Autor: Jan Cipiur

Dziennikarz ekonomiczny, publicysta Studia Opinii

Elektryki na drogi, a skąd prąd dla nich?

Wśród obietnic ogłoszonych podczas konferencji klimatycznej w Glasgow znalazła się zapowiedź kilku gigantów motoryzacyjnych oraz 30 rządów, których celem ma być zaprzestanie za dwie dekady sprzedaży samochodów z silnikami benzynowymi i na olej napędowy.
Elektryki na drogi, a skąd prąd dla nich?

(©Envato)

Sygnatariusze inicjatywy twierdzą, że w skali globalnej miałoby to nastąpić w 2040 r., a na „wiodących rynkach” w 2035 r. Pod takim planem podpisały się takie firmy jak: Ford, Mercedes-Benz, GM, Volvo, a również nasz kraj. Nie dołączyły (jeszcze?) Toyota, Nissan-Renault, VW oraz rządy USA, Chin i Japonii – trzech największych rynków samochodowych świata.

Cieszyć się na nowe, czy obawiać nieznanego? W obliczu katastrofy klimatycznej sianie wątpliwości może nie być na miejscu. Doświadczenie podpowiada jednak, że im ich więcej na początku (wątpliwości), tym dla końca lepiej.

Niestety, im więcej będzie samochodów elektrycznych, tym więcej pojawiać się będzie problemów. Dwa wielkie to: podaż energii elektrycznej na ich potrzeby oraz zupełny w Polsce brak infrastruktury ładowania baterii, którą trzeba budować praktycznie od zera. W skali globalnej rachunki za zamianę silników spalinowych na elektryczne będą musiały pójść w biliony, tj. tysiące miliardów. Nie poradzimy sobie z tym zadaniem bez wielkich przygotowań.

Minie niebawem 200 lat historii „elektryków”

Samochód elektryczny obchodzić będzie niebawem dwusetne urodziny. Długo dorastał do wymagań, a gdy już w końcu do nich dorósł, zatrzymał go silnik spalinowy. Silniki elektryczne zdominowały w XX wieku procesy produkcyjne i mnóstwo rodzajów usług, ale w motoryzacji nie udało im się zdobyć nawet przyczółków, choć prób było mnóstwo. Tym, który pierwszy postawił na baterię galwaniczną, dołożył silnik i całą resztę był Szkot – Robert Anderson. Machinę swą klecił siedem lat. W 1839 r. rozpędziła się do 12 km na godzinę, ale wydarzenie przeszło wtedy bez echa. Prawdziwa szansa dla pojazdów elektrycznych pojawiła się dopiero w końcu XIX wieku, gdy coraz sprawniejsze stawały się wynalezione właśnie akumulatory kwasowo-ołowiowe wielkokrotnego ładowania.

Samochodem elektrycznym z realnymi szansami na sukces komercyjny był „electrobat” – dzieło dwójki z Filadelfii (Pedro Salom i Henry G. Morris). Akumulatory ich auta z 1894 r. ważyły aż 725 kg i pozwalały na przejechanie ok. 40 km z maksymalną szybkością 32 km/godz. Wprawdzie dzisiejsze auta elektryczne biją „electrobata” na głowę, ale jednak postęp w dziedzinie baterii nie dokonał się olbrzymi, ponieważ zestaw akumulatorów do Tesli S waży nadal 544 kg, a zasięg jazdy na jednym ładowaniu to ciągle wielki problem.

Polska największym eksporterem baterii samochodowych w UE

Poczesną rolę we wczesnej historii elektrycznej motoryzacji odgrywa amerykańska firma Electric Vehicle Company. Na początku XX wieku po samym tylko Nowym Jorku krążyło ponad 600 elektrycznych taksówek EVC. To ta firma jako pierwsza wdrożyła system szybkiej wymiany wyczerpanych baterii. W 1907 r. biznes splajtował, ale nie wszystko przepadło. Wśród udziałowców EVC był producent baterii noszący dziś nazwę Exide, jedna z jego obecnych fabryk działa w Poznaniu i znana była w PRL jako Centra.

W 1904 r. Thomas Edison ogłosił z fanfarami, że wyszykował właśnie „baterię typu E”, która miała „zrewolucjonizować” świat energii, ale przełom nie nastąpił, bo urządzenie ciekło. Sześć lat później zaczął produkcję „baterii typu A”, które umożliwiały jazdę na dystansie do 95,5 km i ładowane były 7 godzin. Rozradowany pisał do amerykańskiego króla prądu Samuela Insulla, że teraz chodzi tylko o o to, żeby „podłączyć wiele elektrycznych świń do twojej wielkiej elektrycznej maciory”. Maciora (elektrownie) miała się coraz lepiej, lecz świnki (electric vehicles – EV) nie przetrwały.

Pole dla spalinowych oczyściły stacje paliw

Prostota silnika elektrycznego (spalinowy może mieć nawet 2000 części ruchomych, a elektryczny jedynie ok. 20) nie pomogła. Powód ostatecznego triumfu spalinowych konkurentów nie był wszakże mechaniczny, czy biznesowy. Za ówczesną porażką EV stała logistyka. W 1907 r. firma Auto Gasoline Co z St. Louis uruchomiła pierwowzór dzisiejszej stacji paliw. I to właśnie stacje paliw przegnały „elektryki” z dróg na 100 lat z okładem.

W przeciwieństwie do budowy sieci energetycznej koszty infrastruktury umożliwiającej zakup paliw płynnych można było ponosić krok po kroku, zaś początkowe były względnie małe, wystarczyła większa beczka i ręczna pompa. Co bardzo ważne, koszty inwestycyjne ogółem były rozdzielone na wielką liczbę przedsiębiorców wkraczających na rynek. Kolejne obiekty powstawały bardzo płynnie wraz ze wzrostem zapotrzebowania. Koszty zaopatrzenia w paliwo dla samochodów z napędem spalinowym były nieporównanie niższe, a budowa sieci paliw nie wymagała koordynacji.

W przypadku sieci energetycznej wielkie korzyści ujawniają się tymczasem dopiero wówczas, gdy wszystkie jej punkty połączone są w jedną całość. Stworzenie gęstej – bo zasięg aut był krótki – i sprawnej infrastruktury obsługi EV było zatem 100 lat temu praktycznie niemożliwe. Nie miał kto takiej zbudować.

Po stu latach te i inne ograniczenia rozwoju EV zmalały po wielokroć. Renesans samochodów elektrycznych – i jest to słowo na właściwym miejscu – dokonuje się na naszych oczach. Jednak i tym razem może nie pójść jak po maśle.

Skąd prąd, trzeba było myśleć wczoraj

W sceptyczno-pragmatycznym podejściu do upowszechnienia EV na pierwszy plan wybijają się te same problemy logistyczne co sto lat temu. „Prąd ma być”, bo to niby żaden problem. Dziś ma być także „czysty” i to zmienia bardzo dużo – wystarczy wspomnieć o awanturze z kopalnią węgla brunatnego w Turowie, czy nadchodzącym końcu resursu wielu tradycyjnych elektrowni węglowych w Polsce.

Gdyby zechcieć wycofać z polskich dróg i ulic wszystkie samochody na silniki spalinowe, to ile dodatkowej energii elektrycznej trzeba było by wytworzyć, żeby można było jeździć tak intensywnie jak dzisiaj?

Rząd nie raczy tego liczyć, albo się ze swą domniemaną wiedzą w tej sprawie z nami nie dzieli. Trzeba zatem zdać się na metodę chałupniczą. Z uwagi na wielką liczbę zmiennych, precyzyjne obliczenia są niemożliwe, ale i niepotrzebne – wystarczy prawdopodobny rząd wielkości.

W Polsce zarejestrowanych jest 24,3 milionów pojazdów samochodowych. GUS podał w 2018 r., że średni dzienny przebieg samochodów wynosi w Polsce 37 km, natomiast w badaniu VW z początku 2020 r. zadeklarowaliśmy, że przejeżdżamy 51 km dziennie. Niech będzie, że średnia wynosi 40 km dziennie, a wówczas liczba przejeżdżanych rocznie w Polsce samochodo-kilometrów wynosić może ok. 350 miliardów. Ponieważ część pojazdów jest na długo wycofana z użytku (wypadki, naprawy, odstawienie) można ją zmniejszyć np. do 300 mld km.

Na podstawie różnych źródeł można przyjąć, że przejechanie 100 km samochodem elektrycznym wymaga średnio 15 kWh. Zatem hipotetyczna, pełna i natychmiastowa, elektryfikacja polskiej motoryzacji w jej obecnym stanie wymagałaby co najmniej ok. 45 mld kWh dodatkowej podaży rocznie (300 mld x 15 kWh/100 km). Oczywiście, przy założeniu, że nie zmienią się wszelkie inne potrzeby energetyczne.

Hipotetyczna, pełna elektryfikacja polskiej motoryzacji w jej obecnym stanie wymagałaby co najmniej ok. 45 mld kWh dodatkowej podaży rocznie.

W przeliczeniu na tzw. moc zainstalowaną, czyli po podzieleniu tej wielkości przez 8760 godzin w roku okazuje się, że trzeba by mieć dodatkowe elektrownie o mocy co najmniej 5-6 mln kilowatów, czyli 5000 – 6000 MW, a więc 5-6 GW. Rzeczywiste potrzeby mogą być większe. Przede wszystkim dlatego, że energię wytwarza mniej niż połowa mocy zainstalowanych, ponieważ część turbin jest w rezerwie, są kapitalne remonty, awarie, ubytki, rozruchy. Po drugie, ponieważ elektryczne samochody ciężarowe zużyłyby sporo więcej energii niż 15 kWh na 100 km. Po trzecie, przyjdzie w końcu zamykać najbardziej kopcące elektrownie. Bardziej realna wydaje się zatem wielkość niezbędnych inwestycji w przedziale co najmniej 10-15 GW, przy obecnej mocy zainstalowanej wszystkich źródeł energii elektrycznej w wysokości prawie 54 GW, w tym 15,3 GW z OZE.

Rząd wielkości niezbędnego wzrostu podaży uzyskany w tym szacunku jest w miarę spójny z wynikami badań firmy McKinsey, która zakłada, że w 2030 r. globalna flota pojazdów elektrycznych liczyć będzie 130 mln pojazdów, a konieczny wzrost zużycia prądu w Chinach, UE-27, USA i Wielkiej Brytanii musiałby wynieść od 525 do 770 terawatogodzin (TWh) rocznie. Obecne zużycie w tych rejonach to ok. 13 500 TWh.

Sprawa klimatyczna – obowiązki Zachodu, powrót do energii atomowej

Całkowite koszty wzrostu produkcji energii elektrycznej niezbędnego w konsekwencji postępującej elektryfikacji motoryzacji są ogromne, ale do udźwignięcia, nawet jeśli korzystać będziemy wyłącznie ze źródeł climate friendly. Według amerykańskiej agendy rządowej EIA (U.S. Energy Information Administration), w 2020 r. przeciętny koszt budowy najnowocześniejszej elektrowni węglowej wynosił w USA prawie 3700 dolarów w przeliczeniu na 1 kW mocy. W przypadku elektrowni wiatrowej na lądzie było to ok. 1850 dolarów, na morzu – prawie 5500 dol., a koszt jednostkowy małej modułowej siłowni atomowej z datą oddania do użytku w 2028 r. wynosi teraz 6800 dol./kW (wszystkie wielkości bez kosztów finansowania). Zatem w zależności od źródeł zasilania, elektrownia o mocy 1000 MW (1 GW) do oddania do użytku za kilka lat od dzisiaj może kosztować w przedziale od mniej więcej 2 mld dol. – do 7 mld dol.

Bez atomu nie ma szans

Jeśli przedstawione powyżej szacunki wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną w Polsce w związku z hipotetyczną całkowitą elektryfikacją rodzimej motoryzacji są zbliżone do prawdy, a puntem odniesienia byłyby koszty nowych mocy w USA, to mielibyśmy do wydania od 10 mld dol. w scenariuszu 5 GW w cenie ok. 2000 dol./kW aż do 75 mld dol. gdy potrzeba będzie jednak aż 15 GW nowych mocy w cenie jednostkowej 7000 dol./kW.

W związku z tzw. przemiennością (intermittency) podstawowych obecnie OZE wykorzystujących wiatr i słońce, ponieważ wiatry nie wieją u nas ciągle, a po dniu jest noc, jedynym realnym rozwiązaniem wiążącym odpowiednią podaż energii z dbałością o środowisko i klimat jest w Polsce (i w większości miejsc gdzie indziej) rozwój energetyki jądrowej. Z tego punktu widzenia i przy założeniu niemal pełnej samowystarczalności energetycznej Polski, kwota 75 mld dolarów wydaje się bardziej prawdopodobna.

Jedynym realnym rozwiązaniem wiążącym odpowiednią podaż energii z dbałością o środowisko i klimat jest w Polsce rozwój energetyki jądrowej.

Na dołożenie do systemu kilkunastu gigawatów nowych, zielonych mocy mamy kilkanaście lat. Tyle samo czasu jest na głębszą i skuteczniejszą integrację energetyczną w ramach UE lub na oddanie się pod (nie tylko) energetyczny dyktat Moskwy. Czy obecny stan konfliktu politycznego i podziałów w społeczeństwie sprzyja racjonalnym rozwiązaniom? Pytanie jest, rzecz jasna, retoryczne.

Z braku miejsca pominiemy olbrzymie i obiecujące wyzwanie infrastrukturalne dotyczące potencjalnego przesyłania wielkich ilości prądu na duże odległości liniami bardzo wysokich i ultra wysokich napięć, co umożliwiłoby transfer OZE z najbardziej nasłonecznionych i najbardziej wietrznych miejsc globu w rejony najbardziej uprzemysłowione i zaludnione. Jeśli jest to rozwiązanie racjonalne, to i tak jest pieśnią dalekiej przyszłości, także dlatego, że ze względu na ponadnarodowy charakter takiego przedsięwzięcia musiałby się tym zająć jakiś organ multilateralny z dominującym wpływem państw biednych, a tymczasem świat znowu przechodzi „ospę”, wprawdzie nie „czarną”, a „narodową”, ale też śmiertelnie groźną.

Wielkie ładowanie

Jeśli uznać z wielką przesadą, że z produkcją czystej energii świat jakoś sobie w końcu poradzi, to rodzi się niestety kolejny problem – jej dostarczenia do milionów miejsc odbioru.

Ładowarki do EV można mieć w domu, w miejscu pracy, przy ulicach oraz w obiektach podobnych do obecnych stacji paliw. Za każdym gniazdem elektrycznym wiją się kilometry przewodów i linii przesyłowych. Potrzebne są stacje transformatorowe do zmiany napięć na „domowe”. Linie trzeba położyć w ziemi lub powiesić na słupach, a koszty do poniesienia z góry i bez gwarancji w miarę szybkiego zwrotu są olbrzymie. Z pomocą w zobrazowaniu potencjalnego rzędu wielkości znowu przychodzi McKinsey („How charging in buildings can power up the electric-vehicle industry”).

Przyszłość ukryta w bateriach

Eksperci tej firmy założyli, że w 2025 r. liczba osobowych samochodów elektrycznych w USA, Chinach, UE-27 i Wielkiej Brytanii wyniesie ponad 50 mln, a dostawczych i ciężarowych ponad 4 mln. W 2025 r. potrzeba będzie dla nich 22-27 mln „gniazdek” różnej mocy, szybkości ładowania, na prąd zmienny, ale także stały. W 2030 r. liczba EV może wynieść 130 mln, a koniecznych „gniazdek” powinna sięgać ponad 55 mln punktów. Przy tych wielkościach w okresie 2020-2030 na infrastrukturę do ładowania w USA, Chinach i Europie trzeba wydać 110 – 180 mld dolarów, tj. do 720 mld zł, z czego zapewne jakieś kilkanaście miliardów złotych w Polsce.

Z obecnych cenników wynika, że najprostsza ładowarka domowa kosztuje nie mniej niż 400 dolarów, ładowarka publiczna na prąd zmienny (napięcie 240 V, natężenie 6-40 A, moc 1,4-19,2 kW) – ok. 2 400 dol., a ładowarka na prąd stały dająca moc od 50 do 150 kW – minimum 30 tys. dol. Jest jednak haczyk. Ceny samych urządzeń to jedynie 25-50 proc. kosztów całkowitych dostępu do ładowania. Trzeba jeszcze ponieść koszty robót budowlanych, koszty drążenia i wiercenia w ulicach i murach starych budynków stanowiących większość zasobu mieszkaniowego i biurowego, koszty robót instalacyjnych i projektowania. Dlatego warto zmienić zasady projektowania i prawo budowlane, żeby w kolejnych latach wystarczyło tylko podpiąć ładowarkę. McKinsey szacuje, że w warunkach amerykańskich koszt jednego miejsca parkingowego przystosowanego (zawczasu!) do instalacji ładowarki wynosi poniżej 50 dolarów.

Baterie mogą przegrać z wodorem, a wtedy setki miliardów inwestowanych w dobrej wierze z myślą o środowisku pójdą w błoto.

Jeśli wierzyć w rychłą dominację EV, to gra na szybki rozwój infrastruktury ładowania jest warta świeczki. Pośpiech może jednak nie popłacać. Telekomunikacja Polska inwestowała kiedyś w tradycyjne telefony na wsi, co wobec ekspansji telefonii komórkowej wyszło jej bokiem. W rozwoju motoryzacji baterie mogą przegrać z wodorem, a wtedy setki miliardów inwestowanych w dobrej wierze z myślą o środowisku pójdą w błoto, zostawiając za sobą – co za paradoks – ciemny jak smoła ślad klimatyczny.

Baterie są coraz sprawniejsze, ale prawo Moore’a ich nie obejmuje

Chciałoby się, żeby prawo Moore’a o wzroście wydajności kolejnych modeli czipów komputerowych dotyczyło także zdolności przechowywania energii elektrycznej w bateriach, ale na tym polu nie chce działać.

Według serwisu BloombergNEF, średnia cena jednej kilowatogodziny (1 kWh) uwalnianej z baterii stosowanych w samochodach elektrycznych spadła z 1191 dolarów w 2010 r. do 137 dol./kWh w 2021 r. (baterie tesli S osiągają 100 kWh). Jest więc o niebo taniej niż kiedyś, ale ciągle drogo.

Tymczasem samochody są coraz większe i szybsze, choć nie ma takiej potrzeby. Pierwszy model toyoty corolli debiutujący 55 lat temu miał 3845 mm długości i 1485 mm szerokości. Najnowszy sedan corolla jest prawie o metr dłuższy (4630 mm) i sporo szerszy (1780 mm). Samochody dłuższe, szersze w barach i wyższe w kłębie muszą być jednak cięższe, a więc trudniejsze do ruszenia, co w oczywisty sposób zwiększa zużycie energii. Postęp w dziedzinie materiałów mało daje, bowiem zamiana ciężkich jak stal na lżejsze i wytrzymalsze też wiąże się najczęściej z wielkim wydatkiem energetycznym. Jest jeszcze kwestia prędkości. Dla 99,99 proc. kierowców 150 km/godz. to świat i ludzie, dochodzi do tego praktycznie globalny nakaz poruszania się z prędkościami w granicach 30-90 km/godz. Nic z tego – racjonalizm homo sapiens polega na nieracjonalności.

W tych okolicznościach rewolucja elektryczna może pójść w kierunku powielenia starego w nowej szacie: nowe samochody będą niepotrzebnie duże, niepotrzebnie szybkie, niepotrzebnie luksusowe, ale elektryczne.

Zgodnie z obecnymi kalkulacjami, koszty produkcji samochodów elektrycznych zrównają się z kosztami produkcji samochodów z silnikami spalinowymi, gdy cena 1 kWh z baterii spadnie do ok. 100 dolarów. Dotarcie do tego punktu potrwać ma niedługo. Znawcy sądzą, że już w 2024 r. wskaźnik wyniesie 92 dol./kWh, a w 2030 r. spadnie do 58 dol./kWh.

Na tym niezłym obrazie są jednak rysy. W Bernstein Research założono, że w 2035 r. napęd elektryczny będzie miało ok. 88 proc. wszystkich samochodów świata. W związku z tym, roczny popyt globalny na miedź, nikiel i grafit wzrośnie do tego czasu ponad dwukrotnie, a na kobalt i lit kilkukrotnie.

Elektryki nie pojadą bez Afryki

Wobec pojawiającej się luki surowcowej kreślone są trzy scenariusze: nieoczekiwany przełom technologiczny w dziedzinie baterii wywracający te prognozy z korzyścią dla środowiska, wielki boom kopalniany na zasadzie mniejszego zła (lit lepszy od węgla) i spowolnienie tempa elektryfikacji motoryzacji z zastosowaniem baterii, np. wskutek większego zainteresowania silnikami na wodór.

Transformacja energetyczna przestała być mrzonką – stała się koniecznością, tymczasem zamiast czynów mnożymy słowa. Zgodnie z naturą ludzką, działamy dopiero na ostatnią chwilę. Będzie zapewne gorzej niż lepiej. Radzę więc: zanim nastąpi nowy, lepszy świat z naszych wyobrażeń starajmy się żyć „po ludzku” w obecnym zwłaszcza, że i ten nowy będziemy umieli puszczać z dymem.

(©Envato)

Otwarta licencja


Tagi


Artykuły powiązane

Sprawa klimatyczna – obowiązki Zachodu, powrót do energii atomowej

Kategoria: Analizy
Wierzymy, że problem z energią i klimatem nie jest być może tak wielki, jak mówią, bo uratują nas wiatry, słońce, wodór i wynalazki do wynalezienia już niedługo. Mówią też jednak, że nadzieja jest  matką głupich. I mogą mieć rację, bo problem jest globalny, a realizacja – niestety - narodowa.
Sprawa klimatyczna – obowiązki Zachodu, powrót do energii atomowej

Ciężarówki bez rur wydechowych

Kategoria: Ekologia
Redukcja o 30 proc. do 2030 r. emisji dwutlenku węgla przez samochody, jak to dotychczas planowano w UE, nie wystarczy, aby w ciągu dwóch kolejnych dekad gospodarki stały się zeroemisyjne. Producenci samochodów, zwłaszcza ciężarowych, muszą liczyć się z ostrzejszymi wymogami. Przewoźnicy także.
Ciężarówki bez rur wydechowych

Brak chipów boli już nie tylko motoryzację

Kategoria: Analizy
Nowa postpandemiczna normalność pokazuje pazury. Na rynku motoryzacyjnym narasta zapaść spowodowana brakami półprzewodników wykorzystywanych w samochodach. I wiele wskazuje, że na unormowanie sytuacji producentom aut i ich nabywcom przyjdzie poczekać przynajmniej do końca I półrocza 2022 r., a może i dłużej.
Brak chipów boli już nie tylko motoryzację