Benzină/motorină: densitate mare de energie cu o masă redusă
Pentru a înțelege de ce benzina și motorina au fost sursele de energie preferate pentru automobile este suficient să privim câteva valori: 40 de litri de combustibil sunt suficienți pentru a parcurge o distanță de 600 km, iar mașina poate fi alimentată în doar 3 minute cu carburantul care cântărește numai 33 kg. Combustibilul este ieftin pentru că materia primă, petrolul, încă este extras din pământ în cantități enorme. Etapele de transformare a țițeiului în motorină rafinată și benzină sunt deja consacrate și ieftine. Cu alte cuvinte, cea mai scumpă componentă a combustibililor convenționali sunt taxele pe care statul le impune asupra lor.
Noile motoare termice sunt „curate“, dar problema e CO2-ul
Deși pare ciudat după celebrul scandal al emisiilor, substanțele poluante emanate astăzi de motoarele cu combustie internă sunt mai mult decât impresionante. Complexele filtre și convertorii catalitici lucrează de multă vreme pentru a elimina hidrocarburile și monoxidul de carbon din gazele de eșapament. Chiar și pentru păcătosul oxid de azot s-a găsit o soluție, prin utilizarea catalizatorului SCR cu injecție de uree, iar antidotul funcționează foarte bine. Noile motoare Euro 6d-Temp rulează aproape fără emisii de NOX, iar uneori, chiar evacuează mai puține particule decât conține aerul aspirat de admisie – după cum au arătat măsurătorile auto motor und sport. Motoarele actuale sunt atât de „curate“, încât problema poluării din orașe va fi rezolvată chiar de acestea în câțiva ani, pur și simplu prin modernizarea flotelor actuale.
Și atunci, dacă lucrurile stau atât de bine, de ce nu ne bazăm în continuare doar pe aceste tehnologii, până când rezervele de petrol se vor epuiza, iar prețul combustibilului va deveni prohibitiv? Atunci, alternativele vor deveni competitive din lipsă de alternative și nu vor avea nevoie de subvenții de milioane de euro. Răspunsul îl știm cu toții deja și are legătură cu faptul că arderea combustibililor care conțin carbon duce la degajarea de dioxid de carbon – un gaz non-toxic, dar care a dus la schimbările climatice pe care le trăim astăzi. Pentru că, pe măsură ce atmosfera Pământului devine mai bogată în dioxid de carbon, căldura degajată de Soare nu mai „scapă“ înapoi în spațiu, încălzind astfel planeta. Și fiindcă progresul umanității s-a bazat foarte mult pe arderea de combustibili fosili, eliminarea lor din sistem este un lucru dificil.
Flota auto din 2030: fiecare a doua mașină e construită deja
Deși mulți producători au anunțat deja că nu vor mai produce motoare diesel sau pe benzină, motorul cu combustie internă va rămâne sursa dominantă de propulsie pentru automobile mulți ani de-acum încolo. Pentru că jumătate din mașinile care vor circula pe străzi în 2030 au fost deja produse, iar marea lor majoritate au motoare cu combustie internă. Însă chiar și acestea pot deveni mai prietenoase cu mediul înconjurător, prin utilizarea unei cantități mai mari de combustibili regenerabili.
În cazul motorizării diesel, cantitatea de energie necesară pentru un parcurs de 600 km cântărește doar 33 kg, iar într-un rezervor plin intră 43 kg. Lucrurile stau similar și în privința benzinei. Situația devine cu totul alta în cazul unei mașini electrice, a cărei baterie este de 20 de ori mai grea, ajungând la 840 kg. Un sistem de propulsie cu pilă de combustie folosește doar 6 kg de hidrogen pentru 600 km, care este stocat în stare gazoasă și are nevoie de un rezervor de 250 de litri.
Automobilul electric are un avantaj în privința emisiilor de CO2. Un Hyundai Kona consumă în medie 15,2 kWh/100 km, ceea ce înseamnă circa 72 g CO2/km. Kona cu motor diesel sau pe benzină emite 129, respectiv 139 g.
Hidrogen: emisii reduse de CO2 și alimentare rapidă
Astăzi, hidrogenul este produs în principal din gaz natural, utilizând reformarea catalitică a metanului cu abur. În viitor însă, electroliza alimentată cu energie electrică obținută din surse regenerabile ar putea fi o alternativă mai ecologică. Cea mai mare uzină în care hidrogenul este produs prin electroliză se află în Mainz și are o capacitate de 1000 m3/h. Procesul de producție este foarte simplu: curentul electric separă apa în hidrogen și oxigen. Practic, e o reacție inversă celei care are loc în pila de combustie, unde hidrogenul stocat la bord reacționează cu oxigenul atmosferic și, astfel, generează electricitate. În prezent, în lume sunt disponibile foarte puține mașini care folosesc pila de combustie pe post de generator de energie electrică. Toyota Mirai sau Hyundai Nexo, de pildă, pot fi cumpărate de clienții din Germania, însă lipsa infrastructurii le-a ținut deocamdată departe de piața din țara noastră. Un alt aspect care limitează succesul acestor automobile este prețul mare, de 70.000–80.000 de euro, dar și faptul că au o disponibilitate limitată. Și Audi, BMW și Daimler lucrează la astfel de automobile, alături de alți furnizori de tehnologie, precum Bosch.
Timp de multe decenii, pila de combustie alimentată cu hidrogen (fuel cell sau F-cell) a fost considerată succesorul de drept al motorului cu ardere internă și o sursă de încredere pentru mijloace de transport nepoluante. Motivul pentru care ecologiștii o priveau cu atâta admirație era modul de funcționare, care combina hidrogenul stocat la bord cu oxigenul din atmosferă, iar produsul rezidual era doar apă. Această reacție produce electricitate, care e stocată într-o baterie-tampon, pentru ca apoi să fie utilizată la alimentarea unui motor electric. Sistemul nu generează alte gaze toxice sau substanțe otrăvitoare. Astfel, pila de combustie este un convertor de energie, spre deosebire de baterii, care stochează energia deja generată de alte surse.
O idee genială, însă nu foarte practică momentan
Există multe obstacole care trebuie însă depășite înainte de a putea vorbi despre o producție în mare serie. În primul rând, pilele de combustie, cu interiorul lor filigranat, încă au un cost de zeci de mii de euro, fiind construite manual, în condiții de laborator. Se fac eforturi mari pentru a dezvolta linii de producție care să îndeplinească toleranțele extrem de mici cerute de aceste tehnologii, așa că ne putem aștepta la o producție cu prețuri competitive la nivelul anului 2030.
Pe de altă parte, problematică este și generarea hidrogenului, care, momentan, nu e nici ieftină și nici prietenoasă cu mediul. Producția de H2 prin electroliză presupune un necesar ridicat de energie, ce ar putea fi utilizată mai eficient în alte scopuri – în loc să fie consumată pentru generarea de hidrogen, iar acesta să fie utilizat din nou pentru producerea curentului electric, e mai simplu ca energia să fie folosită direct pentru propulsarea automobilelor electrice. Pentru fiecare kilowatt-oră consumat, o mașină electrică parcurge o distanță de două ori mai mare decât utilizând o pilă cu hidrogen.
Așa că abia când hidrogenul va fi generat din excesul de energie electrică produsă din surse regenerabile, eficiența nu va mai fi importantă. Conform unor estimări, scenariul va deveni viabil doar când 70–80% din energia electrică va fi produsă prin metode prietenoase cu mediul (momentan, acest raport este de circa 40%). Atunci, în momentele de consum de redus ale rețelei, excesul de energie ar putea să fie direcționat către uzinele de electroliză.
În locul dieselului
Hidrogenul are cele mai mari șanse să devină noul combustibil de bază pentru transporturile grele, înlocuind dieselul. Vorbim de vehicule cu masă ridicată, care parcurg distanțe lungi, iar propulsia electrică cu baterii nu este o soluție viabilă deocamdată. Avantajul principal al hidrogenului este că, la fel ca în cazul vehiculelor cu motoare termice, alimentarea se poate face în stații și durează doar câteva minute. Însă, pentru asta, întreaga rețea de benzinării ar trebui să înceapă să distribuie și hidrogen – momentan, în Germania sunt disponibile doar 80 de stații de alimentare cu hidrogen, iar despre România, nici nu are rost să vorbim.
Mașina electrică: salvatorul silențios
Cei care se opun mobilității electrice folosesc frecvent ca argument metodele poluante și inumane prin care sunt extrase materiile prime precum litiul și manganul. În plus, producția de baterii emite în continuare o cantitate ridicată de CO2.
Aceste afirmații sunt corecte, însă nu suficiente pentru a condamna mobilitatea electrică, mai ales că nu trebuie uitat impactul pe care industria petrolului l-a avut asupra mediului înconjurător în ultimii 100 de ani, fie că vorbim despre dezastrele ecologice provocate de accidente și deversări intenționate, fie de războaiele care au avut ca scop controlarea rezervelor de petrol. În plus, studiile care se concentrează asupra emisiilor de CO2 generate în producția bateriilor se referă la unitățile de mari dimensiuni, din clasa de 100 kWh. Așa că automobilele cu acumulatori cu capacitate redusă au și o amprentă de carbon mai redusă în timpul producției. În orice caz, nu există niciun dubiu că, în timp, automobilele electrice vor deveni mult mai prietenoase cu mediul înconjurător. Cercetătorii și producătorii de baterii lucrează deja la metode de producție care limitează emisiile de bioxid de carbon, iar până în 2030, se preconizează că acestea vor fi reduse cu 50 de procente. În plus, constructorii de automobile se pare că au recunoscut importanța materiilor prime și își restructurează procesele de producție conform unor criterii etice mult mai stricte – pentru o mai mare siguranță a locurilor de muncă și o poluare mai redusă. Succesul acestor acțiuni se va vedea în anii care vor urma.
Discrepanța nici că ar putea fi mai mare: unii deja conduc de multă vreme o mașină electrică și nici nu mai concep altceva, în timp ce alții consideră electromobilitatea ca fiind o greșeală. Însă unele avantaje nu pot fi ignorate, cum ar fi eficiența foarte ridicată a unei mașini electrice. 90% din energia electrică stocată în baterii este transformată direct în lucru mecanic, nu în căldură, ca la motoarele termice.
Chiar dacă electricitatea nu provine integral doar din surse regenerabile, emisiile de CO2 pe kilometru sunt mai mici decât în cazul motorului cu combustie internă, așa cum o demonstrează comparația dintre cele trei Hyundaiuri Kona de la pagina 53. Iar situația devine mai bună cu fiecare nouă turbină eoliană instalată.
Avem suficientă energie electrică pentru automobile
Producția de energie electrică este suficientă. Chiar dacă toate automobilele din țara noastră ar deveni electrice peste noapte, consumul de curent ar crește cu doar 15%. În schimb, rețelele de distribuție ar trebui revizuite pentru a permite încărcarea concomitentă a mai multor mașini în același timp, deoarece conductorii din prezent nu au fost proiectați pentru asemenea cerințe.
În schimb, adevăratele obstacole sunt în altele: pentru a putea parcurge 600 km dintr-o bucată este necesară o energie de 120 kWh. O astfel de baterie cântărește în jur de 800 kg și, astfel, face mașina electrică foarte grea și scumpă. Pentru că, în cazul bateriilor cu capacități exprimate prin trei cifre, prețurile pornesc de la peste 80.000 de euro. În plus, încărcarea ne ține în loc, multe dintre stațiile din prezent oferind un maxim de 50 kW, așa că o pauză de încărcare pentru un parcurs de încă 300 km durează în jur de două ore. Tocmai de aceea, primele stații de încărcare de 350 kW vor fi construite pe autostrăzi, iar Tesla a realizat o rețea Supercharger de mare putere.
La fel de mari sunt și problemele ce țin de încărcarea lentă, casnică. Pentru cei care nu au locuri de parcare proprii cu o sursă de energie electrică, mașinile electrice ies momentan din discuție. Și din păcate, aceasta este situația majorității proprietarilor de automobile.
Electromobilitatea este un trend global
Mașinile electrice nu vor rămâne doar un fenomen temporar, pentru că această sursă de energie este mult mai ieftină decât alternative precum hidrogenul sau combustibilii sintetici, care sunt de două până la șase ori mai puțini eficienți. Acest avantaj nu poate fi ignorat, fiind și unul dintre motivele pentru care electromobilitatea este atât de promovată și apreciată la nivel global. Așa că, dacă poți încărca acasă și conduci rareori pe distanțe lungi, deja poți opta pentru o electrică, măcar ca a doua mașină. Prețurile de achiziție sunt tot mai atractive, statul oferă subvenții, iar întreținerea este ieftină, așadar, per total, mașinile electrice pot fi chiar mai convenabile decât cele cu motoare termice.
Combustibili sintetici: practici, dar (încă) prea scumpi
În procesul energie-în-lichid, energia din surse regenerabile este utilizată pentru producerea de combustibili în stare lichidă (e-combustibili). Pentru acest proces, apa e mai întâi desfăcută în cele două elemente componente, hidrogen și oxigen, prin electroliză. Apoi, hidrogenul este combinat cu bioxid de carbon degajat de uzine sau preluat din atmosferă și transformat în gaz sintetic, printr-un proces în două etape. După aceea, gazul e transformat într-un petrol sintetic, folosind procesul Fischer-Tropsch.
Produsul rezultat este procesat în rafinării și transformat în motorină, benzină, ulei diatermic sau kerosen. Pentru că fiecare dintre aceste etape consumă energie, randamentul întregului lanț de producție scade considerabil. În plus, un litru de motorină sintetică ar avea un preț de 4,5 euro în acest moment. Doar o creștere considerabilă a capacităților de producție ar putea să reducă acest cost la 2,3 euro/litru până în 2030 – un cost care rămâne însă mai ridicat decât al combustibililor fosili.
La o primă vedere, combustibilii regenerativi fac ca toate celelalte surse de energie să pară învechite. Pentru că, în teorie, atunci când sunt produși carburanții bio, aceeași cantitate de CO2 utilizată pentru sintetizarea lor va fi degajată prin ardere, formând astfel un circuit închis. În plus, combustibilii sintetici ar putea fi utilizați de motoarele diesel și pe benzină deja existente, fiind necesare doar mici ajustări. Practic, toate studiile pentru dezvoltarea pilelor de combustie și a superbateriilor ar putea fi stopate imediat, mai ales că rețeaua de distribuție pentru acești combustibili există deja. Din păcate, lucrurile nu sunt atât de simple pe cât par.
Combustibili sau hrană? Biocarburanții au dezavantaje
În principiu, există două tipuri de combustibili sintetici, cei bazați pe biomasă, precum uleiul de rapiță, uleiul de palmier, alge sau bioreziduuri, și cei produși din apă utilizând electricitate și CO2, așa-numiții e-carburanți. Ambele categorii au atât avantaje, cât și dezavantaje – în cazul combustibililor bio, materia primă concurează cu producția alimentară, sunt necesare suprafețe mari de terenuri arabile, ceea ce în unele țări poate limita producția de cereale și ridica astfel prețul acestora. În unele țări, păduri seculare au început să fie tăiate pentru a elibera terenul necesar cultivării biocarburanților, o acțiune care arată de ce această sursă de energie nu ar mai trebui să fie susținută. Algele și reziduurile bio nu concurează cu mâncarea, însă cantitatea de combustibil obținută astfel este mult prea mică. Chiar și cele mai optimiste studii vorbesc despre un potențial maxim de 10% din consumul total.
Problema eficienței despre care am vorbit în cazul pilei de combustie revine și la e-combustibili și este chiar mai severă în acest scenariu. Hidrogenul este generat prin electroliză, desfăcând apa în H2 și O2 sub acțiunea curentului electric. Apoi, prin alte câteva etape cu un consum ridicat de energie, hidrogenul și dioxidul de carbon pot fi transformate din nou în combustibili lichizi, care ulterior sunt transformați în benzină, motorină și kerosen sintetic, în rafinării. Cu atât de multe conversii, eficiența coboară drastic – în comparație cu o mașină propulsată de o pilă de combustie, cele alimentate cu combustibili sintetici pot parcurge o treime din distanță cu aceeași cantitate de energie și de șase ori mai puțin față de automobilele electrice cu baterii. Însă și aici, argumentul mașinilor alimentate cu hidrogen ar putea deveni viabil în viitor, cu o sursă de energie complet regenerabilă eficiența redusă nemaifiind un dezavantaj major. Așa că, în 10–15 ani, problema excesului de dioxid de carbon ar putea fi rezolvată de combustibilii sintetici.
Motorul termic devine ecologic la bătrânețe
Un avantaj major al combustibililor sintetici este că pot fi adăugați în componența combustibililor fosili fără a genera alte probleme. Acest lucru se întâmplă deja, benzina denumită E10 având un conținut de 10% etanol, iar motorina B7, 7% biodiesel. În viitor, am putea vedea un conținut din ce în ce mai mare de combustibili sintetici în carburanții de la pompă, aspect care va reduce amprenta de carbon a mașinilor cu motoare termice, sperând că și cantitatea de energie regenerabilă utilizată la producerea acestora va crește și ea.
Gaz natural/GPL: mai ecologic, însă nepopular
Înainte de toate, o clarificare! În timp ce în țările din Vest, precum Germania, este mai popular gazul natural comprimat (GNC), în România GPL-ul este la putere. În țara noastră, stațiile de GPL au o răspândire foarte mare, iar acest combustibil are un preț cu 40% mai mic decât benzina. Popularitatea acestei soluții se datorează și faptului că automobilele cu motoare pe benzină pot fi convertite ușor ca să funcționeze pe GPL, iar unii producători chiar oferă versiuni care dispun de sisteme GPL – de exemplu, Dacia a lansat recent și un Duster 1.0 TCe alimentat cu gaz petrolier lichefiat. Deși instalațiile GPL aftermarket au prețuri care pornesc de la mai puțin de 2000 de lei și urcă dincolo de 4000 pentru sisteme mai performante sau chiar mai mult în cazul automobilelor cu motoare mai complexe, prețul redus al combustibilului permite o amortizare rapidă a investiției, mai ales în cazul celor care fac rulaje mari. De aceea, GPL-ul este, de exemplu, combustibilul ales de majoritatea taximetriștilor.
Pentru că GNC și GPL sunt combustibili fosili, de multe ori sunt omise avantajele pe care aceștia le oferă în privința reducerii emisiilor de CO2. Gazele naturale extrase din subteran au o concentrație ridicată de metan (CH4), acesta conține mult hidrogen și puțin carbon, iar automobilele alimentate cu GNC degajă cu 25% mai puțin CO2 decât cele alimentate cu benzină. În plus, gazele au în general o ardere mai curată, combustia acestora negenerând la fel de multe particule ca benzina sau motorina. GPL este un produs al rafinăriilor de petrol care devine lichid chiar și la presiuni joase și astfel poate fi transportat mai ușor. Echiparea mașinilor mai vechi cu sisteme GPL duce la emisii de CO2 reduse cu 15% față de funcționarea cu benzină. În ciuda acestor avantaje, accizele pentru GPL vor crește treptat, până vor ajunge comparabile cu cele aplicate combustibililor lichizi. Totuși, potențialul de reducere a emisiilor de CO2 pe care îl oferă acești combustibili nu trebuie neglijat – mai ales în cazul GNC-ului, care ar putea fi îmbogățit cu metan obținut din surse de energie regenerabilă.
CONCLUZIE: Primul pas este mașina electrică, apoi pila de combustie și combustibilii sintetici
Dacă privim alternativele la benzină și motorină, doar mașinile electrice pot ține pasul în viitorul apropiat. Autonomia oferită de ele este decentă în toate categoriile de prețuri, iar cele mai ieftine reprezintă o ofertă demnă de luat în calcul, mulțumită și subvențiilor acordate de stat. Producătorii sunt și dependenți de succesul mașinilor electrice, pentru că altfel ar trebui să plătească milioane de euro penalizări pentru emisiile mari. Electricitatea rămâne și la baza generării de hidrogen pentru pilele de combustie sau de combustibili sintetici pentru automobilele convenționale. Comparată cu celelalte alternative, mașina electrică parcurge cea mai lungă distanță pentru fiecare kilowatt-oră utilizat. Cel mai ridicat nivel de eficiență va rămâne însă un argument puternic al motoarelor cu combustie internă și în viitor. În plus, mașinile electrice încă nu sunt viabile pentru toate nevoile de transport. De exemplu, în cazul vehiculelor grele, care parcurg distanțe lungi, pauzele frecvente și lungi pentru alimentare nu sunt o opțiune. Iar motoarele termice ale prezentului au devenit oricum atât de curate, încât ar putea să rezolve problema poluării din orașe. Producția de hidrogen și combustibili sintetici va deveni și ea o opțiune odată cu creșterea cantității de surse de energie regenerabilă, care altfel nu ar putea să fie stocată. Însă aceste scenarii ar putea deveni realitate abia după 2030, iar până atunci, nu putem lua în calcul niciuna dintre cele trei surse de energie din cauza eficienței foarte scăzute. Așa că principalul obiectiv rămâne producerea de energie electrică regenerabilă, care nu ar face doar mașinile electrice mai ecologice, dar ar asigura și evoluția unor alternative mai potrivite pentru circulația pe distanțe lungi. Schimbarea adevărată va veni doar când se va produce o tranziție serioasă către sursele de energie regenerabilă.
