Elektro(mo)debilita

Elektromobilita je u D-FENSe častým tématem. Je probírána z různých úhlů pohledu, autoři mají i netechnické vzdělání a všelikou motivaci k psaní. Prostě obohacující diversita, až se divím, že z Brusele ještě nepřišla nějaká pochvala. No asi to bude tím, že články nejsou dost elektromobhujerské a můj nebude lepší.

Pro mě byl motivací k psaní asi dva měsíce starý PR žvást s. zmr. Mládka, kde se propaguje elektrovůz Hnújdaj JoníkElektrik a dotace na elektromobily obecně. Tehdy jsem došel k názoru, že už je čas se osobně podívat na jádro pudla a nezakládat svoji verzi „big picture“ pouze na tom, co napsali jiní. Když nechci plýtvat časem na analýzu něčeho, co se mě zatím moc netýká, ale v budoucnu může hodně, osvědčilo se vzít ohled jen na limitní stav. V našem případě na vztah elekromobility a elektroenergetiky, a na některé vlastnosti baterií. Pokud jsem se nepřehlédl, tak tato témata se v ostatních článcích neprobírala. Výsledek lze shrnout jedním slovem – názvem článku.

Začnu coming outem: nejsem technik ani petrolhead. Mám auto s benzínovým motorem a je pro mě strojem, který mi ulehčuje život. Tedy věcí jako barák, pračka nebo vysavač. Chovám se k němu tak, aby spolehlivě sloužilo, jsem vděčný za každou dobrou radu ohledně údržby ale nemám k tomu plechu žádný vztah. Pokud by elektromobil měl stejnou užitnou hodnotu při stejné ceně, klidně na něj při pravidelné obměně přesedlám. Jenže to hned tak nenastane. Například zmiňovaný Joník je skoro stejně drahý jako BMW 3 a na jedno nabití ujede „až“ 280 km. Má i další skvělé fíčury, můžete třeba zvýšit dojezd vypnutím topení a kde je to dovoleno jede rychlostí až 160 km/h, jako Dacia. WTF?

Elektromobily prý sníží emise, hlavně CO2. Možná jo, možná ne. Pokud potřebnou elektřinu vyrobí elektrárny na uhlí nebo plyn tak je otázka, na kterou neexistuje poctivě propočtená odpověď, jestli celková produkce ekotoxického a rostlinami milovaného CO2 na ujetý kilometr bude nižší nebo vyšší, než když se na stejné trase palivo vyrobené z ropy spálí v autě se spalovacím motorem. Rozhodně je to důležitý aspekt a bylo učiněno velmi mnoho pokusů o výpočet. Jejich četbu jsem už vzdal dávno, protože kvalitou to vždy byla PR propagace nějaké verbeže: politbyra Eurosojuzu, Greenpiss, pseudovědců s obřím konfliktem zájmů nebo čerpačů dotací na výrobu a provoz elekromobilů. Nejzajímavější jsou ty články asi pro psychology kteří zkoumají, jak moc jsou lidé ochotni podvádět a lhát, aby se dopracovali k předem danému výsledku. Nebudu na nic odkazovat, kdo se chce hrabat v žumpě, ať si něco najde sám. Podstatou diskuse o emisní (a potažmo i energetické) efektivitě je více či méně selektivní nebo rovnou zlovolná manipulace na téma efektivity termodynamických strojů – elektráren a spalovacích motorů. Tyto stroje mají různou technickou konstrukci, která determinuje jejich efektivitu. Technici, kteří stroje vymýšlejí, znají termodynamiku, umí leccos vypočítat, kupříkladu termodynamickou limitu účinnosti konkretního stroje, a stroje pořád inovují. Sice to v čase trvá i dlouho, ale výsledky jsou znát. Kupříkladu tepelné elektrárny pracující se subktrickou párou mají účinnost 35% a superktické soustavy 48%. Totéž platí pro účinnost malých spalovací motorů pro auta. Například současné motory s Ottovým cyklem mají účinnost kolem 25%. Ovšem termodynamická limita účinnosti je něco méně než dvojnásobek, což vede techniky k neustálým a více či méně podařeným pokusům o inovace. Psát o nich nebudu, protože k jejich zasvěcenému popisu je zde mnoho povolanějších a já jim rozhodně nehodlám lézt do zelí. Technická inovace motorů je obří business a dá se v něm těžko podvádět, protože termodynamika. Je tedy relativně rezistentní k zazmrdování a proto i produktivní, pokud soudíme podle reálných výsledků. Dokonce ani ekologističtí fanatici svými iracionálními požadavky nedokázali vývoj zastavit, pouze mu velmi škodí. Další zvyšování účinnosti spalovacích motorů je jisté a bude to mít i podstatný vliv na konkurenceschopnost elektromobilů a potažmo na elektroenergetiku, jak hned uvidíme.

Elektřina pro elektromobily se musí vyrobit v elektrárnách. Bude to nová poptávka a bude mít vliv na elektroenergetiku. Co by se mohlo stát v limitním stavu? Celkem snadný výpočet. Stačí k němu několik čísel o prodeji ropných paliv a domácí elektroenergetice. Statistický úřad, který stojí pouhé tři miliardy ročně, mimo jiné shromažďuje čísla o spotřebě nafty a benzínu. Za rok 2016 v době psaní článku čísla ještě nebyla, použijeme tedy rok 2015. Benzínu se prodalo 1,577 milionu tun a nafty 4,542 milionů tun. V přepočtu na jednotky energie bylo v benzínu 18,6 TWh a v naftě 54,5 TWh. Pro účely diskuse si představme, že benzín i nafta byly spotřebovány spalovacími motory aut, náklaďáků a strojů a že všechny tyto stroje byly nařízením EU nahrazeny elektrostroji. Kdo by snad odmítal připustit, že politbyro EU je schopné nařídí elektrokamiony, elektrotraktory a elektrobuldozery, je eurohujer nebo blb. Data o výrobě a spotřebě elektřiny sestavuje ERÚ. V roce 2015 bylo u nás vyrobeno 84 TWh. Z toho samy elektrárny spotřebovaly a v sítí se ztratilo 13 TWh (největší položka jsou přečerpávačky). Čistý export byl 12,5 TWh a domácí spotřeba 58,5 TWh. Domácnosti spotřebovaly 14,5 TWh a průmysl 44 TWh.

Papírová spotřeba Joníka je 10 kWh na 100 km, ovšem v testu se uvádí 13 – 17, podle stylu jízdy. To přibližně odpovídá 1,2 až 2l benzínu nebo nafty. Elektromobil tedy potřebuje asi 4 krát míň „paliva“ než současné auto se spalovacím motorem, což je dáno rozdílem účinnosti spalovacích a elektrických motorů. Účinnost elektromotorů běžně dosahuje 90% a prostor pro další inovace už v podstatě neexistuje. Pokud by byly benzínové motory nahrazeny elektromobily, bylo by třeba zvýšit výrobu elektřiny o 4,5 TWh, při nahrazení i naftových o dalších 14,5 TWh, plus ztráty při nabíjení asi 10%, celkem nějakých 21 TWh, se spotřebou elektráren a ztrátami v síti 24 TWh. Všimněme si, že pokud by byl rozdíl účinnosti spalovacích motorů a elektromotorů nižší, bylo by třeba více elektřiny. Kde by se ta elektřina vzala? Zapomeňte na zvýšení využití jaderných a tepelných elektráren, 24 TWh je 90% roční výroby v jaderných elektrárnách. Ekozmrdi si pohlídají, aby se nestavěly žádné nové elektrárny a tak budoucí realitu nejlépe vystihují okolnosti slov pronesených jedním superzmrdem: „zdroje jsou“. A budou v omezování spotřeby. Ne ve snižování exportu, to by elektrizační soustava Germanistánu mohla zažít blackout. Ani v omezování spotřeby říšských montoven na na území protektorátu, kde by pak německé firmy braly levné komponenty pro své drahé finální výrobky.

Omezovat se bude spotřeba domácností, které přece strašně plýtvají, mají ledničky, myčky, vysavače, čerpadla v topení, počítače a některé dokonce i žárovky. Ani totální deelektrizace domácností, tedy návrat do středověku, by nestačil a elektromobily by byly jen pro novou šlechtu. Pro neprivilegované by i větší rozvoj elektromobility měl děsivé následky: zvýšení daní na dotace pro nákup ekletromobilů vyvolenými, zvýšení daní nebo ceny elektřiny pro pokrytí nákladů na vybudování sítě nabíječek a posílení NN soustavy, zvýšení daní na pokrytí výpadku spotřební daně z benzínu a nafty, a elektrobídu. Zvyšování účinnosti spalovacích motorů bude posilovat konkurenční výhodu motorových vozidel a vyvolá proti nim nějaký brutální zásah politické moci. Postiženi budou výrobci a majitelé aut.

A teď o bateriích. Jak baterie funguje buď víte, nebo si přečtete v učebnici fyzikální chemie. V elektromobilech je baterie lithium-ion. Je mnoho různých variant, které se liší materiálem elektrod i elektrolytu. Ještě víc je variant prostorového uspořádání článků. Vše je motivováno snahou vyrobit baterii bezpečnou, levnou, rychlonabíjecí a s dlouhou životností. Tato snaha má často komický rozměr, stejný jako jiné pokusy narvat tlustý do tenkýho. Baterie má na katodě nějakou sloučeninu s lithiem. Elektrolyt je buď tekutý nebo polymer, a obsahuje stejnou lithnou sloučeninu jako katoda. Anoda je grafitová. Při nabíjení nabíjecí obvod vyšším napětím, než je napětí baterie při odběru, narve Li+ ionty do anody. Nabíjecí charakteristiky se liší v závislosti na chemii a proto jsou nabíječky nekompatibilní. Univerzální nabíječka musí mít obvod, který pozná variantu baterie.

Lithium má zajímavé chemické vlastnosti. Elektrochemický potenciál reakce Li+ + e = Li je -3,04V a v parafrázi známého výroku platí, že „žádný jiný prvek tolik nemá“. Lithium je toxické, hoří dobře a tak rádo, že se i samo zapaluje, a radostně reaguje s kdečím, což je vlastnost žíraviny.

Aby baterie nebyla zajímavá jen pro Daeš, musí materiál katody a elektrolytu lithium přinutit ke slušnému chování a taky udržet vodivost katody při nabíjení. Proto je lithium ve sloučeninách jako LiCoO2, LiMnO4, LiFePO4 a podobných. To má malinkou nevýhodu. Jednoduchým výpočtem zjistíme, že lithia je v těchto sloučeninách nějak málo (v LiFePO4: 7/(7+56+31+64) = 4,43%). Proto je kapacita baterií na hmotnost 0,2 kWh/kg a nic moc s tím soudruzi vědci neudělají. Tak hledají jiné chemie a i je nacházejí, např. Li2S2. Katoda Li2S2 mění při migraci Li+ iontů trochu objem, asi tak dvakrát, a pulsující elektroda nějak kvůli tomu nechce držet ve vodivém spojení s navazující částí obvodu. Jsou třeba další peníze na další výzkum!

Kapacitu současných baterií nelze zvýšit, protože obsah lithia – kolem 2% hmotnosti – je na limitním stavu. Nelze proto nějak významně snížit ani jejich hmotnost ani cenu. A přitom snížení ceny baterie na polovinu by z Joníka udělalo cenový ekvivalent Ochcávky. Je velmi pravděpodobné, že existují dobré teoretické důvody, plynoucí z elektrochemických vlastností prvků, opravňující závěr, že baterii, která by měla kapacitu víc než nějakých 0,4 kWh/kg, vůbec nejde ani teoreticky navrhnout. Škoda, že ten důkaz nikdo nezkusí; zmr. Bělobrádek ani Drahoš na to grant nedají. Co ale lze a i se bude dít je zvyšování účinnosti spalovacích motorů. Po GDI a turbu může do praxe přijít další vylepšení nebo i konstrukce modelovaná jiným než Ottovým cyklem. Konkurenční nevýhoda elektromobilů se zvýší a budou potřebovat ještě vyšší dotace.

Důležitým požadavkem na baterii elektromobilu je rychlé nabíjení. V plně nabité baterii Joníka je 28 kWh a nabíjecí napětí nemůže být vyšší než 4,2V na článek, pokud nechceme zkoušet, jestli je baterie s polymerním elektrolytem skutečně bezpečná, a nebo se při přebíjení taví, hoří a bouchá stejně jako ta s tekutým elektrolytem. Jak přesně jsou články v baterii zapojeny jsem nehledal neboť důležitější je, že baterie podle údaje z testu auta vydrží nabíjení příkonem až 100 kW. Všimněme si, jak se e-mob experti vyjadřují o nabíjecí charakteristice – místo napětí, proudu a času jim stačí příkon. Nabíjení doma ze sítě s jedním 16A jističem prý trvá nějakých 10 hodin. Z toho plyne, že pokud by domácnost měla vedle Joníka ještě mrazák, musela by prát někdy jindy a čaj pít pouze ledový. Hitem nabíjení elektromobilů je nabíjení rychlé, což v překladu znamená na 90% za 40 minut. To doma ze zásuvky jaksi nejde, jsou třeba nabíjecí stanice s nikoli laciným zařízením. Kupříkladu ikonická nabíjecí stanice Vystrkov u Hliníkova potřebuje dva 630 kVA transformátory, kus za nějakých 200 000 Kč, na 4 nabíjecí stojany, každý stojan s jinou zásuvkou (podle typu baterie). Stanice nabíjí elektromobily zdarma! Kolik traf by bylo třeba a jak by bylo nutné posílit NN vedení, aby se elektromobilita mohla rozvíjet? Třeba si někdo dá práci ten Armageddon spočítat.

Nemá cenu uvádět další hrůzy elektromobility. Je jasné, že občany bude stát hodně peněz i část dosud nezabraného zbytečku svobody. Jak moc ji chcete?

09.04.2017 JF

Související články: