Čas elektromobilů ještě nepřišel

Máte pocit, že silnice během několika let neodvratně zaplaví elektromobily? Nenechte se mýlit, nestane se to. Řekneme vám proč.
Seznam kapitol
  1. Úvod, Elektřina láká právem, Úskalí jménem akumulátory, Účinnost situaci nezvrátí
  2. Dojezd: mizerný. A co pak?, V praxi nepoužitelné, provozně se ovšem vyplatí, Proč je vlastně automobilky dělají?

„Soudě dle novinek představených na letošním ženevském autosalonu se automobily poháněné elektřinou stanou již brzy běžnou součástí našeho života.” Zní to jako věta vystřižená z letošních novin, jde však o jedno z mnoha podobných prohlášení, které se v západoevropském tisku objevilo  v roce 1975, tedy před 35 lety. Svět tehdy po jedné z ropných krizí hledal alternativy pro pohon osobních automobilů a elektřina se zdála být řešením. Jak to s elektromobily té doby dopadlo jistě netřeba zmiňovat. Třeba po nadějném Peugeotu 104 Electrique, jedné z několika elektrických novinek roku 1975, dnes neštěkne ani pes.

Nebylo to přitom zdaleka poprvé, co byl svět uchvácen elektrickým pohonem automobilů. Jeho historie je v podstatě stejně stará jako automobil sám. Pomineme-li úplné začátky, stojí za zmínku, že již v roce 1899 vznikl první elektromobil, který byl schopen pokořit tehdy působivou rychlost 100 km/h. V roce 1900 elektromobily tvořily většinu prodeje nových osobních vozidel ve Spojených státech a o další dva roky později vznikl elektromobil Torpedo Kid firmy Baker Electric, který se rozjel až na 167 km/h.

V souboji elektřiny a fosilních paliv ale nedlouho poté začaly vítězit spalovací motory a i když se mnohým ještě několikrát zdála být budoucnost elektromobilů jasná jak rudá záře nad Kladnem (např. americká vláda v roce 1990 stanovila, že do roku 1998 mají elektromobily tvořit 2 % vozidel a v roce 2003 dokonce 10 %, trh ale jaksi neposlechl), o 108 let později můžeme otevřeně říci, že svět dosud nepoznal jediný elektromobil, jehož praktická využitelnost by byla srovnatelná s autem s konvenčním pohonem. A jsem přesvědčen, že situace se v nebližší budoucnosti nemá šanci změnit. Proč?

Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek
Torpedo Kid jel už v roce 1902 na elektrický pohon 104 mil v hodině --- Elektrické verze se dočkal třeba Peugeot 104 modelového roku 1975 --- GM EV1 byl v roce 1996 nadějí pro elektrickou budoucnost, později nechala automobilka všechny jí dostupné vyrobené kusy sešrotovat

Elektřina láká právem

Začněme ale optimističtěji. Pokud totiž pomineme fakt, že elektromobil byl často jen naivní reakcí na aktuální nálady ve společnosti (a připusťme, že je jí do jisté míry i nyní), jde o nesmírně lákavé konstrukční řešení.

V konvenčním autě máte spalovací motor, který je sám o sobě dosti složitým mechanickým prvkem. Pokud však chcete jeho výkon dostat na kola, musíte tak učinit přes převodovku, někdy i kardan, jeden či více diferenciálů a řadu poloos. Když už vám tohle všechno funguje, kola musíte brzdit a motor chladit a při tom všem většina původní energie letí bez užitku ven komínem jako zbytkové teplo.

Naproti tomu elektromobil je řešení úžasně jednoduché, násobně efektivnější a ještě ke všemu může mnohem lépe fungovat. Zapomeňte na převodovky, rozvodovky, kardany a poloosy, zapomeňte i na motor vpředu, vzadu či uprostřed. Vypustťe chladící kapalinu, zahoďte chladič, sešrotujte startér. Můžete zahodit v podstatě všechno, co z dnešních aut znáte, s trochou nadsázky stačí umístit do každého ze čtyř kol elektromotory a ty pak pospojovat dráty. To je veškerý nezbytný zásadní hardware, který se spolu s patřičným software zajistí pohon, o kterém se žádnému ze současných aut nezdá. Takový vůz bude dokonalou čtyřkolkou, která dokáže každé kolo pohánět zcela nezávisle na ostatních. Je třeba pohánět jen jediné kolo? Není problém. Je třeba optimálního rozložení výkonu pro průjezd zatáčkou? Není problém. Z hlediska pohonu není problém nic a přitom proto není třeba žádného složitého příslušenství, jen řídíci počítač a šikovný programátor.

Každý z motorů navíc dokáže být i brzdou, opět zcela nezávislou na ostatních, která přemění alespoň část kinetické energie zpět do té elektrické (konvenční brzdy elektromobilům přesto zůstanou, budou ale citelně méně zatížené). Motory dokážou prakticky kdykoli a bez otálení dodat maximum dostupného výkonu a aby toho nebylo málo, pracují s výrazně vyšší efektivitou. Z energie uložené v bateriích totiž dokážou pohybovou energii vytvořit s účinností okolo 90 %, což je oproti konvenčním motorům přibližně třikrát více. Proto ani nevytvářejí tolik zbytkového tepla a není nutno je složitě chladit.

Dokonalý vůz? Ano, pokud si mám představit technický základ pro perfektní auto, je to elektromobil používající čtyři nezávislé motory. V čem je tedy háček?

Když akumulátory málo akumulují

Nastíněné konstrukční řešení opravdu nemá daleko k dokonalosti a velmi zajímavé je, i pokud použijete méně než čtyři motory. Abyste ale mohli elektromotory pohánět, potřebujete k tomu elektřinu a to je kámen úrazu. Dosud se nikomu nepodařilo najít způsob, jak v rozumném balení uložit dostatečné množství elektrické energie, kterou bude možné jednoduše doplnit. Zkrátka neexistují akumulátory, které by něco takového dokázaly. Současné technologie jsou od kýženého cíle nekonečně vzdáleny a je otázkou, jestli je vůbec možné takového cíle dosáhnout. Naproti tomu konveční automobily dovolují uložení velkého množství energie do malého balení s tím, že její doplnění trvá jen několik málo minut.

Tento problém trápí elektromobily odjakživa a i přes velký pokrok učinění v posledních dekádách zůstává rozdíl mezi možnostmi obou řešení přitom tak propastný, že činí elektromobily v praxi stále nepoužitelné. Nevěříte? Pak čtěte dále.

Abychom pochopili, jak velká omezení současné elektromobily skýtají, je třeba zavzpomínat na léta strávená ve školních lavicích. Předpokládám, že většina z vás neměla fyziku a matematiku v takové oblibě jako já (tedy já je měl rád alespoň do doby, dokud jsem vnímal jejich návaznost na skutečný život), a tak se pokusím vše maximálně zjednodušit.

Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek
Audi R8 e-tron je nejnovější elektrickou chloubou

V představení většiny chystaných elektromobilů obvykle najdeme nejen jejich výkon, ale i množství energie uložené v akumulátorech. Např. nedávno představené Audi R8 e-tron skýtá ve svých akumulátorech kapacitu 53 kWh. Těm méně bystrým toto číslo neřekne vůbec nic a budou věřit automobilce udávanému dojezdu 250 km na nabití, ti bystřejší si pak snadno spočítají, že tato zásoba dokáže po jednu hodinu živit odběr motoru ve výši 53 kW, popř. po půlhodinu živit odběr ve výši 106 kW atp. Vzhledem k téměř stoprocentní účinnosti elektromotoru si z toho lze snadno spočítat, kolik kinetické energie zvládne taková zásoba vozu dodat, ale jak se toto číslo jeví ve srovnání s dnešními auty?

To už jsou složitější počty, neboť zásobárna paliva - nádrž a litry benzinu či nafty - má k údaji o dostupných kilowatthodinách dost daleko. Abychom se jim přiblížili, je třeba použít údajů o výhřevnosti a hustotě paliva a vše pak dostat do stejných jednotek jako v případě akumulátorů. Výpočet vypadá následovně.

Východiska:

Výhřevnost benzinu: 42,7 MJ/kg
Výhřevnost nafty: 41,9 MJ/kg 
Hustota benzinu: 725 kg/m3
Hustota nafty: 840 kg/m3 

Joule (J) = [kg*m2/s2]
Watt (W) = [J/s]
1 MJ =  0,2778 kWh

Energie je schopnost konat práci, měříme ji v Joulech (J), kilowathodinách (kWh).
Práce (mechanická) se projeví změnou energie v pohyb tělesa, má stejné jednotky jako energie.
Výkon vyjadřuje množství práce vykonané za jednotku času, základní jednotkou je Watt (W).

Měrná kapacita zdrojů energie:

Zdroj energieVýhřevnost/kgHustotaVýhřevnost/lEnergie/lEnergie/kg
Benzin42,7 MJ/kg725 kg/m330,96 MJ/l8,60 kWh/l11,86 kWh/kg
Nafta41,9 MJ/kg840 kg/m335,20 MJ/l9,78 kWh/l11,64 kWh/kg

 
Celková kapacita akuHmotnost aku
 

 

Li-ion baterie (Audi R8 e-tron)53 kWh550 kg
 

 
0,0963 kWh/kg

 

Z uvedeného je patrné, že např. benzin skýtá při výhřevnosti 42,7 MJ/kg a hustotě 725 kg/m3 energii ve výši 8,60 kWh na litr nebo 11,86 kWh na kilogram.

Pokud si vedle toho postavíme akumulátory, které automobilky dnes do aut montují, tedy lithio-iontové, bavíme se obvykle o kapacitě o 0,1 kWh na kilogram. A to je ohromný rozdíl, konvenční paliva skýtají ve stejné hmotnosti stokrát více energie.

Již zmíněný produkční elektromobil Audi R8 e-tron (a to je absolutní špička nových elektromobilů) tak má v neskutečných 550 kilogramech baterií pouhých 53 kWh energie (to znamená jen 0,096 kWh na kilogram), což odpovídá necelým pěti kilogramům benzinu.

Pro lepší představu budu dále používat v případě konvenčních paliv litry, které si každý umí lépe představit dle velikosti nádrží, ceně u čerpacích stanic a dalším notoricky známým údajům. Více než půltuna baterií v Audi R8 e-tron tak odpovídá pouhým šesti litrům natankovaného benzinu nebo nafty. Nechci nyní naštvat ekology, ale právě na tomto srovnání je vidět, jak fantastickým zdrojem energie fosilní paliva jsou.

Pozn.: Pokud jste ani výše nastíněný výpočet nepochopili, nemusíte číst dále. Pro porozumění dění kolem vás si ve zbytku života vystačíte s Leninovou rovnicí: elektrifikace + moc sovětů = komunismus.

Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek
R8 e-tron jezdí a nepochybujeme o tom, že skvěle. Ale jak dlouho?

Rozdílná účinnost motorů mění situaci, ale ne příliš

Zmíněné rozdíly jsou tak extrémní, že byste se mohli divit, že se nějaký elektromobil vůbec rozjede. Věc ale není tak jednoduchá a výše zmíněné je pouze východiskem pro další počty. Jak již bylo zmíněno, elektromotor mnohem efektivněji vytváří z uložené energie kinetickou (hovoří se obvykle o 90 % účinnosti), a tak si pro stejné množství muziky vystačí i s mnohem menším množstvím výchozí energie než spalovací motor (zde se hovoří o účinnosti okolo 30 procent u benzinového a 35 procent u naftového motoru, jakkoli se čísla motor od motoru mohou lišit).

Abychom si tak obě zásobárny energie mohli porovnat z hlediska praktického využití, je třeba říci, kolik kinetické energie je možné z kilogramu baterií a litru paliva přibližně získat. Zavedu tedy z vědeckého hlediska nesprávný termín „efektivní energie”, který řekne, jaké množství kinetické energie je s ohledem na účinnost toho kterého motoru možné vytvořit z litru paliva či kilogramu nabitého akumulátoru.

Výpočet následuje, předem ovšem zdůrazňuji, že je to výpočet obecný a orientační a nelze jej vztáhnout pro každé auto a každý styl řízení. Možná jste již zažili, že při jízdě se dvěma vozy stejné koncepce, podobné hmotnosti a obdobného zpřevodování jedete nerozdílným stylem s dramaticky odlišnou spotřebou. Důvodem je, že každý motor bude optimalizován pro jiný jízdní styl (tedy pro jiné otáčky) a při tom vašem jeden pracuje účinněji a druhý méně. Následující výpočet počítá s jednou průměrnou účinností pro všechny motory stejného typu.

Východiska:

Měrná kapacita zdrojů energie (viz Tabulka 1)
Účinnost zážehového motoru: 30 %
Účinnost vznětového motoru: 35 %
Účinnost elektromotoru: 90 % 

„Měrná kapacita efektivní energie“ (přibližná):

Zdroj energieÚčinnost motoruEfektivní energie/lEfektivní energie/kg
Benzin0,302,58 kWh/l3,56 kWh/kg
Nafta0,353,42 kWh/l4,07 kWh/kg
Li-ion baterie (Audi R8 e-tron)0,90
 
0,87 kWh/kg

 

Výpočet je tentokrát triviální a vyplývá z něj, že z litru benzinu dokážeme získat přibližně 2,58 kWh pohybové energie, z litru nafty 3,42 kWh a z kilogramu akumulátoru Audi R8 e-tron 0,087 kWh. Rozdíl to tedy již není stonásobný, ale pouze přibližně třicetinásobný, což ovšem nezní o mnoho lépe.

Vraťme se k praktickým příkladům: z hlediska využitelnosti při jízdě tak 550 kg nabitých akumulátorů Audi R8 e-tron odpovídá 20,5 litrům benzinu anebo jen 15,5 litrům nafty.

Na věc můžeme pohlédnout též z opačné strany - šedesátilitrová nádrž srovnatelného Porsche 911 skýtá 154,8 kWh efektivní-pohybové energie, půtunová armáda baterek R8 e-tron 47,7 kWh. A dodejme: oněch 154 kilowatthodin v Porsche váží nějakých 43 kilogramů. Kdyby Audi R8 chtělo nabídnout tutéž kapacitu, muselo by mít akumulátory o hmotnosti 1 784 kilogramů.

Podívejme se na energii ukládanou v jednotlivých zdrojích podrobněji.

Východiska:

Měrná kapacita zdrojů energie (viz Tabulka 1)
Objem palivové nádrže Audi A4 3,0 TDI: 62 l
Objem palivové nádrže Porsche 911 Carrera S: 60 l
Hmotnost a kapacita akumulátorů Audi R8 e-tron: 550 kg, 53 kWh
Hmotnost a kapacita akumulátorů VW Golf Blue-e-motion: 315 kg, 26,5 kWh

Energie ukládaná v nádržích resp. akumulátorech a hmotnost na 1 kWh energie

Energie v nádrži konvenčního autal palivakg palivaUložené kWh (výchozí energie)Uložené kWh (efektivní energie)Hmotnost na 1 kWh efektivní energie (kg)
Audi A4 3,0 TDI6252,08606,15212,150,25
Porsche 911 C2S6043,5515,96154,790,28
Energie v akumulátorech elektromobilů
kg aku


Audi R8 e-tron-5505347,711,53
VW Golf blue-e-motion-31526,523,8513,21

 

Hmotnost teoretické „akumulátorové náhrady“ nádržekg Li-Ion aku
Audi A4 3,0 TDI, 62 litrů nafty2446,22
Porsche 911 C2S, 60 litrů benzinu1784,76

Z tabulky je jasně patrné, že kvůli jedné kWh efektivní energie stačí mít v konvenčím autě zdroj v podobě benzinu nebo nafty o hmotnosti ani ne 300 gramů. Naproti tomu v elektromobilu musíte mít přes 11 kilogramů akumulátorů. S podobným poměrem se pak naftové auto s velkou nádrží jeví být jako pojízdná jaderná elektrárna - uvedená A4 3,0 TDI koncentruje ve své nádrži plných 212 kWh efektivní energie, alternativou by v případě elektrického pohonu muselo být neskutečných 2,5 tuny akumulátorů. Stále věříte ve světlou budoucnost elektromobilů?

V průběhu psaní tohoto článku mi nahrálo opět Audi představením v brzku produkční A1 e-tron, ke které si nemohu odpustit krátký komentář. Vůz již není ryzím elektromobilem, ale hybridem ve stylu Chevroletu Volt. K pouhým 12 kWh kapacity 150 kg akumulátorů přidává generátor v podobě Wankelova motoru s dvanáctilitrovou nádrží benzinu. Pokud u moderního Wankelu předpokládáme stejnou účinnost jako u běžného pístového benzinového motoru (30 %), pak jeho 70 kg spolu s 9 kg benzinu znamená ekvivalent 31 kWh uložených v akumulátorech. Tedy 79 kg motoru a nádrže = 387,5 kg akumulátrů (v měřítcích Audi A1 e-Tron). A kdyby snad konstruktéři palivovou nádrž pro Wankel zvětšili na dvojnásobek (a dalších 9 kg nepoznáte ani v A1), pak by rázem měli k dispozici 62 kWh. Nebo by do vozu mohli dát 36 litrů paliva a měli by 93 kWh. A rovnou by mohli ubrat pár desítek kilogramů akumulátorů a celková bilance by byla pořád lepší. Aha, ale to už by pak nebyl ten správný „ekologický elektromobil”...

Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek
Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek Klepněte pro větší obrázek 
Audi A1 e-tron nakonec není elektrické, ale hybridní a v plné nahotě ukazuje úskalí současných možností ukládání elektrické energie
Následující kapitola
Peugeot 3008 1.598
Rok výroby: 2010
Stav: 221 092 km
Cena: 100 000 Kč
Peugeot 508 1.997
Rok výroby: 2014
Stav: 153 982 km
Cena: 270 000 Kč
Peugeot 308 1.56
Rok výroby: 2011
Stav: 162 415 km
Cena: 115 000 Kč
Test novinky Optima SW: Jak si Kia poradila s kombi střední třídy?

Test novinky Optima SW: Jak si Kia poradila s kombi střední třídy?

Na jaře tohoto roku byla na autosalonu v Ženevě odhalena Optima Sportswagon, kterou korejská automobilka hrdě označuje za své první kombi střední třídy. My měli možnost ji otestovat ve sportovně laděné variantě GT Line. Jak obstála?

29.  11.  2016 | Stanislav Kolman | 31 příspěvků
Vyladěno na správných místech. Test Subaru WRX STi verze 2016

Subaru WRX STi 2016

Jízdy s kultovním sedanem WRX STi prokázaly, že značka umí vozy průběžně dolaďovat v souladu s dobou i přáními jejích zákazníků.

13.  11.  2016 | Radek Pecák | 25 příspěvků
Test Audi A3 Sportback 1.6 TDI - Nečekaně prostorná krasavice

Audi A3 Sportback 1.6 TDI

Faceliftovaná Audi A3 Sportback nabídne opravdový luxus a pohodlí, za což si však automobilka nechá řádně zaplatit. Stojí tato krasavice skutečně za takovou investici? Podívali jsme se na zoubek exempláři s motorem 1.6 TDI.

2.  11.  2016 | Stanislav Kolman | 14 příspěvků