Bude dost elektřiny a mají elektromobily stejnou energetickou náročnost jako budovy?

Při sledování překotného růstu nabídky automobilů s elektrickým motorem a bateriemi si nelze nepoložit otázku, jak se případný růst poptávky i na straně zákazníků projeví na dostatku či nedostatku elektrické energie. Nutno říci, že růst zájmu o elektromobily není lineární, ale má exponenciální charakter. Začíná sice na malých číslech, ale urychluje se. Aktuálně si lze matematický pojem exponenciální růst srovnat s růstem zjištěných nákaz coronavirem. Na začátku několik desítek, po pár dnech stovky a během dvou měsíců stovky tisíců a za půl roku desítky miliónů. Ale zpět k elektřině.

Spotřeba elektrické energie auty

Na jedné straně jsou odhady dodavatelů elektřiny, viz např. článek Půl milionu elektroaut energetické sítě zvládnou. Větší flotila si už vyžádá větší investice. Já jsem šel jinou cestou. Vybral jsem si časopis Svět motorů (dále jen SM), který elektromobilitě věnuje velkou pozornost a hlavně, provádí praktické testy. V nich vychází z údajů palubních počítačů testovaných automobilů. Pro odpověď na v názvu položenou otázku není zapotřebí zkoumat čistě hybridní automobily bez možnosti externího dobíjení. Ty jsou závislé na tradičních pohonných hmotách, využití elektrického pohonu s baterií není závislé na nabíjení z elektrické sítě, protože si tato elektřinu auta vyrábí sama, ideálně využitím elektromotoru v obrácené funkci jako generátoru při brzdění.

Něco jiného jsou hybridy plug-in, jejichž baterii již lze dobíjet z elektrické sítě. Určit, kolik energie tato auta spotřebují z benzínu a kolik z baterií nezávisí jen na řešení auta, ale i aktivitě jejich provozovatele. Neboť s plug-in hybridem může bez problémů jezdit jen na benzín, a nebo baterii dobíjet při každé možné příležitosti a na krátké vzdálenosti využívat auto téměř jako čistě elektrické. Například SM 35/2020, Dovolená s kabelem, Ford Kuga, což je plug-in hybrid s baterií 14,4 kWh. Z údajů v článku o cestě do Chorvatska a Černé hory a zpět, celkem 3 567 km, lze odhadnout, že do baterií bylo z nabíjecích stanic dodáno pravděpodobně asi 35 kWh, tedy 1 kWh/100 km. Ve SM 30/2020, Doba si je žádá. A co my? se porovnává potřeba nabití baterií na ujetí 200 km plug-in hybridem Peugeot 508 SW Hybrid 225, hodnota 8,4 kWh/200 km a plug-in hybridem Volkswagen Passat GTE, s hodnotou 9,2 kWh/200 km. Je zřejmé, že rozptyl potřeby nabití baterií plug-in hybridů může být poměrně velký, v daných případech mezi cca 1 kWh/100 km až 4,6 kWh/100 km. Dejme tomu, že provozovatel bude tak nějak průměrný a za střední hodnotu dále v článku použiji 2 kWh/100 km.

Obr. Příklad, plně elektrická Škoda CITIGOᵉ iV, pohotovostní hmotnost 1 235 kg.

„Pokud vezmeme v úvahu vozidlo o hmotnosti zhruba 1 000 kg, které se pohybuje průměrnou rychlostí 60 km/h, je pro pohon potřeba střední výkon přibližně 12 kW až 16 kW nebo špičkový 30 kW až 40 kW,“ uvádí ve své diplomové práci Energetické nároky vozidla – Bateriové systémy – ampérhodinové zkoušky, Bc. Michal Jacko, ČVUT v Praze, Fakulta elektrotechnická, Katedra elektrotechnologie. A k tomu je nutné připočíst spotřebu pomocných elektrických zařízení, elektroniky, posilovačů, třeba i ventilátoru větrání, klimatizace aj. a zohlednit také skutečnou hmotnost elektromobilu včetně přepravovaných osob a nákladu. Ve 26/2020, Tišší koník, vyšla v testu pro auto Kia e-Soul 150 kW/64 kWh na vzdálenost 1 500 km spotřeba 16 kWh/100 km ve městě, 22 kWh/100 na dálnici a z toho průměr 21,1 kWh/100 km. Podobně SM 22/2020, Elektrická zábava?, pro Mini Cooper SE, ve městě i pod 15 kWh/100 km, na dálnici i nad 20 kWh/100 km, v testu průměrně 16,5 kWh/100 km. Nebo SM 27/2020, Slezský zelenáč, auto Hyundai Kona Electric, vzdálenost 200 km s průměrem 18,1 kWh/100 km. Věřím, že hodnotu 18 kWh/100 km společně se mnou přijmete jako přiměřenou pro další výpočty.

Účinnost využití elektrické energie ze sítě elektromobily není 100 %

Podle studie amerického úřadu U.S. Department of Energy, Vehicle Technology Office, se na množství spotřebované elektrické energie podílí ztráty při nabíjení baterií automobilu v kombinovaném provozu (město, dálnice) 16 %. Jak je to možné?

Zajisté jste si v souvislosti s informacemi o elektromobilech všimli skutečnosti, že baterie musí být chlazeny. Jak proces nabíjení, tak vybíjení je spojen s vývinem tepelné energie a ta z baterií odchází nevyužita. Laicky si tento fakt lze snadno ověřit dotykem na zadní stranu moderního chytrého telefonu po jeho plném nabití z hodně vybitého stavu nabíječkou napojenou na síť, nebo například po delším sledování videí na YouTube s maximálně rozsvíceným displejem, třeba na kanále TZB-info, pokud jste příznivci oboru TZB. Stejně tak se chovají i baterie v elektromobilu. Zvýšení teploty baterií se pohybuje v řádu i desítek stupňů Kelvina a samozřejmě znamená ztrátu energie.

Obr. Lithiové akumulátory, foto © TZB-info

Ani elektronika, která mění střídavý proud ze zásuvky na stejnosměrný pro nabití baterie není 100 % účinná.

Každá baterie má také svůj proces samovybíjení. Na tom nic nezmění přání a záměry Evropské unie. Již současné baterie v elektromobilech jsou z tohoto pohledu vynikající, proces samovybíjení je nízký, nicméně je. Nejde o proces rovnoměrný, zpravidla první dny, do cca 10 až 14 dnů, po nabití jde o relativně rychlou ztrátu 6 až 10 % energie dodané do baterií a skutečnost závisí i na teplotě okolí, baterie, viz např. Samovybíjení elektrochemických zdrojů pro teplotní charakteristiky, Radek Strnad, 2017, ČVUT v Praze, Fakulta elektrotechnická, katedra Elektrotechnologie. Pokud provozovatel elektromobilu jezdí každý den, tak podíl samovybíjení bude nižší a nižší bude potřeba ho kompenzovat nabíjením baterií. Pokud bude auto využíváno třeba jen o víkendech, pak se musí počítat s větší ztrátou.

Proto v souladu se studií zvyšuji potřebu elektřiny na nabití baterií koeficientem 1,19 (převrácena hodnota 0,84), neboť uvedených 16 % se ztratí. Takže pro plug-in hybrid po zaokrouhlení na dvě platné číslice vyjde 2,4 kWh/100 km a pro plně bateriový elektromobil 21 kWh/100 km.

Kolik elektřiny spotřebují elektromobily?

Podle ČSÚ bylo v České republice roce 2019 registrováno 5 924 995 osobních automobilů. Průměrný řidič zpravidla ujede za rok od 10 000 do 30 000 km. Ovšem u některých z registrovaných aut lze předpokládat roční nájezd i méně jak 1 000 km. S trochou kouzlení s čísly z toho může být, dejme tomu, průměrných 13 000 km na automobil ročně. V případě čistého elektromobilu by pak šlo s využitím průměrného údaje 21 kWh/100 km o spotřebu 2 730 kW/rok a pro plug-in hybridy s průměrem 2,4 kWh/100 km o 312 kWh/rok.

Je zřejmé, že několik stovek či tisíců elektromobilů dostatek elektřiny pro potřeby vytápění, větrání, chlazení, osvětlení atp. významně neovlivní. Podle souhrnných údajů ERÚ za rok 2019 dosáhla celková výroba elektřiny brutto téměř hodnoty 87,0 TWh. Tuzemská brutto spotřeba elektřiny za rok 2019 stagnovala a zůstala na hodnotě 73,9 TWh (−0,01 %), zbytek je export. Maloodběr obyvatelstva dosáhl 15,3 TWh. V roce 2019 také došlo k nárůstu spotřeby elektřiny u domácností o 207 GWh (+1,4 %).

Podívejme se hypoteticky do budoucnosti, kdy například bude v provozu 1 milión elektromobilů na bateriový provoz a 1 mil plug-in hybridů. Tyto vozy by spotřebovaly za rok 2,73 TWh plus 0,312 TWh, dohromady tedy něco okolo 3 TWh elektřiny, což je pětina současného maloodběru obyvatelstva. Je zřejmé, že výroba elektřiny v České republice by zřejmě byla schopná tento hypotetický vývoj zvládnout omezením vývozu a obor TZB by se nemusel obávat zásadního nedostatku elektřiny. Tedy pokud problémem nebude přenosová kapacita elektrické sítě. A zde je nutné se do budoucnosti dívat velmi pozorně. Protože jde o posílení elektrické sítě v její nízkonapěťové části 3×400 V, na kterou jsou napojeny domácnosti, převážná většina budov a která bude využita i pro nabíjení baterií elektromobilů. Nutno dodat, že existuje Národní akční plán pro chytré sítě 2019 - 2030 a v jeho rámci je problematika řešena. Jedním z úkolů je vytvořit podmínky pro vyšší penetraci decentralizovaných, zejména obnovitelných zdrojů elektřiny, akumulace a elektromobility v souladu s požadavky Vnitrostátního plánu v oblasti energetiky a klimatu ČR a jejich zapojení do koordinace a řízení energetické soustavy.

Pokud by, ještě více hypoteticky, všechny registrované osobní automobily a s průměrnými hodnotami určenými výše byly nahrazeny čistě elektrickými na baterie, tak by šlo o roční spotřebu cca 16,2 TWh elektřiny. Je zřejmé, že tento nárůst spotřeby elektřiny zdvojnásobující současný maloodběr obyvatelstva by již byl velkým problémem. Na jeho vyřešení snad ještě máme možná dvacet, třicet let, ale pokud se nezačne hned, může být pozdě. I vzhledem k tomu, že to nebude zadarmo a investice do posílení elektrorozvodné sítě v konečném součtu zaplatíme my všichni, nikoliv provozovatelé sítí. Pro výrobu elektřiny místo z uhlí můžeme dovážet zemní plyn, a tam se bez kapacity plynovodu Nord Stream II či jiných, které posílí dodávky do ČR, neobjedeme. Například i sousední Německo vedle OZE vsází na zemní plyn. Pozitivní přístup na udržení nebo případně i navýšení výrobních kapacit v jaderných elektrárnách panuje snad jen u nás a ve Francii.

Jinou možnost, jak zajistit dost elektřiny pro elektromobily, a také TZB, nabízí posílení její výroby fotovoltaickými systémy na střechách domů. Každoročně vyrobit pro jeden průměrně využívaný elektromobil potřebných 2 730 kWh na střeše rodinného domu není až tak velký problém. Bohužel jen během měsíců s dostatečnou intenzitou slunečního svitu. Více méně od října do března to však problém bude.

Elektromobily a faktor primární neobnovitelné energie

Pro oblast využití elektřiny v budovách platí od 1. září 2020, podle vyhlášky č. 264/2020 Sb., pro elektřinu faktor primární neobnovitelné energie ve výši 2,6. To znamená, že spotřebu elektřiny je nutné tímto faktorem vynásobit, aby se v podmínkách České republiky zjistilo, kolik neobnovitelné primární energie bylo na její výrobu spotřebováno. Neobnovitelná primární energie totiž vytváří univerzální základ porovnání pro různé zdroje energie, případně takzvané energonositele, jako jsou například zemní plyn, uhlí, topný olej, ale třeba i benzín.

Dále vycházím z výše odvozeného údaje, že pro nabití baterie elektromobilu na ujetí 100 km je zapotřebí 21 kWh elektrické energie ze sítě. V případě čistě bateriového elektromobilu nabíjeného z elektrické sítě vychází jeho spotřeba vyjádřená v neobnovitelné primární energii v metodice platné pro budovy podle vyhlášky č. 264/2020 Sb. takto:
2,6 × 21 kWh/100 km = 54, 6 kWh neobnovitelné primární energie/100 km

A jak jsou na tom auta se spalovacími motory? Výše již zmíněný americký úřad U.S. Department of Energy, Vehicle Technology Office, který informačně podporuje zavádění elektromobility, a tudíž nemá důvod k jakémukoliv zvýhodňováni automobilů se spalovacími motory, uvádí účinnost využití energie v benzínu se ztrátou 64 až 75 %. U moderních osobních automobilů velikosti Škoda Fabia, pokud řidič nemá těžkou nohu, lze očekávat spotřebu cca 5 a méně litrů na 100 km. 1 litr benzínu natural 95 (Norm-Benzin Euro-5) obsahuje 8,67 kWh. Na 100 km toto auto spotřebuje tedy:
5 × 8,67 kWh ÷ 43,4 kWh

Tento výsledek však ještě není množstvím neobnovitelné primární energie. Ve vyhlášce č. 264/2020 Sb. o energetické náročnosti budov není pro benzín uveden faktor neobnovitelné primární energie. Možnosti využití benzínu pro systémy v budově jsou minimální, nejpravděpodobněji jen pro pohon záložních agregátů pro výrobu elektřiny v době výpadku dodávky elektřiny ze sítě. Nicméně lze odhadnout, že by se faktor měl pohybovat na stejné výši, jako má topný olej, tedy 1,2. Protože extralehká varianta topného oleje je blízká motorové naftě. V tomto případě automobil s benzínovým motorem potřebuje na ujetí 100 km
1,2 × 43,4 = 52,1 kWh neobnovitelné primární energie/100 km

Za uvedených předpokladů a s aplikací metodiky používané v oblasti budov k hodnocení energetické náročnosti se osobní elektromobily nyní nejeví jako zásadně lepší cesta ke snížení spotřeby neobnovitelných zdrojů energie než auta se spalovacím motorem. V podstatě se jeví jako přibližně stejné.

Výše uvedené zjištění nic nemění na legislativou dané povinnosti v nových budovách instalovat nabíjecí stanice. Ačkoliv se tím nijak nezlepší energetická náročnost budovy, pokud ji musíme chápat v širších souvislostech. Elektromobil připojovaný na nabíječku v budově podle mne tedy logicky patří po bok ostatních elektrických spotřebičů v budově, které se do její energetické náročnosti započítávají, například prostřednictví dodatečných vnitřních zisků tepla aj.

Závěr

1. Pokud aplikujeme na oblast elektromobily a oblast budov stejný princip hodnocení jejich zátěže životního prostředí, budeme přepočítávat na nabití elektromobilů spotřebovanou elektřinu a stejně tak i benzín pro spalovací motory na jednotnou základu neobnovitelné primární energie zjistíme, že elektromobilita si za současných podmínek v České republiky nezaslouží zásadní podporu na úkor benzínu či motorové nafty. Nicméně, a to chci zdůraznit, se pro elektromobily nabízí použití stejného principu, jako u budov. Pokud elektromobily nebudou zásadně lepší než automobily se spalovacím motorem, lze jejich nákup legislativně, vyhláškou, podmínit pořízením fotovoltaického systému. S takovým výkonem, aby se v roční bilanci snížila potřeba primární neobnovitelné energie z provozu elektromobilu na vyhláškou daný limit, který bude, stejně jako je tomu pro budovy, v následujících letech postupně snižován.
2. Žijeme v době ohrožení ekonomiky pandemickou krizí. Její dopady na hospodaření podniků, firem, jsou většinou negativní, zvyšují se obavy lidí ze ztráty práce, ztráty výdělků nebo jejich snížení. Prosazovat další opatření na ochranu životního prostředí není většinou lidí nyní přijímáno pozitivně, ostatně na šíření těchto názorů se podílí i naše vláda. Odnáší to Ministerstvo životního prostředí, jehož aktivity jsou zatlačeny do pozadí. Jednou z nich by však MŽP mohlo zabodovat. Většina obyvatelstva je odsouzena na základě velikosti svých příjmů jezdit v automobilech, jejichž pořizovací cena je pod 400 tisíc korun a o nákup elektromobilu bude mít zájem teprve tehdy, až nabíjení baterií bude tak snadné, jako plnění nádrže. Věřím, že lidé v České republice mají silný smysl pro spravedlnost, takže důsledným trváním na stejných podmínkách pro budovy i elektromobilitu by si MŽP posílilo svoji dobrou pověst. A o to jde při prosazování opatření na ochranu životního prostředí nejvíce, aby s nimi souhlasila a také je podporovala co nejširší veřejnost.
   
   
   
   Obr. Elektrický příkon datových center se pohybuje na úrovni jednotek MW, zde 3,5 MW. Chlazení zajišťuje klimatizační systém. Záložní zdroj elektřiny využívá dva dieselagregáty s výkonem po 1,75 MW, oba odvody spalin od nich jsou na obrázku viditelné. (Ilustrativní obrázek, zdroj: www.o2.cz)
3. Do dostatku elektřiny pro elektromobilitu i TZB může promluvit výstavba datových center, která již v roce 2018 představovala 2 % celosvětové spotřeby elektřiny. Roste komunikace průmyslu, služeb, něco spotřebuje existence virtuálních měn jako je bitcoin, masový zájm o různé on-line hry atd. Technika datových center vyžaduje intenzívní chlazení a tedy odvod tepla. Umístění do oceánů, jak to zkouší Microsoft, by v dnešní době oteplování oceánů mělo strašit v noci každého ekologa. V ČR neexistuje povinnost pro investory do datových center zajistit alespoň 80 až 90 %ní využití odpadního tepla. Proč, když i „malým“ stavebníkům rodinných domů je vyhláškou de-facto již nyní přikázáno využívat řízené větrání, které právě těch 80 až 90 % vrací do domů zpět. Přitom ideální umístění datového centra je co nejblíž husté zástavbě, aby se minimalizovala doba datové odezvy. Obor TZB potřebná řešení zná a každé využití odpadního tepla může ušetřit elektřinu, která se zbytečně spotřebuje na výrobu tepla jinde.
4. Je zřejmé, že jak obor TZB, tak i elektromobilita potřebují silnou podporu v tom, aby výroba elektřiny co nejrychleji snížila podíl neobnovitelných zdrojů energie. Vzhledem k vyhlášce č. 264/2020 Sb. o energetické náročnosti budov, v níž je pro uhlí stanoven faktor primární neobnovitelné energie ve výši 1,0 a stejný je i pro zemní plyn, záměna uhlí za plyn přinese jen snížení emisí, nikoliv snížení spotřeby neobnovitelné primární energie. Faktor neobnovitelné primární energie pro elektřinu ve výši 2,6 byl podle komentářů předkladatele vyhlášky, Ministerstva průmyslu a obchodu, stanoven na základě podrobné analýzy. Bez razantních změn elektroenergetiky, změny metodiky či snad eventuálního přiznání omylu nebude faktor pro elektřinu změněn. Lze tomu pomoci rychlejším použitím inovativních řešení jak v oboru technických zařízení budov, elektromobility, tak i v jejich vzájemném provázání.