Snižování emisí CO2 – Kudy vede cesta?

Klimatická změna. Globální oteplování. Různé nezvyklé projevy počasí. Za to všechno údajně mohou emise oxidu uhličitého z lidské činnosti. Jak to s tímto plynem ve skutečnosti je? 

Oxid uhličitý je pro přírodu nezbytný a užitečný plyn. Do atmosféry je celosvětově vypouštěno značné množství CO₂ z různých zdrojů, mezi které patří zejména energetika a doprava. Snaha snižovat emise všeho druhu, ať již jde o částice, prach, různé plyny nebo chemikálie vypouštěné do vzduchu nebo do vody, a třeba i hluk, je nepochybně účelná a správná. To se týká i „lidských“ emisí CO₂. Jen je potřeba volit takovou cestu, aby současně nevznikalo více škody než užitku.

Spalovací motor ze své podstaty není bez­emisní. Během spalování paliva dochází k tvorbě různých emisí. Ty zdraví škodlivé, tedy částice, oxidy dusíku a další, jsou limitovány na velmi nízké úrovni normou EURO6 (připravena je EURO7) a moderní motory tuto normu plní. Kromě toho při spalování vzniká i oxid uhličitý, který je zdraví neškodný. Ale je to skleníkový plyn a je mu připisován vliv na oteplování Země. Emise CO₂ vznikají nejen v motoru během provozu automobilu, ale i při těžbě a výrobě paliva z ropy, dále při zpracovávání materiálů na vozidlo a výrobě vozidla i při jeho likvidaci na konci jeho života.

Proti tomu elektromobil je považován za bezemisní. Ale emise CO₂ vznikají již při jeho výrobě podobně jako u vozidla se spalovacím motorem. Navíc další emise vznikají při těžbě a zpracování surovin pro akumulátor i při jeho výrobě. Závisí přirozeně na typu a velikosti (kapacitě) akumulátoru či na místě výroby. Více než tři čtvrtiny ­akumulátorů pro evropská vozidla pochází z Číny, a i ty vyráběné v Evropě jsou z ­čínských surovin. Přitom energie potřebná k těžbě, rafinaci surovin i výrobě akumulátorů v Číně je převážně z uhelných elektráren a množství CO₂ vzniklé v souvislosti s výrobou akumulátoru je srovnatelné s množstvím CO₂ při výrobě celého zbytku elektromobilu. Teoreticky lze část CO₂ ušetřit při recyklaci akumulátorů, ale v praxi se to zatím moc nedaří. Elektromobil, který vyjíždí z výrobní linky, má proto za sebou více emisí CO₂ (až dvojnásobek) než srovnatelný automobil se spalovacím motorem.

Další emise vznikají při výrobě elektřiny potřebné pro jeho provoz. Zde jsou značné rozdíly mezi jednotlivými zeměmi. Nízké emise z výroby elektřiny má například Norsko, které má elektřinu převážně z vodních elektráren, a dále Francie nebo Slovensko, kde elektřina pochází převážně z jádra. Proti tomu špatně je na tom Německo, které spoléhá na OZE (obnovitelné zdroje energie) a má emise cca 10x vyšší než Francie, přičemž velké emise má i Česká republika. Nejhůře je na tom Polsko s elektřinou převážně z uhlí a emise CO₂ na každou vyrobenou kilowathodinu má podobně velké jako v Číně.

Účinnost elektrického pohonu, a tedy i spotřeba energie pro jízdu, je u elektrického pohonu výrazně lepší než u pohonu spalovacím motorem, i když té elektřiny je kvůli ztrátám v distribuci a při nabíjení potřeba vyrobit více (a tím vznikne i více emisí), než ukazuje měřič spotřeby na palubní desce vozidla. Automobil se spalovacím motorem během provozu „dohání“ elektromobil v produkci emisí CO₂. Kdy jej dožene, a tedy od kdy se elektromobil stává z hlediska CO2 lepším, záleží na těchto skutečnostech: jak velký je akumulátor, kde byl vyroben a v které zemi elektromobil jezdí (z čeho se tam vyrábí elektřina). Počet ujetých kilometrů, kdy toto srovnání nastane, se může pohybovat ve velmi širokém rozmezí od 20 000 až přes 200 000 km. Záleží také na podmínkách provozu (převaha města či dálnice, provozu v létě nebo v zimě atd.) i na stylu jízdy řidiče.

Materiály jsou zásadní

Moderní technologie (nejen) v automobilovém průmyslu jsou výrazně závislé na zdrojích vhodných materiálů. V případě akumulátorů je nejčastěji v Evropě používána struktura NMC využívající lithium, nikl, mangan a kobalt na katodě a grafit na anodě. Lithium se těží zejména v Jižní Americe a v Austrálii, často za ekologicky problémových podmínek, což platí i pro kobalt těžený v Kongu a grafit pocházející převážně z Číny. Tyto materiály se zpracovávají a z nich se vyrábějí elektrody akumulátorů v rozhodující míře v Číně. Evropa žádná významná ložiska těchto materiálů nemá. V Cínovci těžba lithia ještě nebyla zahájena a ani objemem nebude rozhodující, a hlavně zde prakticky zcela chybí průmysl na zpracování těchto materiálů, zčásti kvůli velmi přísným požadavkům na ochranu životního prostředí před toxickými látkami.

V poslední době roste, zejména v Číně, podíl starší, ale levnější techniky LFP (lithium-železo-fosfát, případně LFMP mangan místo nebo vedle železa). Nejnověji některé čínské firmy vyrábějí i sodíkové akumulátory, kde sodík nahrazuje lithium. Výhodou těchto typů baterií je především nižší cena a také větší bezpečnost proti požáru, ale jejich nevýhodou je menší kapacita (do 1 kg baterie se vejde méně elektřiny), a tedy elektromobil s těmito bateriemi má při stejné hmotnosti menší dojezd.

V mnoha oborech se používají tzv. prvky vzácných zemin. Například pro pohon elektromobilů se užívají nejčastěji elektromotory s permanentními magnety, které jsou vyráběny ze vzácných zemin těžených opět zejména v Číně. Tyto zeminy (celkem 17 prvků) nejsou vlastně vzácné, vyskytují se běžně v přírodě, ale zpravidla v tak malých koncentracích, že by se jejich těžba nevyplatila. Pro jejich získání je nutné vytěžit mnohonásobně větší množství zeminy, těžba je výrazně neekologická a emisně náročná, a proto se dovážejí převážně z Číny, kde jsou výhodnější ložiska a na ekologii se tolik nehledí.

Dalším důležitým materiálem je křemík, který tvoří základ k výrobě čipů. Čipy se používají v mnoha výrobcích od domácích spotřebičů až třeba po rakety a jsou nezbytné i pro automobilový průmysl. Přitom v elektromobilech je jich potřeba více než v běžných automobilech. Jejich výroba je energeticky náročná a opět se dováží převážně z Asie. Závislost na těchto materiálech je podstatným problémem v požadovaném přechodu na elektromobilitu. Při jejich těžbě a zpracování vzniká velké množství CO₂, i když tyto emise vznikají převážně mimo území Evropy. Pokud se chlubíme, že elektromobilitou snižujeme naše emise, a přitom emise z těžby a zpracování materiálů jinde přehlížíme, je to pokrytecké.

Kudy tedy vede cesta?

Jednou z cest je úplná nebo částečná elektrifikace pohonu. První podmínkou pro to je zajištění dostatku levné a nízkoemisní elektřiny i s ohledem na nárůst její spotřeby provozem elektromobilů (a také s vědomím toho, že žádný zdroj elektřiny není zcela bezemisní). Tuto podmínku však neplní OZE, zejména solární a větrné. I když vlastní výroba v těchto zdrojích vychází levná a nízkoemisní, při započtení nutnosti záložních zdrojů vyvolané šířením OZE, potřebného posilování sítí, a zejména nutných dotací do obou systémů (tj. do OZE a záložních elektráren), výsledek není ani levný, ani nízkoemisní. Pro ČR se jako perspektivní řešení jeví jaderná energie. ­Pokud ovšem chceme zajistit dostatek energie a nespoléhat se na nejistý a pravděpodobně drahý dovoz, je nutné do doby výstavby jaderných zdrojů zachovat provoz uhelných a plynových (pokud budou postaveny) elektráren.

Nicméně i když bude zajištěn dostatek nízkoemisní, a na rozdíl od současnosti levné elektřiny, zůstává zde potřeba drahých akumulátorů a emise z jejich výroby. Problém akumulátorů je v nízké měrné energii (kolik kWh elektřiny je v jednom kg akumulátoru), která je řádově nižší než u kapalných paliv. V důsledku toho jsou akumulátory velké, těžké a drahé. Vývoj a další zlepšování akumulátorů pokračuje, ale k tomu, aby se dostaly na úroveň srovnatelnou s kapalnými palivy, by bylo nutné zvýšit jejich měrnou energii asi 50x (!), což je zřejmě nereálné. Přirozeným řešením, jak snížit hmotnost, emise i cenu, je používat menší akumulátory. To ovšem znamená opustit v Evropě převládající představu, že elektromobil musí mít stejný dojezd jako automobil se spalovacím motorem.

Jaké jsou tedy možnosti:
1) Pravděpodobně budou i nadále vyráběny elektromobily s velkými, 60- až 100kWh akumulátory a odpovídající cenou, ale nemělo by jít o jedinou sledovanou a dotacemi a dalšími úlevami podporovanou cestu.
2) Městské elektromobily s akumulátorem přibližně 30 kWh, které pro městský provoz postačí s podmínkou, že existuje možnost častého nabíjení, nejlépe pomalým způsobem.
3) Nabíjecí (plug-in) hybridy s akumulátorem 15 až 25 kWh jsou vhodné pro pravidelné dojíždění na kratší vzdálenosti do několika desítek km a pro příležitostnou jízdu na větší vzdálenost. Opět zde platí podmínka možnosti dostupného dobíjení. Pokud však nejsou využívány pro jízdu na elektřinu a jezdí na spalovací motor, spojují nevýhody elektromobilů (větší hmotnost) a spalovacích motorů (emise).
4) Nedobíjitelné hybridy (mild- a full hybridy) jsou dnes již nejprodávanějším druhem pohonu v Evropě. Jejich zásadní výhodou je, že nepotřebují nabíjecí infrastrukturu. Vystačí s velmi malým akumulátorem (1,0–2,0 kWh), což umožňuje udržet jejich cenu na nižší úrovni.
5) V Evropě opomíjenou kategorií jsou sériové hybridy nebo range-extendery, kde spalovací motor pohání jen generátor a náprava je poháněna elektromotorem. Spojují výhody spalovacího motoru (velký dojezd a rychlé tankování s jednoduchým ovládáním) s dobrou dynamikou elektromobilů. Vystačí s malým akumulátorem, asi 2–5 kWh (sériový hybrid) nebo okolo 15 kWh (range-extender). V Číně tento druh pohonu výrazně roste.
6) Zvláštní kategorií jsou vodíkové automobily, kde spalovací motor je nahrazen palivovým článkem. Výhodou je lokálně bezemisní provoz. Podstatným problémem je vysoká cena a nedostatek i cena zeleného vodíku.

Alternativní metodou k elektromobilitě je použití obnovitelných, resp. syntetických paliv ve spalovacích motorech. Zásadní předností je, že tato paliva mohou být využívána jak v současných automobilech, tak i v tankovacích stanicích, a tím přinášejí okamžité snížení emisí. Podstatnou překážkou je jejich vysoká cena, která by se mohla hromadnou výrobou (patrně zatím ne v ČR) snížit. Další překážkou je nelogické lpění EU na legislativě, která zatím znemožňuje jejich (technicky bezproblémové) mísení s klasickými palivy.

Nereálné cíle

Dosavadní představy EU o „jediné správné“ cestě, tedy elektromobilitě, nevedou, jak je výše ukázáno, k nulovým emisím. Emise v Evropě sice klesají, ale ani zákazem prodeje spalovacích motorů ani úplným přechodem na elektromobilitu nelze cíle 90% snížení CO₂ do roku 2040 ani nulových emisí v roce 2050 dosáhnout. Nulové emise mohou být dosaženy jen na papíře, budeme-li dogmaticky trvat na nepravdivém tvrzení, že elektromobil je bezemisní. Používání elektrického pohonu dává smysl ve velkých městech, ale ne kvůli CO₂, ale kvůli eliminaci zdraví škodlivých emisí při hustém provozu. I když moderní spalovací motory mají velmi nízké emise, projedou-li špatně větranou ulicí tisíce automobilů za den, pak se tyto emise mohou kumulovat, a proto bezemisní provoz v těchto místech dává smysl.

Pro představu o míře vlivu emisí automobilů na celkové emise CO₂: osobní a lehké nákladní automobily se podle údajů Evropské agentury pro životní prostředí podílejí na evropských emisích CO₂ z lidské činnosti přibližně 14 %. Evropská unie se na celosvětových lidských emisích CO₂ podílí již jen asi 7 %. To znamená, že kdyby byl zakázán provoz (ne jen prodej!) všech automobilů v Evropské unii, snížily by se lidské emise CO₂ o 0,14 x 0,07 = 0,0098, to jest méně než o jedno procento. A když tyto automobily nahradíme elektromobily, bude to jen zlomek z toho 1 %. A přitom se lidské emise na celkovém koloběhu uhlíku podílejí jen velmi malou částí, zhruba 96 % CO₂ pochází z přírodních zdrojů, které ovlivnit nemůžeme.

Pokud jde o CO₂, je nutné opustit představu, že oxid uhličitý je škodlivý a že je nutná úplná dekarbonizace výroby i provozu. Uhlík je základním prvkem organických sloučenin všech živých organismů včetně lidí a oxid uhličitý je nezbytný pro přírodu a je potravou rostlin. V USA byl oxid uhličitý vyškrtnut ze seznamu škodlivin a jsou tam rušeny veškeré dotace na podporu elektromobility. Také v aktuálním návrhu 15. pětiletého plánu v Číně byly elektromobily vyškrtnuty ze seznamu strategických odvětví, což i tam povede k omezení či ukončení dotací do elektromobility.

I Mezinárodní energetická agentura již uvádí, že klimatické cíle nejsou splnitelné a bezpečnost je důležitější než politické závazky. Pouze Evropa tak dále trvá na dosavadním upřednostňování elektromobilů. Důsledky dotací na ně, pokutování automobilek za výfukové emise a přehlížení skutečných emisí za životní cyklus vozidel vedou k jedinému – drahým vozidlům, omezování mobility obyvatel a prodlužování životnosti stávajících automobilů. Přitom by rychlá náhrada starých vozidel moderními automobily byla nejrychlejší cestou ke snížení emisí z dopravy.

Zásadní pro žádoucí evoluci systému mobility je stabilní a předvídatelné prostředí státních a nadnárodních regulací. Současný chaos, vyvolaný unáhlenými rozhodnutími o nařízeních a směrnicích EU, která se pak napravují stejně nepromyšlenými úpravami, vede k velkým ekonomickým ztrátám a pochopitelné nedůvěře investorů i části zákazníků. Vedlejším efektem je pak přemíra zbytečné administrativy u podnikatelských subjektů, a to nejen v oblasti dopravy.

Racionální je nehledat jedno univerzální řešení pohonu vozidel, ale nechat výrobce volit nejvýhodnější postup s ohledem na stav techniky a zájem zákazníků. Každý z výše popsaných druhů pohonu má určitý potenciál ke snižování emisí, který lze během vývoje využít. Optimální poměr těchto pohonů nejlépe určí trh, pokud nebude deformován dotacemi, příkazy nebo zákazy a dalšími regulacemi. K tomu je však nutné opustit idealistickou představu Green Dealu o tom, že je nutná plná dekarbonizace a že mohou nebo musí být dosaženy nulové emise CO₂.

Ing. Josef Morkus, CSc.

Absolvoval Fakultu strojní ČVUT v Praze. Profesní dráhu zahájil v Ústavu pro výzkum motorových vozidel jako výzkumný a vědecký pracovník, poté působil ve společnosti Dolte s.r.o., kde vedl oddělení analýz. V podniku ČKD Praha Holding a.s., později v ČKD Dopravní systémy a.s., zastával funkci vedoucího technického oddělení nabídkové projekce a podílel se na koncepčním řešení kolejových vozidel. Od roku 2001 pracoval jako technický manažer ve společnosti Siemens Kolejová vozidla s.r.o. Od roku 2011 působí jako odborný asistent na Fakultě strojní ČVUT v Praze v Ústavu automobilů, spalovacích motorů a kolejových vozidel. V současnosti pracuje v Centru vozidel udržitelné mobility při FS ČVUT.

Fotogalerie