Elektryki, benzyniaki, hybrydy - co jest naprawdę eko?
Znaczący przykład nowego spojrzenia na tę kwestię pochodzi z kraju przodującego na świecie w elektromobilności. Norweskie ministerstwo transportu podało niedawno, że rozważa zniesienie lub ograniczenie ulg podatkowych dla pojazdów elektrycznych, ponieważ obawia się, że transport publiczny przegrywa z pojazdami niskoemisyjnymi.
Szef resortu, Jon-Ivar Nygård powiedział w kwietniu 2022 r., że ulgi dla samochodów elektrycznych mogą zostać wycofane. Obowiązujące w Norwegii od pewnego czasu prawo stanowiło, iż samochody elektryczne nie powinny być obciążone podatkiem wyższym niż 50 proc. podatku stosowanego dla odpowiedników spalinowych. Jednak zmniejszone wpływy z transportu publicznego związane z rosnącym użytkowaniem samochodów elektrycznych, a także niższe wpływy z opłat drogowych w Oslo skłoniły rząd do myślenia o zmianach.
Norweskie stowarzyszenie właścicieli samochodów elektrycznych sprzeciwiło się ograniczeniu ulg dla pojazdów ekologicznych. "Ponad 80 proc. samochodów w Norwegii nadal napędzanych jest paliwami kopalnymi", powiedziała serwisowi NRK Christina Bu, szef tej organizacji. "Zniżki na opłaty drogowe są jednym z najważniejszych powodów, dla których ludzie wybierają samochody elektryczne".
Elektryk czystszy jeśli prąd z czystego źródła
72 proc. emisji CO2 w sektorze transportu przypada na samochody (na drugim miejscu są samoloty - 10 proc.). Czy samochody elektryczne są rzeczywiście bardziej ekologiczne i przyjazne dla środowiska niż tradycyjne środki transportu (2)?
Podstawowa różnica między samochodami konwencjonalnymi, napędzanymi energią cieplną, a samochodami elektrycznymi polega na procesie przekształcania energii potencjalnej (zmagazynowanej) w energię kinetyczną (ruch). W samochodach spalinowych energia ta jest magazynowana w postaci chemicznej i uwalniana w wyniku reakcji zachodzącej wewnątrz silnika. Samochody elektryczne, mimo że również posiadają energię zmagazynowaną chemicznie, uwalniają ją elektrochemicznie, bez jakiegokolwiek spalania, dzięki akumulatorom. Oznacza to, że podczas jazdy nie jest spalane paliwo, a więc nie dochodzi do zanieczyszczenia powietrza CO2.
Nie oznacza to jednak, że pojazdy elektryczne w każdym przypadku są bardziej ekologiczne. Jeśli źródłem energii zasilającej te samochody nie są panele słoneczne, turbiny wiatrowe, a nawet elektrownie jądrowe lub wodne, emisja dwutlenku węgla może być znacznie wyższa. Ponadto wytwarzanie i instalowanie technicznej infrastruktury wymienionych odnawialnych źródeł również generuje emisje, zanieczyszczenia środowiska, problemy z recyklingiem itp.
Zgodnie z przyjętą dość powszechnie mądrością samochody elektryczne są najlepszym kompromisem, jeśli chodzi o zapewnienie ekologicznego transportu prywatnego. Interesujące badanie przeprowadzone ostatnio przez Volvo pokazuje jednak bardziej złożony obraz sytuacji. Volvo porównało emisję dwutlenku węgla w całym cyklu życia każdego modelu wozu XC40, począwszy od surowców i procesów produkcyjnych potrzebnych do jego wyprodukowania, przez tankowanie paliwa i jazdę przez przewidywany okres eksploatacji wynoszący 200 tys. km a skończywszy na jego utylizacji.
Okazało się, że produkcja elektrycznego C40 powoduje o 70 proc. więcej emisji niż produkcja XC40 ze zwykłym silnikiem spalinowym, przy czym oba samochody zbudowane są na tej samej platformie i mają wiele wspólnych części. Same tylko akumulatory stanowią niemal jedną trzecią śladu węglowego, jaki pozostawia budowa C40 lub XC40 Recharge.
Różnica pojawia się oczywiście po rozpoczęciu jazdy, ponieważ każdy kilometr przejechany samochodem benzynowym powoduje spalanie paliwa i zwiększa emisję CO2, podczas gdy w przypadku jego elektrycznego odpowiednika jest odwrotnie. Punkt krytyczny, w którym rosnący ślad węglowy samochodu spalinowego przewyższa ślad węglowy samochodu elektrycznego i nadal rośnie, zależy od tego, skąd pochodzi energia elektryczna do naładowania elektryka.
Volvo opublikowało trzy różne dane liczbowe, w zależności od średniej globalnej podaży energii elektrycznej, przewidywanego bilansu "EU28" (UE plus Wielka Brytania) z regularnych i odnawialnych źródeł energii oraz w pełni odnawialnej energii.
W okresie 200 tys. km w pełni elektryczny C40 emituje o 15 proc. mniej dwutlenku węgla niż benzynowy XC40, a zanim osiągnie próg rentowności, musi przejechać 110 tys. km. Jeśli C40 jest ładowany wyłącznie energią odnawialną, emisja CO2 w całym okresie eksploatacji jest o połowę niższa niż w przypadku XC40 z silnikiem spalinowym, a próg rentowności osiąga się po przejechaniu nieco ponad 50 tys. km. Podobne badania przeprowadzone przez Mazdę stały się powodem, dla którego japońska marka wyposażyła swój całkowicie elektryczny model MX-30 w mniejszy niż zwykle akumulator, aby obniżyć koszty i masę, a jednocześnie przyspieszyć osiągnięcie progu rentowności.
Tak więc, chociaż wydaje się, że w całym okresie eksploatacji samochód EV może mieć mniejszy wpływ na środowisko niż jego odpowiednik z silnikiem spalinowym, to być może nie jest to tak proste, jak stwierdzenie, że "samochody elektryczne są bardziej ekologiczne", a wiele zależy od źródła energii elektrycznej, którą się ładuje.
Recykling niezbyt opłacalny
Kwestię ekologiczności aut elektrycznych komplikuje w dodatku pytanie to, jak przyjazny dla środowiska jest proces ich produkcji. Cykl wytwórczy samochodu rozpoczyna się od wydobycia surowców, ich rafinacji, transportu i wytworzenia komponentów, które następnie są montowane. Proces ten przebiega bardzo podobnie do produkcji samochodów konwencjonalnych.
Niemniej, według organizacji Union of Concerned Scientists, po podsumowaniu całości procesu produkcyjnego to samochody elektryczne generują więcej emisji CO2. Dlaczego? Samochody elektryczne magazynują energię w dużych akumulatorach (im są one większe, tym większy jest zasięg), które mają wysokie koszty środowiskowe, gdyż akumulatory te są wykonane z pierwiastków ziem rzadkich i kopalnych minerałów, takich jak np. lit, nikiel, kobalt czy grafit (3). Ich wydobycie wiąże się ze znacznym zanieczyszczeniem środowiska. Na przykład, według Chińskiego Stowarzyszenia Ziem Rzadkich, wyprodukowanie tony pierwiastków ziem rzadkich wiąże się z generacją 75 ton odpadów kwaśnych (z którymi nie zawsze postępuje się w odpowiedni sposób) i jednej tony radioaktywnych. Warto dodać, iż rozwój systemów energii odnawialnej również m wiąże się z wykorzystaniem energii i pierwiastków ziem rzadkich.
Mimo początkowego śladu środowiskowego, bilans akumulatorów litowo-jonowych, w porównaniu z samochodami konwencjonalnymi, równoważy się w czasie od pół do półtora roku przeciętnego użytkowania z wykorzystaniem czystej energii w USA lub w dwa lata w UE. Od tego momentu samochody elektryczne stają się ekologiczną alternatywą dla samochodów konwencjonalnych, aż do chwili, gdy ich akumulatory osiągną kres swojego cyklu życiowego.
Co dalej? Według badań przeprowadzonych przez Międzynarodową Radę Czystego Transportu (ICCT) w przemyśle samochodowym, w USA 99 proc. akumulatorów kwasowo-ołowiowych (stosowanych w samochodach napędzanych paliwami kopalnymi) jest poddawanych recyklingowi. Ale przecież nie takie akumulatory stosowane są we współczesnych autach elektrycznych.
W przypadku akumulatorów litowo-jonowych, które charakteryzują się bardzo specyficzną mieszanką składników chemicznych i zawartością litu, kwestia recyklingu wygląda znacznie gorzej. Na przykład na rynku UE w 2011 roku odzyskiwano jedynie 5 proc. litu, a resztę albo spalano, albo wyrzucano na wysypiska śmieci. Dziesięć lat później, jak informował serwis BBC w kwietniu 2021 r., odsetek recyklingowanego litu był taki sam. Ani cena, ani przepisy nie sprzyjały odzyskiwaniu go. A liczba akumulatorów rośnie. Międzynarodowa Agencja Energii szacuje, że do końca dekady po drogach całego świata będzie jeździć od 148 do 230 milionów pojazdów z napędem akumulatorowym.
W idealnym świecie materiały z tej ogromnej masy powinny być odzyskiwane. Teoretycznie, jak wynika z badań przeprowadzonych w laboratorium Alissy Kendall, profesor inżynierii lądowej i środowiskowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis, materiały pochodzące z recyklingu mogłyby do 2040 roku dostarczyć ponad połowę kobaltu, litu i niklu do nowych akumulatorów.
Recykling w motoryzacji działa głównie dlatego, że złom ma swoją wartość i istnieje rynek na konwencjonalne części samochodowe. Jednak zestawy akumulatorów litowo-jonowych to ciężkie urządzenia z dziesiątkami komponentów i różną konstrukcją w zależności od producenta. Napięcia w tych akumulatorach są wysokie. Wydobycie cennych materiałów jest trudne i kosztowne.
Proces recyklingu polega zazwyczaj na rozdrabnianiu akumulatorów, a następnie ich dalszej degradacji za pomocą ciepła lub środków chemicznych w specjalnych zakładach, a to i tak część najmniej obciążająca. Według najnowszych badań około 40 proc. całkowitych kosztów recyklingu stanowi transport.
Akumulatory do pojazdów elektrycznych są tak masywne, że muszą być przewożone ciężarówkami w specjalnie zaprojektowanych skrzyniach, często na duże odległości. W sumie transport jest tak praco- i zasobochłonny, że zazwyczaj przewyższa koszty wydobycia nowych materiałów z ziemi. Obecnie jedynym materiałem, który można poddać recyklingowi z zyskiem, jest kobalt, ponieważ jest rzadki i drogi. Jednak z tego właśnie powodu wielu producentów akumulatorów dąży do eliminacji kobaltu, co może jeszcze bardziej zmniejszyć atrakcyjność recyklingu.
Jeśli pojazdy elektryczne mają mieść sens w dłuższej perspektywie, to w połowie wieku, gdy przemysł wydobywczy, jak się zakłada, zakończy działalność, będzie musiał rozwinąć się wysokowydajny przemysł recyklingowy, aby zapobiec oddziaływaniu odpadów z akumulatorów na środowisko. Przy ich dużej ilości problem staje się wielki.
Elektryki plus OZE - to może nie zadziałać
Jest jeszcze jeden aspekt rozwoju elektromobilności, który ma znaczące konsekwencje, dla szerzej rozumianej zmiany w energetyce.
Uważa się często, iż w świecie zdominowanym przez OZE, pojazdy elektryczne miałyby ładować się (4) w okresach nadmiaru wiatru i słońca, co stabilizowałoby również sieć, a także pozwoliło na dostęp do tańszej energii elektrycznej. W tej wizji akumulatory elektryków mogłyby być nawet źródłem energii elektrycznej dla gospodarstw domowych w okresach braku słońca i wiatru.
Jednak, według wielu opinii, wdrożenie harmonogramu ładowania i rozładowywania zależnego od pogody, które jednocześnie nie byłoby uciążliwe dla właściciela samochodu, będzie bardzo trudne. Jedyną praktyczną opcją wydaje się ostatecznie przewymiarowanie akumulatora w celu zarezerwowania pewnej nadwyżki pojemności. Oznacza to jednak, że ludzie będą musieli kupować samochody z większymi akumulatorami niż potrzebują, co wiąże się ze znacznymi kosztami.
Ostatecznie te rozważania prowadzą wielu komentatorów do wniosku, że pojazdy elektryczne najlepiej nadają się do integracji z systemem elektroenergetycznym pracującym przy obciążeniu stałym (np. ze źródłem jądrowym). Każdy wtedy może wygodnie ładować swoje samochody w nocy, gdy zapotrzebowanie i ceny są niskie, co pozwala elektrowniom pracować z wyższym współczynnikiem mocy i obniżyć koszty energii elektrycznej. Ponadto ładowanie samochodów tylko w godzinach pozaszczytowych pozwala uniknąć kosztownej rozbudowy sieci.
Podważa to przewidywania, że pojazdy elektryczne mogłyby być główną siłą napędową odnawialnej rewolucji energetycznej.
Elektryki nie zawsze górą w rankingach
Auta elektryczne w ostatnich rankingach najbardziej przyjaznych dla środowiska samochodów "rządzą", choć w najnowszym zestawieniu okazuje się, że lepiej wypadają gdy są skombinowane z napędem tradycyjnym jako hybrydy, np. w 2021 roku na czele listy GreenerCars opublikowanej przez Amerykańską Radę ds. Gospodarki Efektywnej Energetycznie (ACEEE) znalazły się MINI Cooper SE (5) oraz Hyundai Ioniq, oba z napędem w pełni elektrycznym. Siedem z dwunastu najlepszych modeli na liście najczystszych samochodów 2021 r. to pojazdy w pełni elektryczne (EV). Reszta to były hybrydy z napędem spalinowo-elektrycznym (HEV) lub hybrydy typu plug-in (PHEV).
W kolejnym rankingu tej samej organizacji za najbardziej ekologiczny samochód roku 2022 została uznana Toyota Prius Prime, auto, które nie jest czysto elektrycznym wozem, lecz hybrydą. W pierwszej dwunastce znalazły się zresztą jedynie cztery pełne elektryki, w tym ponownie MINI Cooper SE, tym razem na trzecim miejscu, Nissan Leaf - na czwartym, Mazda MX-30 - na siódmym i Tesla Model Y Rear-Drive - na dziesiątym. Autorzy rankingu przypuszczają, że jest to spowodowane mniejszą liczbą nowych małych modeli elektrycznych. Producenci ostatnio oferują większe elektryki, które wcale nie są takie zielone.
Wyniki rankingu opierają się na analizie ponad tysiąca modeli, w tym konwencjonalnych pojazdów napędzanych benzyną lub olejem napędowym, hybryd plug-in zasilanych zarówno akumulatorem, jak i benzyną oraz modeli w pełni elektrycznych, które są zasilane wyłącznie akumulatorem lub wodorowymi ogniwami paliwowymi. Każdy pojazd otrzymuje ogólny wynik Green Score, który można wykorzystać do porównania względnej przyjazności dla środowiska - lub jej braku - jednego modelu do drugiego. Wyniki te są wyrażane w skali 100-punktowej, przy czym wyższe liczby oznaczają lepsze wyniki. Warto zauważyć, że oceny ACEEE wykraczają poza zwykłą ocenę emisji spalin z rury wydechowej. Uwzględniają one raczej wpływ, jaki dany model będzie miał na środowisko "od kołyski po grób". np. tegoroczna ocena uwzględnia również emisje związane z produkcją materiałów, z których zbudowany jest pojazd, w tym emisje związane z wydobyciem litu.
Nieoczywistość zielonej barwy aut elektrycznych pojawia się też innych badaniach. Na początku 2022 r. na zlecenie Unii Europejskiej w ramach programu Green NCAP wykonano najdokładniejsze testy elektryków w historii i… porównano je do Skody Octavii TDI. Diesel okazał się być dużo czystszy od samochodów elektrycznych. W testach wcześniejszych badano zwykle ilość gazów cieplarnianych i efektywność energetyczną poszczególnych samochodów. W najnowszych - zbadany został cały cykl życia, nie tylko eksploatację, ale także produkcję, recykling i złomowanie. Porównano 61 samochodów różnych marek i różnych napędów.
Green NCAP opiera się na założeniu, że samochody są eksploatowane przez 16 lat podczas których pokonają 240 000 km, co oznacza, że nie możemy mówić jeszcze o 100 proc. porównywalności. Producenci udzielają maksymalnie ośmioletnich gwarancji na akumulatory, a elektryki nie wytrzymują obecnie dużo dłużej, czyli, albo nie przetrwają 16 lat, albo będą potrzebowały nowych akumulatorów, co wiąże się z kolejnymi emisjami.
Nawet jednak gdyby założyć, że faktycznie elektryk przejedzie przez te 16 lat 240 tys. km, to w ramach całkowitego zużycia energii liderem pod względem średnich wartości w omawianym badaniu została Skoda Octavia Combi 2.0 TDI, która zużyje w tym okresie 164 Mwh. To mniej niż hybryda plug-in Toyota Prius (167 MWh), czy w pełni elektryczny Fiat 500e (171 MWh). Jeśli chodzi o uwalniane emisje, czeskie kombi przegrywa, ale pamiętajmy, że jego diesel wytrzyma dłużej niż osiem lat.
W świecie ekologicznych i ekonomicznych paradoksów
Samochód miejski jest jednym z najmniej efektywnych elementów gospodarki transportowej. Z drugiej strony to małe elektryczne auta miejskie są jak widać w rankingach obecnie najbardziej ekologiczne. Zestawienie tych faktów pokazuje paradoksy. Zwolennicy ekologii transportu rekomendują w miastach komunikację zbiorową. Jednocześnie to w miastach samochody elektryczne dają największą ulgę środowisku.
Eksperci zwracają uwagę na inne paradoksy, a raczej normalne konsekwencje upowszechniania się każdej techniki, np. fakt, że w miarę masowego wzrostu i wchodzenia w kolejne mniej atrakcyjne nisze elektromobilność traci na konkurencyjności, np. niezorganizowane, długodystansowe podróże wakacyjne lub służbowe wymagają dużych zestawów akumulatorów, używają głównie autostrad, gdzie napęd spalinowy sprawdza się najlepiej, i w większym stopniu polegają na publicznych ładowarkach (które mogą kosztować więcej niż benzyna).
Kolejnymi problemami są czas ładowania i dostępność punktów ładowania. Nawet nowoczesne szybkie ładowarki o mocy 350 kW są powolne w porównaniu z dwudziestoma tysiącami kW pobieranymi ze standardowej pompy benzynowej (kilkadziesiąt litrów na minutę). Problemem pozostanie też dostępność bardzo szybkich ładowarek po rozsądnej cenie.
Pojedyncza ładowarka o mocy 350 kW wymaga przyłączenia do sieci mocy odpowiadającej mocy potrzebnej siedemdziesięciu domom. W przypadku odległych lokalizacji koszt ten byłby kilkakrotnie wyższy ze względu na konieczność modernizacji linii przesyłowych i dystrybucyjnych. Współczynniki wykorzystania mogą być także znacznie niższe niż użytkowników domowych, co stanowi kolejny mnożnik kosztów.
Ze względu na te czynniki samochody z silnikami spalinowymi zachowają znaczną "premię za wolność" w stosunku do pojazdów EV w niszach, w których samochody oferują największą wartość dla społeczeństwa. Dobrym przykładem jest Norwegia, gdzie zachęty są tak duże, że każdy rozsądny człowiek kupiłby EV. Jednak i tam elektryki stanowiły po wprowadzeniu ulg tylko około dwóch trzecich sprzedaży. Ponadto jak pisaliśmy wcześnie, nawet bogata Norwegia zaczyna sygnalizować chęć wycofania się z wielkich ulg i dotacji do elektromobilności.
Mirosław Usidus
