Motorová paliva, jejich současnost a budoucnost: Část první – Emise a aktuální legislativa

Je to důležité z důvodu dnešního zpolitizování souvisejících problémů, kde bohužel velkou roli hrají – často více než fakta a racionální argumenty – emoce, iracionalita tzv. ekologických aktivistů, nedostatečná vzdělanost v přírodních a technických vědách a také marketingové cíle určitých zájmových skupin. Pokusíme se tedy odpovědět na otázku, jaké jsou jednotlivé faktory ovlivňující používání paliv a dalších druhů pohonů a jaké mohou být vize pro budoucnost s ohledem na vývoj legislativy a technické standardizace v oboru motorových paliv.

Spalování fosilních paliv
Obecně vede spalování fosilních paliv ke dvěma hlavním okruhům problémů, a to k produkci emisí škodlivých látek a emisí tzv. skleníkových plynů. Oba dva druhy emisí jsou generovány v důsledku charakteru spalování. Spalování uhlovodíků je vždy z pohledu chemických reakcí nedokonalé a z uhlovodíkového materiálu nevznikají tedy jen oxid uhličitý a voda, ale i škodlivé látky, jako jsou toxický oxid uhelnatý a nespálené uhlovodíky, a v důsledku přebytku dusíku v atmosféře a za podpory vysokých teplot spalování, i oxidy dusíku. Dále vždy u reálného spalování vznikají i pevné částice uhlíku (velmi jemné částice sazí), které bývají označovány zkratkou PM (pevné částice – particulate matter) s příslušným označením velikosti.
Na tyto částice jsou velmi často adsorpcí zachyceny další chemické látky, produkty nedokonalého spalování, jako jsou polyaromatické uhlovodíky PAU (PAH = polyaromatic hydrocarbons) a v důsledku již zmíněné přítomnosti přebytku dusíku ve vzduchu také nitrované polyaromatické uhlovodíky NPAU (NPAH = nitrated polyaromatic hydrocarbons). Není pochyb o tom, že tyto emise škodlivých látek jsou zodpovědné za zásadní zhoršování kvality životního prostředí, ale rozhodně není racionální představa, že tyto emise jsou generovány v rozhodující míře v důsledku provozu spalovacích motorů v dopravě, jak se nám snaží namluvit zastánci jednoduchých, ale nefunkčních řešení, např. plošného nasazení elektromobilů v dopravě.
To, že je doprava pouze dílčím, i když významným faktorem znečištění ovzduší, je zřejmé z obr. 1, který ukazuje průměrné hodnoty znečištění v ČR v roce 2018, pokud jde o nejsledovanější z polyaromatických uhlovodíků benzo[a]pyren, jenž je prokázaným karcinogenem. Z mapky znečištění je zcela zřejmé, že nejvyšší koncentrace nejsou vázány ani tak na zvýšenou intenzitu dopravy ve velkých městech, jako spíše na regionální rozdíly dané přítomností specifického průmyslu. Doprava a spalovací motory tedy představují jen jeden z řady zdrojů znečištění, který navíc v uplynulých desítkách let vykázal kvalitativně i kvantitativně obrovský pokrok v ekologickém přístupu zavedením různých druhů takřka revolučních opatření, jakými bylo např. odstranění olova z motorových benzinů, síry z motorových naft nebo na straně druhé vývoj motorů vedoucí k razantnímu snížení emisí výfukových plynů v důsledku zavádění nových emisních norem Euro.

Průměrné hodnoty koncentrace benzo[a]pyrenu v ovzduší 2018 (zdroj: Český hydrometeorologický ústav)

Zatímco v oblasti emisí došlo a stále dochází k razantní redukci škodlivých látek ve výfukových plynech, nelze žádným způsobem, mimo kvantitativní omezení dané absolutní spotřebou paliva na jednotku vzdálenosti a jednotku hmotnosti ve vztahu k jeho energetickému obsahu, omezit tvorbu klíčového skleníkového plynu, totiž oxidu uhličitého. Tento plyn totiž vzniká při spalování jakékoliv uhlíkaté hmoty. Může být tedy spalování fosilních paliv (nejen v dopravě) zásadní pro často uvažované oteplování klimatu?
Jedná se o velmi složitou problematiku s celou řadou vlivů. I když zanedbáme vliv ostatních významných skleníkových plynů produkovaných člověkem a budeme předpokládat pouze vliv narůstající koncentrace CO2, nemáme v tom jasno. Zásadní vliv na skleníkový efekt má v mnohem větší míře přítomná vodní pára, naopak přítomnost mraků (zkondenzovaných kapek vody nebo krystalků ledu) vede kvůli jejich albedu (odrazivosti) k odrážení slunečních paprsků a přispívá k ochlazování. Je zřejmé, že přítomnost vody v atmosféře ve všech třech skupenstvích představuje nesmírně složitou a citlivou fyzikální, dynamickou rovnováhu, jejíž posun a vliv na teplotu v atmosféře není jednoduché predikovat, zejména ne v dlouhodobém horizontu. Množství CO2 v atmosféře se od počátku průmyslové revoluce pravděpodobně zdvojnásobilo na dnešní uváděné hodnoty kolem 0,040 % (V/V) tj. ca 400 ppm.

Kolik CO2 vypouští do ovzduší člověk?
Problematika měření obsahu oxidu uhličitého je velmi složitá a mezi vědci na ni nepanuje jednoznačný pohled, zejména ohledně vyhodnocování chyb měření v průběhu historie a volby míst měření. Pojďme se však zamyslet nad tím, kolik CO2 vypouští spalováním fosilních paliv člověk do ovzduší. Tato data jsou dostupná a relativně i spolehlivá, neboť se zakládají na statistických výkazech spotřeby fosilních paliv. Podle těchto dat uvolňujeme v současnosti spalováním fosilních paliv do ovzduší množství CO2 odpovídající spálení 10 Gt čistého uhlíku ročně. Jednoduchým stechiometrickým výpočtem se zapojením hmotnosti atmosféry potom dospějeme k závěru, že jednorázové spálení fosilních paliv spálených v dnešním světě za jeden rok povede ke zvýšení koncentrace CO2 o 1,8 % vůči hodnotě současného stavu. Toto číslo stojí rozhodně za zamyšlení. Můžeme oprávněně tvrdit, že nárůst koncentrace CO2 v atmosféře není synonymem pro globální oteplování, protože dost dobře nerozumíme složitým rovnováhám uhlíkového cyklu mezi atmosférou, hydrosférou, pedosférou, litosférou a biosférou, kde je oxid uhličitý prostřednictvím fotosyntézy naopak spotřebováván a ukládán především v zelených rostlinách a ve fytoplanktonu v mořích a oceánech. Existují teorie, zdali je nárůst koncentrace CO2 příčinou změn klimatu, nebo naopak jeho důsledkem. I když můžeme nesouhlasit se závěry IPCC (Mezivládní panel pro změny klimatu), který sestavil 24 různých matematických modelů klimatických změn, přičemž všechny předpokládají nárůst teploty, už proto, že se o podílu vlivu antropogenních emisí skleníkových plynů stále vedou diskuse, je pravděpodobné, že část pozorovaného globálního oteplování v posledních 70 letech souvisí s lidskou činností. Jestliže totiž spalujeme tolik fosilních paliv, že uvolníme ročně 1,8 % současné hodnoty koncentrace CO2 navíc, je to velmi významná hodnota, dokonce i v případě, že by se podstatná část těchto skleníkových plynů uplatnila časem v uhlíkovém cyklu jinde než v atmosféře, a je to zásadní parametr, který v současnosti lidská činnost přináší.
Namístě tak není hysterie a politikaření, ale racionální úvahy, které by měly být založeny na analýzách a modelech s využitím poznatků matematiky, fyziky a chemie. Ty by měly v oblasti motorových paliv vést k úvahám o větším využití alternativních paliv, ale i šetření energií, tedy využitím pohonů s co největší energetickou účinností a rovněž racionálním využíváním hromadné dopravy. Je také nutné, aby byly hodnoceny veškeré dopady na životní prostředí – tzn. sledování celého životního cyklu nejen paliva samotného, ale i pohonné jednotky, počínaje těžbou nerostných surovin přes dopravu, výrobu, užití výrobku (paliva i pohonné jednotky, resp. celého dopravního prostředku) až ke konečnému zpracování jako odpadu. Celkově se musí zohlednit energetické a surovinové náklady a dopad na životní prostředí pro každý z procesů a výrobků. Důležité jsou zejména emise do ovzduší, vody i půdy a spotřeba energie a materiálů. Toto racionální vyhodnocení rozhodně nepovede k jednostranné preferenci určité skupiny alternativních paliv a pohonů, ale k uplatnění celé řady řešení a ještě dlouhé roky bude řešení dopravy závislé i na spalování konvenčních paliv, tj. motorového benzinu a nafty.

Nová technická řešení v dopravě
Jsou legislativně podporována v EU. Jde sice o záslužný příspěvek pro ochranu životního prostředí, avšak musí být následována dalšími světadíly i obory. Stačí se podívat na strohou řeč čísel. Evropa produkuje v současnosti kolem 10 % celosvětových emisí oxidu uhličitého z fosilních zdrojů (obr. 2). Na dopravu potom připadá v Evropě asi čtvrtina všech emisí skleníkových plynů (obr. 3). Hrubým odhadem to znamená, že příspěvek dopravy v Evropě představuje asi 2,5 % ze všech emisí skleníkových plynů na světě, tedy asi 1/40 produkovaného množství.

Světová produkce emisí CO2 1970–2018 (zdroj: IPCC)    

Produkce skleníkových plynů v Evropě podle oborů (zdroj: EEA)

Evropská legislativa se v současné době vyznačuje nepříliš kompatibilními předpisy, které mohou v různých oblastech často působit i protichůdně. Na straně paliv se odvíjí od cílů v oblasti snížení emisí skleníkových plynů, které ukládají povinnost dodavatelům motorového benzinu a nafty v dopravě snížit emise vůči referenční úrovni v roce 2010 takto:

• do konce roku 2014 o 2,0 %  
• do konce roku 2017 o 3,5 %
• do konce roku 2020 o 6,0 %

Uvedené povinnosti jsou vůči dodavatelům kapalných paliv sankcionovány částkou 10 Kč za každý neušetřený kilogram emisí skleníkových plynů (v přepočtu na ekvivalent CO2).
Výše uvedené cíle jsou zakotveny v legislativě ČR v zákonu o ochraně ovzduší č. 201/2012 Sb., v aktuálním znění, který v zájmu tohoto cíle stanovuje dále povinnost obsahu biosložky v motorovém benzinu i naftě. U motorového benzinu je povinnost přídavku biosložky ve formě kyslíkatých látek (ethanol nebo ethery s pěti atomy uhlíku) stanovena ve výši minimálně 4,1 % objemových z celkového množství motorových benzinů. U motorové nafty je tato povinnost stanovena ve výši minimálně 6,0 % objemových biosložky (FAME nebo jiné alkylestery řepkového oleje) z celkového množství motorové nafty. V obou případech legislativně závazné technické normy limitují v poměrně úzkém rozmezí horní mez možného přídavku biosložky, neboť ČSN EN 228 uvádí u v současnosti prodávaného motorového benzinu E5 horní limit 5,0 % ethanolu, resp. 2,7 % hmotnostních celkového obsahu kyslíku a ČSN EN 590 uvádí u v současnosti prodávané motorové nafty B7 horní mez obsahu FAME (v ČR dnes methylester řepkového oleje jako biopalivo první generace) 7,0 % objemových.
Sankce pro dodavatele činí v obou případech 40 Kč za každý nedodaný litr biosložky. K výše uvedeným povinnostem se dále přidává povinnost ČR vykazovat určitý podíl tzv. obnovitelných zdrojů energie. Podle příslušných směrnic EU (označována zkratkou RED – Renewable Energy Directive, resp. RED II) je ČR povinna dosáhnout v roce 2020 podílu obnovitelných zdrojů energie v dopravě 10 % a v roce 2030 potom podílu obnovitelných zdrojů energie dokonce 14 %, při výrazném omezení biopaliv z potravinářských zdrojů (za použití tzv. biopaliv druhé generace).
Naproti tomu legislativa EU prostřednictvím příslušných směrnic stanovuje u všech automobilů (osobní, lehká užitková, těžká nákladní) restrikce ohledně emisí CO2 započítaných automobilkám, jednoduše řečeno, jako průměr na nově vyrobená vozidla. Například u osobních automobilů jsou stanoveny standardizované emise podle tabulky, což zcela nelogicky, a z hlediska dopadů na životní prostředí nesmyslně, preferuje do budoucna elektromobily, které jsou z pohledu legislativy považovány za bezemisní vozidla. Sankce pro daného výrobce automobilů je stanovena na 95 EUR za překročení o každý 1 g/km CO2 vynásobených počtem vyrobených vozidel.

Tab. 1 Omezení emisí CO2 pro nová osobní vozidla (průměr na nové standardizované vozidlo pro výrobce)

Rok*Emise (g/km CO2)*Přepočet na spotřebu benzinu (l/100 km)*Přepočet na spotřebu nafty (l/100 km)

2015*130* 5,6*4,6
2020*95* 4,1*3,6
2025*81* 3,5*3,1
2030*59*2,5*    2,2

Kvalita motorových paliv v dopravě je dlouhodobě řešena prostřednictvím evropské legislativy, která je transponována do legislativy ČR. Jedná se o zákon č. 311/2006 Sb., v aktuálním znění (o pohonných hmotách), a jeho prováděcí vyhlášku „516/2020 Sb." (o jakosti a kvalitě pohonných hmot), která specifikuje jednotlivé druhy pohonných hmot prostřednictvím odkazů na české technické normy, jež se tak stávají pro kvalitu pohonných hmot legislativně závaznými.
Je třeba konstatovat, že spektrum standardizovaných pohonných hmot zahrnuje v ČR prakticky všechny druhy alternativních paliv, které jsou používané v Evropě včetně perspektivních paliv z obnovitelných zdrojů na bázi biometanu. Vývoj motorových paliv a jejich budoucnost, nejen z pohledu technické standardizace, budou diskutovány v příštím pokračování tohoto článku.

Ing. Petr Kříž
Česká strojnická společnost

Publikováno: 23. 7. 2021 | Počet zobrazení: 514 133