Czy nowoczesne paliwa uratują silniki spalinowe? Mogą przedłużyć ich agonię [MOTO 2030]

MOTO 2030 to piątkowy cykl Gazeta.pl, w którym poruszamy najważniejsze tematy dotyczące przyszłości motoryzacji, transportu i technologii. Nie zabraknie tu także ciekawych historii konstruktorów oraz opisu dziejów firm, których przeszłość ma wpływ na to, jak będzie wyglądała motoryzacja przyszłości. Samochody, drogi i miasta na naszych oczach bardzo dynamicznie się zmieniają. Co piątek dziennikarze Moto.pl będą o tych zmianach pisać. Tutaj znajdują się wszystkie artykuły z cyklu MOTO 2030.

Silniki spalinowe to kawał współczesnej historii, ale wiele wskazuje na to, że ich dni mogą być policzone. Nie ma co się oszukiwać, na tle silników elektrycznych ich sprawność jest kiepska, a wydobywanie i spalanie paliw kopalnych niesie za sobą konsekwencje klimatyczne. Co roku emitujemy do atmosfery 50 miliardów ton gazów cieplarnianych. Jaki udział ma w tym transport?

• Szacuje się, że transport odpowiada za 16,2 proc. emisji wszystkich gazów cieplarnianych.
• W tym 11,9 proc. to transport drogowy, z czego ok. 7,1 proc. pochodzi z transportu pasażerskiego (samochody, motocykle, autobusy itd.).
• Dla porównania energia potrzebna do zasilania i ogrzewania budynków mieszkalnych stanowi 10,9 proc. emisji wszystkich gazów.

W wyniku spalania paliwa, silniki emitują do atmosfery znaczną ilość CO2. Szacuje się, że spalenie 1 litra benzyny to emisja 2,35 kg dwutlenku węgla. Dodatkowo, do jej wyprodukowania potrzebne jest ok. 3.5 kWh energii, choć niektóre źródła podają nawet 7kWh. Produkcja tej energii także wiąże się z emisją gazów cieplarnianych, o ile nie pochodzi z odnawialnych źródeł. Nawet nie uwzględniając energii zużytej do wydobycia surowca, przejechanie 100 km, przy średnim zużyciu 8l/100 km, emituje 18,8 kg CO2.

Hyundai Ioniq 5 fot. Hyundai

A jak jest w przypadku samochodów elektrycznych?

To, ile CO2 będzie emitował pojazd elektryczny, będzie zależało od tego, ile zużyje energii i z jakiego źródła będzie ona pochodzić. W 2021 roku, w Polsce na wyprodukowanie 1 kWh przypadało średnio 736 g CO2, w Niemczech ok. 350 g/kWh, we Francji 58 g/kWh, a w Szwecji 10 g/kWh. Tak więc samochody elektryczne mogą zmniejszać emisję gazów cieplarnianych, ale nie będą jej sprowadzały do zera, dopóki energia potrzebna do ich zasilania nie będzie pochodziła wyłącznie z odnawialnych źródeł. Przejechanie 100 km autem elektrycznym, przy średnim zużyciu 18 kWh/100 km, będzie emitować 13,25 kg CO2 w Polsce, 6,3 kg w Niemczech, 1 kg we Francji oraz znikomą ilość 0,18 kg w Szwecji.

Na środowisko ma wpływ nie tylko eksploatacja auta, ale także jego produkcja. Volvo przeprowadziło badanie bazując na swoim modelu XC40, produkowanym w wersjach benzynowej i elektrycznej. Według ich szacunków produkcja aut elektrycznych niesie za sobą emisję dwutlenku węgla większą o 70 proc. względem aut z napędem spalinowym. To kiedy bilans między dwoma rodzajami aut się wyrówna i przejdzie na korzyść elektryka, zależy od wielu czynników, a nie wszystkie z nich zostały uwzględnione w szacunkach Volvo.

Najbardziej pesymistyczny scenariusz, przewiduje, że równowaga nastąpi po przejechaniu 110 tys. km, a po przejechaniu 200 tys. km, auto elektryczne wyemituje 15 proc. CO2 mniej. Według optymistycznego założenia, w którym auto elektryczne zasilane jest wyłącznie energią z odnawialnych źródeł, równowaga emisji zostanie osiągnięta po przejechaniu 49 tys. km, a po 200 tys. km ślad węglowy będzie mniejszy o 50 proc.

Należy mieć na uwadze, że są to szacowane wartości, które nie uwzględniają wielu czynników. Na przykład tego, że w samochodach z napędem konwencjonalnym więcej elementów ulega zużyciu i podlega wymianie w czasie eksploatacji. Więcej jest także płynów eksploatacyjnych. Argumentem na korzyść drugiej strony jest jednak fakt, że wiele elektryków kończy swój żywot w wyniku niegroźnej stłuczki, w których uszkodzone jest ogniwo. Naprawa takiego auta jest nieopłacalna, a więc trafia ono na złom. Oznacza to, że część aut elektrycznych nie dotrwa do czasu, w którym zrekompensuje swoją mniej ekologiczną produkcję.

Patrząc na powyżej przedstawione dane, wiele osób mogłoby stwierdzić, że elektryczne samochody nie mają sensu, bo też nie są ekologiczne. Byłaby to prawda, ale tylko częściowo. Samochody elektryczne nie są w pełni ekologiczne, ale to się zmienia. Przed inżynierami sporo pracy, zarówno w aspekcie projektowania aut elektrycznych, ale także efektywniejszej produkcji energii jak i wykorzystania odnawialnych źródeł.

Innymi słowy, napęd elektryczny ma jeszcze duże pole do popisu (czyt. rozwoju), tymczasem silniki spalinowe napotkały pewnego rodzaju ścianę. Konstruktorzy wycisnęli z nich naprawdę dużo, schodząc z emisją CO2 do granic możliwości, a teraz wiele marek zapowiada, że w najbliższym czasie zrezygnują z rozwijania technologii silników o spalaniu wewnętrznym.

Zasilane e-paliwem wyścigowe Porsche 718 Cayman GT4 RS fot. Porsche

Wiele osób chciałoby jednak przedłużyć żywot silników spalinowych, bo auta napędzane nimi mają wiele zalet. Lepiej nadają się do przejeżdżania długich tras, a tankowanie jak na razie jest łatwiejsze i bardziej dostępne niż ładowanie akumulatorów. Oferują dużo większy wybór oraz, co najważniejsze – są znacznie tańsze względem elektrycznych. A co, jeśli problem nie leży w silnikach, a w paliwie?

A gdyby silniki spalały paliwo, które nie powoduje dodatkowej emisji CO2 do atmosfery? Teoretycznie jest to możliwe, ale nie bezpośrednio. Produktami spalania paliwa zawsze będą dwutlenek węgla oraz woda. Aby bilans CO2 był zerowy, do produkcji paliwa musi zostać wykorzystany ten, który znajduje się już w powietrzu. W taki sposób powstaje e-paliwo.

Co to jest e-paliwo?

E-paliwo, nazywane też elektropaliwem, jest to szczególny rodzaj paliwa syntetycznego. Do jego powstania potrzebne są w dużym uproszczeniu dwa składniki: węgiel, a dokładniej dwutlenek węgla oraz wodór. Jednego i drugiego mamy w naturze dostatek, a razem można z nich stworzyć tzw. gaz syntezowy. To właśnie pozyskanie tego gazu stanowi największe wyzwanie dla powstania e-paliwa. Dalszy proces polega na przekształceniu gazu w paliwo płynne w procesie Fischera-Tropscha. Zaletą e-paliw jest to, że nie wymagają specjalnego przystosowywania do nich standardowych silników spalinowych.

To, co odróżnia e-paliwo od innych paliw syntetycznych, to metoda pozyskania potrzebnych składników. Wspomniałem już o tym, że do ich produkcji pobiera się dwutlenek węgla z powietrza. Pozostaje jeszcze kwestia wodoru. Ten jest pozyskiwany za pomocą elektrolizy – czyli procesu oddzielenia wodoru i tlenu przy wykorzystaniu prądu elektrycznego. Żeby pozostać przy zerowej emisji, prąd musi pochodzić z odnawialnych źródeł energii. Zużywanie innych surowców, aby stworzyć ekologiczną alternatywę dla benzyny i oleju napędowego, mija się z celem.

Dlaczego nie jeździmy jeszcze na e-paliwie?

Opisany wyżej proces wydaje się prosty i skuteczny, jednak w praktyce jest to wieloetapowa produkcja, która pochłania wiele energii, oraz wymaga dużych inwestycji. A to przekłada się na cenę. Podaje się, że litr paliwa syntetycznego to koszt ok. 10 dol., czyli około 40 zł. Jeśli w ogóle dojdziemy do cen porównywalnych do konwencjonalnych paliw, mowa o odległej przyszłości. To oznacza, że na taki proces nie ma czasu.

Czy e-paliwo jest ekologiczne?

Jest często nazywane "czystym" paliwem, ale jak wiele ma to wspólnego z rzeczywistością? Idealna sytuacja dla elektropaliw, to taka, gdy na świecie wystąpi nadwyżka prądu z OZE. Jak łatwo się domyślić, nie jest to możliwe w najbliższych latach. Co prawda fabryki „czystego" paliwa powstają w miejscach, w których odnawialna energia ma największy potencjał – czyli tam, gdzie jest największe nasłonecznienie lub wietrzność. Ma to sens, ale po pierwsze, nie spowoduje nadwyżki zielonej energii, a po drugie, generuje dodatkowy problem, jakim jest przesyłanie wyprodukowanego e-paliwa.

Budowa fabryki e-paliwa w Punta Arenas fot. Siemens Energy

Kolejną istotną kwestią jest wydajność. Poszczególne procesy produkcji generują straty energii. Jeśli weźmiemy pod uwagę także sprawność silników spalinowych (która dla silnika benzynowego wynosi około 35 proc.) i układu napędowego, okaże się, że do kół pojazdu dociera jedynie 13 proc. energii włożonej w proces produkcji. To oznacza 87 proc. strat. Dla porównania, samochody elektryczne zasilane z odnawialnych źródeł, generują 41 proc. strat. Przy obecnej podaży zielonej energii, nie możemy pozwolić sobie na tak duże jej marnowanie.

Nie tylko CO2 jest problemem. Co z czystością spalin?

Problem ze spalaniem paliwa nie sprowadza się tylko do emisji CO2. W grę wchodzą jeszcze inne niepożądane składniki spalin, takie jak tlenki azotu, tlenek węgla, węglowodory oraz cząstki stałe. Najbardziej problem dotyka dużych miast, gdzie zagęszczenie ruchu jest spore, a więc spora jest także zawartość tych związków w powietrzu. Czy e-paliwo może rozwiązać problem toksyczności spalin? Z badań przeprowadzonych przez organizację Transport and Environment wynika, że nie. W porównaniu do tradycyjnej benzyny e-paliwo:

• Wytwarza taką samą ilość trujących tlenków azotu (NOx).
• Powoduje zwiększoną emisję tlenku węgla (CO) potocznie nazwanego czadem.
• Może powodować większą emisję amoniaku.
• Zmniejsza emisję cząstek stałych, jednak ta jest niewielka.

Wniosek z tego jest taki, że e-paliwa mogą rozwiązać problem emisji CO2, ale nie rozwiązują problemu zanieczyszczenia powietrza w miastach, spowodowanego ruchem samochodowym. Auta elektryczne, nawet jeśli także przyczyniają się do spalania paliw potrzebnych do produkcji energii, to jednak odsuwają ten problem od dużych skupisk ludzi. Nie emitują spalin w miejscu, w którym na co dzień się poruszają.

Paliwo syntetyczne skazane na niepowodzenie?

Na tym etapie nie można wydać jeszcze werdyktu. Raczej nie ma szans na to, aby e-paliwo stało się alternatywą dla znanych nam paliw w samochodach osobowych. Technologia stojąca za autami elektrycznymi jest na o wiele bardziej zaawansowanym poziomie, co oznacza, że może efektywniej minimalizować emisję CO2. Jednak paliwo syntetyczne ma jedną przewagę w porównaniu do baterii: znacznie większą gęstość energii.

To kluczowy parametr np. dla samolotów czy statków, które zasilane bateriami, byłyby za ciężkie, aby latać czy pływać. To właśnie dla takich środków transportu, rola paliw syntetycznych może okazać się kluczowa. Jednak, póki co, nie jesteśmy w stanie produkować paliwa syntetycznego, aby zaspokoić nawet jeden proc. zapotrzebowania branży lotniczej. A nawet gdyby było to możliwe, wciąż byłoby nieopłacalne.

Pomimo tego, wciąż wielu producentów i inwestorów wierzy w tę technologię. Porsche zainwestowało 75 milionów dolarów w powstającą w Chile fabrykę e-paliw, stając się drugim największym udziałowcem firmy HIF, stojącej za jej budową. W tym roku zamierzają wyprodukować 130 tys. litrów paliwa, a do roku 2026 – 550 milionów litrów. To wciąż jedynie kropla w morzu potrzeb. Dla porównania, w Polsce miesięczne zużycie samej benzyny wynosi około 600 mln litrów. Ta kropla może pozwolić jednak takim firmom jak Porsche na dalsze produkowanie sportowych samochodów jak 911 z tradycyjnym silnikiem, równolegle do innych elektrycznych modeli. Początkowo jednak mają wykorzystywać e-paliwa w sportach motorowych.

Jeśli nie e-paliwa, to może biopaliwa uratują tradycyjne silniki spalinowe

Biopaliwa, czyli takie, które pozyskiwane są z produktów żywych organizmów, np. roślinnych, zwierzęcych czy mikroorganizmów, mają wiele wad. Niska wydajność, duża lepkość i gęstość, niższa lotność, gorszy bilans energetyczny i ekologiczny względem paliw kopalnych spowodowany m.in. dużym użyciem nawozów sztucznych oraz nieracjonalną gospodarką produktami roślinnymi. Dodatkowo biopaliwom często zarzuca się, że uprawa roślin do ich produkcji jest prawie o 40 proc. mniej efektywna energetycznie niż w celu produkcji żywności.

Niektóre organizacje, np. Action Aid, twierdzą, że import biokomponentów przyczynia się do pogłębiania nędzy i głodu w krajach Trzeciego Świata, w wyniku produkcji paliw zamiast żywności. W Ameryce Południowej, aby produkować bioetanol, karczuje się ogromne połacie lasów równikowych, aby uprawiać w ich miejscu trzcinę cukrową. Rozwiązaniem tych problemów mają być nowocześniejsze biopaliwa drugiej generacji.

Biopaliwa drugiej generacji są produkowane z roślin, których nie uprawia się na żywność lub odpadków rolnych, produktów ubocznych czy odpadów żywnościowych i ogrodowych. Zaletą takich roślin jest fakt, że zazwyczaj nie potrzebują dodatkowych nawozów lub potrzebują niewielkich ilości. Jakiś czas temu w fabrykę biopaliw drugiej generacji zainwestował Bill Gates. Pokładając w niej nadzieję, przeznaczył na nią 50 milionów dolarów. Ostatecznie okazało się jednak, że produkcja nie mogła być opłacalna, a fabrykę zamknięto. Jak mówi inwestor:

Był to ślepy zaułek za 50 milionów dolarów, ale nie żałuję, że to zrobiłem. Musimy rozwijać dużo pomysłów, nawet jeśli wiemy, że wiele z nich zakończy się niepowodzeniem.

Można więc stwierdzić, że rozwój biopaliw drugiej generacji, wymaga ogromnych inwestycji, ale nie ma pewności, że zakończą się one powodzeniem.

Stosowanie takich paliw nie jest w stanie całkowicie wyeliminować emisji CO2. To bardziej ekologiczna alternatywa dla ropy naftowej, ale nie jest doskonała pod tym względem. Masowo przekształcane tereny leśne pod uprawy roślinne spowodowały nawet zwiększenie emisji dwutlenku węgla. Pokazuje to, że o wadach danych rozwiązań dowiadujemy się często dopiero po ich zastosowaniu.

Podsumowując

• Dzięki e-paliwom silniki spalinowe mogą pracować bez emitowania dodatkowego CO2 do atmosfery.
• Produkcja e-paliw pochłania bardzo dużo energii, która mogłaby być spożytkowana efektywniej.
• Jedynie ok. 13 proc. energii włożonej w produkcję elektropaliw trafia do kół pojazdu.
• E-paliwa nie rozwiązują problemu zanieczyszczenia spalin.
• Obecnie koszt 1 litra e-paliwa to około 40 zł. Będzie się obniżał wraz z rozwojem i popularyzacją technologii, o ile to nastąpi.
• Elektropaliwa mogą być rozwiązaniem tam, gdzie nie ma alternatywy (np. wspomniane statki, samoloty albo już obecne na rynku auta).
• Biopaliwa nie wyeliminują emisji CO2 w transporcie i wymagają rozwoju technologii produkcji, jednak pod względem ekologii są lepsze niż paliwa kopalne.
• Schemat fabryki e-paliwa, fot. Siemens Energy