ECO: NAPĘD BATERYJNY TAKŻE DLA CIĘŻARÓWEK

By
Redakcja
– 5 grudnia 2021Opublikowany w: ECO

Wybór rodzaju napędu ma istotny wpływ na wydajność energetyczną pojazdu i baterie są w tym zakresie lepsze od silników wysokoprężnych czy ogniw wodorowych.

Emisyjność napędu wodorowego zależy w dużym stopniu od sposobu wytworzenia wodoru – niskoemisyjny jest tylko ten ze źródeł odnawialnych. Ciężarówki wodorowe jeszcze długo będą droższe od bateryjnych, a ich całkowity koszt posiadania prawdopodobnie nie zejdzie do poziomu pojazdów z silnikiem diesla co najmniej do końca tej dekady. Te i wiele innych istotnych wniosków padło podczas debaty „Elektryczne, wodorowe, gazowe? Opcje rozwoju dla pojazdów ciężarowych”, która odbyła się 22 listopada 2021 roku.

Zobacz także:

ECO

 

Podczas debaty usłyszeliśmy trzy interesujące prezentacje. Wyzwania związane z wykorzystaniem wodoru jako paliwa w transporcie drogowym towarów przedstawił Dr Felipe Rodríguez, lider programu pojazdów ciężarowych, z International Council on Clean Transportation (ICCT), międzynarodowej organizacji badawczej, której misją jest poprawienie efektywności oraz wyników w zakresie wpływu na środowisko samochodów, ciężarówek i autobusów oraz generalnie systemów transportowych, w celu ochrony zdrowia publicznego, stanu środowiska i jakości życia. O pojazdach ciężkich napędzanych gazem i możliwościach wykorzystania źródeł odnawialnych do napędzania pojazdów gazowych opowiedział, Fedor Unterlohner, menager ds. drogowego przewozu towarów z organizacji parasolowej Transport&Environment (T&E). Perspektywy elektryfikacji samochodów ciężarowych i dostawczych w Polsce wyjaśnił Rafał Bajczuk, Senior Policy Analyst z Fundacji Promocji Pojazdów Elektrycznych (FPPE).

Wodór w drogowym transporcie ciężkim będzie raczej wyjątkiem niż regułą

Dr Felipe Rodríguez zaczął prezentację od wyjaśnienia metodyki oceny całkowitego poziomu emisji CO2 w transporcie, w której uwzględniania jest intensywność emisyjna paliwa (ilość emisji na jednostkę energii), wydajności floty (ile energii jest wykorzystywane do przewiezienia jednej tony na odległość kilometra), skalę aktywności przewozowej względem populacji (ile towarów jest przewożonych) oraz samą wielkość populacji. W dalszej części prezentacji skupił się na dwóch pierwszych elementach. Przekazał wnioski ICCT co do wielkości strat w trakcie pozyskiwania energii z paliwa w silniku pojazdu. W silnikach wysokoprężnych (Diesla) znaczna część energii z paliwa jest tracona w postaci ciepła, wyrzucanego z gazami wydechowymi (z rury wydechowej), a końcowa wydajność sięga około 40%. Dla pojazdów gazowych ten bilans wygląda trochę gorzej, ponieważ wydajność jest na poziomie około 35%. Wodorowe ogniwa paliwowe są nieco bardziej wydajne, ale nadal około połowa energii jest tracona w postaci ciepła – w tym przypadku technologia może jeszcze mieć szanse na dopracowanie, ale prawdopodobnie poziomu efektywności silników elektrycznych bateryjnych nie osiągnie, bo przy zastosowaniu tego rozwiązania marnuje się zwykle tylko 10% energii pozyskiwanej z akumulatora lub mniej. Niewątpliwie więc z punktu widzenia sprawności napędu wygrywa technologia bateryjna.

Ogromnie znaczenie dla emisyjności wodoru jako paliwa, a co za tym idzie sensowności jego wykorzystania, ma sposób jego produkcji. ICCT zbadało 8 różnych metod i odkryło, że tylko wodór ze źródeł odnawialnych, osadów ściekowych i biomasy leśnej (zrębków) ma niską emisyjność, ale spośród nich tylko elektryczność z OZE daje szanse na wytworzenie w przyszłości potrzebnej ilości wodoru. Osadów ściekowych i biomasy leśnej mamy po prostu za mało. Wodór z gazu ziemnego z wychwytywaniem i magazynowaniem emisji (CCS), z gazu wysypiskowego i z obornika nie zapewnia koniecznej redukcji emisji (min. o 70% w stosunku do emisyjności dla diesla – do czego dążymy zgodnie z dyrektywą dotyczącą energii odnawialnej REDII). Podobnie, gdy wyprodukujemy go poprzez elektrolizę, ale bezpośrednio z sieci (dla przewidywanego miksu energetycznego w UE na rok 2030) lub ze zgazowania węgla z CCS – redukcje są za małe.

Podsumowując prezentację dr Felipe Rodríguez podkreślił, że ciężarówki z ogniwami wodorowym jeszcze długo będą droższe od elektrycznych pojazdów bateryjnych, a ich całkowity koszt posiadania prawdopodobnie nie spadnie do poziomu pojazdów z silnikiem Diesla do końca dekady. Dużo będzie zależało od kosztu samego zielonego wodoru, do którego produkcji będziemy potrzebować znacznie więcej energii z OZE niż do zasilania pojazdów bateryjnych. Możliwe, że priorytetem będzie raczej wykorzystanie zielonego wodoru w innych branżach, np. w przemyśle. W transporcie ze względu na większą ładowność użyteczną i większy zasięg mogą znaleźć zastosowanie na najdłuższych trasach, gdy nie będzie czasu na postoje (w opcji ze zmieniającymi się kierowcami) i na trasach nieprzewidywalnych.

ICCT zajmuje się obecnie analizami całego cyklu życia, łącznie z produkcją energii lub paliw i planują publikację wyników na początku przyszłego roku. Jednak we wstępnych porównaniach pojazdy elektryczne nadal wypadają lepiej od innych opcji. Pojazdy na przykład na gaz odnawialny mogą sprawdzić się jako rozwiązanie dla floty w większej firmie (przyp. lub paru firmach), ale do zastosowania ich w większej skali w Europie nie uda nam się wytworzyć wystarczającej ilości biogazu. Prądu do pojazdów elektrycznych bateryjnych także będziemy potrzebowali dużo więcej niż mamy do dyspozycji teraz, a skoro ma on być ze źródeł odnawialnych, to musimy w nie intensywnie inwestować.

Potencjał napędu gazowego przeszacowaliśmy

Z prezentacji Fedora Unterlohnera dowiedzieliśmy się że dynamicznym wzrostem sprzedaży ciężarówek gazowych na CNG i LNG widocznym w Europie, w tym w Polsce, w ostatnich latach, należy się raczej niepokoić niż cieszyć. Emisje CO2 z rury wydechowej w badaniach przeprowadzonych na drogach, w realnych warunkach jazdy, są faktycznie niższe, ale jedynie o 10,6-11,9% w stosunku do pojazdów z silnikiem Diesla (przyp. nie jest to redukcja wystarczająca do nazywania gazy paliwem niskoemisyjnym). Natomiast po przyjrzeniu się emisjom metanu i NO2 oraz wzięciu pod uwagę innych etapów cyklu życia – od wydobycia do zbiornika, związanych z przetwarzaniem i dystrybucją – wyłania się obraz jeszcze mniej zachęcający.

Metan jest silnym gazem cieplarnianym, ale zostaje w atmosferze krócej od CO2. Krótkoterminowo, w okresie ok. 20 lat, będzie miał 84x silniejszy wpływ na atmosferę niż CO2. Z czasem jego cząsteczki się rozkładają i ich wpływ maleje (ale powstaje CO2). I dlatego T&E podjęło próbę oceny dwóch typów napędu w dwóch perspektywach czasowych – 20 i 100 lat. Po dodaniu wszystkich emisji w dłuższej perspektywie ciężarówki na LNG wygrywają z dieslami, bo ich emisje są niższe, choć tylko o 7,5%. Jednak w perspektywie dwóch dekad wpływ ciężarówki gazowej na klimat jest o ponad 13% większy – co ma duże znaczenie, jeśli dążymy do uzyskania szybkich redukcji emisji.

W przeprowadzanych przez T&E testach ciężarówka była tankowana LNG wytworzonym z paliwa kopalnego, czyli takim, z jakiego się obecnie w Europie korzysta. Ponieważ mamy niewiele wielkoskalowych obiektów produkujących LNG, to większość tego paliwa (zgodnie ze statystykami Komisji Europejskiej) pochodzi z importu drogą morską – dla Polski z Kataru i Stanów Zjednoczonych, z obszaru, na którym dochodzi do znaczących wycieków metanu. To jeden z powodów, dla których w ostatecznym rozrachunku redukcja emisji nie jest wysoka.

Z alternatywami dla gazu kopalnego – biometanem produkowanym z osadów ściekowych, gazem wysypiskowym, obornikiem i kiszonką kukurydzy – też są problemy. Najpopularniejsza w Europie opcja oparta na wykorzystaniu upraw (kiszonki) nie zapewnia redukcji na potrzebnym poziomie (ponad 65% w obrównaniu z poziomem bazowym określonym w dyrektywie o odnawialnych źródłach (REDII). Wszystkie pozostałe mają za małą dostępność. Musimy więc zadać sobie pytanie, w jakich obszarach działalności będą najbardziej potrzebne. Dziś wykorzystujemy je w innych sektorach, np. do wytwarzania energii i ciepła. Kalkulacja potencjału dostępności biometanu na potrzeby polskiej floty pojazdów ciężkich (na podstawie analiz ICCT i Cambridge Econometrics) też nie wypada najlepiej. Przy założeniu bardzo wysokiego wsparcia regulacyjnego – poziomu subsydiów sześciokrotnie wyższego od obecnego dla LNG – dla dostępnej prognozy wzrostu floty do 2050 roku ten potencjał nie przekracza kilku procent.

Przedstawiciel T&E podkreślił, że emisje gazów cieplarnianych nie są jedynymi, które musimy wziąć pod uwagę. Wykorzystując ciężarówki z silnikiem spalinowym, mamy też do czynienia z problemem zanieczyszczenia powietrza. Napęd gazowy jest powszechnie postrzegany jako czystszy od napędu diesla, szczególnie w przypadku tlenków azotu, ale też jeśli chodzi o pyły. Jednak w przypadku pyłów badania ciężarówki LNG na różnych trasach wykonane dla T&E przez Uniwersytet Techniczny w Graz wykazały znaczące emisje ultradrobnych cząstek. To istotne, ponieważ zwykle rozmawiamy o zanieczyszczeniu pyłowym w kontekście jego masy (wagi wszystkich emitowanych z rury wydechowej cząstek), ale wiemy też, że im mniejsza cząstka, tym większa jest jej potencjalna szkodliwość dla naszego zdrowia.

Wyzwania i zalety elektryfikacji

Przy wzroście emisji transportowych w Polsce między 1990 a 2017 o prawie 200%, musimy jak najszybciej dobrać optymalny zestaw rozwiązań służący redukcji emisji z transportu drogowego. Rafał Bajczuk z FPPE już na wstępie prezentacji przyznał, że elektryfikacja również niesie ze sobą wpływ na środowisko i na pewno przed nami wyzwanie upowszechnienia i udoskonalenia procesu recyklingu baterii. Jednak niezależnie od tego elektryfikacja nadal jest korzystna, ponieważ (przyp. przy założeniu jednoczesnego dążenia do zwiększenia udziału odnawialnych źródeł w miksie energetycznym) pozwala nam zrezygnować z wydobycia ogromnej ilości ropy i gazu. Zużycie surowców w cyklu życia pojazdu spalinowego jest nadal znacznie wyższe od ich zużycia przez pojazd elektryczny.

Przedstawiona w raporcie „Napędzamy polską przyszłość. Perspektywy elektryfikacji samochodów dostawczych i ciężarowych w Polsce” analiza całkowitego kosztu posiadania (total cost of ownership, TCO) dla elektrycznych samochodów dostawczych do 3,5 ton wykazała, że już w 2025 roku elektryki wygrają z dla pojazdami z silnikiem diesla i wodorowymi, ze względu na znacznie niższy koszt paliwa. W późniejszym okresie – do 2030 oraz do 2050 roku, TCO dla pojazdów spalinowych rośnie, a dla bateryjnych maleje, więc różnica tylko się zwiększa. Maleje też TCO dla pojazdów wodorowych w tym segmencie, jednak nawet w 2050 nadal pozostają one opcją droższą od bateryjnych (mimo wliczonego kosztu wymiany baterii po 8 latach użytkowania).

Dla pojazdów ciężarowych powyżej 16 ton na początku przy samym zakupie korzystniejsza jest opcja pojazdów wodorowych lub z pantografem, później koszty niemal się wyrównują i w 2050 bateryjne mają niewielką przewagę. Natomiast, kiedy oceniając TCO bierzemy pod uwagę koszt paliwa, to już w 2025 roku korzystanie z pojazdów bateryjnych staje się bardziej korzystne niż ze spalinowych. Najkorzystniejsza jest opcja małych baterii i e-autostrad, choć barierą jest konieczność szybkiej budowy infrastruktury. Wodorowe ciężarówki stają się korzystniejsze od diesli w 2030 roku, ale nawet w 2050 nadal będą mniej korzystne od opcji z wykorzystaniem baterii.

Jeśli chodzi o korzyści środowiskowe najefektywniejsze będą rozwiązania bateryjne i połączenia mniejszej baterii z pantografem. Dla technologii wodorowej wpływ na środowisko nadal będzie większy ze względu na mniejszą efektywność energetyczną.

W badaniu ujęto także porównanie kosztów inwestycji w infrastrukturę dla technologii bateryjnych z ładowarkami, technologii dróg elektrycznych i tankowania wodoru. Około 2050 roku skumulowane koszty opcji dróg elektrycznych osiągną ok. 18 mld euro, dla bateryjnych z siecią ładowarek ok. 20 mld, a dla technologii wodorowej ok. 21 mld euro – te różnice nie są duże i mogą się zmieniać w czasie, dlatego istotniejszą wskazówką dla wyboru technologii, którą najbardziej opłaca się rozwijać, powinien być raczej całkowity koszt posiadania.

W raporcie FPPE przedstawia rekomendacje dotyczące: zrównania całkowitego kosztu posiadania poprzez sprawienie by pojazdy zeroemisyjne były tańsze w zakupie, polityki klimatycznej, rozwoju infrastruktury, polityki przemysłowej oraz badań i rozwoju. W celu zrównania TCO warto wprowadzić neutralny technologicznie system wsparcia bezpośredniego do zakupu lub leasingu zeroemisyjnych pojazdów dostawczych i ciężarowych dla firm – w tym momencie mamy w Polsce tylko wsparcie do zakupu aut dostawczych i autobusów. Należy zróżnicować opłaty za korzystanie z infrastruktury drogowej – od kilku lat nie były aktualizowane i nie przystają do obecnej sytuacji. Potrzebne są też zmiany fiskalne, zmniejszające obciążenie dla pojazdów zeroemisyjnych i różnicujące je dla pozostałych tak, by wysokość opodatkowania w większym stopniu zależała od emisyjności.

W drugiej grupie rekomendacji, dotyczących rozwoju infrastruktury do ładowania, znalazła się propozycja stworzenia spójnego planu budowy sieci szkieletowej infrastruktury do ładowania dla samochodów ciężarowych. Dla aut osobowych takiego planu nie ma i ładowarki nie są zlokalizowane w sposób optymalny, tam gdzie są najbardziej potrzebne, tylko często tam, gdzie była taka możliwość. Na rozwój infrastruktury należy przeznaczyć środki publiczne, unijne i krajowe. Ponadto potrzebne jest uruchomienie prac badawczo-rozwojowych, z wdrożeniami o charakterze pilotażu, w zakresie dróg elektrycznych. Takie pilotaże funkcjonują już w Niemczech i Szwecji.

Polityka przemysłowa i badawczo-rozwojowa musi być tak prowadzona, by sprzyjała inwestycjom w produkcję zeroemisyjnych pojazdów ciężarowych i dostawczych w Polsce, szczególnie, że jesteśmy już największym producentem i eksporterem autobusów elektrycznych. Potrzebna jest analiza potencjału, możliwości technicznych, opłacalności i perspektyw wdrożenia konwersji najbardziej popularnych modeli pojazdów dostawczych i lekkich ciężarowych na napęd elektryczny. Jednocześnie z punktu widzenia polityki klimatycznej potrzebna jest taka polityka transportowa, która doprowadzi do rozwoju alternatywnych zeroemisyjnych środków transportu towarów, przede wszystkim kolei.

Trudne pytania

Wśród uczestników debaty byli zarówno przedstawiciele instytucji rządowych, jaki i środowisk naukowych, biznesowych i pozarządowych. Zgłaszali oni sporo pytań i wątpliwości dotyczących między innymi uwzględniania w TCO czasu ładowania baterii, zasięgu pojazdów elektrycznych i długości pokonywanych przez przewoźników tras (szczególnie międzynarodowych), a także dostępności energii w sieci na potrzeby transportowe i obciążenia w przypadku dużej liczby ciężarówek jednocześnie ładujących się na jednym parkingu (które wymagałoby postawienia przy takich parkingach dużych źródeł mocy). Pytali też o dostępność pojazdów elektrycznych i o kwestie związane z utylizacja i recyklingiem baterii.

W opinii Rafała Bajczuka odpowiednio rozmieszczone szybkie ładowarki mogłyby być wykorzystywane do ładowania pojazdów podczas obowiązkowych przerw dla kierowców (45 min co 4 godziny), podczas postojów nocnych oraz przy załadunku i rozładunku. Jest on też zdania, że większość stałych tras przewozu towarów mieści się w 500 km, a ciężarówki elektryczne o takim zasięgu już są dostępne.

Dr Felipe Rodríguez uzupełnił, że z analiz ICCT wynika, iż dla pojazdów pokonujących na jednym ładowaniu 500 km i doładowującym się w ciągu 45 min ładowarka o mocy 350 kW wystarczy do pokonania 660 km dziennie. To pokrywa około 95% zastosowań obserwowanych obecnie w Europie. Dostosowanie do tego baterii wymaga pojemności ok. 1000 kWh. Faktycznie będzie ona miała wpływ na możliwości w zakresie wielkości ładunku, ale technologie bateryjne nie są statyczne. Poprawiają się i prognozy pokazują, że w 2030 roku potrzebne będzie już tylko około 700 kWh, już bez konsekwencji dla wielkości ładunku w segmencie ciężarówek 40 tonowych (których dotyczyło pytanie). Jeśli chodzi u możliwości ładowania podczas obowiązkowych okresów odpoczynku – potrzebne będzie wybudowanie ładowarek megawatowych, ale zanim one powstaną, są już dostępne szybkie ładowarki o mocy 350kW, które można wykorzystywać podczas takich postojów, przy założeniu że większość ładowania jest przeprowadzana w nocy.

Fedor Unterlohner potwierdził, że pytanie o dostępność energii i radzenie sobie ze szczytami zapotrzebowania w sieci średnich i wysokich napięć jest kluczowe. Na razie T&E przeprowadziło analizę dotyczącą tego tematu wspólnie z ekspertami od funkcjonowania sieci w warunkach niemieckich, najczęściej uczęszczanej sekcji autostrady z Berlina do Zagłębia Ruhry i sprawdzili, jaka przepustowość sieci byłaby niezbędna, gdyby 80% ruchu ciężarówek jeżdżących na długich trasach było elektryczne w roku 2040. Faktycznie wychodzi duży pik zapotrzebowania zarówno dla szybkich ładowarek potrzebnych podczas postojów w ciągu dnia, jak i dla ładowania w nocy. Jednak zaspokojenie tego zapotrzebowania jest wykonalne. Dla tego ekstremalnego scenariusza na 2040 (nie porównywalnego do natężenia ruchu w Polsce), T&E wyliczyło zapotrzebowanie na poziomie 50 megawatów w jednym kierunku. W ocenie organizacji nie zdarzy się sytuacja jednoczesnego ładowania np. 200 ciężarówek w systemie MCS (Megawatt Charging System) – taką sytuację pytał jeden z uczestników. Będzie określony udział szybkich ładowarek publicznych do ładowania w ciągu dnia, ale korzystający z nich kierowcy zwykle nie będą ładowaliswoich pojazdów 45 min tylko 10-15 min. Zapotrzebowanie uzupełniać będzie powolne ładowanie w ciągu nocy. Na badanym odcinku potrzebne byłoby 15 ładowarek MCS o mocy megawata i znacznie więcej ładowarek nocnych. Te dwa rodzaje ładowarek będą dzieliły te same podłączenia do sieci i podobne wysokości zapotrzebowania w szczycie. Jest wiele nieporozumień co do tego, jak obliczać takie zapotrzebowanie i zazwyczaj pod uwagę brane są najgorsze możliwe założenia co do zapotrzebowania szczytowego. T&E rozmawia o tym także z producentami ciężarówek, którzy pracują nad planami w tym zakresie, Niemieckie Ministerstwo Transportu też bierze to pod uwagę, więc nie jest to tylko ćwiczenie teoretyczne. To będzie wdrażane w ciągu następnych 5 do 10 lat.

Na pytanie w sprawie dostępności elektrycznych pojazdów ciężarowych odpowiedział przedstawiciel jednego z producentów, że takie ciężarówki już są, na podwoziach 16 i 26 ton, do kupienia w ciągu 2 miesięcy. Jeśli chodzi o ładowność, to baterie trochę jej zabierają, ale równoważy to „zielona tona” (elektryczne podwozie warzy o 1,5 tony więcej od tego w pojeździe z silnikiem diesla). Ceny na razie są mniej więcej trzykrotnie wyższe, ale to zgrubne szacunki. Co do ciągników siodłowych temat też jest otwarty i jest o czym rozmawiać. Dla producentów nie jest to już przyszłość, ale teraźniejszość.

Rafał Bajczuk z FPPE uzupełnił obraz sytuacji przypominając o przepisach UE obligujących producentów do cięcia emisji, które skłaniają producentów również do sprzedaży pojazdów zeroemisyjnych i wpłyną na ich dostępność, szczególnie jeśli wprowadzony zostanie nowy cel 100% bez emisji w 2040 roku. Najbardziej ambitni producenci, jak Volvo, zapowiadają, że w 2030 roku udział pojazdów zeroemisyjnych w ich sprzedaży sięgnie 50-60%.

W kwestii recyklingu baterii wypowiedział się Fedor Unterlohner z T&E podkreślając, że to kwestia paląca – toczą się obecnie dyskusje w sprawie potrzebnych regulacji dotyczących emisji gazów cieplarnianych i efektywności procesu produkcji akumulatorów, a także w kwestii celów w zakresie recyklingu. Surowce takie jak lit, nikiel czy kobalt można poddać recyklingowi. Już dziś możemy odzyskiwać z akumulatorów około 90-95% surowców, a prawdopodobne jest,że dojdziemy blisko 100%. Można też dawać akumulatorom z pojazdów drugie życie wykorzystując je jako magazyny energii. Po całkowitym wycofaniu z eksploatacji odzyskane z nich surowce wykorzystamy do produkcji nowych baterii, co powinno znacząco zmniejszyć obciążenie środowiska.