Co je to vlastně elektromobil (2. díl ze série o elektrických autech)

Co je to vlastně elektromobil? Odpověď na tuto otázku se může zdát naprosto triviální. Přece auto na elektřinu, co se nabíjí ze zásuvky. A pak tady máme auta, která jezdí na nějaké palivo jako třeba benzín, naftu, plyn nebo vodík. Jasné a srozumitelné, ne? Ne tak docela. Abychom si mohli zodpovědět otázku co je to elektromobil, podíváme se nejdřív na to, co není elektromobil. Potřebujeme nejprve poznat svého soupeře, uznat jeho kvality a jako indiánští válečníci mu projevit úctu. A začneme autem se spalovacím motorem.

Auto se spalovacím motorem (ICE)

Audi A4: auto se spalovacím motorem (zdroj: Turbo)

Auto se spalovacím motorem všichni dobře známe. V angličtině se pro spalovací motor používá zkratka ICE. Neznamená to, že by v Anglii jezdila auta na led, ale je to zkratka pro Internal Combustion Engine, což znamená motor s vnitřním spalováním. Existuje totiž také motor s vnějším spalováním, což je např. parní stroj spalující uhlí.

Motor s vnitřním spalováním pohání tekuté palivo, které se spaluje ve válcích motoru. Přeměnou tekutého paliva spálením na plyn se uvolňuje v něm uložená chemická energie. Z 1. dílu této série Odkud se bere elektřina už víte, jak se tam vzala. Tato energie se mění v pohybovou energii rozpínajícího se plynu, který dává do pohybu písty ve válcích motoru. Přes hřídel motoru se pohybová energie pístů mění v otáčivou energii, která dává auto do pohybu. Spalovací motor funguje buď na zážehovém, anebo vznětovém principu.

Zážehové motory mohou spalovat fosilní paliva benzín, zkapalněný ropný plyn (LPG = liquefied petroleum gas) nebo stlačený zemní plyn (CNG = compressed natural gas), případně i biopaliva jako ethanol (E85 = směs 85% ethanolu a 15% benzínu). Zážehový motor potřebuje k zapálení směsi paliva se vzduchem zapalovací svíčky, které směs zažehnou.

Naopak vznětový motor pracuje s palivem s nižší teplotou samovznícení, takže palivo nepotřebuje zažehnout, protože se tlakem ve válci motoru samo vznítí. I u vznětového motoru ale potřebujeme žhavící svíčky na ohřátí vzduchu při nižších teplotách. Palivem pro vznětový motor je fosilní nafta, případně i biopaliva jako např. rostlinný olej.

Energetická hustota paliva a jeho snadné doplňování (+)

Obrovskou výhodou pohonu auta se spalovacím motorem je vysoká energetická hustota paliva. Při spotřebě 7l/100 km stačí běžná 50l nádrž auta na ujetí přes 700km na jedno natankování a při spotřebě nafty 5,5l/100 km je to dokonce přes 900 km. V 1 kg benzínu (cca 1,33l) i nafty (cca 1,2l) je uloženo zhruba 45 MJ (megajoule) energie a ostatní fosilní paliva pro spalovací motory jsou na tom podobně.

Další velkou výhodou je, že energie uložená v chemické vazbě tekutého paliva se dá snadno do auta doplnit natankováním a uchovat po delší dobu v nádrži. Doplnění paliva zabere i s příjezdem na benzínovou stanici, čerpáním paliva a placením jen pár minut. Navíc je hustota tankovacích míst dnes vysoká, což už ale nesouvisí s technologií spalovacího motoru, ale s infrastrukturou, která se za posledních 100 let vybudovala.

Konstrukce (+/-)

Spalovací motor: Audi V8 4.0 TFSI 520 hp (zdroj: Euro Car News)

Spalovací motor je na celém autě tím nejsložitějším konstrukčním prvkem. Má celkem zhruba 200 pohyblivých částí. Vyžaduje poměrně velkou údržbu a je v něm spousta věcí, které se mohou porouchat anebo po nějaké době používání potřebují vyměnit.

Bereme tak nějak za samozřejmé, že po ujetí každých 15 000 km potřebujeme vyměnit olej, po každých 30 000 km nové svíčky, po každých 60 000 km nový palivový filtr, po každých 90 000-120 000 km kompletně nové rozvody apod. Během života motoru je potřeba měnit např. tyto součástky nebo náplně:

  • Olej
  • Chladící kapalina
  • Zapalovací/žhavící svíčky
  • Startovací baterie
  • Vzduchový filtr
  • Palivový filtr
  • Rozvody
  • Výfuk
  • Atd.

A to jsou jen pravidelné výměny předepsané výrobcem. Během života spalovacího motoru se také může objevit nějaká porucha, která si vyžádá výměnu nebo opravu ještě něčeho dalšího, např. palivového čerpadla, chladiče nebo turbodmychadla. Zhruba každých 250 000 km se na motoru vymění téměř všechno, co se hýbe. A málokterý spalovací motor se vůbec tak velkého nájezdu dožije.

Ani by nás nenapadlo, že by motor mohl bez údržby vydržet třeba 1 000 000 km. Prostě bereme jako fakt, že spalovací motor vyžaduje zhruba 15 000 km nějakou údržbu, výměnu nebo opravu a jsme na to zvyklí. Od roku 1883, kdy Gottlieb Daimler spalovací motor vynalezl, se za těch 136 let vývoje nepodařilo zkonstruovat spalovací motor, který by dokázal pracovat po dobu životnosti celého auta bez údržby a vydržel by najet bez servisu stovky tisíc km. Základní fyziku jeho konstrukce prostě nepřekonáme.

Emise (-)

A nepřekonáme ani další základní vlastnost spalovacího motoru. Spálením paliva v motoru se uvolní nejen pohybová energie a teplo, ale také odpadní látky, které známe jako výfukové plyny. A také nemůžeme zapomenout na emise hluku. Spalovací motory a zejména ty vznětové jsou poměrně hlučné. Nelze se ale divit, když v nich probíhá každou minutu několik tisíc detonací výbušného paliva.

Nejvýraznější nevýhodou spalovacího motoru jsou ale emise z výfukových plynů. Jejich hlavní složkou je oxid uhličitý (CO2), jehož rostoucí koncentrace v atmosféře a oceánech v důsledku spalování fosilních paliv způsobuje zvyšování průměrné teploty na Zemi a změnu klimatu. Spalování paliva ve spalovacím motoru není dokonalé, takže kromě oxidu uhličitého (CO2) vznikají další nebezpečné plyny jako oxid uhelnatý (CO), oxidy dusíku (NOx), uhlovodíky, sloučeniny síry a velmi jemné prachové částice.

Velmi jemné pachové částice jsou pro lidské zdraví velmi nebezpečné, protože se dýcháním znečištěného vzduchu dostávají do plic, kde se s vysokou účinností usazují a odkud se dostávají do krevního oběhu a z něj pak do mozku. Stávají se tak jednou z příčin nemocí oběhové soustavy. Jejich hlavním zdrojem je spalování fosilních paliv (nejen automobilová doprava, ale i třeba lokální topeniště), ale také otěry automobilových brzd. Ale považujeme za samozřejmé, že auto má brzdy a když potřebujeme zpomalit, tak prostě brzdíme. Ve skutečnosti je to ale jeden z projevů velmi nízké účinnosti spalovacího motoru.

Účinnost spalovacího motoru (-)

Energii pro chod motoru dodává palivo, ve kterém je uložena energie chemické vazby. Ta se uvolní jeho spálením, při kterém vzniká velké množství tepla. Toto odpadní teplo se hodí v zimě, kdy jeho malá část slouží k vyhřívání interiéru. Většina se ho ale na nic nevyužije a bez užitku se ztratí. Zhruba polovina uvolněné tepelné energie se uvolní do okolí přes horké výfukové plyny. A druhá polovina odejde prostřednictvím chladící soustavy a motoru, který se zahřívá jak spalováním paliva, tak i třením jeho pohyblivých částí. Na samotný pohon vozidla se spalovacím motorem se využije jen zhruba 20-40 % uvolněné energie (zážehové motory mají účinnost 20-30 % a vznětové 30-40 %). Ale to ještě nejsou všechny jeho ztráty.

Pamatujete si z prvního dílu této série Odkud se bere elektřina na zajímavou vlastnost elektromotoru, který může v opačném směru fungovat jako generátor elektrické energie? Tak tohle spalovací motor samozřejmě neumí. Pohybovou energii při brzdění nedokáže využít a vyrobit si z ní palivo na další cestu. Brzdění, ale i jen pouhé stání s motorem spuštěným na volnoběh znamenají čisté energetické ztráty. Zhruba jedna pětina pohybové energie získané ze spalovacího motoru se ztratí při brzdění. Celková účinnost spalovacího motoru tak klesá o dalších 20 procentních bodů na nějakých 16-24 % pro zážehové motory a 24-32 % pro vznětové motory.

K dalším ztrátám energie spalovacího motoru dochází při přenosu pohybové energie uvolněné spáleným palivem. Nejdříve je tento stejnosměrný pohyb ve válcích potřeba převést na otáčivý pohyb pomocí klikové hřídele. Tím sice získáme otáčivý pohyb, ale ten musíme ještě stabilizovat pomocí setrvačníku a pak ho převést prostřednictvím spojky, převodovky a rozvodovky na hnací nápravu. U celého tohoto procesu dochází k ztrátám asi 6% energie ze spalovacího motorem. Dalších zhruba 5 % spotřebuje motor na pohon svých vlastních mechanismů jako je palivové čerpadlo, olejové čerpadlo, chlazení, zapalování apod. A zhruba 3% paliva spotřebuje spalovací motor při stání na volnoběh.

Dále pracuje spalovací motor nejefektivněji pouze v určitém spektru otáček (zážehový motor je má vyšší a vznětový je má nižší). A zároveň má k dispozici obvykle jen 5-6 stupňů převodovky. Využít jeho optimální úrovně otáček se téměř nikdy během běžné jízdy nepodaří. Co nejlépe využít práce spalovacího motoru dokážou jen jezdci na soutěžích úsporné jízdy, kteří dokážou snížit spotřebu paliva až o polovinu. Musí ale co nejvíce eliminovat hlavní nedostatky spalovacího motoru, takže se snaží držet motor co nejblíže optimálním otáčkám, pokud možno vůbec nebrzdí a jezdi velmi pomalu. Teoreticky je tedy možné nízkou účinnost spalovacího motoru zvýšit, ale ne v běžném provozu při praktickém používání auta.

Průměrně tedy můžeme počítat s účinností zážehového (benzínového) motoru na úrovni 17 % a vznětového (naftového) motoru na úrovni 24 %. Zároveň se na 1 km jízdy vyprodukuje v průměru 162 g CO2 a benzínového auta a 147 g CO2 u naftového auta. Krokem směrem k trvalému zvýšení účinnosti auta se spalovacím motorem je hybridní elektrické auto.

Hybridní elektrické auto (HEV)

Toyota Prius: hybridní elektrické auto (zdroj: cnbc.com)

Znovu se vás zeptám, zda si pamatujete z prvního dílu této série Odkud se bere elektřina na zajímavou vlastnost elektromotoru, který může v opačném směru fungovat jako generátor elektrické energie? Určitě Ano 🙂 Spalovací motor tohle nedokáže, ale elektrický motor ano. Dokáže již vynaloženou elektrickou energii zpátky rekuperovat do baterií.

Vyšší účinnost (+)

A to je hlavním přínosem hybridního pohonného systému, kombinujícího spalovací motor s elektromotorem. Spalovací motor dokáže uvést auto do pohybu, ale při brzdění už tuto pohybovou energii nedokáže nijak využít. Pohybová energie se v brzdách přemění v tepelnou energii, kterou auto bez užitku odevzdá do okolí.

Asynchronní elektrický motor ale toto dokáže. Když jím začne pohybová energie otáčet (např. při brzdění), začne generovat elektrickou energii jako alternátor a takto vyrobenou elektřinu pošle do baterie. Elektrickou energii již vynaloženou na pohyb auta zpátky rekuperuje. Hybridní auto ji pak využije při další jízdě, přičemž šetří palivo, které by jinak musel spotřebovat spalovací motor.

Spalovací motor tak v hybridním pohonném systému funguje jako malá ropná elektrárna. Spálením fosilního paliva v motoru se chemická energie přemění na energii pohybovou, kterou alternátor (elektromotor) přemění na energii elektrickou. V průměru dokáže hybridní elektrický pohon oproti srovnatelně výkonnému spalovacímu motoru ušetřit asi 30 % paliva. Hybridní systém toho dosáhne zejména tím, že dokáže znovu využít většinu pohybové energie, která by se jinak ztratila při brzdění (zhruba 20 %), ale také optimálnějším využitím spalovacího motoru a úsporou při stání bez volnoběhu (zhruba 10 %). Celková účinnost hybridního systému se zážehovým motorem a elektromotorem tak vzroste na úroveň vznětového motoru někde kolem 30 %. Dochází tak nejen k úspoře paliva a tím i nákladů na každý km jízdy, ale také ke snížení emisí ze spalovacího motoru.

Nižší emise (+)

Díky rekuperaci části energie vynaložené spalovacím motorem má hybridní auto nižší spotřebu paliva a tím dosahuje i nižších emisí CO2, které jsou u hybridního auta zhruba o 30 % nižší oproti porovnatelnému autu se spalovacím motorem. Hybridní auto ale také produkuje nižší emise CO, NOx, sloučenin síry, uhlovodíků a velmi jemných prachových částic z výfukových plynů. Dosahuje toho nejen samotnou rekuperací, ale také efektivnějším využitím spalovacího motoru.

Ten pracuje nejúčinněji pouze v určitém spektru otáček, čehož se obvykle dá dosáhnout např. při konstantní jízdě. Ale třeba při rozjezdu nebo zrychlování, kdy se motor točí do vyšších otáček, nepracuje při své nejvyšší účinnosti. Hybridní systém při rozjezdu a zrychlování zapojí elektromotor a spalovací motor nechá pracovat až při konstantní jízdě.

Nejlépe se toho dá využít při částem rozjíždění a zastavování třeba ve městě anebo popojíždění v kolonách. Zároveň se tím také šetří brzdy, které je díky brzdění elektromotorem potřeba používat méně a tudíž jsou z nich i menší emise velmi jemných prachových částic, které vznikají jejich otěrem. Naopak při dlouhých cestách ustálenou rychlostí bez zastavování a rozjezdů, typicky při jízdě na dálnici se výhody hybridního systému ztrácejí. A naopak se tam projeví jedna jeho velká nevýhoda.

Složitější pohonný systém (-)

Hybridní pohon: Toyota R4 2.5L 178 hp + elektromotor 120 hp (zdroj: Carlist)

Hlavní výhodou hybridního auta jsou dvě pohonné jednotky. Je to ale také jedna z jeho hlavních nevýhod. Díky dvěma pohonným jednotkám je hybridní auto zákonitě těžší než srovnatelné auto se spalovacím motorem. To se projeví při jízdě, kdy nelze elektromotor využít, např. ustálenou rychlostí na dálnici. Úspora paliva ale nárůst hmotnosti převáží.

Podstatnější nevýhodou hybridního pohonného systému je, že vás nezbaví všech nedostatků, které má spalovací motor. Stejně budete muset měnit olej, svíčky, filtry, chladicí kapalinu, rozvody, výfuk atd. Ale ještě k tomu s sebou musíte vozit elektromotor a baterii, což přidává vozu na váze a ubírá mu místo v zavazadlovém prostoru.

Kompromisní řešení (-)

Hybridní elektrické auto kombinuje spalovací motor s pohonem na elektřinu. Kombinuje tak i největší výhody obou druhů pohonu, ale také jejich nevýhody. Při popisu spalovacího motoru jsem říkal, že zvyšování jeho účinnosti má své fyzické limity. Jediným způsobem, jak výrazněji zvýšit jeho účinnost, je instalace elektromotoru, který dokáže rekuperovat energii a pracuje a mnohem vyšší účinností. Hybridní elektrické auto vykročilo směrem k čistému elektrickému pohonu, ale zůstalo stát na půl cesty. Stále s sebou vláčí neefektivní spalovací motor se všemi jeho nevýhodami. Elektřinu si na svých 30 % elektrické jízdy stále vyrábí v ropné elektrárně, ačkoli tím účinnost celého systému samozřejmě zvyšuje. Jmenuje se hybridní elektrické auto, ale stále je to převážně auto se spalovacím motorem na fosilní paliva.

Částečně to kompenzuje verze hybridního auta s možností nabíjení ze sítě, tzv. plug-in hybridní elektrické auto (PHEV = plug-in hybrid electric vehicle). To je schopno 100% čisté jízdy poháněné z baterie, pokud je nabitá z bezmisních zdrojů. Kvůli malé kapacitě baterie ujede čistě na elektřinu jen několik desítek km a jeho hlavní pohonnou jednotkou tak stále zůstává spalovací motor. V ideálním světě by plug-in hybridní auto najelo většinu km čistě na elektřinu. Např. ve městě, kde je elektrický pohon kvůli častému rozjíždění, brzdění a popojíždění nejúčinnější zejména díky rekuperaci energie. A zase na dálnici, kde dokáže spalovací motor fungovat účinněji než ve městě, využije plug-in hybrid delšího dojezdu na benzín. Ale podle zkušeností z mnoha zemí majitelé plug-in hybridů často nabíjení ze sítě vůbec nepoužívají a používají je jako klasické hybridy.

Elektrické auto s palivovým článkem (FCEV)

Hyundai Nexo: elektrické auto s palivovým článkem (zdroj: hyundaiusa.com)

Pokud nechceme zůstat na půl cesty a nespokojíme se s kompromisním řešením hybridního auta, potřebujeme vykročit směrem k plně elektrickému autu. Hybridní auto si vyrábí elektřinu pro pohon elektromotoru ve své ropné elektrárně, tj. systém spalovacího motoru a elektromotoru fungujícího jako elektrický generátor. Spalováním fosilních paliv nevyhnutelně vznikají emise CO2, CO, NOx, sloučeniny síry, velmi jemné prachové částice atd.

Představte si ale, že by si elektrické auto vyrábělo elektřinu na svůj pohon ve své vlastní elektrárně, která by produkovala jediný druh emisí – vodu. A přesně tohle dokáže elektrické auto s palivovým článkem (FCEV = Fuel Cell Electric Vehicle). Palivový článek přeměňuje palivo přímo v elektrickou energii bez nutnosti nejprve generovat tepelnou energii a pak pohybovou, jako je to potřeba u jiných elektráren. Jako palivo používá vodík. Ten má několik skvělých vlastností.

Nulové emise (+)

Jedinými emisemi, které přímo produkuje elektrické auto s palivovým článkem, je voda. Ano, toto auto vydechuje jen vodní páru. Ta vzniká reakcí vodíku a kyslíku.

2 H2 + O2 = 2 H2O

Kyslík se nachází v dostatečném množství ve vzduchu. Ale kde vezme elektrické auto vodík? Jsou dvě možnosti, jak vodík „vyrobit“. Samozřejmě neumíme vyrobit vodík jako prvek, ale můžeme ho získat ze sloučenin, které ho obsahují. Dnes se vodík nejčastěji získává z metanu (CH4), který je hojně obsažen v zemním plynu, což je fosilní palivo. Rozkladem metanu za pomocí horké vodní páry a oxidu nikelnatého jako katalyzátoru vznikne vodík:

CH4 + 2 H2O => 4 H2 + CO2

Reakcí metanu s vodní párou sice vznikne vodík, ale také oxid uhličitý (a také oxid uhelnatý). Je to podobné jako bychom spalovali přímo metan ve spalovacím motoru s pohonem na zemní plyn (CNG), ačkoli účinnost celého procesu bude vyšší, protože elektromotor je účinnější než spalovací motor. Výsledkem jsou emise CO2 z provozu elektrického auta a to nechceme, protože změna klimatu. Druhým způsobem získávání vodíku je jeho oddělení od kyslíku elektrolýzou vody za použití kyseliny sírové jako elektrolytu a elektrod z platiny:

Elektrická energie + 2 H2O = 2 H2 + O2

Takže opět potřebujeme na pohon elektrického auta nejprve elektřinu. Pokud na výrobu vodíku z vody použijeme elektrickou energii vyrobenou z fosilních paliv, provoz elektrického auta poháněného na vodík bude mít svoji uhlíkovou stopu. A to také nechceme, protože (opět) změna klimatu. Zbývají nám tedy ostatní, bezemisní zdroje. Elektrické auto poháněné vodíkem vyrobeným pomocí elektrické energie z bezemisních zdrojů bude mít celý provoz také bezemisní.

Vysoká energetická hustota a snadné doplňování paliva (+)

V 1kg vodíku je uloženo zhruba 120 MJ využitelné energie pro palivový článek, což je zhruba 2,5x více než u běžných fosilních paliv jako benzín, nafta, LPG nebo CNG. Stačí tedy s sebou vozit o dost menší váhu paliva na ujetí stejného počtu kilometrů jako u běžných aut se spalovacím motorem. Navíc funguje doplňování vodíku podobně jako u fosilních paliv, prostě se za několik málo minut natankují do nádrží a můžete jet. A dokonce jich nepotřebujete vozit jen 2,5x méně, ale dokonce ještě méně.

Konstrukce (+/-)

Vždycky, když slyším někoho říkat „Elektromobily jsou úplný nesmysl, ale auta na vodík, to je budoucnost!“, tak si říkám, že jsem narazil na někoho, kdo toho ví o autech ještě méně než já. Auto na vodík je totiž elektromobil. Sice v 90. letech vyvíjely automobilky BMW, Honda a Mercedes-Benz spalovací motory na vodík, ale na konec od toho upustily. Vodík sice má vysokou energetickou hustotu na kilogram, ale protože je vodík plyn, tak je energetická hustota na litr velmi nízká, zhruba 3,5x nižší než u benzínu. To znamená, že spalovací motor na vodík musí spotřebovat zhruba 3,5x více litrů vodíku oproti benzínu. V praxi tedy musí mít auto na vodík spalovací motor o velkém obsahu, aby dosáhlo jen průměrného výkonu. Např. BMW testovalo spalovací motor na vodík jen ve svém tehdy největším modelu řady 7 s obřím dvanáctiválcem. Výhoda pohonu na vodík je ale jinde než v neefektivním spalovacím motoru.

Největší výhodou elektrického auta na vodík je elektromotor. Ten je oproti spalovacímu motoru mnohem účinnější. Spalovací motor pracuje s účinností 20-40 %, zatímco elektrický motor má účinnost asi 95 %. Na stejný počet ujetých kilometrů tedy spotřebuje mnohem méně energie než spalovací motor. Oproti benzínovému motoru je elektromotor asi 4x účinnější. A vodík obsahuje na 1 kg hmotnosti asi 2,5x více energie než benzín. Celkově tedy na ujetí stejného počtu kilometrů potřebuje vodíkové elektrické auto zhruba 10x menší hmotnost paliva než benzínové auto.

Elektrické auto s palivovým článkem: Audi h-tron quattro concept

Má to ale i své nevýhody. Vodík je prvním prvkem v Mendělejevově periodické tabulce a protože má v jádru jen jeden proton, má také nejmenší atomovou velikost ze všech prvků. Snadno tedy v plynné podobě odevšad uteče. A také má ještě jednu nepříjemnou vlastnost, je velmi výbušný, pasažéři vzducholodi Zeppelin by mohli vyprávět. Proto je potřeba jej skladovat v kapalné podobě při teplotě -253°C ve speciálních nádržích, které ho bezpečně uchovají. Pro jeho použití v palivovém článku je ale potřeba ho nejdříve ohřát, což přináší energetické ztráty. Ale to ještě není ta hlavní nevýhoda elektrického auta s palivovým článkem.

Nízká účinnost přeměny energie (-)

Pokud nebudeme uvažovat výrobu vodíku z fosilního metanu obsaženém v zemním plynu, můžeme vodík pro FCEV vyrábět za pomocí elektřiny z bezemisních zdrojů. Tu následně použijeme na rozklad vody elektrolýzou s účinností 60-70 % na kyslík a vodík. Ten použijeme jako palivo v palivovém článku, který pracuje s účinností 40-60 %. Dostáváme se tak na celkovou účinnost procesu přeměny elektrické energie v chemickou energii vodíku a následné zpětné přeměny vodíku v elektrickou energii ve výši 25-40 %. Jinými slovy až tři čtvrtiny na začátku vyrobené elektrické energie tímto procesem ztrácíme. Elektromotor použitý k pohonu elektrického auta s palivovým článkem má účinnost asi 95 %, zhruba 10 % energie se ztratí konverzí stejnosměrného a střídavého proudu a 5 % energie se ztratí rekuperací, takže celková účinnost vodíkového pohonu je někde na úrovni 20-32 %.

V průměru můžeme u elektrického auta s palivovým článkem počítat s 27 % účinností jeho pohonu. Bohužel tohle je hlavní důvod, proč není pohon na vodík příliš perspektivní. Může za to především nízká účinnost přeměny elektrické energie ve vodík a zase zpět v elektrickou energii, která má svoje chemické a fyzikální limity. Změnit by to mohlo jedině to, kdyby se do budoucna našel nějaký jiný, efektivnější a levnější způsob získávání vodíku. Ale je tu ještě jeden způsob, jak dostat elektrickou energii do auta a většinu z ní po cestě nepoztrácet.

Bateriové elektrické auto (BEV)

Tesla Model 3: bateriové elektrické auto (zdroj: teslarati.com)

Elektromobilem rozumí většina lidí bateriové elektrické auto (BEV = Battery Electric Vehicle). Jak jsme si ukázali na příkladu elektrického auta s palivovým článkem, elektrických aut existuje více typů. Bateriové elektrické auto je ale tím nejznámějším a nejrozšířenějším. Energii na svůj pohon logicky čerpá z baterií. Na rozdíl od FCEV si BEV nevyrábí elektřinu samo, ale čerpá ji z jiného zdroje.

Bezemisní provoz (+)

A stejně jako FCEV je BEV schopno bezemisního provozu. Velmi ale záleží na tom, z jakého zdroje elektrickou energii čerpá. Pokud je to z bezemisního zdroje, pak je i jeho provoz bezemisní. Pokud elektřina vyrobená na pohon bateriového elektrického vozu pochází z fosilních paliv, pak jeho provoz samozřejmě nemůžeme považovat za bezemisní. To samé platí i pro výrobu elektrického auta včetně baterií v porovnání s výrobou auta se spalovacím motorem. Abychom mohli říct, které auto svoji výrobou a provozem vyprodukuje méně emisí CO2, museli bychom provést podrobnější analýzu. Počkejte si na to v jednom z dalších článků této série o elektrických autech 😉

Jednodušší konstrukce (+)

Elektromotor je konstrukčně mnohem jednodušší než spalovací motor. Zatímco spalovací motor má zhruba 200 pohyblivých částí, elektromotor je má jenom 2. Nepotřebuje s sebou tahat žádné písty, svíčky, palivová čerpadla, turba, výfuky atd. Stačí mu v podstatě jen stator (statická část) a rotor (pohyblivá část). Prakticky na něm není téměř nic, co by se mohlo pokazit a elektromotor v elektrickém autě najede běžně 1 milion km bez poruchy a bez větší údržby. O tom si mohou spalovací motory se svým servisním intervalem minimálně každých 15 tisíc km nechat jen zdát. Celý pohonný systém bateriového elektrického auta můžete vidět na tomto obrázku.

Bateriové elektrické auto: Tesla Model S (zdroj: Automobiel Management)

Nechybí tam něco? Vždyť je tam jen podvozek a kola. A kde je motor? Tak se podívejte na ten oválný předmět mezi zadními koly. To je elektromotor o výkonu 260 koňských sil. Spalovací motor o stejném výkonu by byl alespoň 5x větší. Elektrický motor nepropálí většinu paliva na teplo jako spalovací motor (účinnost 20-40 %), protože pracuje s mnohem vyšší účinností asi 95 %. Zhruba 5 % se ale ztratí nabíjením a o dalších 10 % přijde tento druh pohonu konverzí AC/DC. Nebojte, při jízdě elektrickým autem nemusíte konvertovat k poslechu hard rocku 😉 Konverze AC/DC je přeměna stejnosměrného proudu (DC = Direct Current) na střídavý proud (AC = Alternating Current) mezi baterií a motorem. Zhruba 5 % energie se ztratí rekuperací při brzdění, což je ale podstatně méně oproti 20% ztrátám z brzdění u spalovacího motoru. Také musíme připočíst ztráty kapacity baterie, které dosahují v zimním období kvůli nízkým teplotám až 20 %. Pokud budeme počítat s 4 měsíci zimního období (listopad-únor), bude průměrná celoroční ztráta kapacity baterie zhruba 7 %. Bateriové elektrické auto tak dokáže celkově zhruba 74 % dodané energie přeměnit na pohybovou energii.

Celkově můžeme říci, že pohon bateriového elektrického auta je zhruba 4x účinnější než pohon na benzín a 3x účinnější než pohon naftový, hybridní a vodíkový. Celý jeho pohonný systém díky tomu zabírá tak málo místa, že bateriové elektrické vozidlo může mít dva zavazadlové prostory. Dokonce kvůli tomu vzniklo v angličtině nové slovo! Zavazadlový prostor vzadu se anglicky nazývá trunk a ten přední je frunk (= front trunk). Baterie jsou umístěny v podlaze, takže snižují těžiště vozu a přispívají k mnohem lepší stabilitě bateriového elektrického auta oproti běžnému autu se spalovacím motorem. Jinak jsou ale baterie achillovou patou elektrického auta.

Energetická hustota baterie (-)

Dnešní bateriová elektrická auta používají lithium-iontové baterie. Např. bateriový modul elektrického auta Tesla Model 3 má kapacitu 75 kWh a váží 478 kg. V 1kg této lithium-iontové baterie může být tedy uloženo asi 0,157 kWh elektrické energie. Abychom mohli energetickou hustotu baterií porovnat s palivy pro ostatní typy pohonů, musíme je převést na společnou jednotku. A tou je joule (J), resp. megajoule (MJ). Převést kWh na megajouly je poměrně snadné, protože 1W je definován jako 1J/s.

Nejdříve si převedeme jouly na kilowatty: 1 000 J = 1 000 W/s = 1 kW/s

Teď si převedeme sekundy na hodiny: 1h = 60 min × 60 s = 3 600 s

A potom ještě potřebujeme převést kilowatthodiny na wattsekundy, resp. na megajouly: 1 kWh = 1 000 W × 3 600 s = 3 600 000 W/s = 3 600 000 J = 3,6 MJ

A teď už konečně můžeme převést kilowatthodiny na kg hmotnosti na megajouly na kg hmotnosti: 1 kWh/kg = 3,6 MJ/kg

Pro lithiovou baterii Tesla Model 3 tedy platí: 0,157 kWh/kg = 0,565 MJ/kg

Možná si vzpomínáte, že benzín má energetickou hustotu zhruba 45 MJ/kg, takže asi 80x více než má lithium-iontová baterie. Teď to vypadá, že bateriové elektrické auto prohrálo na celé čáře. Ale ještě tu máme účinnost elektromotoru, která je asi 4x vyšší než u spalovacího motoru. Stále je celková kapacita energie na kg hmotnosti auta se spalovacím motorem zhruba 20x vyšší oproti bateriovému elektrickému autu.

Pokud by mělo BEV s sebou vozit tolik energie jako ICE s nádrži na 50l benzínu, muselo by mít baterie o hmotnosti zhruba 20x vetší, takže zhruba 1 000 kg. To by znamenalo příliš velký nárůst hmotnosti, ale reálně se můžeme dostat tak na polovinu, což zhruba odpovídá 478 kg vážícímu bateriovému modulu Tesly Model 3. Konečný rozdíl v hmotnosti ale musíme upravit o zhruba 38 kg paliva (= 50l benzínu), které s sebou elektrické auto nevozí a zhruba 100 kg rozdílu mezi hmotností elektrického a spalovacího motoru (elektromotor je samozřejmě mnohem lehčí). Dostáváme se tedy na rozdíl 350 kg v neprospěch bateriového elektrického auta a ještě k tomu jen s poloviční zásobou energie. Abychom měli obrázek kompletní, musíme porovnat hmotnost celého auta na elektřinu ve srovnání s tím na benzín.

A opět si vezmeme jako příklad Teslu Model 3. Ta v základní verzi s kratším dojezdem váží 1610 kg. Srovnatelné Audi A4 sedan v základní verzi váží 1490 kg, což je pouze o 120 kg méně. Verze Tesly s prodlouženým dojezdem a těžší baterií váží 1730 kg, ale má výkonnější motor a pohon na všechna čtyři kola. Srovnatelná verze Audi s výkonnějším motorem a pohonem 4×4 váží 1610 kg, což je také jen o 120 kg více. Vzhledem k 4x vyšší účinnosti elektromotoru proti spalovacímu motoru je tento nárůst hmotnosti zanedbatelný. Nakonec tedy není nárůst hmotnosti bateriového elektrického auta tak výrazný, jak to na začátku vypadalo, a to i také díky lehčí a pevnější konstrukci karoserie, kterou Tesla používá. Stále ale má elektrické auto jen poloviční dojezd oproti autu se spalovacím motorem. Ještě tu je ale jedna nevýhoda bateriového elektrického pohonu.

Delší doplňování energie (-)

U aut na fosilní paliva i u elektrického auta na vodík je doplňování energie velmi snadné. Palivo se načerpá do nádrže během několika málo minut a můžete jet dál. U bateriového elektrického auta to tak snadné není. Energii totiž nečerpá z chemické vazby uložené v palivu, ale z elektrické energie přenesené z nějakého zdroje do baterie. A to probíhá jejím nabíjením. Do auta netečou litry paliva, ale bilióny elektronů. A to trvá o něco déle.

Naštěstí už jsou doby, kdy bylo potřeba nabíjet elektromobil na 100 km jízdy minimálně 8 hodin dávno pryč. Dnes už zvládnou výkonné rychlonabíječky doplnit energii na 120 km za 5 minut. Na 80 % kapacity baterie tak máte nabito asi za 20 minut (proč zrovna na 80 % se dozvíte v dalším článku této série). Oproti dřívějšímu 8 hodinovému nabíjení je to jen zlomek, ale oproti tankování paliva je to stále několikanásobně více.

Nízká energetická hustota a z ní vyplývající nižší kapacita baterií a jejich relativně pomalé dobíjení jsou hlavním důvodem, proč jsou dnes na světě dominantním osobním dopravním prostředkem auta se spalovacím motorem místo elektrických aut. Napadlo vás někdy, proč máme vlaky, tramvaje a metro na elektřinu a osobní a nákladní auta se spalovacím motorem? Proč tedy není všechno poháněno spalovacími motory? Proč nejezdí třeba výtah na spalovací motor? Technicky by to vyřešit určitě šlo, ve strojovně by místo elektromotoru byl spalovací motor, který by měl na střeše vyvedený komín. Z nějakého důvodu je pro výtahy výhodnější elektrický pohon. A také pro vysavače, fény na vlasy, pračky, sušičky, vlaky, tramvaje a metra. Na tomto videu se můžete podívat, jak by vypadal svět, kde by všechno fungovalo na spalovací motor 😉

Kdyby všechno fungovalo na spalovací motor, svět by vypadal a fungoval opravdu naprosto absurdně, že? V kopírce bychom měli zapíchnutou měrku oleje, do platebního terminálu bychom museli doplňovat benzín a počítač bychom startovali zapalovacím klíčkem. Ale většina věcí na světě nefunguje na spalovací motor, protože spalovací motor je velmi neefektivní. Přesto považujeme za naprosto samozřejmé, že auta mají spalovací motor a hotovo. Takhle to prostě je a už o tom ani nepřemýšlíme.

Ten zásadní důvod doposud byl v tom, že dopravní prostředek nemůžeme dát do zástrčky (vyjma tramvaje, vlaku, metra a trolejbusu, které si elektrický proud ze sítě brát dokážou). A baterie doposud neměly dostatečnou kapacitu a dlouho se nabíjely. Ale tyto důvody pomalu přestávají platit. Baterie už totiž nemají tak beznadějně nízkou kapacitu a nemusí se dobíjet dlouhé hodiny.

Je ale kolem nich mnoho otázek:

  • Jak vlastně fungují?
  • Jak dlouho vydrží (nepůjdou po 5 letech ježdění do kytek)?
  • Z čeho se vyrábějí a jak probíhá těžba kovů, které jsou na ně potřeba?
  • Kolik emisí CO2 se na jejich výrobu vyprodukuje?
  • Dají se recyklovat?

Pokusím se na všechny tyto a ještě další otázky odpovědět ve 3. článku této série o elektrických autech Všechno, co byste měli vědět o bateriích.

Komentáře