Náhrada ropy v dopravě ALTERNATIVNÍ ENERGIE 2/2002 Ing. Jan Žákovec V prosinci 2001 Evropská komise (European Commision - EC) přijalo akční plán a 2 návrhy směrnic zabývajících se využitím alternativních paliv v dopravě. Akční plán načrtl strategii, jak dosáhnout 20% náhrady benzínu a nafty alternativními palivy v silniční dopravě do roku 2020 v dnešních 15 státech Evropské unie. Závěr je,že pouze 3 alternativní paliva/technologie mají šanci nahradit z více než 5 % spotřebu motorových paliv v příštích 20letech. a) biopaliva, v současnosti již používaná, b) zemní plyn ve střednědobém horizontu, c) vodík a palivové články v dlohodobém horizontu. První navrhovaná směrnice se zabývá zvýšením podílu biopaliv v členských státech EU Stanovením povinnosti přidávat stanovená % biopaliv do benzínu a nafty. Druhá navrhovaná směrnice dává členským státům EU rámec pro uplatňovnání rozdílných daní ve prospěch biopaliv. Tyto nové iniciativy EC demonstrují první evropskou legislativní podporu alternativním palivům v dopravě, EC tak chce dát jasný signál pro jejich podporu oproti ropným produktům. Těžba ropy v Evropské unii v posledních letech roste, zejména díky těžbě z nových nalezišť v Severním moči. Zároveň však se ropy nemění, náhrada ropy jako zdroje energie pro "mimodopravní" účely je kompenzována prudkým nárůstem její spotřeby v dopravě. V příštích 20 až 30 lelech je očekáváno snižování produkce ropy v EU. Na druhou stranu poptávka po poroste z tím, že možnosti její náhrady budou již vyčerpány a spotřeba v sektoru dopravy dále poroste. Důsledkem bude, že během příštích desetiletí lze očekávat zvyšující se závislost na importu ropy, jedinou možností je zvýšení dodávek ropy od členů OPEC. Tento scénář se nekryje se závazky průmyslových zemí redukovat produkci emisí skleníkových plynů v následujících desetiletích (protokol z Kyoto). Proto byla vypracována evropská strategie, znamenající 20 % podíl alternativních paliv v dopravě. Jistota dodávek energie (energy security) a ochrana životního prostředí jsou 2 klíčové motivační faktory při tvorbě nových politických iniciativ EC. Tento cíl dále zvyšuje požadavky na automobilový a ropný průmysl, který v nedávné minulosti musel řešit drastickou redukci emisí konvenčních polutantů, eliminaci olova a síry z automobilových paliv, zvýšení účinnosti spalování a s tím spojené snížení spotřeby paliva. Každé radikální změny v zásobování palivy nebo v technologiích motorů znamenají řadu problémů. Nové pohonné hmoty budou vyžadovat různé typy a úrovně investic v infrastruktuře a vybavení. Nejjednodušší je náhrada několika procent nafty nebo benzínu bionaftou nebo etanolem, založení ploch pro produkci těchto alternativních paliv je pouze "dlouhodobá investice".
Na druhou stranu palivové články poháněné vodíkem jsou nejvíce komplikovanou alternativou díky značným investicím do výroby vodíku a kompletně novému systému jeho distribuce.. Přesun k dopravnímu systému založenému na vodíku je klíčové rozhodnutí, které bude mít smysl pouze ve velkém měřítku v dlouhodobé strategii, celosvětově, nikoli pouze v Evropské unii. Biopaliva Již od první ropné krize v roce 1973 je biomasa uplatňována jako alternativní zdroj energie k fosilním palivům, jejímu využití byla ale zatím věnována malá pozornost, zaměření dopravy bylo téměř výhradně na ropu. Biologický materiál může být užíván jako pohonná hmota několika způsoby: •
• •
• • •
rostlinné oleje (řepka, slunečnice, soja...) mohou být přeměněny na náhradu nafty , která může být užívána ve směsi s klasickou naftou nebo přímo jako čistá bionafta cukrová řepa, obilí a další rostliny mohou být prostřednictvím fermetace přeměněny na alkohol bioetanol, který může být užit jako součást benzínu, nebo přímo v čisté formě jako motorové palivo. Budoucí vývoj umožní ekonomicky vyrábět bioetanol ze dřeva nebo slámy, organický odpad může být přeměnen na energii, která může být využita jako automobilové palivo: odpadní olej jakou součást bionafty domácí, zvířecí odpad jako bioplyn.
Množství organického odpadu je sice limitováno, ale cena odpadu je minimální a náklady odpadového hospodářství klesají. Technologický pokrok indikuje ve střednědobém horizontu další kapalná a plynná biopaliva získávaná termochemickými procesy z biomasy jako např. biodimetr, biometanol, pyrolysní oleje a vodík. V principu biopaliva nabízejí ideální alternativu založenou na přebytcích rostlinné výroby a hlediska emisí nulové CO2, na druhou stranu jsou biopaliva nákladnější než klasické pohonné hmoty. Přestože je vyšší podíl biopaliv limitován velikostí obdělávaných ploch, z krátkodobého pohledu je jejich využití nejsnazší. Mohou být užívána ve stávajících vozidlech a distribuční systém nevyžaduje nákladné investice. Zemní plyn Zemní plyn je primárně složen z metanu a může být užíván jako motorové palivo v klasických benzinových motorech. Pro využívání zemního plynu ve vozidlech je zapotřebí speciální zásobník plynu a vstřikovací systém, kromě možnosti přestavovat existující benzínová vozidla jsou na trhu již vozidla speciálně vyráběná s pohonem na zemní plyn.
Zemní plyn lze využívat jednak jednak ve formě stlačeného plynu (tlak 200 barů), tak ve zkapalněné formě (při teplotě - 162°C). Varianta stla čeného plynu je v současnosti preferovanější variantou. Technologie zemního plynu je plně vyvinuta a vyzkoušena. V Evropě jezdí okolo 450 tisíc vozidel na zemní plyn, počet plnících stanic je zhruba 900. Zemní plyn má velký potenciál pro využití jako motorové palivo. Je levný, má vysoké oktanové číslo, čisté palivo a nemá problémy se současnými i budoucími emisními limity. Nabízí potenciál 20 -25 % snížení emisí CO2 porovnání s naftou je snížení CO2 nevýznamné díky vyšší účinnosti naftových motorů. V případě užití zemního plynu v městských autobusech docházi k "vítanému" snížení hluku ve městech.
Přestože v budoucnu budou ropa i zemní plyn převážně importovány z pohledu "bezpečnosti" zásobování je výhodnější zemní plyn. Delší životnost zásob zemního plynu oproti ropě a rovnoměrnější rozložení nalezišť zemního plynu ve světě je velmi významnou skutečností. Vybudování dostatečné infrastruktury plnicích stanic nebude představovat. Vysoké náklady díky existujícím distribučním systémům zemního plynu v EU. Vodík Vodík je předmětem současného intenzivního výzkumu jako potenciální palivo pro motorová vozidla. Užití vodíku jako motorového paliva není omezeno pouze na
palivové články, vodík je perfektní palivo i pro klasické benzínové motory. Díky mnohem menším nákladům na spalovací motory v porovnání s palivovými články se zdá, že varianta spalování vodíku bude preferovanějším řešením do doby výrazného snížení nákladů palivových článků nebo do doby zvýšení jejich účinnosti energetické přeměny. Užitím vodíku ve spalovacích motorech vznikají rovněž NOx, i když jako jediné polutanty. Několik velkých automobilek již významně investuje do vodík/palivové články technologii a předpokládají, že vývoj přinese snížení výrobních nákladů pro palivové články, ojediněle je očekávána sériová produkce vodíkem poháněných osobních automobilů do 3 - 4 let.
Je potřeba zdůraznit, že vodík není energetickým zdrojem, ale nosičem energie!!! Pro hlavní výrobu vodíku prostřednictvím elektrolýzy je nutný další významný energetický nosič - elektřina. Obdobně jako u elektřiny, výhody užití vodíku jako paliva bezpečnost zásobování a nulová tvorba skleníkových plynů závisí na tom, jak je vodík vyráběn. Je-li vodík vyráběn pomocí elektřiny např. vyráběné z uhlí, zvýší se sice bezpečnost zásobování , ale výrazně se zvýší emise CO2. Je-li vodík vyráběn pomocí elektřiny z nefosilních zdrojů (nukleární nebo obnovitelné), zvýší se bezpečnost zásobování a sníží se emise CO2 , ale přidávají se další vlivy tohoto způsobu výroby elektřiny (při nedořešení uložení jaderného odpadu , omezenost obnovitelných zdrojů ...). Umístění dostatečného množství paliva ve vozidle je další problém, který dnes není uspokojivě vyřešen. Protože vodík má pouze 30 % energetický obsah v porovnáním se zemním plynem na objemové bázi , plynové zásobníky jsou příliš velké a těžké. Vodík jako budoucí rozšířený energetický nosič má výhody (obdobně jako elektřina), že může být vyráběn z různých energetických zdrojů a ( na rozdíl od elektřiny) může být skladován. Hlavní výhodou vodíku jako energetického nosiče je, že nabízí cestu k decentralizovanému energetickému trhu na bázi nefosilních paliv. Je zřejmé, potencionální výhody vodíku jako motorového paliva budou dosaženy po dalším úspěšném technologickém vývoji zásobníků vodíku a technologie palivových článků a po nákladných investicích do výroby vodíku a jeho distribuce. Zatímco ostatní alternativy mohou být využívány v již existujících vozidlech (biopaliva),
dosažitelnými palivy (zemní plyn), vybudovanou infrastrukturou (biopaliva, částečně zemní plyn ), vodík/palivové články začínají na startovní čáře . Jedná se rozhodně o nejnadějnější alternativu ke klasickým benzínem nebo naftou poháněným vozidlům , ale bude trvat ještě mnoho let, než dojde k plně komerčnímu využití. Další vývoj technologií vodíku a palivových článků bude záviset na investicích automobilového průmyslu v řádu stovek miliónů eur. Další paliva a technologie 1. Elektromobily Komerčně jsou nabízeny již řadu let, ale nesetkaly se se zájmem zákazníků. Velikost baterií a jejich náklady jsou problémem pro výrobu vozidel dostatečné velikosti, výkonu a dojezdem mezi dobitím baterií a cenou, kterou je ochoten zákazník zaplatit. Další nevýhodou je pomalé plnění baterií. Očekávání převratného rozvoje technologie baterií, nezbytného pro širší rozšíření elektromobilů, se zatím nenaplňuje. Elektromobily mají stále svůj význam v dopravě na krátké vzdálenosti, kde bezhlučnost a nulové emise jsou rozhodující. EC vidí malou naději v rozšíření elektromobilů, pouze obrat v technologiích baterií by mohl předpokládané scénáře změnit. 2. Hybridní vozidla Přestože nereprezentují alternativní paliva, hybridní vozidla jsou možnou alternativní technologií pro blízkou budoucnost. Hybridní vozidla zachovávají výhody benzínových (naftových) motorů a elektromobilů a zároveň potlačují jejich nevýhody. Hybridní vozidlo má 2 motory, spalovací a elektromotor. V závislosti na okolnostech jízdy (akcelerace, nabití) automobil využívá nejvýhodnější režim. Protože dochází k průběžnému dobíjení baterií v průběhu jízdy, baterie mohou být menší (a levnější) než u klasických elektromobilů. Dva motory a další technická vylepšení zvyšují cenu a váhu vozidla. Na trhu je k dispozici již několik modelů hybridních automobilů. 3. Metanol a Dimetyler (DME) Obojí jsou alternativní paliva, běžně získávaná ze zemního plynu. Metanol může být užíván v benzínových motorech, DME jako náhrada nafty. Metanol nabízí několik výhod v porovnání se zemním plynem, zejména proto, že se jedná o kapalinu (menší objem nádrže...). Důsledkem konverze metanu na metanol je celková nižší účinnost a vyšší emise CO2 oproti tomu, kdy je zemní plyn užit jako palivo přímo. Navíc vysoká toxicita metanolu je příčinou menšího zájmu o toto alternativní palivo. DME má fyzikální vlastnosti obdobné LPG. Při pokojové teplotě je v plynné fázi, tlakem několika atmosfér zkapalňuje. Jako palivo pro naftové motory nabízí vyšší efektivnost než paliva pro benzínové motory, tato výhoda je kompenzována ztrátou energie při konverzi ze zemního plynu. Další výhodou DME je fakt, že oproti naftě spalováním vzniká méně emisí. Z tohoto důvodu je DME zajímavý pro výrobce autobusů a trucků. 4. Nafta vyráběná ze zemního plynu Je vyráběn pomocí Fischer Tropschovy syntézy a nabízí se jako alternativní k naftě vyráběné klasickým způsobem. Konverze zemního plynu na naftu prochází několika kroky s významnou spotřebou energie a tomu odpovídajícími emisemi CO2 . Díky tomu neexistuje výhoda snížení emisí CO2. Výhodou je zvýšení bezpečnosti zásobování, neboť rozšiřuje řadu možných motorových paliv, má výborné vlastnosti (cetanové číslo) pro přimíchávání do různých druhů nafty.
5. Proban butan - LPG LPG je užíván jako automobilové palivo již několik desetiletí.LPG vzniká při rafinaci ropy anebo jako kapalná frakce separovaná od metanu v průběhu těžby zemního plynu. LPG je levné, z ekologického pohledu příznivé palivo. Díky vazbě na ropu je ale otázkou, zda může být LPG považován za alternativní pohonnou hmotu. Závěry Po zvážení všech možností se jeví 3 potenciální alternativní paliva, která mohou přesáhnout 5% podílu trhu PHM v roce 2020: • • •
biopaliva zemní plyn vodík
Další alternativní paliva nebo technologie (LPG, DME, elektromobily) se nejeví tak nadějně, ale mohou rovněž nabízet limitovaný příspěvek. EC je nadále bude nepřetržitě monitorovat jako část sledování bezpečnosti dodávek energie a vlivu na životní prostředí. Každý nový vývoj (pokrok) technologie, který by mohl změnit stávající plán rozvoje alternativních paliv projedná EC s EU radou a parlamentem. Pro zemní plyn a vodík Evropská komise v nejbližší době zřídí poradní skupiny pro zavádění uvedených paliv na trh, výběr typů vozidel , geografických území, budování infrastruktury plnících stanic a vhodnou daňovou politiku. Poradní skupiny bude řídit EC a jejími významnými členy budou zástupci automobilového průmyslu, plynárenství, elektroenergetiky, z příbuzných oborů průmyslu a nestátních organizací. První zpráva bude zpracována do konce roku 2002 a další poté pravidelně v dvouletých intervalech. Návazně bude EC předkládat pravidelně Evropské radě a parlamentu, poprvé v polovině roku 2003.
