Ile CO₂ emituje samochód elektryczny?

Wprowadzenie

W każdym salonie samochodowym przy prezentowanych modelach różnego typu pojazdów podawana jest obowiązkowo informacja dotycząca wielkości emisji dwutlenku węgla wyrażonej w gramach na każdy przejechany kilometr. Tymczasem w przypadku pojazdów elektrycznych widnieje tam wartość wynosząca dokładnie zero, z czego można wyciągnąć logiczny wniosek, że tego typu pojazdy w ogóle CO2 do atmosfery nie emitują. Oczywiście jest to prawdą, jeśli pod uwagę bierzemy tylko emisję bezpośrednią CO2, wydobywającego się z rury wydechowej pojazdu, której to rury wydechowej samochody elektryczne przecież w ogóle nie posiadają, a zatem emisja rozważanego gazu też nie w ich przypadku występuje. Analogiczna informacja o zerowej emisji CO2 zamieszczona jest także na jeżdżących po ulicach polskich miast autobusach elektrycznych, gdzie dodatkowo umieszczony jest jeszcze rysunek zielonej wtyczki elektrycznej wraz z zielonym przewodem elektrycznym, co ma oczywiście symbolizować wspomniany brak jakiejkolwiek emisji rozważanego gazu. W naszych dalszych rozważaniach będziemy starali się jednak mimo wszystko temat ten nieco bardziej zgłębić, a w szczególności interesowało nas będzie, skąd w zasadzie bierze się prąd w sieci elektroenergetycznej, z której później ładowane są pojazdy elektryczne. Swego czasu na portalu WysokieNapiecie.pl zamieszczona została ilustracja przedstawiona na rys. 1, której autor przekonuje swych czytelników, że samochód elektryczny, i to niezależnie od źródła pochodzenia zasilającej go energii elektrycznej, będzie zawsze przyczyniał się do mniejszej emisji CO2, niż ma to miejsce w przypadku pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi. Niestety autor rozważanego artykułu nie przedstawił w nim żadnych informacji dotyczących zastosowanej w tym celu metodologii obliczeń, która ostatecznie prowadziła do uzyskania takich wyników, jakie zostały przedstawione w postaci wykresów słupkowych zamieszczonych na rys. 1. Nie sądzę zresztą, aby autor rozważanego artykułu był w stanie tego rodzaju obliczenia samodzielnie przeprowadzić, ponieważ jest on osobą nie legitymującą się jakimkolwiek wykształceniem technicznym, więc najprawdopodobniej powiela nieprawdziwe dane pochodzące z jakiegoś innego źródła, albo wykresy te są wręcz jego własną „radosną twórczością”. Sprawdźmy zatem, jak sprawy się mają w rzeczywistości. W tym celu wykonamy nieco żmudnych obliczeń, jednak których zakres nie będzie wykraczał poza materiał przerabiany na lekcjach matematyki, fizyki i chemii w szkole średniej.

Rys. 1. We wszelkich możliwych scenariuszach samochód elektryczny ma rzekomo przyczyniać się do mniejszej emisji CO2 niż pojazdy z silnikami spalinowymi

(źródło: https://wysokienapiecie.pl/98305-samochody-elektryczne-obniza-koszty-transformacji-energetycznej/)

Ile dwutlenku węgla emituje samochód elektryczny?

W celu wykazania, że samochód elektryczny przyczynia się w efekcie do znacznie większej emisji CO2 niż pojazdy z silnikami spalinowymi, dokonamy jego porównania z samochodem hybrydowym wyposażonym w wysokoprężny silnik Diesla. To, że dla celów porównawczych wybrano pojazd o napędzie hybrydowym jest w tym wypadku niezwykle istotne, ponieważ zarówno samochód elektryczny, jak i hybrydowy wyposażone są w funkcję umożliwiającą rekuperację energii, a zatem i w jednym i drugim przypadku część energii kinetycznej pojazdu jest podczas jego hamowania ponownie odzyskiwana, w związku z czym oba pojazdy są pod tym względem całkowicie porównywalne. Zajmijmy się zatem najpierw pojazdem hybrydowym wyposażonym w silnik Diesla. Wartość opałowa oleju napędowego wynosi około 43 MJ/kg. Przyjmując dodatkowo, że sprawność najnowszych silników Diesla wynosi 45%, otrzymujemy 19,35 MJ energii, która może zostać już bezpośrednio odebrana z wału silnika i posłużyć do napędu jego kół. W kolejnym etapie należy uwzględnić fakt, że samochód elektryczny jest zawsze sporo cięższy od jego hybrydowego odpowiednika, ponieważ masa baterii w średniej wielkości samochodzie osobowym wynosi przynajmniej 500 kg, a w przypadku pojazdów typu SUV jest to nawet ponad 800 kg. W trakcie jazdy cykliczne rozpędzanie tak dużej dodatkowej masy i nadawanie jej poprzez ten fakt sporej energii kinetycznej nie odbywa się oczywiście za darmo, w związku z czym zapotrzebowanie na energię przez pojazd elektryczny musi być nieco większe niż w przypadku pojazdu hybrydowego. Zapewne nie popełniając większego błędu można przyjąć, że zużycie energii w przypadku pojazdu elektrycznego będzie o 10% większe, niż ma to miejsce w przypadku samochodu hybrydowego z silnikiem Diesla. W związku z tym wymieniona poprzednio wartość 19,35 MJ mnożymy przez 1,1 i otrzymujemy 21,29 MJ energii potrzebnej do napędzania kół analogicznego pojazdu elektrycznego. Następnie musimy uwzględnić straty energii związane z określoną sprawnością silnika elektrycznego. Przyjmijmy tę sprawność jako równa 90%, w związku z czym otrzymaną poprzednio wartość 21,29 MJ dzielimy przez 0,9 i otrzymujemy ostatecznie 23,66 MJ energii. Musimy uwzględnić także straty zachodzące podczas cyklu ładowania i rozładowywania akumulatorów pojazdu elektrycznego. Analogicznie jak poprzednio przyjmiemy, że sprawność cyklu ładowania i rozładowywania akumulatora litowego wynosi 90%. W związku powyższym rozważana poprzednio wartość 23,66 MJ dzielimy ponownie przez 0,9 i otrzymujemy w ten sposób 26,29 MJ energii. Na kolejnym etapie uwzględnić należy ponadto straty energii, mające miejsce w układach prostowniczych wchodzących w skład ładowarki akumulatorów litowych (straty cieplne). Podobnie jak poprzednio sprawność rozważnych układów prostowniczych przyjmiemy jako równą 90%. Dlatego wymieniona poprzednio wartość energii 26,29 MJ należy ponownie podzielić przez 0,9, w związku z czym otrzymujemy 29,21 MJ energii. W następnej kolejności należy uwzględnić także straty przesyłowe mające miejsce w liniach elektroenergetycznych i transformatorach sieciowych. W przypadku naszego kraju straty te szacowane są nawet na ponad 10%. Zapewne nie popełniając większego błędu, rozważaną wartość 29,21 MJ ponownie dzielimy przez 0,9 w związku z czym otrzymujemy 32,46 MJ energii, którą muszą wytworzyć pracujące w krajowym systemie elektroenergetycznym elektrownie. Niestety polskie elektrownie węglowe stanowią w zdecydowanej większości przypadków swoisty skansen, co można zobaczyć na rys. 2, gdzie w formie wykresu słupkowego zaprezentowane zostały dane dotyczące wieku eksploatowanych w krajowym systemie elektroenergetycznym bloków węglowych.

Rys. 2. Liczba pracujących w Polsce bloków węglowych w poszczególnych przedziałach wiekowych (źródło: Ocena wystarczalności zasobów na poziomie krajowym 2025 – 2040, raport Polskich Sieci Elektroenergetycznych S.A., listopad 2024)

Jak wynika z zamieszczonego na rys. 2 wykresu, procentowo najwięcej mamy w krajowym systemie elektroenergetycznym bloków węglowych starszych niż 45 lat (25% ogółu). Mamy także sporo bloków starszych niż 50 lat (21% ogółu), a są wśród nich nawet i takie, które powstały jeszcze w epoce towarzysza Wiesława. Sprawność netto tego rodzaju bloków węglowych jest bardzo niska i wynosi zaledwie około 30%. Z drugiej strony posiadamy jedynie sześć bloków węglowych młodszych niż 10 lat, których sprawność netto przekracza 40%. W związku z powyższym przyjmijmy średnią wartość sprawności netto dla wytwarzania energii elektrycznej w Polsce na poziomie 35%. Uzyskana poprzednio wartość energii 32,46 MJ musimy teraz podzielić przez 0,35, w związku z czym otrzymujemy 92,74 MJ energii pierwotnej paliwa, które musi zostać zużyte w elektrowniach w celu wyprodukowania właśnie rozważanych 32,46 MJ energii elektrycznej. Jak już wspomniano, w przypadku wysokoprężnego silnika Diesla paliwem jest olej napędowy, który zawiera głównie długie łańcuchy węglowodorów typu CNH2N, w związku z czym możemy w przybliżeniu przyjąć, że statystycznie na jeden atom węgla (masa atomowa 12) przypadają dwa atomy wodoru (masa atomowa 1). W związku z powyższym 1 kg oleju napędowego zawiera około (12/14), czyli 0,857 kg czystego pierwiastka węgla. Uwzględniając teraz, że powstała w wyniku spalenia węgla cząsteczka dwutlenku węgla zawiera jeden atom węgla (masa atomowa 12) i dwa atomy tlenu (masa atomowa 16), to w wyniku spalenia 1 kg oleju napędowego otrzymujemy (44/12)*0,857 kg, czyli 3,14 kg CO2. Tymczasem uwzględniając, że ciepło spalania węgla wynosi 33,2 MJ/kg, to aby uzyskać rozważana uprzednio energię 92,74 MJ, musimy spalić w krajowych elektrowniach aż 2,79 kg czystego pierwiastka węgla. Po przemnożeniu tej wartości przez (44/12) otrzymujemy wartość aż 10,23 kg CO2 wyemitowanego przez polskie elektrownie węglowe. Wniosek z tego jest taki, że samochód elektryczny może w skrajnym wypadku przyczynić się aż do 3,26 razy większej emisji dwutlenku węgla niż jego hybrydowy odpowiednik wyposażony w wysokoprężny silnik Diesla. Ot, takie to zeroemisyjne są w rzeczywistości te propagowane wszem i wobec przez różnej maści „klimatystów” samochody elektryczne.

Posumowanie

Oczywiście przeprowadzone powyżej wyliczenia dotyczą skrajnego przypadku, w którym cała wytworzona w Polsce energia pochodziłaby jedynie ze spalania wyłącznie węgla. Tak jednak nigdy nie jest ponieważ zawsze pewna jej część pochodzi z tzw. zeroemisyjnych źródeł energii (elektrownie wodne, siłownie wiatrowe, fotowoltaika). W związku z powyższym w tabeli 1 zamieszczono informację, ile razy więcej samochód elektryczny emituje CO2 w porównaniu z jego hybrydowym odpowiednikiem z wysokoprężnym silnikiem Diesla, w zależności od procentowego udziału bezemisyjnych źródeł energii w jej całkowitej produkcji.

Jak wynika z wyliczeń zamieszczonych w tabeli 1, gdyby udział bezemisyjnych źródeł energii elektrycznej w jej całkowitej produkcji był na poziomie 70%, to dopiero wtedy samochód elektryczny zyskałby niewielka przewagę (0,98 razy mniejsza emisja CO2) nad jego odpowiednikiem hybrydowym z silnikiem Diesla. Jednak w Polsce do tak wielkiego udziału źródeł bezemisyjnych w całkowitej produkcji energii elektrycznej nam jeszcze bardzo daleko. W 2023 roku udział źródeł bezemisyjnych w polskim miksie energetycznym wyniósł jedynie około 22% (elektrownie wodne – około 1,5%, siłownie wiatrowe około 14%, fotowoltaika niecałe 7%). Przyjmując udział bezemisyjnych źródeł energii elektrycznej właśnie na wspomnianym poziomie 22%, otrzymujemy, że samochód elektryczny emituje przeciętnie 2,54 razy więcej CO2 niż pojazd hybrydowy z silnikiem Diesla. Tymczasem, według różnych szacunków, maksymalny udział źródeł bezemisyjnych w polskim miksie energetycznym może wynosić około 30%. Na więcej nie pozwalają porostu już prawa fizyki przy takiej sieci rzek, jaką w Polsce posiadamy, przy takim poziomie wietrzności, jaki jest typowy dla terytorium naszego kraju, oraz przy takim poziomie rocznego nasłonecznienia, jaki jest charakterystyczny dla szerokości geograficznych położonych powyżej pięćdziesiątego równoleżnika. Dalsze zwiększanie udziału źródeł bezemisyjnych w polskim miksie energetycznym wymagałoby zastosowania tzw. wielkoskalowego magazynowania energii elektrycznej, jednak w tym wypadku problem polega na tym, że tego rodzaju technologie w zasadzie nie istnieją, a wybudowanie w naszym kraju kilkudziesięciu elektrowni szczytowo-pompowych tej wielkości co Porąbka-Żar jest czystą utopią. Ostateczny wniosek jest taki, że w polskich realiach samochód elektryczny zawsze będzie emitował ponad dwa razy więcej dwutlenku węgla niż analogiczny pojazd hybrydowy wyposażony w wysokoprężny silnik Diesla. Jakie są zatem ukryte cele tej całej elektryfikacji transportu? Bo uzasadnia ekonomicznego nie ma to żadnego.

dr inż. Mirosław Gajer