Může být doprava čistá? Počítejte se mnou

Statistiky jsou neúprosné. V roce 1990 produkoval v České republice průmysl 51 milionů tun oxidu uhličitého za rok a doprava 7 milionů tun oxidu uhličitého za rok. Průmysl byl sedminásobně větším iniciátorem klimatických změn než doprava. V roce 2019 byl poměr opačný, v ČR vyprodukoval spalováním fosilních paliv průmysl 8 milionů tun oxidu uhličitého za rok a doprava 19 milionů tun oxidu uhličitého za rok. Doprava se stala dvojnásobně větším iniciátorem klimatických změn než průmysl. Zároveň je doprava též v ČR největším a trvale rostoucím konečným spotřebitelem energie.

Takový je výsledek extenzivního rozvoje automobilové dopravy a technologické stagnace pohonného systému automobilů na úrovni techniky počátku dvacátého století, tedy spalovacím motorem: jedna třetina energie paliva pohání vozidlo, dvě třetiny energie paliva jen ohřívají okolní vzduch. Avšak celých 100 % spáleného paliva způsobuje velkou spotřebu energie a nežádoucí exhalace. Přitom nejde jen o globálně působící emise oxidu uhličitého, ale i o lokálně působící emise jedovatých látek, které poškozují lidské zdraví. Zejména oxidů dusíku (NO_x), jemných prachových částic (PM) a polyaromatických uhlovodíků (PAH).

Vlivy dopravy

Na rozdíl od továren, které stojí za městem a mají vysoké komíny, produkují automobily jedovaté zplodiny na ulicích v těsné blízkosti lidských příbytků a mají ústí svých výfuků těsně nad povrchem země. Logickým důsledkem těchto skutečností je fakt, že dopravou znečistěné ovzduší má v ČR asi osmkrát horší vliv na lidské životy a zdraví než dopravní nehody.

Spalovací motory do moderních vozidel nepatří. Stav techniky již umožňuje zajistit mobilitu osob i zboží s nižší spotřebou energie a bez exhalací. Není potřeba poškozovat životní prostředí ani lidské zdraví. K dispozici jsou moderní elektrické železnice včetně vysokorychlostních, metro, tramvaje, trolejbusy, elektrické autobusy. Všude tam, kde jsou silné a pravidelné přepravní proudy, je ekonomicky výhodné vybudovat kvalitní kolejovou dopravní cestu s liniovým elektrickým napájením.

Kombinace čtyř fyzikálních principů (nízký valivý odpor ocelového kola po ocelové kolejnici, nízký aerodynamický odpor dlouhých štíhlých vozidel jedoucích v zákrytu, vysoká účinnost elektrického trakčního motoru ve srovnání s motorem spalovacím a schopnost rekuperovat při brzdění kinetickou a potenciální energii) snižuje spotřebu energie pro dopravu zhruba na jednu osminu. A to při nulových lokálních emisí zdraví poškozujících látek a perspektivně (při odklonu výroby elektřiny od používání fosilních paliv) i bez globálních emisí oxidu uhličitého, měnících zemské klima. To je mimo jiné i důvod, proč Evropská komise ve svém Sdělení COM(2019) 640 Green deal stanovila cíl převést do roku 2050 ze silnic na železnice (respektive na vodu ve státech s vodními cestami) 75 % nákladní dopravy.

Extramodální úspory energie, tedy úspory energie vzniklé motivací k přesunu přeprav z energeticky vysoce náročných druhů dopravy (individuální automobilismus) na energeticky úsporné druhy dopravy (veřejná hromadná doprava, zejména kolejová, s elektrickou vozbou), jsou nejvýznamnější krokem ke snížení spotřeby energie dopravou a ke snížení dopravou produkovaných globálních i lokálních exhalací.

Úlohou osobních i nákladních automobilů je zajistit slabší a méně pravidelné přepravní proudy, ve směrových relacích, ve kterých se nevyplatí budovat dopravní cestu s liniovým elektrickým napájení. Nikoliv konkurenční, ale kooperační a komplementární vztahy mezi jednotlivými druhy dopravy jsou základem multimodální udržitelné mobility.

Avšak již ne automobilů se spalovacími motory, ale elektrických automobilů. Automobilů bez spalovacích motorů a za pár let i bez volantu a bez vlastníka. Sdílené autonomní automobily přijdou stejně rychle, jako přišly mobilní telefony či internet. Automobil již nebude pro občany majetkem, který je obtěžuje, o který se musí starat a který je omezuje, ale službou, jednou z mnoha aplikací na mobilním telefonu.

Lithiové akumulátory

Zásadním způsobem k pokroku v oblasti automobilů přispěl pokrok v elektrotechnice, zejména v oblasti lithiových akumulátorů. Elektrické automobily se staly realitou a v krátké době nahradí automobily se spalovacími motory. K odklonu od tradičních osobních automobilů se spalovacími motory k elektrickým automobilům výrazně napomáhá povinné snižování limitu uhlíkové stopy podle Nařízení Evropského parlamentu a rady č. 443/2009, které stanovilo limit průměrné uhlíkové stopy flotily vyráběných vozidel na 95 g CO₂/km.

Běžné automobily se spalovacími motory mají uhlíkovou stopu kolem 120 g CO₂/km, a tak výrobcům automobilů nezbývá, než k docílení požadovaných 95 g CO₂/km vyrábět kolem 20 % elektrických automobilů s nulovou uhlíkovou stopou. Desítky miliard EUR či USD, investovaných jednotlivými výrobci automobilů do vývoje nových elektrických vozidel, změny výrobní základny, rekvalifikace personálu i zákaznických služeb, dokládají odhodlání výrobců automobilů tyto cíle naplnit. Řada zemí (včetně Indie s 1,4 miliardami obyvatel) již ohlásila ukončení prodeje nových automobilů se spalovacími motory v roce 2030. V odezvě na pokles poptávky po automobilech se spalovacími motory již výrobci automobilů přestávají investovat do vývoje vozidel poháněných spalovacími motory a jejich výrobu postupně utlumují.

Lze jen litovat, že technika lithiových akumulátorů pro automobily již nepřišla před půl stoletím. Ropné zásoby mohly zůstat v klidu v podzemí, nežádoucí emise oxidu uhličitého ani zdraví škodlivých látek z ní vzniknout nemusely.

Výhody

Velkou výhodu elektrického automobilu je, že nemusí jezdit pro doplňování zásob energie k čerpací stanici, lze jej nabíjet kdekoliv při parkování, zejména doma. V ČR je registrováno 6 milionů osobních automobilů, které dohromady ročně ujedou zhruba 62 miliard km. Střední denní běh osobního automobilu v ČR je tedy 28 km, což v případě elektrického pohonu znamená průměrnou denní spotřebu zhruba 6 kWh elektrické energie.

Tuto energii dodá automobilu obyčejná jednofázová zásuvka 230 V / 16 A o výkonu 3,7 kW za 1,6 hodiny. Automobil v ČR parkuje denně v průměru 23,4 hodiny, během 8 hodin nízkého tarifu (levný „noční proud“) jej lze nabít z této nejobyčejnější zásuvky na cestu dlouhou 140 km, což obyvatelstvu v ČR postačuje téměř 98 % cest. K tomu potřebný elektrický výkon je v každé domácnosti v rodinných domcích i na sídlištích, jen je potřeba jej přivést od domu k parkovacímu místu.

Vlivem vyšší účinnosti elektrického trakčního motoru oproti motoru spalovacímu postačí při náhradě všech 6 milionů osobních automobilů v ČR elektrickými místo 39 TWh energie uhlovodíkových paliv jen 13 TWh elektrické energie. Elektrickou energii pro pohon všech osobních automobilů v ČR je schopna dodat solární elektrárna s panely o ploše 6 400 ha vybudovaná standardním způsobem na pozemku o ploše 9 600 ha. To jsou pouhá 2,4 % z 400 000 ha, na kterých je v ČR pěstována řepka olejná.

Účinnost přeměny energie slunečního záření na elektřinu (18 %) je totiž 600krát vyšší, než výsledná účinnost transformace energie slunečního záření (0,03 %), dosahovaná při biologickém procesu vytváření metylesteru řepkového oleje (účinnost 0,1 %) a jeho využití ve spalovacím motoru (účinnost 30 %). Při snaze plně v ČR nahradit ropná paliva pro osobní automobily metylesterem řepkového oleje by bylo nutno pěstovat řepku na 3 700 000 ha, což je více, než jaká je disponibilní plocha orné půdy v ČR (3 000 000 ha).

Nabíjení

Nabíjení elektrických automobilů z distribuční sítě však ani není v plném rozsahu nutné. Již jsou k dispozici perovskitové fotovoltaické články, které jsou ve vodě rozpustné a lze je proto tisknout na libovolný podklad, včetně karoserie automobilů. To umožňuje nabíjení automobilem slunečním svitem zdarma z jeho karoserie v průběhu parkování. Automobilu se spalovacím motorem při parkováni na slunci benzín či nafta v nádrži nepřibude.

Na čtvereční metr zemského povrchu přichází v naší zeměpisné poloze ročně zhruba 1 105 kWh energie slunečního svitu. Sluneční paprsky dopadající na plochu území ČR díky tomu přinášejí energii 315 000 PJ/rok. To je 300krát více, než je konečná spotřeba všech druhů energie v ČR (uhlí, ropných produktů, zemního plynu a elektřiny) v úhrnné hodnotě 1 050 PJ/rok.

Při použití fotovoltaických článků s účinností 18 % (včetně ztrát v měničích a rozvodech) postačí na výrobu elektrické energie na úrovni celkové konečné spotřeby veškeré (nejen elektrické) energie v úrovni 1 050 PJ/rok fotovoltaická elektrárna o výkonu 280 GW, tedy s plochou článků 150 000 ha, vybudovaná standardním způsobem na pozemku o ploše 220 000 ha.

Akumulace

Pokrytí spotřeby energie je jen jedna část úlohy, dále je též nutno vyrovnat odlišný časový proběh výroby a spotřeby energie. To ale není nic nového, zásobník v létě akumulované energie slunečního záření, určené k využití v zimním období, nazývaný stodola, byl největším objektem v každé zemědělské usedlosti.

K tomu existují účinné metody, jak zmenšit požadavky na skladováni energie slunce, potřebné k vyrovnávání roční bilance. Například vhodnou kombinací solárních a větrných elektráren, neboť vítr fouká i v zimně, a to i v noci. Přitom předmětné větrné elektrárny nemusí být vybudovány na území ČR. Lze se inspirovat v historii elektrárenství u nás.

První pražská městská elektrárna byla v roce 1900 vybudována v Holešovicích, ale druhá elektrárna pro Prahu již byla zřízena v roce 1926 v těsné blízkosti zdroje uhlí v Ervěnicích u Mostu. S Prahou byla spojena přenosovým elektrickým vedením. Analogicky je rozumné využít výborné podmínky pro budování větrných farem v pobřežních mělčinách a vysoce výkonná dálková přenosová elektrická vedení, která lze vybudovat spolu s připravovanou výstavbou vysokorychlostních železnic. Mořské větrné elektrárny totiž dodávají vlivem větrného podnebí při stejném instalovaném výkonu ročně dvakrát tolik energie, jako pozemní instalace u nás.

Existuje mnoho způsobů, kde, respektive jak, zřizovat fotovoltaické elektrárny. Na střechách domů, či v opuštěných povrchových dolech. Tam mohou být zřizovány jak na pevnině (na výsypkách), tak i jako plovoucí na hladině jezer při hydrických rekultivacích, kdy příznivě snižují nežádoucí odpar stále více vzácné vody. Stejně tako mohou být fotovoltaické elektrárny budovány na zemědělské půdě s cílem ji ochránit proti suchu.

Klimatické změny se již i v ČR staly skutečností a sucho je jejich průvodním jevem. Velmi zajímavým propojením adaptačních a mitigačních opatření proti klimatickým změnám je agrofotovoltaika. Nikoliv solární elektrárna vedle zemědělsky využívaného pole, ale solární elektrárna v pruzích na zemědělsky využívaném poli. Vhodně uspořádané fotovoltaické panely dokážou podpořit zemědělskou výrobou na témže pozemku trojím způsobem:

• odeberou 20 % energie slunečního záření jeho přeměnou na elektřinu,
• částečně zastíní plochu pozemku,
• soustředí dešťové srážky do zemědělsky využívaných pruhů pole, na kterých jsou intenzivnější a pronikají do větší hloubky.

Optimum fotosyntézy v rostlinách není při slunečním žáru, ale v polostínu. Vhodně instalované fotovoltaické panely tak u řady hospodářských plodin (včetně brambor) vedou ke zvýšení výnosů.

Teplo

Spalovací motory, které mění jen třetinu energie paliva na mechanickou páci a dvě třetiny energie paliva na nevyužité odpadní ztrátové teplo, nemá logiku nadále používat v dopravních prostředcích. Avšak lze je úspěšně provozovat ve stacionárních aplikacích, kde lze nalézt rozumné uplatnění i pro využití jejich ztrátového tepla. Typickou oblastí jejich užití mohou být malé domácí metanové kogenerační jednotky, aplikované v domácnostech místo tradičních plynových kotlů pro ústřední topení a ohřev teplé užitkové vody. Výhodou je, že spotřeba elektřiny i tepla má v domácnostech velmi podobný časový průběh.

Formy energie

Skutečnost, že velká většina lidských obydlí je v ČR napojena na dvě energetické distribuční sítě, elektrickou a metanovou, dává do budoucna velký potenciál rozumného hospodaření s oběma těmito druhy energie. V obou případech pochopitelně výhradně na bázi obnovitelných zdrojů. Je účelné je vzájemně kombinovat. Každá z obou forem energie má své přednosti (elektřina má mnohem širší aplikační možnosti, metan se snadněji skladuje).

Součinnost elektrárenství a plynárenství je velmi perspektivním oborem. Již existují k praktickému použití jak vysoce účinné elektrolyzéry s protonovou membránou k přeměně momentálně nadbytečné elektřiny z obnovitelných zdrojů na vodík, tak i hybridní dvoupalivové spalovací turbíny vodík/metan, vhodné pro paroplynové elektrárny se dvěma pracovními cykly.

Není na místě s nostalgií hovořit o uzavírání uhelných elektráren. Jejich technologie lze z podstatné části využít ke konverzi z uhelných na bimodální fotovoltaika/plyn. Navíc s akumulací energie jak do vodíku, tak do přečerpávacích vodních elektráren, vybudovaných s využitím zatopených důlních jam. Nová jezera, shora chráněná proti odparu fotovoltaickými panely, lze denně vyžívaných dvakrát. V noci k akumulaci energie levné nadbytečné elektrické energie z mořských větrných elektráren, ve dne k akumulaci energie z místní fotovoltaické elektrárny.

Technika se mění. Plavba plachetnicí proti proudu patřila k umění zdatných mořeplavců. V současnosti dokáže vítr o rychlosti 30 km/h prostřednictvím elektřiny pohánět vlak jedoucí rychlostí 300 km/h.

Dvacáté století skončilo před 21 lety, technika se za tu dobu posunula vpřed. Česká republika již není 30 let vzdálena jiným evropským zemím. Bylo by škoda tyto hodnoty nevyužít.

O autorovi: Jiří Pohl

Po absolvování dopravní průmyslovky začínal na železnici jako topič na parních lokomotivách. Následně vystudoval elektrickou trakci u profesora Jansy na Vysoké škole dopravní v Žilině. V letech 1975 až 2000 pracoval jako projektant elektrických výzbrojí vozidel a později jako hlavní konstruktér v ČKD. Od roku 2000 působí u společnosti Siemens ČR v oddělení Engineeringu (od roku 2018 součást společnosti Siemens Mobility, s.r.o.). Po letech práce v první linii projektových úkolů se věnuje průřezovým strategickým rozvojovým projektům. Je odpovědný za růst odborné kvalifikace vývojových pracovníků Engineeringu v Praze, v Plzni a v Ostravě, zajišťovaný formou přednášek odborných znalostí v rámci Rail Academy. Vyučuje na vysokých školách v tuzemsku i v zahraničí, publikuje v odborných časopisech a reprezentuje společnost Siemens Mobility, s.r.o. n dopravních konferencích.

Text vznikl pro časopis Siemens Vision, byl redakčně upraven.