouhodobě vyvíjen tlak na vývoj spalovacích motorů a snižování emisí CO₂, které řadu let klesaly, tento pokles se v posledních třech letech zastavil a v letech 2017 až 2019 došlo k jejich mírnému nárůstu. To je přičítáno jednak oblibě SUV vozidel, která zpravidla mají vyšší hmotnost a tím i vyšší spotřebu a dále neuváženému tažení proti vznětovým motorům, které obecně mají nižší emise CO₂ než motory zážehové.

Obr. 1 Vývoj emisí CO₂ v Evropě [1]

 

Přitom základním problémem emisních předpisů je skutečnost, že se zabývají jenom emisemi vznikajícími při jízdě vozidla a zcela pomíjejí skutečnost, že emise vznikají při výrobě paliva (ať již benzínu, nafty, biopaliva nebo elektřiny), rovněž i při výrobě baterií a při výrobě a údržbě zařízení pro produkci elektřiny z obnovitelných zdrojů. Často se argumentuje nižší cenou elektrické energie, která však dosud není v ČR zatížena spotřební daní.

Pokud tedy dojde k náhradě automobilů elektromobily, bude nutné potřebné množství elektřiny a baterií někde vyrobit. Současně bude nutné vybudovat potřebnou infrastrukturu k distribuci energie a dobíjení elektrických vozidel. Při současném malém počtu elektromobilů se mnohé otázky jeví jako banální nebo snadno řešitelné, mohou však mít zásadní vliv, pokud dojde k  hromadnému rozšíření vozidel s elektrickým pohonem.

Dále uvedené úvahy shrnují analýzy v [2] a [3], týkající se náhrady osobních automobilů pro individuální přepravu na základě [4]. Lze je samozřejmě zredukovat na menší podíl těchto vozidel, který bude i při optimistickém odhadu v roce 2030 o skoro dva řády nižší.

Ze spotřeby všech výše uvažovaných automobilů s benzinovým a naftovým pohonem v roce 2016 byla se znalostí simulovaných měrných spotřeb pohonu spalovacími motory i elektromotory (včetně účinností nabíjení, vybíjení a rekuperace) a za předpokladu stejné spotřeby energie pro jízdu propočtena spotřeba energie na vstupu do baterií pro pohon elektromobilů nahrazujících uvažované automobily asi 57 000 TJ = 15 833 333 333 kWh za rok (přičemž 10 kWh = 36 MJ téměř přesně odpovídá 1 l současné biopalivem dotované nafty B7). Spotřebu pro vlastní jízdu (trakci) je nutno zvýšit ještě o spotřebu na topení při různých venkovních teplotách, což činí +24% při teplotě okolí 0°C a 64% při teplotě okolí -20°C (Nissan Leaf [5]). Porovnáním s průměrnými teplotami v ČR vychází celkový faktor zvýšení spotřeby asi 11%, takže celkem lze pro nabíjení počítat se spotřebou asi 64  000 TJ.

Zdroje elektrické energie a její zajištění

V případě hromadného rozšíření elektromobilů bude tuto energii nutné vyrobit navíc k současné spotřebě. Ve dvou blocích jaderné elektrárny Temelín se v roce 2016 vyrobilo 12,149 TWh [6], tj. cca 44 000 TJ elektřiny. Pro představu to znamená, že celková potřebná energie pro nabíjení uvažovaných elektromobilů za rok odpovídá zhruba 1,5násobku produkce JE Temelín za rok. Spotřeba energie pro nabíjení není ovšem rozložena na celých 24 hodin denně, takže potřebný výkon i pro pomalé noční nabíjení je vyšší, jak uvidíme dále.

Protože elektrická energie je vyráběna jinde než v místech, kde bude spotřebována k nabíjení elektromobilů, je nutno vzít v úvahu ztráty v distribuční síti. Z údajů Energetického regulačního úřadu je účinnost přenosu elektřiny sítí v ČR v roce 2016 [7] cca 95%. Kromě ztrát v síti nutno přičíst i vlastní spotřebu elektrárny, které odpovídá účinnost podle stejného zdroje 93%. Celkově by bylo nutno pro nabíjení elektromobilů (bez uvážení zvýšených ztrát při případném rychlonabíjení) vyrobit ročně cca 72 000 TJ, což je asi 20 000 000 MWh za rok.

Otázkou tedy je, kde získat tuto energii, která je nad rámec současné spotřeby energie v ČR. Obvyklá odpověď zní „z obnovitelných zdrojů“. Za tyto obnovitelné zdroje můžeme počítat vodu, vítr a slunce.

Voda: Možnosti výroby elektrické  energie z vodních toků jsou již v ČR do značné míry vyčerpány a možné lokality pro stavbu dalších přehrad a hydroelektráren narážejí na nesouhlas ochránců přírody a místních obyvatel.

Vítr: Celkový instalovaný výkon větrných elektráren v ČR byl  v roce 2016 podle ERÚ [7]  282 MW, ale roční výroba dosáhla pouze  1 789 TJ, tj. 496 957 MWh z důvodu nestálé velikosti větru.  Pak koeficient využití instalovaného výkonu větrných elektráren je cca 20%, jak plyne z faktu, že rok má 8 760 hodin. Další cenné údaje, realisticky posuzující možnosti, uvádí [8].

Vezmeme-li v úvahu větrnou turbínu VESTAS V90 s instalovaným výkonem 2 MW a průměrem rotoru 90 m [9], pak každá taková turbína může za rok vyrobit cca 13 TJ energie. Těchto běžných turbín by bylo zapotřebí 5 700, pokud bychom nesáhli k větším 5 MW provedením. Tam je však celková výška stroje kolem 150 m a jeho účinky na okolí (vibrace a nízkofrekvenční hluk) tomu odpovídají. Při doporučovaném vzájemném odstupu rovném 10násobku průměru rotoru by turbíny VESTAS V90 zabraly plochu cca 4500 km². To se pro představu rovná přibližně ploše Pardubického kraje nebo téměř 9násobku rozlohy Prahy.

Obr. 2 Rozloha krajů v ČR: Praha 496 km², Pardubický kraj 4519 km²

 

Sluneční energie: Celkový instalovaný výkon fotovoltaických elektráren v ČR byl  v roce 2016 podle ERÚ  2067,9 MW, ale roční výroba dosáhla pouze  2 131 455 MWh z důvodu proměnlivosti slunečního svitu.  Pak koeficient využití fotovoltaických elektráren je pouhých 12 %. Uvažujeme-li např. použití solárních panelů GWL/Sunny Poly o špičkovém výkonu 270 W a rozměrech 1,65 . 1 m [10], bude množství energie vyrobené jedním tímto panelem cca 0.001 TJ a bylo by zapotřebí 72 miliónů panelů. Při instalaci panelů na rovině, doporučeném sklonu 35° a rozestupu cca 7 m zaberou plochu cca 505 km², což se přibližně rovná ploše Prahy. Jelikož není vhodné instalovat sluneční elektrárny na zemědělsky využitelné půdě, je otázkou, zda je k dispozici např. dostatečný počet střech použitelných pro instalaci těchto panelů, čímž se ovšem zabere daleko větší plocha, do níž bude zapotřebí instalovat potřebnou infrastrukturu.

 

Potřebný výkon

Spotřeba energie elektromobily nebude rovnoměrně rozložena v čase, v zimních měsících bude vyšší o energii na vytápění vozidel. Nejvyšší spotřeba teoreticky nastane v lednu, kdy spotřeba vzroste o cca 36%. Pokud budou všechny elektromobily v lednu v provozu, bude  potřeba vyrobit energii cca 8000 TJ za tento měsíc. Mimo rozsah tohoto článku necháváme zřejmý fakt o nejistotě zajištění obnovitelné energie v potřebný čas. Nutnost provozu teplé zálohy jiných zdrojů je dalším zhoršením energetické bilance takového systému.

Rovněž lze předpokládat, že elektromobily nebudou nabíjeny rovnoměrně během celého dne, ale budou nabíjeny zejména v noci, tj. v intervalu 8 hodin. Během tohoto intervalu bude ze sítě odebírán výkon třikrát větší než při rovnoměrně rozložené spotřebě, což při 31 dnech dává cca 9 000 MW. Je zřejmé, že takový výkon by zajistilo přídavných 9 bloků velikosti bloku JE Temelín. Předpoklad 8 hodin a rovnoměrného využití automobilů během pracovních dnů i víkendů a svátků je ještě velmi optimistický, ovšem část vozidel se na druhou stranu nabije přes den, ovšem se ztrátami a s přitížením sítě ve špičkách.

 

Emise

Nespornou předností elektrických pohonů vozidel je eliminace oxidů dusíku NOx a částic PM, pocházejících z výfukových plynů automobilů se spalovacím motorem, emitovaných ve městech v přímém kontaktu s obyvateli. I když dnes dostupné technologie dokáží množství těchto škodlivých látek snížit na minimum (pokud se nelegálně neobcházejí úpravami vozidel), jejich úplné odstranění by zlepšilo ovzduší zejména ve městech. Tepelné elektrárny však také emitují jak částice, tak oxidy dusíku, byť po čištění spalin rovněž ve velmi omezeném množství.

Nicméně aktuálně problematickou a sledovanou složkou výfukových plynů jsou skleníkový efekt způsobující a zdraví neohrožující plyny, z nichž nejvíce produkovanou složkou je  oxid uhličitý CO₂. Ostatní skleníkové plyny, emitované provozem vozidel, jako např. metan, se přepočítávají na ekvivalentní množství CO_2eq. Za nesplnění  limitů skleníkových plynů budou automobilky platit pokuty 95 EUR za každý gram navíc nad limit přepočtených průměrných emisí CO₂ násobený počtem prodaných vozidel. Tyto pokuty mohou být pro výrobce až likvidační.

CO₂ je přirozenou součástí atmosféry (dnes kolem 0,04%) a v běžných množstvích není zdraví škodlivý. Je mu však připisován významný podíl na globálním oteplování. Naprostá většina CO₂ pochází z přírodních zdrojů, pouze asi 3% až 5% pochází z lidské činnosti, i když tento podíl pomalu roste. Z této části největší podíl tvoří výroba elektrické energie, průmysl a domácnosti, na dopravu připadá v Evropě 27% [11] a z nich zhuba 3/4 tvoří silniční doprava. Údaje z jednotlivých zdrojů se poněkud liší, avšak z výfuků automobilů zřejmě vychází méně než 1% z celkové produkce CO₂ ve světě. Uvážíme-li, že podíl Evropy na celosvětové tvorbě CO₂ je necelých 10 % [12], pak náhrada všech osobních vozidel v Evropě elektromobily způsobí změnu celkové produkce  CO₂  o méně než promile!

V absolutních číslech je množství CO₂  úměrné množství spáleného benzinu a nafty – [15], nebo [13] s použitím [14]. Vychází pro srovnávací rok 2016 v ČR 11 000 kt/rok TTW[1], asi 13 000 kt/rok WTW[2].

Pokud dojde k náhradě zde uvažovaných automobilů elektromobily, výše uvedené emise CO₂ zmizí. Pro provoz elektromobilů však bude nutné vyrobit 72 000 TJ elektrické energie. Množství vyprodukovaných emisí  oxidu uhličitého při výrobě elektřiny lze spočítat jako součin vyrobené energie a emisního faktoru ef_co2 = 0,52 t_co2/MWh  (Obr. 3), který je pro energetický mix ČR uváděn v [16] s odvoláním na statistická data Mezinárodní energetické agentury. Možno podotknout, že data pro poslední dobu nejsou příliš odlišná, spíše o něco horší, stejně jako v Německu. Za rok 2016 by výroba elektrické energie pro elektromobily vyprodukovala cca 10 400 kt skleníkových plynů přepočtených na ekvivalentní množství oxidu uhličitého. Z tohoto pohledu by tedy při uvažované náhradě automobilů elektromobily došlo k roční úspoře emisí CO₂ o cca 19%.

Obr. 3 Mezinárodní srovnání (vypočtených) emisních faktorů CO₂ pro elektrickou energii z r. 2015 (hodnoty ČR i Německa 2019 jsou mírně horší)

 

Z hlediska globálního oteplování je lhostejné, zda oxid uhličitý je vyprodukován z výfuků automobilů ve městě, nebo z komínu elektrárny vzdálené např. 100 km nebo dokonce v jiné zemi. Proto je potřeba k emisím vznikajícím při výrobě energie potřebné pro provoz elektromobilů připočítat i jednorázové množství emisí vznikajících při výrobě baterií a vozidla.

Podle zdroje [17], odvolávajícího se na analytickou společnost Berylls, dojde v Norsku k vyrovnání emisí CO₂ mezi automobilem se spalovacím motorem a elektromobilem po ujetí 43 000 km. Protože energie pro provoz elektromobilů je v Norsku téměř čistá (Obr. 4), musí se emise vztahující se k elektromobilům týkat fází před provozem, t.j. zejména výroby baterií. Tyto údaje jsou s menším rozptylem potvrzeny dalšími studiemi  [18].

 Obr. 4  Ujetá vzdálenost v tisících km, než se vyrovnají celkové emise elektromobilu a automobilu se spalovacím motorem

 

Doba do vyrovnání výrobních emisí menšími emisemi v provozu závisí na typu automobilu a jeho palivu. Např. pro VW Golf (obr. 4) bylo dle uvedených pramenů  zjištěno, že u benzinového motoru je kilometrický proběh pro vyrovnání emisí proti bateriové verzi cca 130 000 km, u naftového motoru 220 000 km, u hybridu mezi 150 000 a 250 000 km podle využívání spalovacího motoru.

Životnost baterie je přitom mezi 150 000 až 200 000 km podle toho, s jak velkým snížením dojezdu se stárnutím baterie se zákazník spokojí. Pak se musí baterie vyměnit, což emise skleníkových plynů znovu navýší o počáteční hodnotu výroby baterie.

V daném případě byla baterie dimenzována na poměrně malý dojezd cca 150 000 km (bez topení a bez započtení snížené kapacity v zimě), takže lze očekávat, že proti elektromobilu by byl o něco méně výhodný jen benzinový pohon. Ostatní řešení jsou z hlediska skleníkových plynů výhodnější než v Evropě zbožněný elektromobil! U větších vozidel (SUV) a požadovaných větších dojezdů (tj. větších baterií) je situace ještě více nakloněna všem jiným řešením než elektromobilu, zejména při použití syntetických paliv z obnovitelných zdrojů.

Je nežádoucí vyrábět elektrickou energii v tepelných elektrárnách, které produkují značné množství CO₂. S ohledem na výše uvedené možnosti výroby potřebného množství energie z obnovitelných zdrojů je prakticky jedinou alternativou nezatěžující přírodní prostředí emisemi jaderná energie.

 

Spotřeba a dojezd elektromobilů

Nejvíce sledovanými parametry u elektromobilů je jejich dojezd na jedno nabití a čas nabíjení. Tyto údaje jsou často udávány nepřesně a bez odkazu na způsob jejich zjištění. Jmenovitý dojezd a spotřeba se měří v standardizovaných cyklech podle předepsané metodiky (nyní v Evropě WLTP). Skutečný dojezd je ovlivněn mnoha faktory, např. druhem provozu, stylem jízdy řidiče, topením ve vozidle apod., a je zpravidla nižší než jmenovitý dojezd. Příklad udává následující tabulka [19]. Další výrazný vliv na dojezd má topení, jak uvedeno vpředu. Jakákoliv hodnota dojezdu bez udání podmínek měření má malý vypovídací význam.

 

Jmenovitý dojezd	Dojezd ve městě	Dojezd na dálnici	Dojezd v zimě bez topení -3°C, sníh na silnici
200 km	cca 150 km	cca 130 km	cca 100 km

Příklad běžných dojezdů elektromobilem VW Golf první generace [19]

 

Jak zjistil britský magazín What Car? při praktické zkoušce, reálně na jmenovitý dojezd nedosáhne ani jediný vůz ze současné nabídky elektromobilů [20]. Reálné spotřeby jednotlivých vozidel se pohybovaly mezi 15 až 25 kWh/100 km (Tesla Model X ještě více). Konkrétní dojezdy jsou pak výrazně ovlivněny velikostí baterie. U baterie se obvykle udává její jmenovitá kapacita, ale důležitá je její využitelná kapacita, která je menší. Moderní lithiové baterie nelze zcela vybít, řídicí systém baterie ohlásí stav nabití na nule, když v baterii zbývá ještě cca 10 až 15% energie a další vybíjení již nepřipustí.

To bylo plně potvrzeno i podrobnými propočty různých zlepšení současně vyvíjených vozidel s elektrickým pohonem. Výrazné zvýšení dojezdu je možné jen „hrubou silou“, tedy instalací větší a těžší baterie. Tím ovšem vzrůstají jízdní odpory, takže dojezd není úměrný vyšší kapacitě, a hlavně roste měrná spotřeba energie. U vozů Tesla se dnes dostáváme na WTW hodnoty, srovnatelné s (podstatně lehčími) vozidly na fosilní paliva, totiž ke 35 kWh/100 km.

Budeme-li požadovat reálný dojezd 300 km, což je v současné době dostupná hodnota, pak musí být:

Baterie s kapacitou 50 kWh přitom váží s potřebným příslušenstvím nejméně kolem 300 kg, baterie s kapacitou 85 kWh váží 600 – 650 kg [22], tedy daleko více, než je běžný přepravovaný náklad u osobního automobilu a jeho posádky.

Většina současných elektromobilů takto velké baterie nemá. Nejvyšší reálný dojezd 417 km podle výše uvedeného testu [20] má Hundai Kona Electric s kapacitou 64 kWh. Navíc je třeba si uvědomit, že rychlonabíjecí stanice zpravidla končí nabíjení při 80% stavu nabití baterie. Příčinou je výrazně rostoucí odpor při stavu nabití baterie   (SOC)  blížícím se 100% (obr. 5),  který zvyšuje ztráty při dobíjení a výrazně prodlužuje čas do plného nabití. Pokud by tedy vozidla byla závislá na dobíjení v rychlodobíjecích stanicích, byla by potřebná velikost baterií ještě o cca 20% vyšší. S velikostí baterie ovšem roste i její váha a cena. Současné realistické hustoty energie se pohybují mezi 0,15-0,23 kWh/kg s životností kolem 150 000 km při poklesu kapacity do 70% a se zvážením hmotnosti celé baterie s nutným chlazením, které musí zajistit teploty pod 50°C i v létě a při odběru nebo přívodu velkého výkonu. V literatuře se samozřejmě vyskytují daleko optimistější údaje (i přes 0,3 kWh/kg), ale pak jde o reklamní údaj energetické hustoty jednoho článku nebo článku omezené životnosti [5].

 

Dobíjení

Obecně lze možnosti dobíjení baterií rozdělit do 3 kategorií:

Rychlé dobíjení probíhá stejnosměrným proudem u veřejné rychlodobíjecí stanice nebo u pouličního dobíjecího stojanu a v závislosti na typu může být v širokém rozsahu výkonů cca od 20 kW do 150 kW (extrémě až 350 kW s kapalinou chlazenými kabely, zasunovanými do vozidla robotickým ramenem). Na výkonu dobíjecí stanice závisí čas dobíjení, čím je výkon vyšší, tím je čas kratší. Je přirozeně snahou čas dobíjení co nejvíce zkrátit. Avšak s rostoucím výkonem při daném napětí roste dobíjecí proud a s jeho druhou mocninou rostou ztráty při dobíjení. Ztrátová energie se mění na teplo a z toho důvodu je dobíjecí výkon omezen dovoleným ohřátím vodičů a baterií, které  je nutné při dobíjení chladit a v průběhu dobíjení musí být velký výkon snižován. Z toho důvodu nelze čas dobíjení počítat poměrem uložené energie a výkonu dobíječky, jak se často chybně uvádí.

Pomalé dobíjení je střídavým proudem z běžné zásuvky, třífázové zásuvky nebo nástěnné dobíječky, tzv. wallboxu. Vlastní dobíječka je ve vozidle a mění střídavý proud na stejnosměrný, kterým dobíjí baterii. Dobíjecí výkon je však vždy omezen výkonem dobíječky ve vozidle, použití výkonnějšího zdroje čas dobití nezkrátí. Malým výkonem je možné dobíjení až do 100% kapacity baterie bez výrazného prodloužení poslední fáze dobíjení. Kromě toho se pomalé dobíjení doporučuje používat i v případě, že vozidlo bylo dobíjeno na rychlonabíječce. Důvodem je, že při rychlém nabíjení i vybíjení dochází k nestejnému stavu nabití jednotlivých článků, ze kterých se  baterie skládá a při pomalém dobíjení pak dochází k tzv. balancování, tj. dobití všech článků na stejnou úroveň.

Rekuperací se dobíjí každý elektromobil automaticky při zpomalování a brzdění. V některých případech lze úroveň rekuperace (a tím zpomalování rychlosti jízdy) nastavit na více úrovní. V žádném případě však nelze rekuperací vrátit do baterie celou energii, která byla použita pro rozjezd vozidla. Typická hodnota snížení spotřeby rekuperací dosahuje 5% spotřeby bez rekuperace, větší je ve městě a menší na dálnici.

Modelový příklad 1 – byt nebo rodinný dům:

Je-li v blízkosti parkovacího místa elektromobilu běžná elektrická zásuvka, lze z ní dobíjet kterýkoliv elektromobil. V bytech je rozvod střídavého proudu 230 V  a jistič má obvykle hodnotu 16 A. Z toho vyplývá, že lze použít pro dobíjení maximálně výkon 3,7 kW, avšak pokud není současně používán jiný spotřebič s velkým příkonem, např. pračka, trouba nebo rychlovarná konvice, jinak hrozí vypadnutí jističe. Rovněž se nedoporučuje použití zásuvky vzdálené od rozvaděče nebo dokonce prodlužovacích kabelů, neboť jejich odpor zvyšuje ztráty a tedy snižuje nabíjecí výkon, případně hrozí nebezpečí požáru. Dobíjecí čas  z nuly na 100% při výše uvedených využitelných kapacitách baterie 45 kWh a 75 kWh by byl minimálně 12,2 až 20,3 hod.  Pokud bychom chtěli dosáhnout kratšího času, je nutné použít třífázový rozvod elektrického proudu, což v řadě případů znamená podstatný zásah do elekroinstalace domu. Pak je možné použít např.  wallbox s výkonem 11 kW a proudem 16 A, nebo wallbox s výkonem 22 kW a proudem 32 A, kdy budou dobíjecí časy  2,1 až 3,4 hodiny.

Přes tyto relativně dlouhé časy, které lze využít zejména v noci, by měl být tento způsob dobíjení používán přednostně všude, kde je to možné, neboť je nejlevnější jak z hlediska nákladů na elektřinu, tak i nákladů na potřebné investice. Cena domácí dobíječky včetně instalace přijde na několik desítek tisíc Kč [23]. Limitem ovšem bude příkon bytu či domu, závislý na venkovní infrastruktuře (trafostanicích, kabeláži), která by při zapojení většího počtu elektromobilů v dané oblasti musela být rekonstruována!

Modelový příklad 2 – dobíjení u čerpací stanice:

Současné čerpací stanice mají tu výhodu, že u nich lze natankovat rychle, což u dobíjecích stanic neplatí. V tomto případě již musí být použity rychlodobíječky se stejnosměrným proudem a dobíjení omezené na 80% kapacity baterie. Klimatizace vozidla musí udržet teplotu baterie pod 50°C  a účinnost nabíjení klesá pod 70% (zaplatíte tedy víc proti tomu, co vozidlo bude mít v baterii). Standardním výkonem dobíječky je v současné době 50 kW. Dobíjecí čas pak bude podle nabíjené energie mezi 30 min až 1 h, případně více. Uvážíme-li, že čas tankování benzinu nebo nafty včetně zaplacení je přibližně 5 minut, pak čas dobíjení elektromobilu bude 6x až 12x delší. Pokud by tedy došlo k úplné náhradě automobilů se spalovacím motorem elektromobily a tyto by byly závislé na rychlodobíjecích stanicích, pak by na místě běžné čerpací stanice s 8 výdejními stojany muselo být  až 96 dobíjecích míst. Příkon takové dobíjecí stanice by byl bez uvažování ztrát mezi 2,5 až 5 MW, k čemuž se musí vybudovat vysokonapěťová přípojka a transformátor. Navíc, protože rychlonabíjení dobije baterie jen do 80%, bude frekvence dobíjení ještě o cca 20% vyšší a úměrně tomu budou potřeba vyšší počty dobíjecích míst a příkon stanice. Pokud bychom požadovali dojezd 600 km, srovnatelný s dojezdem běžných automobilů na plnou nádrž, byly  by potřebné velikosti baterií a tedy i dobíjecí časy, počty dobíjecích míst a celkový příkon dobíjecích stanic dvojnásobné.

Dalším problémem by bylo požární zabezpečení této stanice. Podle dostupné literatury [24] je pro uhašení případného požáru baterie potřeba až 12 000 litrů vody a poté je třeba elektromobil ponořit na několik dní do nádrže s vodou  pro zamezení přístupu vzduchu a opakovanému vznícení. Znamená to, že by dobíjecí stanice musela být vybavena silným přívodem vody a požární nádrží.

Uvážíme-li nároky na počty dobíječek, jejich cenu, prostor potřebný pro takové dobíjecí stanice a jejich příkon, je obvyklé tvrzení, že „problém s dobíjením elektromobilů bude odstraněn, až bude dostatek rychlonabíječek“ platné jen po dobu, dokud elektromobilů bude málo.

Jedinou možností, jak snížit neúnosné počty dobíjecích míst, je zvýšení výkonu dobíječek. Pomineme-li zvýšené nároky na vlastnosti baterií a elektroinstalace ve vozidlech, je možnou cestou zvyšovat napětí (což má také svá omezení) anebo proud. Avšak s druhou mocninou proudu rostou ztráty. Celkový příkon dobíjecí stanice se tím nesníží, pouze vzroste o ztráty. Vzniká tak paradox: čím více zkracujeme čas dobíjení, tím větší jsou ztráty a tím více elektrického proudu (o ty ztráty) musíme vyrobit a tím větší jsou emise při jeho výrobě. Z ekologického i ekonomického hlediska je zkracování času dobíjení kontraproduktivní.

Modelový příklad 3 – sídliště

Jako příklad typického panelového sídliště bylo vybráno pražské sídliště Barrandov s 8489 byty a 29 700 obyvateli [25]. Při současné hustotě automobilů  blížící  se  hodnotě  2 osoby/1 vůz bude na tomto sídlišti parkovat cca 15 000 vozidel. Budou-li to elektromobily, je nutno  zajistit jejich dobíjení. Lze předpokládat, že běžně bude elektromobil parkovat na sídlišti několik hodin denně a tedy bude stačit malý dobíjecí výkon. Na druhou stranu lze těžko předpokládat, že by se řidiči u dobíjecích míst pravidelně střídali, takže optimálním řešením by bylo, aby každý elektromobil měl svoje parkovací místo vybavené dobíječkou, t.j. wallboxem nebo pouličním stojanem.

Připustíme-li za vyhovující dobíjení na dojezd 300 km přes noc za 8 až 10 hod, bude s ohledem na výše uvedené výsledky potřebný výkon každé  dobíječky mezi 5 až 9 kW. Potřebný příkon  těchto dobíječek na celém sídlišti by pak byl mezi 70 a 140 MW!!

Pokud bychom požadovali dobíjení na dojezd 600 km, byly by potřebné výkony dobíječek i jejich  celkový příkon dvojnásobné. Kromě toho by bylo vhodné vybavit sídliště určitým počtem rychlodobíjecích stanic pro případy potřeby rychlého dobití vozidla.

Pro porovnání: předpokládáme-li u každého bytu jistič 16 A, je maximálně možný příkon všech bytů na sídlišti asi 30 MW. Na tento příkon nebo jeho část (plus odběry pro další infrastrukturu) bude v současné době dimenzován příkon sídliště. Je zřejmé, že instalací dobíjení elektromobilů se požadovaný příkon sídliště několikanásobně zvýší a bude nutné celou infrastrukturu elektroinstalace na sídlišti (trafostanice, kabeláž, rozvody v garážích  apod.) rekonstruovat.

To přirozeně neplatí jen pro Barrandov, ale pro jakékoli jiné sídliště nebo hustě obydlenou část města.

 

Ekonomické důsledky

Benzin i nafta jsou v ČR zatíženy spotřební daní, která činí u benzinu 12 840 Kč/1000 litrů a u nafty 10 950 Kč/1000 litrů [26]. Dále jsou tato paliva zdaněna 21% DPH. Vyjdeme-li z průměrné ceny benzinu a nafty ke konci května 2019  [27]:

benzin 33,06 Kč/litr

nafta   32,16 Kč/litr,

pak DPH se podílí na ceně benzinu částkou 5,74 Kč/litr a na ceně nafty částkou 5,58 Kč/litr.

Celková daň u benzinu je tedy 5,74 + 12,84 = 18,58 Kč/litr a u nafty 5,58 + 10,95 = 16,53 Kč/litr.

V roce 2016 činila spotřeba všech zde uvažovaných vozidel se zážehovými motory asi 1 900 000 000 l benzinu a asi 2 500 000 000 motorové nafty. Na druhé straně je elektřina je zdaněná ekologickou daní 28,30 Kč/MWh [7] a 21% DPH. Zdaněná spotřeba elektromobilů by byla 64 000 TJ, tj. 18 000 000 MWh při současné dani. Státní rozpočet by přišel o asi 76 miliard Kč. Státní rozpočet ČR představuje v posledních letech částku přibližně 1 400 000 000 000 Kč [28]. Výpadek příjmu na dani z benzinu a nafty by při uvažované náhradě automobilů se spalovacím motorem elektromobily činil přibližně 5,5% rozpočtu. To není zanedbatelná částka a  stát by musel zasáhnout, nejpravděpodobněji zdražením elektřiny pro nabíjení elektromobilů.

Jízda na elektřinu je v současné době výrazně levnější než jízda na benzin nebo naftu, ale pouze za předpokladu, že nabíjíte doma a pomalu. To však nemusí platit v budoucnu při vyšším zdanění elektřiny pro nabíjení. U rychlonabíječky však již nyní zaplatíte výrazně více. Pro ilustraci: 20 kWh, což v průměru stačí na cca 100 km jízdy, stojí u veřejného dobíjecího stojanu EON 120 Kč (6 Kč/kWh), resp. 180 Kč (UFC nabíjení, 9 Kč/kWh), u ČEZu bez předplatného 190 Kč (9,50 Kč/kWh). Pro neregistrované zákazníky u EONu 220 Kč (11 Kč/kWh), u rychlonabíječek Ionity 420 Kč (21 Kč/kWh).

V porovnání s tím moderní automobil splňující emise 95 g CO₂/km  má spotřebu benzinu  4 l/100 km, což při výše uvedené ceně benzinu 33,06 Kč/l včetně všech daní je 132,24 Kč/100 km.

Elektromobily dosud nejsou a v dohledné době zřejmě nebudou plnohodnotnou náhradou za automobily se spalovacím motorem, zejména z hlediska dojezdu, času dobíjení, dále vysoké hmotnosti, v některých případech omezení počtu sedadel na 4 a zmenšení prostoru pro zavazadla, nevhodnosti pro použití střešního nosiče nebo tažení přívěsu a zejména z důvodu vyšší ceny. Stále se zpřísňující emisní předpisy nutí výrobce nahradit část produkce automobilů elektromobily. Jejich prodej výrazně závisí na dotacích, neboť jejich výrobní cena je značně ovlivněna cenou baterií a tedy roste s požadovaným dojezdem.

Prodej vozidel s alternativními pohony v ČR v posledních letech [30]a [31]. Celkový počet registrovaných osobních automobilů  v ČR je v současné době téměř 6 miliónů

 

Aby se dostatečný počet elektromobilů prodal, je nutné jejich cenu snížit dotací a tedy deformovat tržní prostředí. Dotace může mít a v praxi má celou řadu různých forem – od  přímého  peněžního příspěvku při nákupu vozidla přes nižší daně, levnější dobíjení až po různé další výhody jako vyhrazená parkoviště apod. V zemích, kde jsou dotace výrazné, z evropských států například ve Francii nebo v Německu  a především v Norsku, je prodej elektromobilů relativně vysoký. V ČR mohou o dotaci žádat při splnění určitých podmínek pouze podnikatelské subjekty [29], resp. města a obce. Pro soukromé osoby platí pouze zvýhodněné parkování v Praze.

Pokud dotaci nezaplatí stát (a tedy daňoví poplatníci) jako třeba v Německu, budou ji muset nepřímo, tj. nižší prodejní cenou elektromobilů, zaplatit automobilky. Ty však musí někde získat k tomu potřebné finanční prostředky. Prakticky jedinou dostupnou možností je zvýšení ceny běžných automobilů [32], [33]. To bude bohužel reálný výsledek nuceného prosazování elektromobility v nejbližších letech. Otázkou je, co se stane s konkurenceschopností evropského autoprůmyslu a jaký dopad to bude mít na hrubý domácí produkt i export ČR, kde automobilový průmysl zajišťuje dlouhodobě podíl mezi 20 a 25% z celé produkce průmyslu.

Lze předpokládat, že spalovací motory, také vzhledem k tempu obnovy vozového parku, budou mít významný, ne-li většinový, podíl na celkových přepravních výkonech i v dalších letech do r. 2050, přičemž do roku 2030 budou zajišťovat velkou většinu přepravních výkonů na silnici, snad s možností ústupu z vozidel městské hromadné dopravy.

Dnes neprávem zavrhované moderní vznětové motory pro osobní automobily plní předpisy EURO 6 a z hlediska emisí CO₂ jsou výhodnější než benzinové motory. Stále jsou nejvhodnějším pohonem pro jízdy na dlouhé vzdálenosti a pro užitková vozidla. Jak ukazuje zkušenost [34], zákazy jejich vjezdu do některých ulic nebo částí města nemusí vést ke snížení emisí. Co se týče dálkové nákladní dopravy, neexistuje za ně v současné době hromadně využitelné řešení.

Hybridní pohony představují reálný způsob snížení  spotřeby a tím i emisí. Podstatnou výhodou klasických, tj. mild- a full-hybridů, je, že nepotřebují žádnou dobíjecí infrastrukturu ani navýšení výkonu elektráren. Velikost úspory závisí  na míře elektrifikace, zejména velikosti baterie (a tedy i ceně).

Elektrické bateriové pohony by měly být používány tam, kde jsou jednoznačně vhodné a nepůsobí po vyhodnocení jejich životního cyklu nezamýšlený nárůst emisí skleníkových plynů. Je to celá řada aplikací počínaje elektrokoly, elektrickými skůtry, vozidly pohybujícími se převážně po městě, jako jsou vozy městských úřadů, půjčoven a car-sharingových společností. Dále vozidla firem, které rozvážejí zboží (pečivo apod.) po městě v pravidelných trasách, vozidla různých městských služeb a samozřejmě městská doprava, případně i druhý vůz v rodině, pokud bude dostupný za rozumnou cenu. Emisními předpisy nucená náhrada univerzálních automobilů elektromobily se jeví poměrně snadná, dokud je jich malý počet. Při hromadném rozšíření, i v případě, že by elektromobilů byla třeba jen polovina všech aut, přináší řadu problémů, jejichž řešení se dostává mimo realitu. Jde především o zajištění potřebného výkonu pro nabíjení těchto vozidel a počtu nabíjecích stanic. Otázka nabíjecího výkonu je v literatuře často řešena zapojením elektromobilů do tzv. smart grids (chytrých sítí). To je však dlouhodobější záležitost vyžadující zapojení opravdu velkého počtu elektromobilů a přinášející řadu dalších problémů, jejichž řešení je mimo rozsah tohoto textu. Dobíjení elektromobilů by mělo být řešeno především pomalým dobíjením  s malým výkonem v době, kdy vozidlo stojí (v noci, na parkovišti u zaměstnavatele apod.) a nabíjecí infrastruktura by měla být budována především pro tento účel.  Rychlonabíjecí stanice by měly být doplňkem na dálkových tazích a tam, kde  bude obtížné infrastrukturu pro pomalé dobíjení vytvořit, např. v husté staré zástavbě. Sázka na jednu kartu, tedy na bateriové elektromobily je riskantní.  Zásadní řešení spočívá v diverzifikaci typů pohonů vozidel (tj. na  elektřinu, tekutá paliva, CNG a v budoucnu i vodík) v závislosti na účelu použití vozidla a druhu jeho provozu. Avšak současné emisní předpisy a zejména předpisy pro budoucí roky, nerespektující stav technického vývoje a reálně vznikající emise při celém životním cyklu vozidla, nutí přejít na elektromobily nebo alespoň na plug-in hybridy. Otázkou je jejich prodejnost, což ukáže čas.

A aby celá elektromobilita vůbec dávala smysl z hlediska zlepšení životního prostředí a omezování vlivu na změny klimatu, je naprosto nezbytné, aby souběžně s ní byly budovány zdroje elektrické energie s minimálními emisemi a bez záboru zemědělské půdy, které reálně pokryjí výkon a spotřebu elektrických vozidel a distribuční sítě pro dostupnost dobíjecích zdrojů.

 

Ing. Josef Morcus, CSc.

Fakulta strojní ČVUT v Praze

Ústav automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel

 

prof. Ing. Jan Macek, DrSc.,FEng.

Fakulta strojní ČVUT v Praze

Ústav automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel; vedoucí Centra udržitelné mobility Josefa Božka

 

Jedná se o zkrácenou verzi původního článku publikovaného v časopise Stavebnictví 11/19, doplněnou o některé novější údaje.

 

---

 

1. New car CO₂ emissions hit the highest average in Europe since 2014.

JATO dynamics statistics.

1. Macek J., Morkus J., Emrich M., Diviš T., Některé důsledky hromadného rozšíření elektrických automobilů pro Českou Republiku. Stavebnictví 2019, 11, str. 30-40
2. Morkus J., Macek J., Emrich M., Diviš T., Some Consequences of Wide-Ranging Application of Electric Vehicles. In: International Scientific Conference of Czech and Slovak Universities and Institutions Dealing with Motor Vehicles and Internal Combustion Engines Research, KOKA 2019 MENDELU Brno, 2019, pp. 135-155, ISBN 978-80-7509-668-5
3. Tomáš Diviš: Analýza důsledků elektrifikace pohonu osobních automobilů s benzinovým motorem. Bakalářská práce ČVUT 2018
4. ElektrickéVozy.cz (6.4.2017) L. Srb: Jaká je reálná spotřeba elektromobilů? https://elektrickevozy.cz/clanky/jaká-je-realna-spotreba-elektromobilu
5. Wikipedie:  Jaderná elektrárna Temelín: Výrobní ukazatele, https://cs.wikipedia.org/wiki/Jadern%C3%A1_elektr%C3%A1rna_Temel%C3%ADn
6. Energetický regulační úřad: Roční zpráva o provozu ES ČR 2016, https://www.eru.cz/documents/10540/462820/Rocni_zprava_provoz_ES_2016.pdf/800e5a09-a58a-4a73-913f-abc30cda42a5
7. Hanslian D., Aktualizace potenciálu větrné energie v České republice z perspektivy roku 2020. Ústav fyziky atmosféry AV ČR v.v.i. 2020
8. Eldaco: Větrná elektrárna Lipná, http://www.eldaco.cz/files/images/file/lipna.pdf
9. Solární fotovoltaické panely, http://autohaida.eu/cs/76196-gwlpower-sol%C3%A1rn%C3%AD-panel-gwlsunny-poly-270wp-60-cells-mppt-32v.html
10. O.Plevák, K.Zichová: Zelená dohoda pro Evropu. Tlak na snižování emisí nekončí.

Český autoprůmysl 1/2000

[12] Emise CO₂ rostou konferencím a cílům navzdory http://www.inmeteo.cz/clanky/?clanek=konference-zmeny-klimatu-9.12.2018

[13] ekoblog.cz> Spočítejte si, kolik emisí CO₂ vyprodukuje Vaše auto, http://www.ekoblog.cz/?q=emise

[14] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY (EU) 2018/2001 o podpoře využívání energie z obnovitelných zdrojů

[15] Macek, J., Pospíšil, M., Máca, V., Rečka, L., Mikulec, J. et al., Program k predikci energetických spotřeb a emisí CO₂ současných a budoucích hnacích jednotek.

[16] tzbinfo: Emise CO₂ a jejich dopad na hodnocení zdrojů v budovách, https://vytapeni.tzb-info.cz/provoz-a-udrzba-vytapeni/17112-emise-co2-a-jejich-dopad- na-hodnoceni-zdroju-v-budovach

[17] Hospodářské noviny 17.6.2019: Martin Přibyl: Ekologie s otazníky

[18] Dokoupil M., Jízda čistá, ale co výroba? Kolik CO₂ vznikne při výrobě elektromobilů? Svět motorů, 5.9.2019na základě údajů Joanneum Research, Graz 2018 a IEA Global_EV_Outlook_2019

[19] ElektrickeVozy.cz: V zimě klesá dojezd elektromobilu o cca 25 %, zn. Vyzkoušeno, https://elektrickevozy.cz/clanky/v-zime-klesa-dojezd-elektromobilu-o-cca-25-zn-vyzkouseno

[20] Autoforum.cz. Britové zjistili skutečný dojezd současných elektromobilů, většinou je to mizerie. https: //www.autoforum.cz/zajímavosti/britové-zjistili-skutečný-dojezd-současných-elektromobilů-většinou-je-to-mizerie

[21] Anderson, Pettit: The effect of APU Characteristic on Design  on Hybrid Control Strategies for HEV. SAE Paper 950 493

[22] T. Straňák: Emise CO2 při výrobě baterií. Bakalářská práce FS ČVUT 2020.

[23] Auto idnes: Ministerstva spřádají plány na rozvoj elektromobilů, mají však zpoždění, https://www.idnes.cz/auto/zpravodajstvi/narodni-akcni-plan-cista-mobilita.A180911_190638_automoto_fdv

[24] Garáž.cz:  Jak se hasí elektromobil nebo hybrid? Dlouhou vodní lázní https://www.garaz.cz/clanek/jak-se-hasi-elektromobil-nebo-hybrid-dlouhou-vodni- lazni-21001439

[25] Wikipedie: Barrandov https://cs.wikipedia.org/wiki/Barrandov

[26] Finance.cz: Spotřební daň – minerální olej  https://www.finance.cz/dane-a-mzda/dph-a-spotrebni-dane/spotrebni-dane/mineralni-olej/

[27] mBenzin.cz: Aktuální průměrné ceny pohonných hmot v ČR https://www.mbenzin.cz/Prumerne-ceny-benzinu

[28] Ministerstvo financí: Stát v roce 2018 hospodařil s přebytkem 2,9 miliardy korun, https://www.mfcr.cz/cs/aktualne/tiskove-zpravy/2019/pokladni-plneni-sr-33898

[29] Naviga4: Nízkouhlíkové technologie-elektromobilita, Operační program Podnikání a inovace pro konkurenceschopnost https://www.naviga4.cz/images/aktuality/PDF/N%C3%ADzkouhl%C3%ADkov%C3%A9_technologie__Elektromobilita.pdf

[30] Hybrid.cz: Rok 2017 v Česku: 387 prodaných elektromobilů, téměř 3000 hybridů   www.hybrid.cz/rok-2017-v-cesku-387-prodanych-elektromobilu-temer-3000-hybridu

[31] Hybrid.cz: Rok 2018 v Česku: diesel se propadá; rekordní prodeje elektromobilů, skvěle si vedou i hybridy, http://www.hybrid.cz/rok-2018-v-cesku-diesel-se-propada-rekordni-prodeje-elektromobilu-skvele-si-vedou-i-hybridy

[32] Garáž.cz: Kvůli elektromobilům zdraží auta na benzin. Co bude dál? https://www.garaz.cz/clanek/kvuli-elektromobilum-zdrazi-auta-na-benzin-co-bude-dal-21001417?dop-ab-variant=9&seq-no=2&source=hp

[33] Autobible.cz: Malá auta zdraží až o polovinu. Kvůli elektrifikaci, varuje znovu Volkswagen https://autobible.euro.cz/mala-auta-zdrazi-chudsi-si-nebudou-moci-dovolit-rekl-sef-vw/

[34] Autoforum.cz: Zákazy vjezdu dieselů do Hamburku přinesly úplný opak toho, co přinést měly. http://www.autoforum.cz/zajimavosti/zakazy-vjezdu-dieselu-v-hamburku-prinesly-uplny-opak-toho-co-prinest-mely/?utm_source=rss&utm_medium=direct&utm_campaign=rss