Hon za čistým autem

20.2.2019

DOPRAVA - Co znamenají nové emisní limity pro budoucnost spalovacích motorů a automobilů?

Zoom galleryNa podzim roku 2018 se všechny státy a instituce dohodly na podobě emisních předpisů pro vozy prodávané v budoucnosti v Evropě. Jak jste nepochybně slyšeli, k nelibosti automobilového průmyslu by v roce 2030 měly emise prodávaných vozů být o 35 procent nižší než emise vozů, které si budete moci koupit na začátku 20. let 21. století. Ale možná nevíte, že nikdo přesně neví, co to znamená.

Všude dnes můžete najít, že podle pokynů by v roce 2021 v EU prodávané nové automobily měly vypouštět do vzduchu pouze 95 gramů CO2 na ujetý kilometr (tedy mohou i více, ale výrobci budou platit citelné penále). Normu nemusí plnit všechny vozy, jedná se o takzvaný flotilový průměr, který se vypočítává zpětně na základě veškerých zaregistrovaných vozů konkrétního výrobce v zemích Evropské unie. Do výpočtu se na základě speciálního matematického vzorce promítá nejen spotřeba, ale i hmotnost vozidla.

Číselnou hodnotu limitů pro rok 2030 ovšem dnes nikde nenajdete – a to ze dvou důvodů. Cíl pro rok 2021 byl určen podle dnes již nepoužívané metodiky měření emisí. Bude ho tedy nutné přepočítat podle metodiky nové, která lépe odráží podmínky skutečného provozu. Druhý důvod je přímočařejší. Rozhodnutí obsahuje bod, podle kterého se v roce 2023 vyhodnotí dosavadní vývoj na trhu, a může dojít k rozhodnutí o změně cílů.

Zatím tedy není jasné, na jaký cíl mají výrobci mířit. Ovšem všechno nasvědčuje tomu, že to bude hodně nízko – a to i v jednotkách, kterým rozumíme.

Jezdí (skoro) na vzduch

Jak je totiž asi každému jasné, emise CO2 přímo odpovídají spotřebě vozu a v dohledné době to jinak nebude. Zatím neexistuje žádný systém na zachycování CO2 ze spalin motoru a nezdá se, že by se to v dohledné době mohlo změnit. Technických a praktických problémů je příliš mnoho.

V této souvislosti se samozřejmě v tuto chvíli nabízí poťouchlá otázka, proč i evropské orgány či národní vlády raději než o emisích skleníkových plynů nehovoří ke svým občanům o limitech spotřeby – na té přece záleží každému – ale tu nechejme stranou a přejděme k základním číslům.

2,25 litru nafty na 100 km by měla být průměrná spotřeba vozů, aby výrobci splnili evropské normy 2030

Emise 95 gramů CO2 na kilometr odpovídají spotřebě zhruba 3,7 litru paliva na 100 kilometrů u dieselového motoru a zhruba 4 l/100 km u motoru benzínového. (Tady nezáleží na metodice, pokud auta spálí paliva více, nemohou požadavky splnit, protože se z něj uvolní více CO2.) Pokud tedy zhruba tato hodnota vydrží i po „přepočítání“ novou metodikou, v roce 2030 by pro naftové vozy platil limit spotřeby 2,25 litru na sto kilometrů, pro benzínové zhruba 2,6 litru.

Takové vozy dnes na trhu samozřejmě nejsou. Najdou se takové, které plní normy pro rok 2021, ale není jich mnoho. Přesto řekněme, že řeči o konci spalovacích motorů jsou přehnané.

Benzín à la diesel

Evropská nařízení jenom do malé míry ovlivní dění na trzích, které by se měly postarat v nejbližších desetiletích o většinu prodejů v automobilovém průmyslu, tedy rozvíjející se a rozvojové země. Těžko si představit, že v těchto zemích by se prodávalo více něco jiného než vozy s tradičními spalovacími motory. A to samozřejmě ovlivňuje i rozhodování výrobců, kteří kvůli těmto trhům musí investovat i do rozvoje technologie, jejíž budoucnost se při pohledu do evropské legislativy může zdát mrtvou.

Z technického hlediska navíc existuje celá řada způsobů, jak účinnost motorů nadále vylepšit. Jeden významný „skok“ v efektivitě je údajně přímo za rohem. Měly by ji představovat pohonné jednotky s takzvanou technologií HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, česky se překládá jako „vznětové spalování homogenní směsi“). V těchto motorech se má spalovat benzin, v principu jde ovšem o „diesel“. O zážeh paliva se v HCCI motorech nemá starat zapalovací svíčka; palivo se má pod tlakem samo vznítit stejně jako v naftovém motoru.

Zoom galleryJde samozřejmě především o úsporu paliva. Díky vznětovému principu spalování by motor měl být schopen využít velmi chudou směs paliva se vzduchem. Jednoduše řečeno, ve válci je palivo promícháno se vzduchem tak dobře, že ho k vytvoření stejného výkonu stačí méně. Japonská automobilka Mazda, která zřejmě bude první, kdo tento typ začne prodávat, slibuje snížení o dramatických 20 až 30 procent oproti jejímu dnešnímu úspornému dieselu Skyactive-G. A o 35 až 45 procent oproti motorům Mazda z roku 2008.

V praxi vypadá takový záměna možná jednoduše, ale ve skutečnosti to tak ani zdaleka není. I proto si na praktické realizaci této myšlenky i v nedávné minulosti celá řada velkých firem vylámala zuby. Japonská automobilka dokázala projít problémy špatného běhu motorů při jiných než optimálních otáčkách, a vlastně postavila jakýsi „hybrid“, kombinaci vznětového principu a klasického zapalování svíčkami. (Poznámka bokem: Protože marketing miluje odborně znějící názvy a zkratky, Mazda to celé nazvala SPCCI – Spark Controlled Compression Ignition, tedy doslova „jiskrou řízené zapalování směsi“. Což vlastně neříká nic, ale zní to dobře.)

V podstatě jde ovšem o to, že motor, respektive jeho řídicí jednotka, na základě otáček a zatížení tedy bude volit mezi zážehovým a vznětovým principem. Přechod mezi oběma režimy by přitom samozřejmě měl být co nejhladší, aby motor pracoval co nejefektivněji (a řidič nic nepoznal). Motory jsou tak kompresory, ne turbodmychadly, aby nedocházelo k prodlevám při přechodu z jednoho režimu do druhého.

Protože motor je snad poměrně blízko výrobě, s auty vybavenými těmito motory už se svezli také první novináři. Podle nich je dojem z něj přesně takový, jaký by si všichni milovníci silných aut asi představovali: rozdíl není poznat.

Mazda bude patrně první, ale nepochybně nebude jediná. Stejný princip údajně využívá Mercedes ve svých motorech ve Formuli 1, totéž dělá Ferrari a je nasnadě, že konkurence v podobě Renaultu a Hondy musí pracovat na tomtéž.

Po krátké oslavné ódě na technologickou novinku se ovšem vraťme na zem. Jak jste si možná všimli, neuvedli jsme číselné odhady jeho spotřeby (oficiální údaje nemáme). Podle nich by těmito motory vybavené vozy Mazdy mohly dosáhnout „papírové“ spotřeby kolem čtyř litrů na 100 kilometrů (a skutečné tedy kolem pěti litrů). Jinak řečeno, toto opatření by mělo Mazdě jednoduše umožnit splnit limity pro příští roky. K limitům pro rok 2030 ji čeká stále dlouhá cesta.

Hon na procenta

Samozřejmě samotné spalování není to jediné, co se dá vylepšit. Například jen použití novějších syntetických olejů s přesně nadávkovanými přísadami prvků, které by laik v oleji nehledal (například molybdenu), může podle výrobců zvyšovat celkovou účinnost pohonu vozidla i o více než 0,5 procenta.

V praxi může jedno půlprocento k druhému znamenat poměrně veliký rozdíl, jak nasvědčuje i vývoj posledních desetiletí. Celková energetická účinnost spalovacích motorů u řady vozů na konci minulého století byla kolem 20–25 procent. K pohonu vozu tedy nakonec sloužila pouze pětina až čtvrtina energie, kterou je možné získat spálením daného množství paliva. V takovém případě by už samotná změna maziv de facto zvýšila účinnost takového motoru zhruba o dvacetinu: tedy jako kdyby váš motor měl 105 kW místo 100 kW. To neohromí, ale potěší.

Podobných opatření (včetně rozšíření turbo-dmychadel, systémů start-stop atd.) výrobci v poslední době uskutečnili řadu. Ve výsledku se tak podařilo účinnost moderních motorů poměrně výrazně zvýšit a dnes se udává, že u řady vozidel přesahuje 35 procent a v případě těch nejnovějších se dostává na hodnoty kolem 40 procent. Jak dosvědčuje příklad Mazdy, trend může ještě minimálně nějakou dobu pokračovat. Optimistické hlasy v průmyslu říkají, že výhledově (tedy možná zhruba do roku 2030) bychom se mohli dostat na hodnoty kolem 50 procent.

Stačí to?

Může takové auto ale splnit evropské normy stejného roku? S přimhouřením alespoň jednoho oka můžeme říci, že spálením jednoho kilogramu paliva lze získat při stoprocentní účinnosti kolem 10 kilowatthodin (kWh) energie. Při přepočtu na litr je to tedy někde mezi 7 až 8 kWh. Pro jednoduchost v tomto velmi přibližném výpočtu pomineme rozdíly mezi benzínem a naftou a výsledek je trochu „neostrý“. My ovšem naštěstí auta podle nových standardů stavět nemusíme, tak nám snad bude odpuštěno.

Co to v praxi znamená? Zatím pouze hypotetický motor s 50procentní účinností by tedy z jednoho litru paliva měl vyrobit maximálně 4 kWh. Jak daleko na to auto dojede, ptáte se? To lze snadno ilustrovat. U většiny vozů se spotřeba v kilowatthodinách neudává, ale existuje jedna výjimka: elektromobily. V jejich případě se totiž v kilowatthodinách udává objem jejich „nádrže“, tedy baterie. A z provozních dat vyplývá, že spotřeba elektromobilů současných generací s rekuperací energie při brzdění se pohybuje kolem 17–20 kWh na 100 kilometrů. Ztráty u elektromobilů jsou velmi malé. Ani ten nejúčinnější systém pohonu, který dnes na silnicích je, na čtyři kilowatthodiny neujede více než zhruba dvacet kilometrů.

Ještě jinak řečeno, vůz, který využije celou polovinu energie paliva opravdu ke svému pohonu, by se asi v reálném provozu mohl dostat na spotřebu někde kolem čtyř litrů na sto kilometrů. Ale pokud by měl dosáhnout reálné spotřeby kolem tří litrů, musela by se účinnost motoru zvýšit poměrně vysoko nad 60 procent. Ovšem kde brát?

Tak takto ne

Podle autorova skromného názoru jsme se tímto ne zcela přesným výpočtem dostali k příčinám nejistoty v evropském automobilovém průmyslu. Ani optimisté v tuto chvíli nevidí způsob, jak pouze s pomocí dlouho ověřené a známé technologie spalovacích motorů dosáhnout vytyčených cílů. (Které se sice mohou ještě měnit v roce 2023 na základě průběžného vyhodnocení, ale to je samozřejmě jen částečná útěcha.) Velké instituce i podniky bývají z podstaty konzervativní a nejistoty se bojí.

Na druhou stranu musíme ihned upozornit, že technologické možnosti, jak těchto cílů dosáhnout, jsou k dispozici již dnes. Jen nejsou zdaleka tak vyspělé jako klasické vozy se spalovacími motory. Zdá se nepochybné, že výrobci – minimálně pro evropský trh – k nim přesto budou muset ve zvýšené míře sahat. Připomínáme znovu, že tyto normy nemusí plnit všechny vyráběné vozy. Ale jak je evidentní, vozy pouze spalovacími motory ho téměř určitě plnit nemohou. Přitom se ještě dnes najdou výrobci, kteří jiné vozy neprodávají, například v článku mnohokrát zmiňovaná Mazda.

Není ani úplně jasné, jak výrobci mohou normy splnit. Na pohled by se mohlo zdát, že jasně nejefektivnějším způsobem, jak si průměr srazit, je prodej čistých elektromobilů, které přímo žádný CO2 nevypouštějí. Od roku 2025 budou muset výrobci deklarovat CO2 emise nově prodávaných vozů se započtením celého životního cyklu paliva. Má se tedy mimo jiné počítat, kolik oxidu uhličitého vypouštějící elektrárny pro daný typ vozidla podle složení energetické výroby v tom daném státě. A v tu chvíli se elektromobily už tak výhodnými zdaleka nejeví.

Unijní průměr je velmi zhruba kolem 400 gramů CO2 na kilowatthodinu spotřebovanou v síti. Na jednu kWh dnešní automobily ujedou pět až šest kilometrů, což znamená, že jejich spotřeba se pohybuje kolem 60 gramů CO2 na kilometr, tedy zhruba někde na předpokládané hranici požadavků pro vozy prodávané v roce 2030. V celé řadě zemí – včetně třeba Německa – jsou hodnoty ještě výrazně nepříznivější a elektromobily by byly velmi „špinavé“.

Automobilový trh v Evropě čekají zřejmě zajímavější časy a debaty, než by si řada jeho účastníků přála. Rozvoj elektromobility si také vyžádá zcela novou distribuční energetickou infrastrukturu.

Zoom galleryA co auta a vodík?

Na fotografii šéfkonstruktér vodíkového pohonu firmy Toyota Jošikazu Tanaka u vozu Mirai, který byl prvním vozidlem na vodíkový pohon, jaké se zatím vyrábí. Ovšem od roku 2014 se prodalo zatím jen zhruba šest tisíc kusů tohoto typu, který japonské zákazníky bez dotací přijde na zhruba 1,5 milionu korun. 

Krátký přehled o vodíkovém pohonu aut najdete na našem webu zde v sekci Zajímavosti.

Slepé uličky

Stále samozřejmě existují možnosti, jak účinnost spalovacích motorů zvyšovat, ale není jich mnoho. I velké stacionární systémy (generátory, ale i lodní motory) dnes nedosahují o mnoho lepší účinnosti než těsně nad 50 procent.

Největší ztrátovou složkou je teplo, které odchází spolu s výfukovými plyny. Přesné hodnoty se mohou lišit, ovšem zhruba platí, že u zážehových motorů takto odchází asi 40 % a u vznětových okolo 30 % celkové tepelné energie. Je tedy jen logické, že konstruktéři se snaží o využití tohoto tepla pro zvýšení celkové účinnosti přeměny energie paliva na „užitečnou práci“.

Ne že by teplo vznikající ve spalovacích motorech nemělo žádné využití (zahřívání prokřehlých cestujících je zatraceně užitečné!). Konstruktéři ovšem sní o něčem zásadnějším. Například nějakém systému přeměny odpadního tepla na elektrickou energii, využitelnou buď pro provoz pomocných zařízení motoru, nebo přímo k přídavnému pohonu klikového hřídele.

Již desetiletí se spekuluje o možném využití tzv. termoelektrického jevu. Což je jednoduše přímá přeměna rozdílu teplot na elektrické napětí a naopak. Nemá smysl zabíhat do detailů, protože tento jev je sice dobře popsaný, ale k jeho praktickému použití máme daleko. Účinnost známých materiálů se pohybuje v nejlepším případě pouze v jednotkách procent. Navíc jde většinou o materiály poměrně exotické a drahé.

Pokud se to změní, půjde nejspíše o zajímavé řešení. V principu by podobné zařízení mělo být jednoduché a nijak nesnižovat tepelnou činnost samotného motoru. Každý watt navíc je tedy „čistý zisk“. 

(spe)

Úvodní foto: Elektromobily nejsou nijak nová myšlenka, svůj první boj s vozy na fosilní paliva ovšem zhruba před sto lety poměrně jasně prohrály. Ale velká část dnes znovu „vymýšleného“, už byla vymyšlena tehdy. Na kolorovaném snímku z roku 1912 je nabíjecí stanice pro elektromobily od firmy Pope. Technické specifikace se bohužel dohledat nepodařilo, společnosti dávno zanikla. Vůz na snímku je ovšem také z její dílny, konkrétně jde o typ Columbia Mark 68 Victoria.

Svět plný energie > Témata > Hon za čistým autem

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

12.6.2019 177 GW obnovitelných zdrojů do provozu v roce 2018

AKTUALITY Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) celkový instalovaný výkon obnovitelných zdrojů uvedených v roce 2018 do provozu činil 177 GW. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt:

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

12.6.2019 177 GW obnovitelných zdrojů do provozu v roce 2018

AKTUALITY Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) celkový instalovaný výkon obnovitelných zdrojů uvedených v roce 2018 do provozu činil 177 GW. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt: