Reklama

Fotovoltaika jako náhrada biopaliv v dopravě

2.9.2013

Ing. Bronislav Bechník, Ph.D.

Recenzovaný

Je několikanásobně levnější vyrábět mechanickou práci elektromotorem poháněným fotovoltaickými panely, než spalovacím motorem poháněným ropnými palivy nebo biopalivy první generace. Fotovoltaika by se proto hypoteticky mohla významně podílet na splnění národního i evropského cíle podílu OZE v dopravě.

Reklama

Zdroje energie pro dopravu

V současnosti nejrozšířenějším nosičem energie pro pohon dopravních prostředků a zemědělské techniky jsou ropná paliva. Pouze v železniční dopravě dominuje elektřina. Hlavními důvody pro rozšíření ropných paliv je vysoká hustota energie a donedávna i snadná dostupnost ropy a přijatelná cena. Ropu a ropné produkty lze kromě toho relativně snadno a dlouhodobě skladovat ve velkých objemech.

V zemích Evropské unie (EU) však produkce ropy zdaleka nestačí pokrýt vlastní poptávku, prohlubuje se proto energetická závislost na dovozu ropy ze třetích zemí. Spalování fosilních paliv kromě toho uvolňuje vedle jiných znečišťujících látek i významná množství skleníkového plynu oxidu uhličitého. To jsou hlavní důvody pro používání obnovitelných zdrojů energie – biopaliv. Cílem EU je zvýšit do roku 2020 podíl OZE na spotřebě energie v dopravě na 10 %.

V posledních letech je však u biopaliv akcentováno hledisko udržitelnosti. Ukazuje se, že přínos biopaliv tzv. první generace může být v některých případech zanedbatelný, nebo dokonce záporný. Splnit 10% cíl pouze s biopalivy první generace se ukazuje jako problematické. Jsou proto hledány alternativy, jejichž přínos z hlediska ochrany klimatu je příznivější.

Výnos energie z plochy

Biopaliva – bioetanol a bionafta – jsou v současnosti převážně vyráběna z potravinářských plodin pěstovaných na zemědělské půdě. Samo o sobě na tom ještě není nic špatného, pokud si uvědomíme, že ještě počátkem minulého století zajišťovala téměř veškerou energii pro zemědělství tažná zvířata. Pro pěstování krmiva byla v té době vyčleněna přibližně jedna třetina celkové výměry zemědělské půdy. V současnosti pokrývají energetické plodiny kolem 10 % výměry zemědělské půdy, veškerá produkce biopaliv by však pravděpodobně stěží stačila na pokrytí potřeb zemědělství.

Z jednoho hektaru zemědělské půdy lze ročně získat ve formě biopaliv jen určité množství energie, které závisí na druhu pěstované plodiny a cílovém produktu. Pokud by na stejné ploše byly instalovány fotovoltaické panely, je možno dosáhnout minimálně o řád vyššího výnosu energie ze stejné plochy, viz tabulku 1. Fotovoltaické panely však mají ve srovnání s biopalivy jednu podstatnou výhodu: lze je umístit na střechy a fasády budov, případně na neobdělávatelnou půdu, takže žádnou zemědělskou půdu zabírat nemusí.

Tabulka 1: Roční výnos energie z hektaru zemědělské půdy
Plodina	Výnos energie [GJ/(ha.rok)]	Výsledný meziprodukt	Účinnost konverze na mechanickou práci	Mechanická práce [GJ/(ha.rok)]
Energetická biomasa	160	Teplo	25%	40
Energetická biomasa	160	Bioplyn	15%	25
Sláma obilovin	70	Teplo	25%	18
Řepka	55	Olej	30%	17
Pšenice	32	Etanol	30%	10
Brambory	54	Etanol	30%	16
Cukrovka	76	Etanol	30%	23
Fotovoltaika	1440	Elektřina	80%	1150
Fotovoltaika s akumulací	1440	Elektřina	50%	575

Výnos energie v tabulce 1 je počítán z obvyklých výnosů zemědělských plodin, zahrnuje účinnost konverze na meziprodukt, nezahrnuje však náklady na pěstování. Podrobnosti budou uvedeny v navazujícím článku. Všechny hodnoty představují hrubé odhady, proto jsou výrazně zaokrouhlovány.

Pro srovnání s množstvím energie ve fosilních palivech: pokud by uhlí z dolu ČSA (mocnost sloje 30 m, výhřevnost 17,8 MJ/kg) bylo použito k výrobě elektřiny v klasické tepelné elektrárně, vyrobilo by se z něj tolik elektřiny, že by ji fotovoltaická elektrárna postavená na stejné ploše vyráběla asi 1300 let. Pokud by stejné množství elektřiny mělo být vyrobeno z biomasy pěstované na stejné ploše, bylo by potřeba dokonce více než 40 000 let. Z uvedeného je ovšem zároveň zřejmé, že zásoby uhlí se ukládaly minimálně 100 000 let (ve skutečnosti to bylo pravděpodobně více než 250 000 let [Coal]).

Čerpání zásob uhlí je tedy nejméně 1000krát rychlejší, než jejich ukládání. Takové využívání přírodních zdrojů je dlouhodobě neudržitelné. Obnovitelné energie – v tomto případě slunečního záření – je sice v daném okamžiku podstatně méně, zato bude k dispozici ještě několik miliard let, neboli z pohledu lidstva v podstatě trvale.

Účinnost konverze na mechanickou práci

Uvažujeme-li o využití energie pro pohon dopravních prostředků, je nutno kromě samotného výnosu energie vzít v úvahu účinnost konverze na mechanickou práci. Ta závisí mimo jiné na velikosti motoru a použitém „palivu“.

Obrázek 1: Měrná spotřeba paliva spalovacího motoru v g/kWh (vlevo) a účinnost elektromotoru (vpravo) v závislosti na rychlosti a krouticím momentu [Cipek]

Nejlepší spalovací motory osobních automobilů dosahují při jmenovitém výkonu motoru 50 kW v optimálních provozních podmínkách účinnosti kolem 40 %. Při zahrnutí startů, rozjezdů, volnoběhu a dalších provozních stavů celková účinnost klesne na 25 % i méně. Účinnost motoru kromě toho výrazně závisí na jmenovitém výkonu, u menších motorů se jmenovitým výkonem v řádu jednotek kilowattů může být účinnost poloviční.

Naproti tomu účinnost elektromotorů srovnatelných výkonů (50 kW) se v optimálních podmínkách pohybuje kolem 90 % i více a v poměrně širokém rozsahu provozních stavů přesahuje 80 %, viz obrázek 1 [Cipek]. V případě elektromotorů je závislost účinnosti na jmenovitém výkonu méně výrazná, dokonce i motory s výkony řádově stovek wattů dosahují v optimálním režimu účinnosti 80 %.

Poněkud složitější je situace v případě biomasy. Existuje totiž několik možností, jak energii biomasy přeměnit na mechanickou práci, například:

Spalování + konverze tepla na mechanickou práci v tepelném stroji umístěném na vozidle
Výroba elektřiny v tepelné elektrárně (= předchozí možnost + konverze na elektřinu) + konverze elektřiny na mechanickou práci v elektromotoru
Výroba bioplynu a jeho konverze na mechanickou práci ve spalovacím motoru

Obrázek 2: Závislost účinnosti tepelných strojů na výkonu
(označení: P – výkon stroje, Q – příkon v palivu, η – účinnost; indexy: O – pístový stroj, L – turbína) [Skorpik]

První možnost byla v dopravě využívána v minulosti, byla však v průběhu času opuštěna v souvislosti s přechodem na ropná paliva. Hlavní nevýhodou všech tepelných strojů (parní stroj, parní turbína, Stirlingův stroj) je vysoká hmotnost a relativně nízká účinnost při malých výkonech. Parní stroj sice může teoreticky dosáhnout účinnosti 25 % i více, účinnost parních lokomotiv se však pohybovala pouze kolem 3 % (při zahrnutí účinnosti kotle) [Sangster]; do výkonu řádově 100 kW je přitom účinnost parních turbín nižší, než účinnost pístových parních strojů srovnatelného výkonu [Skorpik]. Tato varianta není pro extrémně nízkou účinnost dále uvažována.

Naopak při velkých výkonech v řádu desítek až stovek megawattů, které odpovídají výkonům tepelných elektráren, lze běžně dosáhnout celkové tepelné účinnosti přes 30 %. Zahrneme-li ztráty v přenosu a distribuci elektřiny na úrovni kolem 8 % a účinnost elektromotoru kolem 90 %, vychází celková účinnost konverze na mechanickou práci asi 25 %. Elektřinu však lze přímo použít pouze v železniční dopravě, v automobilové dopravě v současnosti jedině s využitím akumulátorů, které celkovou účinnost výrazně sníží, viz následující kapitolu.

V bioplynové stanici se na metan přemění cca 50 % vstupních surovin [Bioplyn]. Další konverze na mechanickou práci s využitím spalovacího motoru probíhá s účinností kolem 30 %, stejně jako u jiných paliv používaných ve spalovacích motorech. Celková účinnost na mechanickou práci je tedy v tomto případě kolem 15 %.

Porovnání produkce energie z jednotky plochy při zahrnutí účinnosti konverze na mechanickou práci je uvedeno v posledním sloupci tabulky 1. Při zahrnutí účinnosti přeměny na mechanickou práci se výhoda fotovoltaiky oproti klasickým motorovým palivům i biopalivům ještě zvýrazní.

Účinnost akumulace elektřiny

Obrázek 3: Celková účinnost akumulace [Rydh]

V případě elektřiny z fotovoltaiky je nutno zvážit, zda bude zařízení poháněno přímo fotovoltaickými panely, nebo energií uloženou v akumulátorech. Ještě významnější je otázka akumulace v případě energie ze spalování biomasy, kde lze těžko počítat s možností, že by dopravní prostředek nesl kombinaci kotle a parního stroje nebo turbíny.

Účinnost samotného nabíjecího/vybíjecího cyklu se v závislosti na typu akumulátoru pohybuje od 60 % až do 95 %. Vezmeme-li však v úvahu spotřebu energie na výrobu a dopravu akumulátorů, snižuje se celková účinnost na 50 % až 60 %, pouze u lithiových akumulátorů může dosáhnout 70 %, viz obrázek 3 [Cipek, Rydh].

Z uvedeného je zřejmé, že celková účinnost akumulace je poměrně nízká, nehledě na další problémy spojené s použitím akumulátorů, včetně například vysoké hmotnosti a ceny. Je proto z energetického, ekonomického i ekologického hlediska výhodnější pohánět dopravní prostředky přímo elektřinou z fotovoltaických panelů, případně akumulovat jen malou část vyrobené elektřiny.

Naopak z praktického hlediska je použití akumulace přinejmenším v automobilové dopravě výhodné. Mnohé automobily jsou používány převážně pouze k cestě do zaměstnání a ze zaměstnání a jinak většinu času stojí. V době zastávek by elektřina z fotovoltaiky byla nevyužita, může však dobíjet akumulátor.

Cena energie

Velkoobchodní ceny fotovoltaických panelů se v současnosti pohybují v relativně širokém rozmezí od 10 do 20 Kč/Wp, v závislosti na technologii (od níž se odvíjí účinnost) a výrobci. Maloobchodní ceny jsou samozřejmě vyšší. Pro použití v dopravě je výhodná vysoká účinnost – ze stejné plochy lze při vyšší účinnosti získat vyšší výkon. Požadavku vysoké účinnosti nejvíce vyhovují panely s články z monokrystalického křemíku, které se pohybují na horní hranici cenového rozpětí. Maloobchodní ceny včetně DPH se u monokrystalických panelů pohybují od zhruba 20 Kč/Wp výše.

V České republice fotovoltaický panel ročně vyrobí v průměru kolem 1000 Wh/Wp (watthodin na watt instalovaného výkonu), rozpětí dlouhodobého průměru v rámci celé republiky je 930 až 1150 Wh/Wp. Rozdíly jsou tedy poměrně malé, meziročně však může tato hodnota kolísat podstatně více – až o 20 %. Životnost panelu je možno uvažovat minimálně 30 let; všichni výrobci garantují pokles výkonu menší než 20 % v průběhu 25 let. Předpokládá se však, že panely by mohly vyrábět elektřinu nejméně 40 let. Prostým vydělením ceny fotovoltaického panelu množstvím energie, kterou tento panel vyrobí za dobu svého života, dojdeme k hodnotě kolem 0,50 Kč/kWh, což je nejnižší odhad ceny vyrobené elektřiny.

Obrázek 4: Cena elektřiny z fotovoltaického panelu v závislosti na diskontní sazbě a očekávané době návratnosti 30 let, není-li uvedena jiná doba návratnosti

Fotovoltaický panel však představuje dlouhodobou investici, pro jejíž posouzení je takový výpočet příliš zjednodušený. Pro posouzení budoucích výnosů investice se používá diskontování. Diskontní sazba, tj. procento, o které je budoucí výnos při přepočtu na současnou hodnotu každoročně snížen, by měla být srovnatelná s potenciálním výnosem alternativní investice. Obvykle se používá diskontní sazba, která je o tzv. rizikovou přirážku (kolem 2 %) vyšší, než úroková sazba státních dluhopisů s dobou splatnosti srovnatelnou s dobou návratnosti uvažované investice. Energetický regulační úřad například používal při stanovování výkupních cen diskontní sazbu kolem 7 %. Uvažuje-li o investici domácnost, je možno použít diskontní sazbu nižší – alternativní investicí je v tomto případě dlouhodobý termínovaný vklad – přiměřený diskont je kolem 3 %. Diskontovaná cena elektřiny z fotovoltaického panelu se v závislosti na ceně panelu a použitých parametrech výpočtu pohybuje v širokém rozmezí v závislosti na zvoleném diskontu a požadované době návratnosti investice, viz obrázek 4.

Předpokládáme-li běžný elektromotor s účinností 80 až 90 %, vychází cena mechanické práce na hřídeli motoru o cca 10 až 20 % vyšší, než cena použité elektřiny. V případě elektřiny z fotovoltaiky se tedy cena mechanické práce pohybuje obvykle mezi 1 a 3 Kč/kWh v závislosti na parametrech použitých při diskontování budoucích výnosů. Pro použití v dopravě jsou však k dispozici motory umístěné v kolech vozidla – výhodou této varianty je, že odpadá převodovka a tím ztráty při přenosu energie z motoru na kola.

Maloobchodní ceny konvenčních motorových paliv – benzínu a motorové nafty – se v současnosti pohybují kolem 36 Kč/l. Ceny bionafty nebo směsné motorové nafty, případně jiných biopaliv, jsou jen nepatrně nižší [Bionafta]. Předpokládáme-li špičkový spalovací motor s účinností 40 % pracující v ideálních provozních podmínkách, vyrobí z těchto paliv mechanickou práci za cenu kolem 9 Kč/kWh. Častěji se však v běžném provozu cena mechanické práce na hřídeli motoru pohybuje kolem 15 Kč/kWh, u malých motorů s výkony kolem jednoho kilowattu i nad 20 Kč/kWh.

Náklady na akumulaci

Tak jako samotná energie, i její akumulace něco stojí. Hrubý (dolní) odhad nákladů na akumulaci lze získat, když vydělíme cenu akumulátoru celkovým množstvím energie, která akumulátorem projde za dobu jeho životnosti.

Kapacita akumulátoru se udává v ampérhodinách (Ah), po vynásobení napětím dostaneme množství energie, kterou je akumulátor schopen uskladnit v jednom cyklu ve watthodinách (Wh). Většinu typů akumulátorů je vhodné vybíjet jen částečně, prodlužuje se tím jejich životnost v počtu cyklů. Hloubka vybití (DoD – Depth of Discharge) se uvádí v procentech z maximální kapacity. Množství energie, které akumulátorem projde, však na počtu cyklů víceméně nezávisí [Battery].

Tento hrubý odhad zanedbává celou řadu proměnných, například ztráty při nabíjení a vybíjení, snižování kapacity v průběhu životnosti akumulátoru, závislost kapacity na rychlosti vybíjení a na teplotě a další. Zanedbána je i skutečnost, že v mnoha případech se jedná o dlouhodobou investici, bylo by proto vhodné budoucí náklady přepočítat na současnou hodnotu.

Tabulka 2: Hrubý odhad nákladů na akumulaci elektřiny
Typ	Kapacita Ah	Cena * Kč	Životnost cyklů	Při DoD	Náklady Kč/kWh
LiFePO4	60	8000	3000	80 %	4,63
Trojan (Pb)	105	4800	600	50 %	12,70
Hoppecke OPzS Solar Bloc 200 – 12V	200	17300	1300	80 %	6,93
*Cena akumulátoru – maloobchodní cena včetně DPH

Z přehledu je zřejmé, že akumulace je finančně velmi náročná. Náklady, přestože se jedná o dolní odhad, se pohybují od přibližně 5 Kč/kWh elektřiny extrahované z akumulátoru výše. Jsou tak několikanásobně vyšší, než cena elektřiny z fotovoltaických panelů. Je tedy zřejmé, že je výhodnější v maximální míře elektřinu využít v době, kdy je k dispozici, a akumulaci pokud možno vynechat. To platí obecně pro jakékoli využití elektřiny, ne jen v dopravě.

Přímý pohon elektřinou bez akumulace je možný bez větších problémů v železniční dopravě na elektrifikovaných tratích. Pokud bychom chtěli v automobilové dopravě využít veškerou elektřinu vyrobenou fotovoltaickými články na povrchu vozidla, je určitá míra akumulace elektřiny nutná. Nároky na akumulaci se podstatně zvýší, pokud by bylo cílem pohánět automobil výhradně elektřinou z fotovoltaiky.

Na druhou stranu, ačkoli akumulace několikanásobně zvyšuje cenu elektřiny, je přesto v kombinaci s fotovoltaikou z ekonomického hlediska výhodnější, nebo přinejmenším srovnatelná, s pohonem ropnými palivy. Do budoucna lze přitom spíše očekávat pokles cen fotovoltaických panelů i nákladů na akumulaci elektřiny, zatímco v případě cen ropy je očekáván spíše růst.

Jaký výkon lze umístit na vozidle

Obrázek 5: Chladírenský návěs – fotovoltaika je v tomto konkrétním případě jediným zdrojem pro systém chlazení

Výkon, který lze získat z fotovoltaických panelů umístěných na povrchu vozidla, závisí na ploše, kterou mohou panely zabírat a na jejich účinnosti. Vyjdeme-li z půdorysu vozidla, je výrazný rozdíl mezi vozidly osobními a nákladními. U nákladních vozidel lze využít v podstatě celý půdorys korby nebo návěsu a podstatnou část půdorysu kabiny, celkově lze využít odhadem až 90 % půdorysu vozidla.

Půdorysná plocha kamionového návěsu je téměř 35 m² (délka max. 13,62 m, šířka 2,55 m, chladírenské a mrazírenské až 2,6 m). Budou-li na střechu instalovány fotovoltaické panely s účinností kolem 20 % (rekordní fotovoltaický panel dosáhl účinnosti 21,4 % [Green]), může instalovaný výkon dosáhnout přibližně 7 kWp. Jedná se o relativně malý výkon ve srovnání s výkonem tahače, který se pohybuje kolem 240 kW, ale může být 300 kW a více [LIAZ]. V každém případě to však s výjimkou startu stačí pro pokrytí veškeré spotřeby elektřiny jak za provozu, tak v době zastávek, a to i za špatného počasí.

Obrázek 6: Půdorys vozu Škoda Octavia combi [Škoda Auto]

Naproti tomu u současných osobních vozidel zabírají významnou část půdorysu prvky, na něž fotovoltaické články umístit nelze, nebo jen obtížně. Jedná se například o skla, meziokenní sloupky a další prvky. Podíl ploch vhodných k instalaci fotovoltaických článků jen zřídka dosáhne 50 %. Například u vozu Škoda Octavia combi (délka 4659 mm, šířka 1814 mm) je hypoteticky k dispozici cca 1,5 až 2 m² na střeše plus 1 až 1,5 m² na přední kapotě, viz obrázek. Na tuto plochu lze umístit nejvýše 500 až 700 Wp fotovoltaických článků.

Výjimkou v tomto směru jsou prototypy určené pro závody solárních vozidel, kde je pokryto až 90 % půdorysu, v případě solárních kol v závodě The Sun Trip dokonce v některých případech 100 %. Fotovoltaické panely na vozidlech Českého solárního týmu mají výkon 550 W a umožňují dosahovat rychlosti 35 km/h.

Přesto již v současnosti existuje pro některé typy automobilů nabídka fotovoltaických panelů pro instalaci na střechu vozu. Například panel na střechu hybridního automobilu Toyota Prius má výkon 215 W a podle výrobce umožňuje zvýšit dojezd až o 25 km denně [SEV].

Obrázek 7: Prezentace vozidel Českého solárního týmu u Národního divadla v rámci Evropských dnů Slunce [EDS]

Obrázek 8: Fotovoltaická střecha na voze Toyota Prius [SEV]

Závěr

Kombinace fotovoltaický panel + elektromotor je z hlediska nákladů na dodanou mechanickou práci několikanásobně výhodnější, než kombinace spalovací motor + ropné palivo nebo kapalné biopalivo. Přestože akumulace elektřiny je ekonomický nákladná a výrazně snižuje účinnost využití energie, je ve výsledku stále solárně-elektrická varianta s akumulací ekonomicky výhodnější, než varianta se spalovacím motorem. Výhodou spojení fotovoltaika + elektromotor je vysoká účinnost i při relativně nízkých výkonech.

Zásadní překážkou případného širšího uplatnění fotovoltaiky v dopravě je skutečnost, že v současnosti naprosto převažují automobily se spalovacími motory. Aby bylo možno využít ekonomicky výhodnější fotovoltaiku, bylo by nutno nejdříve zvýšit podíl elektrických a hybridních vozidel.

Jedině v železniční dopravě, kde již v současnosti dominuje elektřina, by uplatnění fotovoltaiky bylo relativně snadnější.

Reference

[Coal] Facts about coal. Dostupné: http://www.snsk.no/facts-about-coal.145744.en.htmlhttp://www.snsk.no/facts-about-coal.145744.en.html
[Cipek] M. CIPEK, D. PAVKOVIĆ, J. PETRIĆ: A control-oriented simulation model of a power-split hybrid electric vehicle. Applied Energy, Volume 101, January 2013, Pages 121–133
[Sangster] SANGSTER, Alan J. Warming to Ecocide. A Thermodynamic Diagnosis. London: Springer-Verlag, 2011. Dostupné: http://books.google.cz/books?id=6wbkeDX28DUC&pg=PA97
[Skorpik] ŠKORPÍK, Jiří. Lopatkový stroj, Transformační technologie, 2009-08, [date of last update 2013-02]. Brno: Jiří Škorpík, [online] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/lopatkovy-stroj.html
[Bioplyn] NOVOTNÝ, Petr. Historie a perspektivy OZE – bioplyn. TZB-info [online], 2009. Dostupné http://oze.tzb-info.cz/biomasa/5610-historie-a-perspektivy-oze-bioplyn
[Rydh] C. J. RYDH, B. A. SANDÉN: Energy analysis of batteries in photovoltaic systems. Part II: Energy return factors and overall battery efficiencies. Energy Conversion and Management 46 (2005) 1980–2000. Elsevier, 2004. ISSN 0196-8904
[Bionafta] BAŽATA, Miroslav: Bionafta a směsná motorová nafta. Biom.cz [online]. 2013-05-06 [cit. 2013-08-28]. Dostupné z WWW: http://biom.cz/cz/odborne-clanky/bionafta-a-smesna-motorova-nafta. ISSN: 1801-2655.
[Battery] Battery Performance Characteristics. Electropaedia [online]. Dostupné http://www.mpoweruk.com/performance.htm
[Green] GREEN, Martin A. et all. Solar cell efficiency tables (version 41). Prog. Photovolt. Res. Appl., 2013; 21: 1–11. Wiley Online Library [online]. Dostupné http://www.readcube.com/articles/10.1002/pip.2352
[LIAZ] http://www.liaz.cz/liazy_s_motory_man_a_dd.php
[EDS] http://evropskednyslunce.cz/fotogalerie
[SEV] http://www.solarelectricalvehicles.com/products.shtml

English Synopsis

Photovoltaic in transportation

It is much more efficient to produce mechanical work by electrical engine "fuelled" by photovoltaic modules than produce the same amount of mechanical work by internal combustion engines running on fossil fuel or first-generation biofuel. The first choice could be much cheaper and produce order of magnitude more energy from agricultural land than biofuels. Therefore photovoltaics could hypothetically contribute significantly to the fulfillment of national and European target for the share of renewable energy sources (RES) in transportation.