Bilans energetyczno-emisyjny samochodów elektrycznych

Samochody zasilane energią elektryczną pochodzącą z elektrowni węglowych, powodują większą emisję dwutlenku węgla niż samochody tradycyjne. Inaczej jest, gdy są one zasilane energią elektryczną ze źródeł odnawialnych.

Nadanie pakietowi 3×20 specjalnego znaczenia w strategii UE do 2020 r. oznacza, że jego cele i mechanizmy trzeba jak najszybciej rozpoznać. Pierwszym zadaniem w tym zakresie jest zgrubne oszacowanie polskich celów w wymiarze ilościowym, a nie tylko procentowym (jak w powszechnym przekazie). Za punkt wyjścia przyjmuje się zapotrzebowanie na energię i sposób jego pokrycia. W 2010 r. krajowe rynki końcowe energii wynosiły (w przybliżeniu): energia elektryczna – 155 TWh (łącznie z potrzebami własnymi elektrowni i stratami sieciowymi), ciepło – 240 TWh, paliwa transportowe – 210 TWh. Do wyprodukowania zużytej energii końcowej trzeba było spalić (w przybliżeniu): 80 mln ton węgla kamiennego, 60 mln ton węgla brunatnego, 10 mld m3 gazu ziemnego oraz 20 mln ton (przetworzonej) ropy naftowej. Spalenie takich ilości paliw kopalnych wiązało się z wykorzystaniem ok. 1000 TWh energii pierwotnej (chemicznej) i emisją ok. 310 mln ton CO2.

Tab. 1. Polskie cele pakietu 3×20 (wyliczone dla horyzontu 2020 r., przy uwzględnieniu trendu „business as usual”)
Cele
[%]
Wartości bezwzględne
Udział energii odnawialnej
– w tym paliw transportowych
15
10
96 [TWh]
21 [TWh]
Redukcja emisji CO2
20
60 mln [t]
Poprawa efektywności energetycznej (redukcja paliw kopalnych)
20
180 [MWh]
Źródło: opracowanie własne

W ramach pierwszego oszacowania polskich celów proponuje się przyjąć wartości przedstawione w tab. 1. Podkreśla się, że do oceny wymaganego udziału energii odnawialnej w rynku końcowym (energia elektryczna + ciepło + paliwa transportowe) założono obecną perspektywę rozwoju tego rynku („business as usual”), np. wykorzystanie w transporcie biopaliw pierwszej generacji, tzn. estrów i etanolu (rozwój rynku samochodów elektrycznych całkowicie zmieni tę perspektywę).

Z drugiej jednak strony, obok perspektywy „business as usual”, antycypuje się bardzo powolny wzrost rynku energii końcowej, zrywający z polską tradycją prognostyczną, w tym przede wszystkim z Polityką energetyczną Polski do 2030 r., w której wzrost rynku końcowego jest bardzo duży.

Sens dyrektywy 2009/28/WE

W tabeli 2 przedstawiono „narzędzia” zapewniające realizację celów pakietu 3×20. Podkreśla się, że oddziałują one przede wszystkim na rozwój energetyki rozproszonej. To oznacza, że chociaż obowiązek rozliczenia celów pakietu 3×20 będzie ciążył do na poszczególnych krajach członkowskich, to właśnie w wymienionych narzędziach i procesach „od dołu do góry”, należy szukać podstaw restrukturyzacji gospodarki energetycznej. W konsekwencji branżowa gospodarka energetyczna będzie stopniowo zastępowana gospodarką energetyczną na poziomach: od prosumenta, poprzez gminę/miasto, region, kraj, aż do UE (energetyka OZE/URE – urządzenia rozproszonej energetyki). To oznacza diametralną zmianę obecnego podejścia, polegającego na praktycznym „zawłaszczeniu” przez elektroenergetykę działań dotyczących realizacji celów pakietu 3×20.

W dyrektywie 2009/28/WE aż dwie technologie preferowane – samochód elektryczny i paliwa drugiej generacji – są związane z transportem. Podkreśla się, że korzyści wynikające z preferencji dotyczącej samochodu elektrycznego są osiągalne tylko wówczas, gdy do jego zasilania wykorzystuje się energię ze źródeł odnawialnych. To oznacza, że rozwiązanie preferencyjne dla samochodu elektrycznego w gruncie rzeczy ma napędzać rozwój odnawialnych źródeł (wytwórczych) energii elektrycznej. Mnożnik 2,5 będzie mógł być stosowany, jeśli kraj członkowski wystąpi z odpowiednim wnioskiem w tej sprawie do Komisji Europejskiej (warunkiem stosowania współczynnika jest wystarczająca ilość energii elektrycznej produkowanej w źródłach OZE). Obecnie każdy kraj członkowski może rozliczać energię zużywaną przez transport elektryczny alternatywnie, stosując mnożnik równy swojemu udziałowi energii odnawialnej w rynku końcowym lub udziałowi unijnemu.

Tab. 2. Narzędzia realizacji pakietu 3×20
Technologia/mechanizm
Współczynnik/rozwiązanie
Samochód elektryczny
Mnożnik 2,5 przy zaliczaniu do celu energii elektrycznej produkowanej w źródłach OZE wykorzystanej do napędu samochodu
Paliwa drugiej generacji
Mnożnik 2 przy zaliczaniu paliw drugiej generacji do celu
Pompa ciepła
Zaliczenie do celu ciepła produkowanego przez pompę
Aukcjoning emisji CO2
Plan (harmonogram) redukcji emisji wolnej od opłaty i cena uprawnień do emisji (cena referencyjna Komisji Europejskiej dla potrzeb decyzji inwestycyjnych wynosi 40 euro/t CO2)
 

Jeśli zgodnie z dyrektywą 2009/28/WE, energia elektryczna wykorzystywana do zasilania samochodów elektrycznych będzie zaliczana do celu dwuipółkrotnie, to warto przeprowadzić uproszczoną analizę bilansów związanych z zastosowaniem samochodu elektrycznego: energetycznego i emisji CO2. Dwa skrajne przypadki takiej analizy są szczególnie interesujące. Są to: bilans dla indywidualnego/konkretnego samochodu oraz ocena zmian struktury całego krajowego rynku paliw i energii.

Bilans jednostkowy

W przypadku samochodu śred­niej klasy, takiego jak toyota yaris, emisja CO2 wynosi ok. 140 g/km, czyli na 100 km przebiegu przypada ok. 14 kg CO2. Zużycie benzyny na 100 km to blisko 6 l, czyli ok. 55 kWh w paliwie pierwotnym (energia chemiczna). Przyjmując eksploatacyjną sprawność benzynowego silnika spalinowego na poziomie 0,17, otrzymuje się energię użyteczną, odniesioną do przebiegu 100 km, równą 9,4 kWh.

W takim razie energia elektryczna zużyta przez samochód elektryczny, liczona na 100 km przebiegu, wynosi ok. 15,4 kWh (przyjęto sprawność eksploatacyjną silnika elektrycznego z magnesami trwałymi: 0,8, sprawność akumulatora: 0,8 oraz sprawność przekształtnika: 0,95. Daje to sprawność eksploatacyjną samochodu elektrycznego: 0,61, czyli ponad trzyipółkrotnie wyższą niż samochodu z silnikiem spalinowym).

Energia pierwotna niezbędna do wyprodukowania tej energii w elektrowni węglowej kondensacyjnej, z uwzględnieniem potrzeb własnych i strat sieciowych (sprawność całego łańcucha przetwarzania 33%), wynosi ok. 55 kWh, czyli tyle, ile w przypadku samochodu tradycyjnego. Emisja CO2 związana z produkcją energii elektrycznej w elektrowni węglowej kondensacyjnej wynosi ok. 16 kg, tzn. jest większa od emisji w przypadku samochodu tradycyjnego.

Sytuacja zmienia się na korzyść samochodu elektrycznego, jeśli założymy, że do jego napędu będzie wykorzystywana energia elektryczna produkowana w skojarzeniu. Zatem energia pierwotna potrzebna do wyprodukowania 15,4 kWh energii elektrycznej w dużej (zawodowej) elektrociepłowni węglowej wynosi ok. 22 kWh. To oznacza, że zużycie energii pierwotnej (w węglu) przez samochód elektryczny osiąga poziom – w przypadku produkcji skojarzonej – tylko 40% zużycia energii pierwotnej (w ben­zynie) przez samochód tradycyjny. Emisja CO2, odniesiona do przebiegu 100 km, jest nato­miast w odniesieniu do energii elektrycznej produkowanej w skojarzeniu równa ok. 8 kg, czyli 60% emisji samochodu tradycyjnego.

Jeszcze korzystniejsza sytuacja występuje w przypadku wykorzystania do zasilania samocho­dów elektrycznych energii elektrycznej produkowanej w małych gazowych (na gaz ziemny) źródłach kogeneracyjnych. Wtedy energia pierwotna (w gazie ziemnym) potrzebna do wyprodukowania 15,4 kWh energii elektrycznej wynosi ok. 20 kWh, czyli ok. 35% zużycia energii pierwotnej (w benzynie) przez samochód tradycyjny. Emisja CO2, odniesiona do przebiegu 100 km, jest natomiast w przypadku energii elektrycznej produkowanej w małym gazowym źródle kogeneracyjnym równa 4 kg, czyli 30% emisji samochodu tradycyjnego.

W tabeli 3 przedstawionodane dotyczące samochodu elektrycznego, zastępującego pojazd tradycyjny o rocznym zużyciu energii końcowej równej 11 MWh (energia odniesienia, czyli energia chemiczna w paliwie wlewanym do zbiornika). W zestawieniu założono, że spełnione zostaną przez Polskę warunki umożliwiające stosowanie po 2011 r. współczynnika przeliczeniowego wynoszącego 2,5 przy przeliczaniu rzeczywistej energii elektrycznej zużytej przez samochód elektryczny (wyprodukowanej w źródłach OZE) do celów rozliczeniowych z Komisją Europejską.

Tab. 3. Porównanie dla samochodu elektrycznego, zastępującego pojazd tradycyjny o zużyciu benzyny 6 l/100 km, przy rocznym przebiegu równym 20 tys. km
 
Wielkość bilansowa
Źródło energii elektrycznej
Elektrownia (kondensacyjna) węglowa
Źródło OZE
Energia odnawialna
0
9 MWh
Redukcja emisji CO2
– 2 tony (wzrost emisji)
2 tony
Redukcja paliw kopalnych
0
11MWh
Źródło: opracowanie własne

Wyniki przedstawione w tab. 3 dowodzą, że stosowanie samochodów elektrycznych zasilanych energią elektryczną z elektrowni węglowych nie m+a uzasadnienia. Ma jednak uzasadnienie wtedy, gdy samochody te są zasilane energią elektryczną ze źródeł OZE.

Synteza energetyki i transportu

W rządowej polityce energetycznej do 2030 r. postęp w transporcie utożsamia się ze wzrostem wykorzystania biopaliw pierwszej generacji (estrów, etanolu). Z drugiej strony tab. 4, zawierająca porównanie (w kontekście realizacji celu pakietu 3×20 dotyczącego energii odnawialnej) samochodu na biopaliwa pierwszej generacji z pojazdem elektrycznym (zasilanym energią z OZE) pokazuje, że to właśnie samochód elektryczny zasilany energią elektryczną z rolnictwa energetycznego jest technologią, która naprawdę może odmienić energetykę i rolnictwo.

Tab. 4. Wyniki wykorzystania 1 ha gruntów ornych na rynku transportu przy zastosowaniu samochodu tradycyjnego (z silnikiem wysokoprężnym) i elektrycznego
Wielkości
Samochód
tradycyjny
elektryczny
Rzepak i buraki energetyczne, odpowiednio
Energia pierwotna, w jednostkach naturalnych
estry
1,0 tona
biometan
8 tys. m3
Energia pierwotna
11 MWh
80 MWh
Energia końcowa
11 MWh
32 MWhEl + 36 MWhc
Przejechana droga [tys. km]
40
119
Energia zaliczona do zielonego celu w pakiecie 3×20
11 MWh
32 MWhel·2,5 + 36 MWhc
= 112 MWh
Źródło: opracowanie własne

Możliwość realizacji (z nadwyżką) celów pakietu 3×20 za pomocą nowych technologii, takich jak samochód elektryczny, ukazuje tab. 5.W oszacowaniu przyjęto, że cele do realizacji w 2020 r. są takie jak w tab. 1, a udział samochodów elektrycznych w rynku transportu będzie wynosił 10% (jest to realistyczne założenie).

Tab. 5. Potencjalny skutek przebudowy rynków w 2020 r. za pomocą samochodu elektrycznego
Rynek końcowy
Wzrost rynku energii elektrycznej
TWh/rok
Energia odnawialna zaliczona do celu
TWh/rok
Redukcja emisji CO2
mln t/rok
Redukcja paliw kopalnych
TWh/rok
SE (20% rynku)
7
18
5
25
Procentowy udział
4%
17%
8%
14%
Źródło: opracowanie własne

Łańcuch wartości

Wyniki przedstawione w tab. 3, 4 i 5 nie pozostawiają wątpliwości co do znaczenia samochodu elektrycznego w przebudowie fundamentalnej struktury polskiego bilansu energetyczno-paliwowego (odwzorowującej rzeczywistą konkurencyjność energetyczną nowych technologii). Nie pozostawiają one także złudzeń w kwestii możliwości wypełnienia przez Polskę celów pakietu 3×20. Jednak musi nastąpić naruszenie interesów istniejących grup biznesowych (korporacyjnych) i wytworzenie nowych grup interesów rynkowych, bardziej ukierunkowanych na konkurencję i prosumentów (na gminy/miasta, a nie na korporacje energetyczne). Odpowiednie regulacje tworzące system wspomagania rozwoju rynku samochodów elektrycznych i ogólnie energetyki OZE/URE, powinny się znaleźć w ustawie OZE.

Drugą sprawą jest stworzenie systemu „rozliczania” w Brukseli efektów uzyskiwanych za pomocą samochodu elektrycznego. To do tego celu potrzebny jest Smart Grid.Oczywiście, przysłuży się także całemu obszarowi energetyki OZE/URE, obejmującemu energię elektryczną produkowaną w źródłach OZE/URE, efektywność energetyczną (w tym termomodernizację), ciepło produkowane w źródłach OZE/URE (w tym przez pompy ciepła), biogaz, samochód elektryczny i paliwa drugiej generacji.

Ważna z punktu widzenia projektowania struktury Smart Grid-u jest konieczność oderwania się od operatorów elektroenergetycznych (OSD i OSP). Potrzebne jest też zaprojektowanie struktury Smart Grid-u w kontekście utworzenia ewentualnego „Krajowego (sieciowego) Administratora Realizacji Celów Pakietu 3×20”.

Fundamenty Smart Grid-u

Taka koncepcja oznacza sieciową naturę Smart Grid-u, podobną do tej, jaką dysponuje Internet. Ponadto prosumenci (w tym właściciele samochodów elektrycznych), tworzący energetykę OZE/URE, muszą być upodmiotowieni, tak jak internauci. W takim razie początkowy proces kształtowania Smart Grid-u winien uwzględniać kilka fundamentalnych przesłanek.

Struktura Smart Grid-u musi mieć otwarty charakter. Jej elementarne składowe (mikrosieci, minisieci) winny integrować zróżnicowani funkcjonalni integratorzy. Projektowanie funkcjonalności i produktów (na rynku prosumentów) musi mieć w początkowej fazie budowy Smart Grid-u bezwzględne pierwszeństwo nad technologiami (teleinformatyczną, ICT). Produkty dla prosumentów, w tym dla właścicieli samochodów elektrycznych, muszą znaleźć odzwierciedlenie w ustawie OZE.

Przez mikrosieci i minisieci należy rozumieć sieci (najlepiej zestandaryzowane), takich „prosumentów” (z samochodami elektrycznymi) jak szkoła, parafia (kancelaria parafialna), urząd gminy, szpital, dom plusenergetyczny, a także inteligentne interfejsy do łączenia z siecią elektroenergetyczną zróżnicowanych źródeł wytwórczych, takich jak: źródło kogeneracyjne i trójgeneracyjne na gaz ziemny, biogazownia, mikrobiogazownia, mikrowiatrak, ogniwo fotowoltaiczne, układ hybrydowy M/O/A itp.

Integratorem funkcjonalnym jest podmiot, który za pomocą sieci Smart Grid zarządza gospodarką energetyczną na właściwym dla siebie poziomie. Poszczególnym integratorom odpowiadają charakterystyczne sieci. W takim kontekście lista integratorów musi być otwarta. W początkowej fazie charakterystycznymi integratorami są: 1 – zarządzający siecią zakładu przemysłowego (przedsiębiorstwa), 2 – zarządzający wirtualnym źródłem poligeneracyjnym (niezależny inwestor inwestujący w źródła rozproszone OZE/URE, 3 – zarządzający infrastrukturą ładowania samochodów elektrycznych, 4 – operator systemu dystrybucyjnego (elektroenergetycznego, gazowego), 5 – operator systemu przesyłowego (elektroenergetycznego, gazowego).

Ustawy OZE i Smart Grid (jeśli taka odrębnie zostanie uchwalona) powinny uczynić Smart Grid podstawową infrastrukturą, umożliwiającą Polsce „raportowanie” do Brukseli udziału energetyki OZE/URE (segment non-ETS) w realizacji celów pakietu 3×20. Pod tym kątem powinna być od początku projektowana funkcjonalność Smart Grid-u. Z drugiej strony w ustawie OZE muszą być zdefiniowane odpowiednie systemy wspomagania energetyki OZE/URE, odmienne od dotychczasowych – przede wszystkim obejmujące szeroko rozumiane rynki ciepła i transportu.

Trendy

Przedstawione wyniki analiz związanych z samochodem elektrycznym upoważniają do określenia trendów w zakresie zmiany ogólnej struktury rynku paliw i energii. Po pierwsze, jeśli zostanie stworzony Smart Grid ukierunkowany na samochód elektryczny, udrożniający system wynagrodzenia za efekty możliwe do uzyskania za pomocą samochodu elektrycznego, to nastąpi szybki wzrost rynku tych samochodów, ale także rynku energii elektrycznej produkowanej w źródłach OZE/URE.

Po drugie, w długim horyzoncie nastąpią głębsze zmiany strukturalne, polegające na rynkowym transferze obecnych paliw transportowych na rynek źródeł poligeneracyjnych. Ten proces, polegający na rynkowym wypieraniu paliw transportowych za pomocą energii elektrycznej produkowanej w źródłach OZE/URE będzie wzmacniany przez fakt, że pojazdy elektryczne stanowią naturalną technologię zasobnikową na rynku energii elektrycznej.

Po trzecie, rozwój rynku samochodów elektrycznych będzie zarazem kształtował nowy, bardzo efektywny oddolny filar bezpieczeństwa zasilania prosumentów w energię elektryczną (samochód „plug-in”).

Globalny projekt zamiany samochodu spalinowego na elektryczny można w wielkim uproszczeniu porównać ze zrealizowanym w przeszłości projektem elektryfikacji kolei (zamiana parowozu na elektrowóz).

Znaczenie energetyczne wdrożenia samochodu elektrycz­nego do transportu drogowego jest jednak większe niż elektryfikacji kolei. Tempo tego wdrożenia budzi jeszcze wiele wątpliwości, ale może ono zaskoczyć świat.

Propozycja podziału korzyści

Najprostsze przełożenie na ekonomikę prosumencką faktu, że energia elektryczna wykorzystywana do zasilania samochodów elektrycznych może być zaliczana, zgodnie z „duchem” dyrektywy 2009/28/WE, do udziału energii odnawialnej na rynkach końcowych dwuipółkrotnie jest następujące: właściciel samochodu elektrycznego produkujący energię elektryczną w źródłach OZE/URE na potrzeby zasilania tego pojazdu powinien otrzymywać wynagrodzenie równoważne 2,5 zielonym certyfikatom. Z kolei ten, który nie produkuje energii elektrycznej w źródłach OZE/URE, winien otrzymywać wynagrodzenie pomniejszone o wartość jednego zielonego certyfikatu (należnego producentowi).

prof. dr hab. inż. Jan Popczyk, Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów Politechniki Śląskiej, Konsorcjum Klaster 3×20

Opublikowano: Ecomanager Numer 11/2011 (20-21)

 

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *