Elektromobilita v pozemní dopravě

Elektromobilita není izolovanou záležitostí, potřebné efekty jsou dosažitelné jen v kontextu se systémovým řešením mobility jako celku. Zásadním spotřebitelem energie čerpané z neobnovitelných zdrojů – zejména z ropy - je silniční doprava. Výhody silniční dopravy využívající k pohonu ropných produktů jsou nesporné:
•    V ropných produktech je vysoká koncentrace využitelné energie
•    Rrozsáhlá infrastruktura pro dopravu založenou na využívání ropných produktů
•    Po více než stoletém zdokonalování pohonů se spalovacími motory bylo dosaženo jejich dobrých trakčních vlastností
•    Ekonomická výhodnost
•    Individuální automobilová doprava podporuje moderní a komfortní životní styl

V důsledku těchto skutečností např. jen v ČR vzrostl mezi roky 1961 a 2009 počet osobních automobilů připadajících na 1000 obyvatel z 21 na 422. Na druhou stranu nelze přehlížet skutečnosti, které perspektivy dalšího bouřlivého rozvoje automobilů se spalovacími motory limitují:
•    Ropa je neobnovitelná surovina, velikost zásob je nejistá, při progresivní spotřebě jsou zásoby odhadovány na 50 až 70 let,
•    Rostoucí nároky na plochu při individuální dopravě, včetně nároků při nevyužívání vozidla (individuální automobilová doprava až 8m2/osobu, hromadná doprava 4 až 8 osoby/m2)
•    Klesající propustnost infrastruktury
•    Energetická nehospodárnost daná malou účinností spalovacího motoru a nemožností rekuperace brzdné energie
•    Negativní ekologické ukazatele (emise, hluk, …)

I když přihlédneme k současným limitům elektrické silniční dopravy, z hlediska dlouhodobé perspektivy je jediným řešením: využívání fosilních paliv je ohraničeno jejich zásobami, roli hraje i surovinová závislost hospodářství země na jiných, mnohdy politicky nestabilních oblastech, elektrickou energii lze získat z řady zdrojů, včetně obnovitelných – za rok dopadne na zemský povrch 1,5x1018kWh sluneční energie, což je 11 500x více, než byla energetická spotřeba lidstva v roce 2009.
Jaké jsou alternativy k dopravě závislé na ropných produktech a jejich perspektivy:
•    Používání alternativních paliv a biopaliv  - vzhledem k účinnosti výroby bionafty pod 1%, enormním nárokům na plochy a rizikům spojeným s propojením trhu energie a potravin zde perspektivy nejsou
•    Hybridní pohony – jde o cestu k úsporám, ne o definitivní řešení
•    Pohony napájené z palivových článků – elektrický traktor napájený palivovými články představila americká firma Chalmers již v roce 1959, problematická je ale u nich zejména složitost technického řešení a skladování a výroba čistého vodíku
•    Závislá elektrická trakce, zejména v kolejové dopravě – po technické stránce je problematika dořešená, velmi perspektivní řešení ve směrech s velkou intenzitou osobní a nákladní dopravy
•    Dopravní prostředky napájené z akumulátorů – vzhledem k intenzitě aktivit zaměřených na rozšíření silničních dopravních prostředků s čistě elektrickým pohonem, ke zvyšování parametrů akumulátorů a možnosti propojení s inteligentními energetickými soustavami jde o velmi perspektivní řešení

Významný rozvoj elektrické silniční dopravy lze sledovat v Asii, zejména v Japonsku a v Číně. V Evropě je koncept elektromobility značně rozpracován v Německu nebo ve Francii. V Německu je elektromobilita začleněna mezi sedm expertních okruhů s prioritním inovačním potenciálem. Jako významný mezník, do kterého jsou rozpracovány scénáře, je stanoven rok 2050. K tomuto datu by měly v Německu pokrýt obnovitelné zdroje 60% spotřeby energie, a předpokládá se, že v té době připadne na dopravu v Německu 28% z celkového objemu spotřebované energie, přičemž podíl spotřeby energie v silniční dopravě se má snížit z 80% na 61% z celkového objemu energie spotřebovaného v dopravě. Podíl využití pohonných hmot na bázi ropných produktů má v individuální automobilové dopravě do roku 2050 v Německu klesnout z 99 % na 67 %. U individuální automobilové dopravy je připravováno výrazné zvýšení počtu vozidel s čistě elektrickým pohonem – do roku 2020 provoz 1 mil. elektrických vozidel, do roku 2030 pak 6 mil. Předpokládá se výrazné navýšení podílu elektrických a hybridních vozidel v MHD, posílení role hromadné dopravy celkově a posílení podílu železnice v dálkové dopravě.
Jde o velmi ambiciózní plány, popsané procesy jsou však připravovány velmi systémově, s vazbou nejen na energetickou efektivitu, snížení závislosti na neobnovitelných zdrojích a ekologii, ale i na vytváření nových pracovních míst, technologický rozvoj a zvýšení technické vzdělanosti.

Technické systémy elektromobility
Z hlediska typu dopravní služby i z hlediska typu technických prostředků lze elektromobilitu členit na více subsystémů, mezi něž patří:
* Jednostopá vozidla. V současnosti je na trhu k dispozici řada typů elektrokol a elektroskútrů. Technické parametry současných elektrokol lze orientačně shrnout: motor – synchronní s permanentními magnety s výkonem 250 W, dojezd 50 až 80 km, baterie na bázi lithia s kapacitou 200 až 400 Ah, hmotnost kola 20 až 25 kg, cena 20 000 až 40 000 Kč. Jejich využívání se velmi rychle rozšiřuje a to zřejmě nejvíce v Asii, perspektivní se ukazuje jejich využívání zejména v městské dopravě. Hranice mezi elektrokoly a elektroskútry je vymezena legislativou. Elektrokolem je vozidlo s motorem do výkonu 250 W, rychlostí do 25 km.h-1 a hmotností do 40 kg. Elektroskútry mají hmotnosti i přes 100 kg, dojezd přes 50 km a rychlosti přes 40 km.h-1.
* Osobní elektromobily
Mohlo by se zdát, že pro individuální automobilovou dopravu je elektromobil nevhodný vzhledem k různorodosti provozních režimů. Podle statistik je však téměř 90 % jízd uskutečněných automobilem na vzdálenost menší, než 50 km, což je hodnota elektromobilem bez problémů dosažitelná a v běžném případě, kdy rodina disponuje dvěma automobily, je pokrytí dopravních potřeb na kratší vzdálenosti elektromobilem naprosto reálné. Elektromobily různých tříd má vyvinuté a nabízí velké množství automobilek. Provoz osobního elektromobilu vychází dnes levněji ve srovnání s automobilem se spalovacím motorem, problémem však stále zůstává pořizovací cena elektromobilu vůči konvenčnímu automobilu. Řešení tohoto problému je však reálné. Zajímavou cestu představuje nové pojetí uplatněné např. ve francouzském městě Nice, kde je využíván systém půjčování elektromobilů. Identifikace uživatele zapojeného do systému půjčování elektromobilů se děje u nabíjecího stojanu při výpůjčce elektronickou cestou. Vůz lze po použití vrátit na jakékoli jiné nabíjecí stanici. Filozofie rozmístění nabíjecích stanic je určena i ve vazbě na linky MHD a systém půjčování elektromobilů je tak vlastně jejím doplňkem v lokalitách, kde není ekonomické vést pravidelné linky. Elektromobily jsou takto využívány výrazně více, než v případě soukromého vlastníka, který vůz využije např. jen pro cestu do práce a z práce a ve zbývající době auto stojí.
V USA, např. ve městě Seattle  je běžnou praxí možnost bezplatného rychlonabíjení elektromobilů na vymezených místech parkovišť u velkých nákupních center. Rezervace parkovacích míst pro elektromobily je ve vyspělých zemích běžná.

Autobusová doprava
V dálkové autobusové dopravě se v současnosti jeví jako perspektivní hybridní pohony. Zároveň lze v souvislosti s modernizacemi a stavbou nových vysokorychlostních tratí očekávat posílení objemu dálkové hromadné dopravy osob po železnici.
U autobusů pro MHD se ukazuje využití elektrobusů velmi perspektivní hlavně vzhledem ke stálé a definované trase a díky efektu rekuperace v městském provozu. Moderní městský elektrobus je možno charakterizovat následujícími parametry: hmotnost 10 až 15 t, délka cca. 12 m, kapacita baterií 200 kWh, dojezd 200km při vyčerpání cca.80 % kapacity baterií, výkon motoru (zpravidla asynchronního) 100 – 150 kW, počet nabíjecích cyklů Li baterií cca 1500 (závisí na režimu provozu a nabíjení). Populární jsou i elektrické minibusy. Vyčíslíme-li orientačně cenu energie na 1 km jízdy (1 kWh/km), dostáváme se při součtu nákladů na energii a na uložení energie na hodnotu  9,7 Kč/kWh, tedy za 1 km (3 Kč cena energie, při nabíjecích 1500 cyklech se ujede 300 000 km, cena akumulátorů je zhruba 10 000 Kč/kWh kapacity). Při uvažované spotřebě klasického autobusu 50 l/100 km a ceně 1 l nafty 28 Kč vychází náklady na 1 km jízdy 14 Kč. I při uvažování vyšší ceny elektrobusu (i bez akumulátorů), je po ekonomické stránce provozování elektrobusů minimálně srovnatelné s provozováním autobusů se spalovacími motory. A vzhledem k tomu, že lze na jedné straně očekávat velkou progresi v technických systémech pro elektromobilitu a na druhé straně značnou nestabilitu v cenách ropy, jeví se použití elektrobusů v MHD velmi nadějné – a to i v relaci s autobusy na CNG nebo s trolejbusovou dopravou.
U elektrobusů v MHD se uplatňuje dvojí filozofie nabíjení akumulátorů. První, investičně náročnější, je řešení, kdy elektrobus využívá rychlonabíjení po dobu cca. 15 až 20 s v každé stanici. Takovýto systém je budován např. ve švýcarské Ženevě. Pro nabíjení se využívá speciální rameno umístěné na střeše elektrobusu, navádění elektrobusu a ramene do nabíjecí lišty, umístěné nad zastávkou, se provádí pomocí GPS a laseru. Tento systém umožňuje provoz elektrobusu s velmi malými akumulátory, pro dvoudílný kloubový takto provozovaný elektrobus vystačí akumulátory s kapacitou přibližně 40 kWh.
Druhou koncepcí, která se uplatňuje i v některých našich městech, je dobíjení elektrobusů jen na vybraných stanicích, především na konečných.
Významným problémem elektrobusů byla dodávka energie pro topení, řešená obvykle instalací naftového topení. Lepší variantu ukazuje vídeňský projekt provozu elektrobusů, kde je i pro topení využívána elektřina. Dobíjení se provádí na vybraných zastávkách pomocí speciálního pantografu na střeše vozidla a krátkého úseku trolejového vedení, napájeného z tramvajové trakční sítě (viz TechMagazín 5/2013).

Nákladní doprava
V nákladní dopravě je opět nutno rozlišovat její charakter. Zejména v dopravě na kratší vzdálenosti – např. pro zásobování – se již nyní jeví využití dodávkových elektromobilů velmi vhodné – obdobně jako u elektrobusů MHD vzhledem k pravidelné trase. Zcela jiná je však situace v těžké dálkové nákladní dopravě, kde je z dlouhodobého hlediska omezování závislosti na neobnovitelných zdrojích energie nemyslitelné bez rozšiřování přeprav po železnici. Tato strategie koresponduje i se směry určenými příslušnými dokumenty EU, zejména Bílou knihou o dopravě.

Problematika akumulátorů
Akumulátory byly a dosud jsou nejslabším článkem silničních vozidel s čistě elektrickým pohonem. I když od dob prvních elektromobilů s olověnými akumulátory se jejich kapacity podařilo významně zvýšit, ve srovnání s energetickými kapacitami uhlovodíkových paliv jsou výrazně menší – srovnejme: Li–ion akumulátory 0,1 – 0,15 kWh/kg, benzín 2,39 kWh/kg, nafta 3,39 kWh/kg, CNG 1,45 kWh/kg. Kromě toho je třeba počítat s možností vybíjení akumulátorů maximálně o 80% jejich kapacity, s omezeným počtem nabíjecích cyklů (stovky až tisíce) závislým na hloubce vybíjení a vybíjecích a nabíjecích výkonech a nutností připojování balančních členů k Li článkům, které chrání Li články před poškození přebitím. Battery management lithiových článků představuje dnes sofistikovanou soustavu tvořenou řídícími členy jednotlivých balančních článků, datově propojených s centrálním řídícím systémem baterie a dále případně se servisním střediskem dodavatele akumulátorů. Na zdokonalování akumulátorů se intenzivně pracuje, ve vývoji jsou např. lithio- sírové baterie nebo lithio – vzduchové baterie s řádově vyššími kapacitami.

Infrastruktura
Z hlediska nabíjecí infrastruktury je situace nejjednodušší u elektrokol a elektroskútrů, kde lze využít běžné přípojky elektrické sítě. U elektrobusů a elektromobilů jde o budování specifických systémů. Městské elektrobusy disponují obvykle dvojicí zásuvek – pro běžné nabíjení zpravidla 32 A, pro rychlonabíjení 200 až 250 A, přičemž při rychlonabíjení se doplní 80 % kapacity baterie přibližně za jednu hodinu. Rychlonabíjení u elektromobilů se předpokládá proudem přes 100 A za 20 až 30 min.
Z hlediska technického řešení nabíjecích stanic jsou rozpracovávány zejména koncepty se střídavým nabíjením 3 x 400, se stejnosměrným nabíjením, s bezkontaktním nabíjením s magnetickou vazbou, zvažovány jsou koncepty výměny celých akumulátorů. Kromě výkonové části představuje nabíjecí stanice i významný komunikační uzel, který zajišťuje koordinaci s battery managementem, platební operace, v budoucnu se předpokládá rozšíření inteligence nabíjecích stanic ve spojení s „chytrými sítěmi“, kdy by měla být kapacita baterií využívána jako zásobník energie, který je k dispozici pro energetickou síť.

Elektromobilita v ČR
I když není nástup elektromobility v ČR tak intenzivní jako např. v Německu, lze i zde vysledovat pozitivní trendy. V oblasti elektrokol a elektroskútrů je na trhu poměrně široká nabídka vozidel, společnost PRE provozuje v Praze půjčovnu elektrokol. V oblasti individuální automobilové dopravy jsou v ČR na trhu populární vozidla s hybridními pohony, pro elektromobily je doplňována v ČR síť dobíjecích stanic. Mezi iniciátory těchto aktivit patří zejména firmy ČEZ, ABB a Siemens. Jen do konce roku 2013 plánuje ČEZ dosáhnout v v ČR celkového počtu 200 nabíjecích stanic.
V  některých lokalitách jsou již provozovány elektrobusy pro místní dopravu (např. skibusy v Krkonoších a elektrobusy v rámci MHD v Ostravě nebo ve Znojmě). Potěšitelný je i zájem českých firem (SOR, ČAS Service, Škoda Electric, SKD aj.) o výrobu elektrobusů.

Jaroslav Novák
Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera
 

Publikováno: 3. 9. 2013 | Počet zobrazení: 3229 631