Obecnie trwa trend przesiadania się z pojazdów spalinowych do aut elektrycznych.
Jest to tym bardziej wymuszane przez coraz bardziej rygorystyczne normy spalin czy dotacje do aut elektrycznych.
Lecz czy kierunek jest naprawdę tak dobry? Policzmy. (będę opierał się na oficjalnych danych od producentów)
Poniżej przedstawię obliczenia na podstawie których można porównać pojazdy z silnikiem spalinowym oraz elektrycznym, jak i przewidzieć co by się stało, gdybyśmy odwrócili procentowy udział tych dwóch grup pojazdów.
Podstawową zaletą samochodów elektrycznych jest ich wysoka sprawność energetyczna silników, ale zamiast wskazywać jaki % energii z akumulatorów przez przekształcany na energię ruchu, wyznaczmy ile energii w kWh potrzebnych jest, aby przejechać 1km drogi.
Weźmy pod uwagę TESLA model Y Long Range :
- waga 2000kg
- akumulator 75kWh z czego 72kWh są dostępne
- zasięg 525km
Otrzymujemy wynik 13,7kWh/100km
Podobne wymiary ma BMW i4:
- waga 2200kg
- akumulator 83.9kWh
- zasięg 590km
Otrzymujemy wynik 14,2kWh/100km, dość podobne wartości.
A jak to jest w przypadku samochodu spalinowego?
BMW 3:
- waga 1936kg
- pojemność zbiornika 59L
- zasięg 1300km (diesel)
Najlepiej byłoby mieć wynik w kWh/100km, w tym celu należy znać wartość energetyczną (ciepło spalania) która dla diesl'a wynosi 44.80MJ/kg. Gęstość to 0.838kg/l a więc w baku mamy około 49,442kg paliwa czyli 2215MJ energii (2.2GJ).
1J/s to 1W, oznacza to, że 2.2GJ daje nam w efekcie około 615.3kWh.
Daje nam to w efekcie wynik na poziomie 47,3kWh/100km, całkiem sporo bo około 3.5x więcej niż w przypadku aut elektrycznych.
Energia elektryczna w akumulatorach nie bierze się jednak znikąd i tak sprawność wygląda dla poszczególnych elektrowni:
- elektrownie cieplne (w tym węglowe) około 45%
- elektrownia jądrowa około 30%
- elektrownia wodna 90%
- elektrownia wiatrowa 59%
Mix energetyczny w Polsce to:
- 48% - energia pochodząca ze spalania węgla kamiennego
- 17% - energia pochodząca ze spalania węgla brunatnego
- 25% - OZE
- 6% - gaz ziemny
- 3% - elektrownie szczytowo-pompowe
- ~1% - inne źródła, np. elektrownie przemysłowe
Czyli 71% energii produkowanej w Polsce pochodzi ze spalania paliw kopalnych, mając te dane możemy określić, iż do wygenerowania 1kW potrzebujemy dostarczyć 1,9kW w postaci paliwa.
Sprawność ładowarki samochodowej to około 90-95% (pomijam straty na przesyle energii przez linie, tak samo jak nie liczę spalonego paliwa w trakcie transportu paliw do stacji paliw), w efekcie mamy około 2kW paliwa na 1kW wygenerowanej energii dla pojazdu EV.
W ten sposób możemy określić, że "rzeczywiste" zużycie "paliwa" przez pojazdy elektryczne jest 2x większe niż katalogowe w przypadku naszego kraju.
Czyli potrzeba około 28kWh/100km dla pojazdu elektrycznego i 47,3kWh/100km dla pojazdu z silnikiem spalinowym, pojazd elektryczny zużywa o około 40% mniej energii.
W Polsce jest około 20mln pojazdów, w tym 1/3 to z napędem diesel, czyli 6,7mln.
Zróbmy założenie że przeciętny samochód przejeżdża 20k km w ciągu roku, z tego mamy 5,6MWh rocznie zużycia energii (napęd elektryczny)
Przy 6.7mln aut daje nam to sumarycznie 37`520`000MWh czyli 37,52TWh potrzebnej ekstra mocy na transport. Ale to Energia paliwa, energia już wyprodukowana przez elektrownie to około 18,76TWh.
Polska produkuje około 175TWh rocznie, oznacza to, iż potrzebujemy zwiększyć krajową produkcję energii elektrycznej o około 10-11% aby zaspokoić transport elektryczny tylko w pojazdy z silnikiem diesla (czyli 33% rynku).
Dla porównania, elektrownia Turów produkuje 10TWh rocznie.
Można oczywiście pojazdy ładować w ciągu dnia z ogniw fotowoltaicznych (zakładamy że cały rok mamy takie samo nasłonecznienie), przy 18TWh rocznie musimy dziennie wyprodukować ~50GWh, ładowanie niech trwa 8h (przeciętny czas pracy) a więc 6GWh na godzinę (trochę masło maślane).
Ogniwa fotowoltaiczne mają sprawność około 20%, zakładając średnie nasłonecznienie 1kW/m2, potrzebujemy 5m2 aby wygenerować 1kW mocy.
Przy 6GW potrzebujemy 30`000`000m2 czyli 30km2 paneli fotowoltaicznych, to obszar 5,5x5.5km.
Przykładowy obszar naniesiony na Warszawę:
Jest to tylko czyste wyliczenie, dla porównania największa elektrownia słoneczna w Polsce (gmina Brudzew) zajmuje obszar 100ha (1km2) i ma moc 70MWp, rocznie ma produkować około 68GWh mocy. Składa się z 155 554 modułów o mocy 455Wp.
Oznacza to, iż średniorocznie elektrownia produkuje dziennie 186,3MWh, czyli jeden panel produkuje średnio 1.2kWh dziennie.
Tego typu elektrowni potrzebowalibyśmy już 264 sztuki, czyli 264km2, dla porównania miasto Łódź zajmuje obszar 293,25km2.
Informacyjnie, elektrownia Benban Solar Park znajduje się w Egipcie i zajmuje obszar 37.2 km2, rocznie wytwarza 3.8TWh.
Problem w tym, iż w Polsce nie występuje stałe nasłonecznienie i energię należało by gromadzić, tutaj powstają pomysły banków energii opartych na bateriach Li-Ion.
Gęstość energetyczna akumulatorów Li-Ion to około 250 Wh/kg, czyli 900kJ/kg.
Aby zgromadzić połowę zapotrzebowania , czyli ~3GWh potrzebujemy 12 000 000kg baterii, czyli 12tys ton baterii.
Wolumetrycznie to około 2.72x więcej (gęstość wolumetryczna ogniwa to około 680Wh/dm3), czyli 2.4MJ/dm3.
W ten sposób obliczamy, iż potrzebujemy 4`411`765 dm3 przestrzeni = 4412 m3.
Jeśli budynek ma 5m wysokości, oznacza to iż potrzebujemy obszar o powierzchni 880m2 a więc 30x30m wypełniony tylko i wyłącznie ogniwami.
Obszar ten będzie jednak większy, ponieważ ogniwa są cylindryczne co generuje puste obszary oraz wymagają układów chłodzenia, zasilania itd.
Jedno ogniwo waży 48.5g, przy 12tys ton to 247,5mln sztuk ogniw 18650.
Powiedzmy że koszt 1kWh baterii to około 100$, w tym przypadku cena banku energii to 300`000`000$ czyli 300mln$ -> 1,3mld PLN.
Jest to koszt samych ogniw bez osprzętu, budynku, infrastruktury itd.
Ogniwa także się zużywają, jeśli będą wymagać wymiany raz na 10lat, to roczny koszt takiego systemu to 103mln PLN.
Jeśli co 5lat to analogicznie 206mln PLN.
Jest to koszt tylko i wyłącznie ogniw, bez falowników, aparatury, budynku czy pracowników.
Dodatkowo wyliczenie uwzględnia tylko pojazdy z silnikiem diesla, czyli ~30% rynku (należałoby także pamiętać iż silniki benzynowe mają niższą sprawność).
Problemem jest jednak fakt ładowania ich na stacjach benzynowych/elektrycznych(?).
Aby naładować samochód w 10min do pełna (70kWh) potrzebujemy przyłącza 420kW, jeśli ładowanych jest 6 aut jednocześnie, to taka stacja potrzebuje przyłącze o mocy 2.5MW. Przy 15min ładowania to 1.7MW.
Można oczywiście ten czas wydłużyć i do 30min, ale wtedy potrzebujemy większej liczby mniejszych ładowarek aby kolejka samochodów oczekujących nie była za długa, wtedy średnia wartość przyłącza najpewniej wyszła by podobna.
Alternatywnym rozwiązaniem mogą być pojazdy hybrydowe (szeregowe, równoległe czy mieszane) bądź z wbudowanym generatorem bazującym na ogniwie paliwowym.
Rozwiązania te eliminują w pewien sposób problem ładowania aut, ponieważ paliwa chemiczne posiadają około 18x większą gęstość energetyczną niż ogniwa Li-Ion, dodatkowo czas ich uzupełniania jest znacząco krótszy.
Można by dokonać podobnych obliczeń dla pojazdów z różnymi rodzajami ogniw paliwowych, ale to już chyba na inny artykuł...
P.S.
Są to obliczenia przybliżone, mogą być błędy także w samych obliczeniach. Jeśli takie znajdziecie to dajcie znać.
EDIT: 1
Zmieniłem średnią wartość przebytą rocznie przez samochód z 10k km na 20k km, wydaje mi się bardziej rzeczywista.
Poprawka odnośnie produkowanej ilości energii w Polsce, z 16TWh do 175TWh.
Poprawka wyliczeń ceny akumulatorów.
Cool? Ranking DIY
