Deník Zdopravy.cz přináší další z řady článků uznávaného odborníka na mobilitu a dopravního vizionáře Jiřího Pohla, který se už podruhé zaměřuje na budoucnost nákladní dopravy. „Ve srovnání se snahou vytvořit bezemisní nákladní automobil pro dálkovou dopravu je řešení dálkové nákladní dopravy cestou multimodální mobility mnohem reálnější,“ píše Pohl. Podle něj nemá logiku používat elektrické nákladní automobily pro dálkové jízdy, dopravovaly by více akumulátorů než užitečné zátěže. V širším pojednání dostává prostor i vodík.

Nákladní doprava – díl druhý

Sňatek z rozumu

Téma nákladní dopravy je poměrně rozsáhlé, proto si vyžádalo rozdělení na více dílů (první díl byl publikován 20. 9. 2021). To se však zároveň ukázalo být výhodou, neboť lze v dnešním textu reagovat na některé připomínky a návrhy čtenářů z diskuse pod textem prvého článku. Ta byla opět velmi bohatá, kultivovaná a konstruktivní. Děkuji všem účastníkům diskuse za zpětnou vazbu, je velmi potřebná a užitečná.

Oblíbený bonmot, že nákladní vlaky nemají, na rozdíl od vlaků osobní přepravy, volební právo, se sluší doplnit o konstatování, že i přesto existuje nemálo osvícených lidí, kteří nákladní dopravě opravdu rozumí a pozitivně ji rozvíjejí ku prospěchu lidské společnosti. Respektive lidí, kteří vnímají dopravu jako celek.

Energetická náročnost dopravy

Častým tématem diskuse pod textem minulého článku byla energetika dopravy. Ano, to je klíčové. Nežádoucí vedlejší účinky intenzivního spalování fosilních paliv všech skupenství vedly již před šesti lety (na konferenci v Paříži v prosinci roku 2015) světovou politickou reprezentaci k rozhodnutí zastavit oteplování Země na hodnotě 1,5 až 2 °C. Na základě podrobných analýz k tomu následně dopočetla Světová energetická agentura IEA, že k naplnění tohoto cíle je nutno nejpozději do roku 2050 přestat spalovat uhlí, ropné produkty i zemní plyn. Nejde tedy o rozhodnutí vedení EU, jak někdy bývá z neznalosti i mnohými politiky říkáno, ale svobodné rozhodnutí téměř 200 svrchovaných zemí světa včetně ČR, které tento závazek dobrovolně přijaly.

Nejen český průmysl (s 44% podílem fosilních paliv na spotřebě energie), elektrárenství (s 51% podílem fosilních paliv na spotřebě energie), teplárenství (s 89% podílem fosilních paliv na spotřebě energie) či domácnosti (s 37% podílem fosilních paliv na spotřebě energie), ale i česká doprava (s 93% podílem fosilních paliv na spotřebě energie) má posledních 29 let (2022 až 2050) k tomu, aby se naučila existovat bez fosilních paliv a vytvořila si svoji novou budoucnost. A to takovou, která bude udržitelná nejen z hlediska energetiky, emisí a klimatu, ale i z hlediska ekonomického a sociálního. Neboť i udržitelná ekonomika a udržitelné sociální vztahy jsou nutnou součástí udržitelného rozvoje.

Základním nástrojem k naplnění těchto hodnot je lidská práce, neboť i ta je udržitelným a obnovitelným zdrojem.

Finanční nástroje

K Pařížské dohodě přistoupily a z ní plynoucí závazek přestat do roku 2050 požívat fosilní paliva přijaly všechny státy EU (včetně ČR) jednotlivě. S ohledem na společný evropský trh však řeší plnění tohoto svého individuálního závazku všechny státy EU společně. Využívají k tomu dva finanční nástroje – emisní povolenky EU ETS a nově i taxonomii.

Emisní povolenky EU ETS již účinně fungují, jejich tržní cena vzrostla z původní hodnoty kolem 5 EUR/t CO2 na dvacetinásobek, a vedou k dekarbonizaci odvětví, na které se již vztahují (elektrárenství, teplárenství, průmysl).

Nyní je připravováno zavedení systému emisních povolenek i pro domácnosti a dopravu, a to prostřednictvím zpoplatnění distributorů fosilních paliv. Bude vytvořen samostatný obchodní systém. Pro rok 2025 je navrhována výchozí cena emisní povolenky pro domácnosti a dopravu v úrovni zhruba 30 až 40 EUR za jednu tunu oxidu uhličitého. To zatíží cenu ropné nafty s produkcí 0,265 kg CO2/litr částkou cca 2,40 Kč/litr a dopravu v ČR jako celek částkou zhruba 17 mld. Kč/rok. Tento výnos bude využit k podpoře bezemisních technologií.

Podstatné je, že počínaje rokem 2026 bude objem vydávaných emisních povolenek postupně snižován lineárním redukčním faktorem 5,15 %/rok. V závislosti na cenové elasticitě tržní poptávky bude růst tržní cena emisní povolenky (a spolu s tím i cena fosilních paliv) tak, aby prodej fosilních paliv a s jejich používáním spojené emise oxidu uhličitého klesaly požadovaným tempem, tedy o 5,15 % ročně. To je v kontrastu s dosavadním růstem spotřeby fosilních paliv v dopravě, který až do roku 2019 (před pandemií) činil v ČR každoročně kolem 3,5 %.

V roce 2050 již žádné emisní povolenky emitovány nebudou, domácnosti ani doprava již nebudou mít k dispozici fosilní paliva.

To je realita, na kterou je potřeba se v dopravě připravit. Na základě zkušeností z oborů, ve kterých již systém obchodování s emisními povolenkami působí (elektrárenství, teplárenství a průmysl) je zřejmé, že se spotřebitelům fosilních paliv více vyplatí proaktivně investovat do úspor energie a do náhrady fosilních paliv obnovitelnými zdroji, než nadále potřebovat fosilní paliva a přispívat formou nákupu emisních povolenek na inovativní investice těm, kteří tak činí.

Slepé uličky

Doprava v ČR ročně spotřebuje 79 TWh energie (referenční hodnota roku 2019, ještě neovlivněná pandemií Covid 19), a to ve struktuře:
• 73 TWh/rok fosilní paliva (ropné produkty a zemní plyn),
• 4 TWh/rok biologická paliva (pěstovaná na 326 000 ha zemědělské půdy),
• 2 TWh/rok elektrická energie.

Základní úlohou pro obor dopravy je zajistit v ČR v roce 2050 kvalitní mobilitu osob a věcí i bez energie předmětných73 TWh/rok fosilních paliv. Řešení ponechat dopravu, včetně jejích dopravních prostředků, ve stávajícím stavu a jen nahradit nynější množství fosilní energie biopalivy, by v ČR znamenalo roční spotřebu biopaliv pro dopravu v celkové úrovni 77 TWh/rok. To by vyžadovalo pěstovat v ČR biopaliva na orné půdě o rozloze 6 266 000 ha, což je 209 % celkové rozlohy orné půdy v ČR (cca 3 000 000 ha), respektive 80 % celkové plochy území ČR (7 886 000 ha). To nejsou reálné hodnoty, tudy cesta nevede. Pole jsou v ČR schopna nasytit její obyvatele, nikoliv však jejich automobily.

Příčinou této reality jsou tři objektivní fyzikální skutečnosti, spojené s technologií biopaliv: nízká účinnost přeměny energie slunečního záření na energii biopaliv (cca 0,11 %, jde o zastaralou technologii minulého století), nízká účinnost spalovacích motorů (dokážou přeměnit na mechanickou práci sotva 1/3 energie paliva a neumí rekuperovat brzdnou energii) a extrémně vysoká energetická náročnost automobilů (vysoký valivý odpor pneumatik, vysoký aerodynamický odpor krátkých tlustých vozidel).

Snížení energetické náročnosti dopravy

Odpovědnost za zajištění mobility osob a věcí i po roce 2050 (bez fosilních paliv) proto logicky vede v prvé řadě k zásadnímu snížení měrné energetické náročnosti dopravy (kWh/os km, respektive kWh/netto tkm), což je úloha pro sektor dopravy, a dále pak k náhradě fosilních paliv udržitelnými zdroji energie, což je úloha pro sektor energetiky.

Ke snížení měrné energetické náročnosti dopravy (respektive ke zvýšení energetické účinnosti dopravy) vedou v zásadě dvě cesty:

• intramodální úspory, dosažitelné v rámci téhož druhu dopravy (typicky náhrada pohonu spalovacím motorem elektrickým trakčním pohonem s 2,5krát vyšší energetickou účinností),

• extramodální úspory, dosažitelné převedením příslušné přepravy z energeticky náročného druhu dopravy na energeticky úsporný druh dopravy (typicky náhrada silniční dopravy dopravou kolejovou s 3krát vyšší energetickou účinností).

Tyto nástroje je rozumné efektivně využít. Ideálně ve vzájemném součinu, tedy při převodu naftové silniční dopravy na elektrickou kolejovou dopravu s 2,5 x 3 = 7,5krát vyšší energetickou účinností (a technicky vyřešeným liniovým elektrickým napájením) s převodem silniční naftové dopravy na elektrifikovanou. Související zhruba 87% úspora energie je logickým důvodem ukotvení tohoto nástroje bez jakýchkoliv pochybností v dokumentu EU Green deal (převedení 75 % nákladní dopravy ze silnice na železnici do roku 2050).

Docílení tak významných extramodálních úspor energie a emisí při převodu silniční dopravy na elektrickou železnici vyžaduje splnění dvou základních podmínek:

• elektrická železnice musí motivovat cestující i přepravce ke změně jejich dopravního chování, a to vyšší atraktivitou (rychlostí a kvalitou) přepravní nabídky,

• elektrická železnice musí mít kapacitu k tomu, aby byla schopna převzít a kvalitně zajistit zvýšenou přepravní poptávku.

Vyšší cíle pro dopravu

Avšak samotné snížení energetické náročnosti dopravy a odstranění její závislosti na fosilních palivech nejsou jediným cílem pří náhradě extenzivní a neefektivní dopravy minulosti moderní bezemisní udržitelnou multimodální mobilitou. Přirozenou nutností je naplnění širších cílů dopravy:

• zvládnout to, co automobily nedokázaly, na co jsou příliš pomalé a neefektivní, a to zapojit celou plochu území státu do společného systému tvorby a spotřeby hodnot. Nelze se smířit s tím, že v kontrastu s vytrvalým růstem bohatství centra státu jeho okrajové oblasti postupně chudnou (dosahují sotva třetinové hodnoty produkce HDP na osobu),vylidňují se a přicházejí tím o největší bohatství lidské společnosti: o mladé rodiny. Řešení existuje v podobě náhrady extenzivně rostoucí monocentrické struktury osídlení zdravou polycentrickou strukturou osídlení. Nutnou podmínkou ke vzniku polycentrické struktury osídlení je funkční vysokorychlostní dálková (meziregionální) doprava. Rychle a v pravidelném krátkém taktu propojující centrum s kraji i kraje se sousedními zahraničními regiony,

• zásadním způsobem snížit zatížení obyvatelstva i životního prostředí negativními externalitami dopravy. Odklonem od používání spalovacích motorů je reálné v krátké době zcela odstranit z ovzduší zdraví škodlivé látky produkované dopravou (karcinogenní a mutagenní oxidy dusíku NOx, polyaromatické uhlovodíky PAH a jemné prachové částice PM). S plnou vážností je potřeba vnímat, že zejména ve městech, tedy tam, kde v ČR trvale žije 70 % obyvatelstva, a další lidé do měst denně dojíždějí, má doprava až 90% podíl na znečištění ovzduší. Přitom znečištění ovzduší způsobuje v ČR zhruba 10krát vyšší poškození lidského zdraví než dopravní nehody,

• humanizace měst – návrat veřejných ploch lidem (v podobě parků, hřišť či vodních ploch). Neplýtvat veřejnými plochami jejich obětováním pro individuální dopravou neefektivně využívanými komunikacemi, či pro skladování (parkování) nepoužívaných automobilů. Prvořadou prioritou municipalit je vytvořit lidem podmínky pro plynulou a bezpečnou chůzi, nezdržovanou a neohrožovanou automobilovou dopravou. Lidské poznání se vyvíjí, současní lidé mají jiné priority a jinou hierarchii hodnot, než tomu bylo v minulém století, kdy ideálem lidského žití bylo hromadění majetku včetně osobních automobilů.

Je rozumné využít potenciál synergických efektů a naplňovat vyšší cíle dopravy souběžně s řešením její dekarbonizace.

Partnerstvím k multimodalitě

Podobně jako v oboru osobní dopravy, je i budoucností nákladní dopravy udržitelná multimodální mobilita. Založená nikoliv na konkurenceschopnosti různých druhů dopravy (umění partnera porazit), ale na kooperativnosti (umění s partnerem spolupracovat) a komplementárnosti (umění doplnit partnera nabídkou něčeho jiného) různých druhů dopravy. Mobilita založená nikoliv na vlastnictví dopravních prostředků, ale na jich užívání, mobilita pojatá jako služba (MaaS), jako jedna z mnoha aplikací na mobilním telefonu.

Moderní pojetí železnice vnímá prospěšnost multimodality (kombinované dopravy) již delší dobu a systematicky ji rozvíjí. Uvědomuje si velmi zřetelně rozdílnost rozsahů železničních a silničních sítí (v ČR 2019: železnice 9 562 km, silnice 55 768 km, místní komunikace 47 919 km). To je objektivní realita. Železniční síť (zejména její k nákladní dopravě prakticky využitelná část) je příliš řídká  pro to, aby sama železnice dokázala zajistit všechny přepravy věcí od začátku až do konce jejich cesty.

Cílem kombinované přepravy je využít energetické, emisní a environmentální výhody železnice v co nejdelší střední části přepravy. Jde o to, aby na flexibilních a operativních, avšak energeticky a emisně velmi náročných silnicích, zůstaly jen krátký začátek a krátký konec cesty (symbolicky nazývané první a poslední míle).

Přizpůsobení se potřebám kombinované přepravy vedlo na železnici jak k vývoji a výrobě nákladních vozů vhodných pro kombinované přepravy, tak i k budování multimodálních terminálů pro překládku mezi železnicí a silnicí. A to jak na podnikatelské bázi s obchodní motivací (příležitost uskutečnit přepravu po železnici alespoň ve střední části cesty), tak i na bázi státního zájmu všeobecné prospěšnosti (snížení energetické i emisní náročnosti dopravy). V neposlední řadě nutno připomenout zavedení systému v pravidelném taktu mezi terminály jezdících rychlých dálkových nákladních vlakových linek, velmi podobných EC vlakům v oblasti osobní dopravy.

Silniční doprava v éře extenzivního rozvoje dopravy železnici jako svého partnera v zásadě nepotřebovala, dokázala zajistit přepravu zboží od počátku do konce cesty spalovacím nákladním automobilem po silnicích a dálnicích. A to i na vzdálenosti přes tisíc kilometrů. Naftovým motorem poháněné nákladní automobily s měrnou spotřebou paliva kolem 0,01 litru/hrtkm, tedy se spotřebou energie výhřevnosti paliva 0,1 kWh/hrtkm, bylo možno opatřit velkými naftovými nádržemi pro dojezd ve stovkách kilometrů a ty u čerpacích stanic rychle naplnit. V dopravní praxi zásoby nafty nijak neomezovaly akční rádius nákladního automobilu. Ten byl dán součinem cestovní rychlosti a pracovní doby řidiče. Avšak tato soběstačnost dálkové nákladní automobilové dopravy byla vykoupena velmi vysokou spotřebou energie uhlovodíkových paliv, provázenou vysokou produkcí emisí jak oxidu uhličitého, tak i zdraví škodlivých látek.

Dálková nákladní automobilová doprava je však již oborem bez delší perspektivy, skončí spolu se spalovacími motory poháněnými nákladními automobily. Avšak není třeba se bát nějakých drakonických zákazů či násilí. Výrobci nejen osobních, ale i nákladních automobilů jsou ve velmi těsném konkurenčním prostředí. Žádný z výrobců automobilů nechce ustrnout ve spalovacích technologiích minulosti a skončit, všichni se snaží o inovativnost, neboť ta je jedinou cestou k jejich budoucí prosperitě.

Továrny nechtějí plýtvat limitovanými kapacitami svých vývojových oddělení na zdokonalování výběhových typů spalovacích automobilů, plně se soustřeďují na perspektivní bezemisní vozidla. To platí nejen o personálním rozvoji, ale i o technologickém rozvoji. Firmy již nebudou investovat do modernizace motoráren či převodovkáren. A to nejen z důvodu vlivu taxonomie (banky na investice do technologií minulosti neposkytnou úvěr a pojišťovny je nepojistí), ale především proto, že nechtějí být posledním, kdo zhasíná, ale chtějí se uplatnit nejen na spíše konzervativním evropském trhu, ale na mnohem rozsáhlejších a inovativnějších světových trzích.

Trend přechodu na bezemisní vozidla uvádějí v život i progresivně jednající dopravci. Vědí, že jak jednotlivým přepravcům, tak i municipalitám, které řídí živnostenské podnikání, bude stále více záležet na bezemisnosti přepravní nabídky. Dopravci nebudu ochotni investovat vlastní kapitál do vozidel minulosti, i u kterých si nejsou jisti, že pro ně najdou práci pro celou dobu jejich předpokládaného technického života. Naopak, budou chtít na trhu nabízet přepravcům konkurenční výhodu bezemisnosti.

Bezemisní mobilita

Princip bezemisní dopravy je jednoduchý. Na začátku energetického řetězce je obnovitelný zdroj elektrické energie a na konci energetického řetězce je trakční elektromotor. Mezi zdrojem elektrické energie (respektive v praxi: výstupem z distribuční elektrické sítě) a spotřebičem (trakčním elektromotorem) mohou být tři různá přenosová média: liniové trakční vedení, sekundární elektrický akumulátorový článek (například lithiový), nebo kaskáda elektrolyzér a vodíkový primární (palivový) článek.

Liniová elektrifikace

Z hlediska funkčnosti a výkonnosti je ideálním řešením používat pro napájení elektrických vozidel liniové elektrické trakční vedení. Zejména při použití vysokého střídavého napětí má vysokou účinnost a v zásadě neomezuje výkonnost, rychlost ani dojezd vozidel. Ostatně právě proto je v kolejové dopravě liniové elektrické trakční vedení tak široce aplikováno. V silniční dopravě je použití liniového napájení složitější, trakční vedení musí být z důvodu chybějícího uzemnění vozidla dvoustopé a jen s napětím 0,75 kV.

Technika jde dopředu, i v silniční dopravě se uplatňují dvouzdrojová vozidla trolej/akumulátor. Sběrací tyče, omezující rychlost jízdy, již lze nahradit opticky naváděnými polopantografovými sběrači, schopnými se za jízdy připojit k trakčnímu vedení, respektive se odpojit.

Výstavba nespojitého dvoustopého trakčního vedení pro parciální trolejbusy je, zejména ve městech se strmě svažitým reliéfem (typicky Praha), vhodným doplňkem ke kolejovým elektrickým dopravním systémům (tramvaje, metro, železnice). Využití pro městkou hromadnou dopravu osob budované napájecí i nabíjecí infrastruktury 750 V i pro městkou logistiku, tedy pro nákladní automobily, je velmi lákavým tématem.

Elektrochemické akumulátory

Technologický pokrok v oblasti sekundárních elektrochemických článků, zejména na bázi lithia, je už dovedl do stavu, ve kterých jsou schopny při aplikaci v elektrických osobních automobilech v převážné většině cest nahradit automobily se spalovacími motory.

Podle rozsáhlého průzkumu prováděného CDV Brno pro MD ČR, nazvaného „Česko v pohybu“, je v ČR střední vzdálenost jízdy osobním automobilem 22 km, přitom 96,1 % cest je na vzdálenost do 100 km a 98,7 % cest je na vzdálenost do 200 km. Pro běžné aplikace již není důvod proč místo stavu techniky, reprezentovaného elektrickým automobilem, ještě používat zhruba 2,5krát energeticky náročnější spalovací automobil, produkující emise oxidu uhličitého i emise jedovatých látek a reprezentující již překonanou technologii minulého století.

Netřeba se obávat ani nabíjecí infrastruktury. Při středním ročním proběhu v ČR registrovaného osobního automobilu v úrovni 10 539 km, tedy 29 km denně, dodá při spotřebě 0,2 kWh/km potřebnou střední denní dávku energie zaparkovanému elektrickému automobilu cca 6 kWh/den běžná jednofázová zásuvka 230 V 16 A za 1,6 hodiny.

Zhruba 44 % obyvatelstva ČR, které bydlí v rodinných domcích, již má k tomu potřebnou zásuvku u svého domu k dispozici a vyžívá ji například pro zahradní sekačku. Pokud má rodinný dům na střeše FV elektrárnu o špičkovém výkonu alespoň 2 kW (tedy zhruba 11 m2 FV panelů), tak ta v ročním průměru dodá energii potřebnou pro provoz osobního automobilu.

Ale ani pro obyvatelstvo ve městech, i ve velkých sídlištích, není problém zajistit pomalé noční nabíjení (230V, 1 x 16 A) jejich zaparkovaných elektrických automobilů. Stačí k parkovacím místům přivést potřebný výkon z domovních rozvaděčů, ve kterých je v noci, kdy občané nežehlí a nevaří, volný a k dispozici. Jen je potřeba na bázi chytrých sítí a internetu věcí (viz Průmysl 4.0) v čase rozložit nabíjení zaparkovaných automobilů do celé noci. Vlastní elektrická přípojka a její inteligentní řízení (spínání) jsou zlomkem ceny pozemku parkovacího místa. Podobně mohou v denní době fungovat i firemní parkoviště. V Mladé Boleslavi je to už realitou. Průměrná spotřeba na zaparkovaný automobil je 8 kWh v průběhu osmihodinové pracovní směny.

Nestrašme se elektromobilitou, v oblasti osobních automobilů fungovat bude, největší překážkou je setrvačnost lidského myšlení. Výrobci osobních automobilů dobře vědí, proč se rozhodli utlumit vývoj a výrobu spalovacích aut a věnují všechen svůj investiční kapitál a všechen svůj tvůrčí potenciál elektrickým vozidlům. Chtějí své produkty prodávat (a to nejen v Evropě), a nejen vzpomínat na úspěšné doby nenávratně minulé.

V nákladní automobilové dopravě je situace složitější. V mnoha aplikacích (městská logistika: zásobování, pošta, svoz odpadu, řemesla) je situace podobná jako v oblasti individuální osobní automobilové dopravy. Není na co čekat a dál poškozovat lidem zdraví spalinami, již současný stav techniky zvládá jak elektrická nákladní vozidla pro citylogistiku, tak nabíjecí zázemí pro ně. Noc je k tomu dostatečně dlouhá.

Při tom není nutno se omezovat jen na nejnižší hmotnostní kategorie. Při použití (například) pohonných systémů již léta aplikovaných v městských elektrických autobusech, lze vytvořit elektrické nákladní automobily i o hmotnosti 10 t, 20 t, 30 t či 40 t. S jedinou omezující podmínkou: s dojezdem zhruba do 150 až 200 km, ne více.

Limit dojezdu elektrických nákladních automobilů je nepříjemně ovlivněn vysokou energetickou náročností automobilové dopravy. Ve srovnání se železnicí spotřebuje automobil vlivem vyššího odporu valení (pneumatiky po vozovce versus ocelová kola po ocelových kolejnicích) a vyššího aerodynamického odporu (samostatné jízdy krátkých automobilů versus těsné spojení dlouhých železničních vozů ve vzájemném zákrytu ve vlaku) zhruba třikrát tolik energie. Proto i elektrický automobil potřebuje přibližně třikrát větší a třikrát těžší akumulátor, ve srovnání s vlakem jedoucím po neelektrifikované železnici a využívajícím akumulátorové napájení.

Aplikaci elektrochemických zásobníků elektrické energie v dálkové automobilové dopravě též komplikuje fakt, že na rozdíl od osobních automobilů s průměrným ročním nájezdem lehce přes 10 500 km, dosahují v ČR nákladní automobily v dálkové dopravě běžně roční proběh kolem 120 000 km. Tedy více než desetkrát tolik, než je v ČR statistický průměr ročního proběhu osobních automobilů.

To je logické, nákladní automobily vedou řidiči profesionálové, kteří k tomu mají celu svojí pracovní dobu. Řidiči osobních automobilů zpravidla vytvářejí v průběhu pracovní doby přidanou hodnotu svojí jinou profesní činností, nemohou věnovat tolik času řízení automobilu na velké vzdálenosti. Řádový rozdíl v ročním proběhu osobních a nákladních automobilů vede k úplně jiným požadavkům na vlastnosti a parametry trakční akumulátorové baterie.

Existuje mnoho typů lithiových akumulátorů, které se liší použitými materiály a technologiemi, tedy i parametry a cenou:

• u osobních automobilů jsou z hlediska prodejnosti rozhodujícími parametry co nejdelší dojezd, nízká cena a malé rozměry akumulátoru (aby zbyl ve voze prostor pro uložení zavazadel), zatím co životnost a spolehlivost jsou zpravidla až za okrajem zájmu. Výsledkem je trakční akumulátorová baterie charakteru levného snadno dostupného spotřebního zboží s vysokou měrnou energií (kolem 200 kWh/t), avšak s nevelkým garantovaným počtem cyklů. To je však s ohledem na nízké časové využití osobního automobilu (v ČR v průměru 37 minut denně) v principu postačující.

• nákladní automobily vyžadují, s ohledem na své řádově vyšší denní časové využití, podobně jako autobusy či železniční vozidla, jinak pojaté trakční akumulátorové baterie. Prvořadý důraz je kladen na životnost a spolehlivost v každodenním mnohahodinovém náročném provozu. To vede k orientaci na robustnější akumulátory s vysokou garantovanou životností, ale s poněkud nižší měrnou energií (kolem 100 kWh/t). Nejde o spotřební zboží, ale o investiční celek.

Požadavek na dlouhý dojezd nákladního elektrického automobilu v úrovni odpovídající délce běžné pracovní směny dálkového řidiče je dán snahou, aby nácestné nabíjení nesnižovalo produktivitu práce vozidla i jeho řidiče. To vede při cestovní rychlosti 80 km/h a délce pracovní doby 8 h k dojezdu alespoň 640 km. Tak velký dojezd v kombinaci s ročním proběhem kolem 120 000 km, který vyžaduje u dálkových nákladních automobilů orientaci na robustní akumulátory s předpokladem dlouhé životnosti, vede k velmi mohutným a těžkým trakčním akumulátorům.

Velmi jednoduchá úvaha ukazuje, že automobil se spotřebou elektrické energie z akumulátoru zhruba 0,04 kWh/hrtkm (což přibližně odpovídá běžné hodnotě měrné spotřeby nafty 0,01 litr/hrtkm v těžké dálkové nákladní automobilové dopravě) spotřebuje na 100 km jízdy z akumulátoru energii 4 kWh na tunu celkové hmotnosti vozidla. Při použití robustnějšího lithiového akumulátoru (například lithium fosfát železa Li FePO4) se jmenovitou měrnou energií nového akumulátoru (BOL) 100 kWh/t a s garantovanou měrnou energií na konci životnosti akumulátoru (EOL) 80 kWh/t je potřebné, aby na každých 100 km dojezdu měl automobil akumulátor v úrovni 4 kWh/t / 80 kWh/t = 5 % celkové hmotnosti vozidla. Tedy akumulátor o hmotnosti 5 % z celkové hmotnosti vozidla při dojezdu 100 km, 10 % hmotnosti vozidla při dojezdu 200 km, 20 % hmotnosti vozidla při dojezdu 400 km, 30 % hmotnosti vozidla při dojezdu 600 km, ….

Přitom, a to je důležité, se u hmotnosti akumulátoru projevuje efekt kladné zpětné vazby:
s rostoucím požadavkem na dojezd dopravuje automobil mohutnější akumulátor. V důsledku těžšího akumulátoru roste celková hmotnost vozidla a tím i spotřeba energie, tudíž je potřeba ještě větší a těžší akumulátor. Tato kladná zpětná vazba nežádoucím způsobem zvětšuje poměr mezi hmotností akumulátoru a hmotností užitečné zátěže automobilu. Stručně shrnuto: při současném stavu techniky jsou lithiové akumulátory vhodné jak pro osobní automobily, tak i pro železniční vozidla, avšak nikoliv pro nákladní automobily. Dokládá to i následující graf znázorňující poměr hmotnosti akumulátoru k hmotnosti nákladu pro aktuální komerčně dostupné lithiové akumulátory s měrnou energii 100 kWh/t (vysoká životnost) a 200 kWh/t (nízká životnost).

Jistě je reálné do budoucnost očekávat zlepšení parametrů elektrochemických akumulátorů. Avšak to nemění skutečnost, že měrná spotřeba elektrické energie z distribuční sítě pro nabíjení nákladního elektrického automobilu v úrovni cca 0,048 kWh/hrtkm je více než trojnásobkem měrné spotřeby elektrické energie nákladního vlaku. Elektrická lokomotiva odebírá výkon kontinuálně, zatím co automobil přerušovaně. Při snaze využívat pro nabíjení jen pracovní přestávky řidiče (nesnižovat jeho produktivitu) vyžaduje automobil o hmotnosti 40 t po 4 hodinách jízdy rychlostí 80 km/h (po ujetí 320 km) k nabíjení v průběhu 0,5 hodiny nabíjecí stanici o výkonu 1 200 kW.

S využitím multimodality

Ve srovnání se snahou vytvořit bezemisní nákladní automobil pro dálkovou dopravu je řešení dálkové nákladní dopravy cestou multimodální mobility mnohem reálnější. Základem je používat nákladní elektrické automobily jen k rozvozu a svozu zboží na nevelkou vzdálenost hvězdicovitě od multimodálních terminálů kombinované dopravy železnice/silnice. Tuto službu již při současném stavu techniky excelentně zvládnou elektrické automobily (i ty nejtěžší, tedy s celkovou hmotností kolem 40 t, respektive pro dva dvacetistopé ISO kontejnery). Obyvatelstvo žijící v okolí terminálů bezemisní automobily uvítá. Výhodu je i možnost koncentrace nabíjecího zázemí pro elektrické automobily na jediném místě, a to v multimodálním terminálu.

Není nutno čekat, současný stav techniky umožňuje stavět elektrické nákladní automobily s dojezdem do cca 200 km v celé škále potřebných velikostí, až po ty největší, i koncentrovaná nabíjecí zařízení. Koncentrace nabíjecích zařízení je ekonomicky velmi výhodná. Čím více automobilů je používá, tím lépe je využit jejich instalovaný výkon s příznivým dopadem na výši investičních i provozních nákladů.

Nemá však logiku používat elektrické automobily pro dálkové jízdy. Dopravovaly by více akumulátorů než užitečné zátěže. V rámci multimodální mobility (kombinovaná přeprava silnice/železnice/silnice) zvládne elektrifikovaná železnice dálkové přepravy se zhruba trojnásobně nižší spotřebou energie než elektrický automobil, a to bez akumulátorů (s liniovým napájením), vyšší rychlostí a s mnohanásobně vyšší produktivitou práce vozidel i provozního personálu.

Vodíkové palivové články

Pro úplnost je na místě zmínit i primární vodíkové palivové články. Vodík má vysokou výhřevnost (33 kWh/kg), avšak je velmi lehký, má hustotu jen 0,09 kg/m3 (1 kg vodíku má při normálním tlaku objem 11 m3, proto byl používán k plnění vzducholodí). Pro snížení objemu je vodík ukládán stlačený na přetlak 350 bar či 700 bar v tlakových nádobách. Ocelové tlakové nádoby mají hmotnost zhruba 50 kg na 1 kg vodíku, tedy snižují měrnou energii vodíku z 33 000 kWh/t na cca 650 kWh/t. To při 60% účinnosti palivového článku znamená měrnou elektrickou energii zhruba 390 kWh/t. Kompozitové tlakové nádoby mají hmotnost zhruba 20 kg na 1 kg vodíku, tedy snižují měrnou energii vodíku z 33 000 kWh/t na cca 1 570 kWh/t. To při 60% účinnosti palivového článku znamená měrnou elektrickou energii zhruba 940 kWh/t. To jsou ve srovnání s lithiovými trakčními akumulátory s měrnou energií 100 kWh/t až 200 kWh/t velmi pěkné hodnoty, zajišťující vozidlům delší dojezd.

Pro objektivitu je však nutné připomenout dvě reálná fakta:

• vodíková vozidla vůči akumulátorovým vozidlům delší dojezd nejen mají, ale i potřebují, neboť síť vodíkových plnících stanic není reálné, s ohledem na její investiční a provozní náročnost, vybudovat tak hustou, jako síť investičně i provozně levnějších elektrických nabíjecích stanic. Navíc vodík neumožňuje na rozdíl od elektrických automobilů pomalé domácí nabíjení při parkování, které podle zkušeností ze zahraničí dodává elektrickým automobilům 80 % až 90 % elektrické energie. Levné pomalé nabíjení při parkování je u elektrických automobilů základem, veřejné rychlé nabíjecí stanice jsou vnímány jen jako doplňková komerční služba, poskytovaná společně s WC a bistrem podél silnic a dálnic náhradou za tradiční čerpací stanice,

• u vodíkové technologie reprezentují výše uvedené hodnoty meze fyzikálních limitů, zatím co u lithiových akumulátorů jde o nynější stav komerčně dostupného zboží. Vývoj v oblasti elektrochemických akumulátorů pro mobilitu intenzivně pokračuje k jejich zdokonalení. V laboratořích po celém světě pracují týmy výzkumných a vývojových pracovníků na nových strukturách lithiových akumulátorů s vyššími parametry.

Vodíková technologie není snadné téma. Vyžaduje řešení řady náročných technických problémů. Jedním z nich je obtížná a drahá, energeticky vysoce náročná doprava: kamion o hmotnosti 40 t veze 250 kg vodíku a zpět jede prázdný. Přepravu vodíku tak lze přirovnat k přepravě písku, při velkých vzdálenostech převyšuje cena dovozného cenu komodity.

Velmi podstatné jsou specifické vlastnosti vodíku, zejména jeho záporný Joule-Thomsonův koeficient. Na rozdíl od ostatních technických plynů se vodík při expanzi neochlazuje, ale zahřívá, což je s ohledem na jeho výbušnost nebezpečné. Proto je nutno vodík při přečerpávání z vyšší tlakové úrovně na nižší tlakovou úroveň účinně chladit. Tato vlastnost limituje rychlost přečerpávání vodíku (včetně rychlosti tankování) a zvyšuje investiční i provozní náklady plnicích stanic, jakožto i jich spotřebu elektrické energie.

Základní podmínkou správné činnosti palivového článku je vysoká čistota vodíku, vyšší než 99,97 %. Tutu čistotu dosahuje vodík vyráběný elektrolýzou (například s využitím přebytků elektrické energie z obnovitelných zdrojů), nikoliv však vodík vyráběný tradičními chemickými technologiemi (parní reforming zemního plynu či parciální destilací ropných zbytků), které jsou navíc díky své vazbě na fosilní paliva neperspektivní.

Technické problémy jsou řešitelné, avšak co je pravděpodobně pro aplikaci vodíku v dopravě kritické, je nízká výsledná účinnost procesu ukládání elektrické energie do vodíku, tedy nízká účinnost řetězce energetických přeměn elektřina / vodík /elektřina. Nejlepší elektrolyzéry dosahují k výhřevnosti vodíku účinnost 65 %, nejlepší palivové články dosahují k výhřevnosti vodíku účinnost cca 60 %. To je ve výsledku (v součinu) systémová účinnost jen 39 %. Při uvažování vlivu dalších nezbytných operací (vysokotlaká komprese, doprava z místa výroby k místu užití, chlazení, …) klesá systémová účinnost celého energetického řetězce na 25 % až 30 %. Tedy na vstupu vodíkové technologie je spotřebováno 3 až 4krát více elektrické energie, než kolik dodá na výstupu vozidlu palivový článek. To je ve srovnání s lithiovými akumulátorovými články s účinností kolem 90 % dost nízká hodnota.

Skutečnost, že vodíková technologie vyžaduje zhruba trojnásobně vyšší spotřebu elektrické energie, než liniové elektrické napájení či elektrochemické akumulátory, je v zásadě KO kritériem pro běžné použití vodíku v dopravě. I bez ohledu na investiční a provozní náklady je trojnásobné zvýšení spotřeby elektrické energie nepřijatelné. Proč nakupovat třikrát tolik elektrické energie a složitě ji přeměňovat, když lze použít elektrickou energii pro vozidla přímo. Součástí udržitelné mobility je i ekonomická a sociální udržitelnost. Téma ukládaní přebytků elektrické energie z obnovitelných zdrojů do vodíku se však ukazuje vhodné v oblasti energetiky (elektrolyzéry a paroplynové elektrárny se dvěma pracovními cykly, využívající vodíkové spalovací turbíny i odpadní teplo).

Ekonomická realita

Tržní principy fungují s krutou spravedlností. V kontrastu s jen pár let starými programovými prohlášeními různých výrobců osobních automobilů se vodíkové osobní automobily vedle obyčejných elektromobilů neprosadily. Jsou investičně i provozně drahé a jedinou přednost, kterou nabízejí v podobě delšího dojezdu, většina uživatelů osobních automobilů po běžný každodenní provoz nepotřebuje. Tak se chová regulatorními státními zásahy nedeformované tržní konkurenční prostředí automobilového průmyslu.

Experimenty s vodíkem se proto spíše přesunuly do oblasti dotované veřejné hromadné dopravy, zejména autobusové, kde je umožňují dotační programy. Nákladní silniční doprava je však otevřeným tržním konkurenčním prostředím bez vlivu státní regulace, tedy lze očekávat, že její vztah k vodíku bude blízký praxi v osobní automobilové dopravě.

Z ryze technického hlediska není užití vodíku v nákladní silniční dopravě nakloněna ani dost důležitá technická okolnost, a tou je pracovní režim dálkového nákladního automobilu. Vodíkový trakční pohon je pohonem hybridním. Je složen z palivového článku a vyrovnávacího elektrochemického (lithiového) akumulátoru. V podstatě jde o elektrický automobil doplněný o prodlužovač dojezdu (range extender) v podobě vodíkového palivového článku.

Důvody k hybridnímu uspořádání trakčního pohonu s vyrovnávacím akumulátorem jsou v zásadě tři:

– vodíkový palivový článek je investičně drahý, proto je rozumné jej úsporně dimenzovat jen na střední výkon, a ten krátkodobě zvyšovat o výkon odebíraný z akumulátoru (jak je obvyklé i u hybridních vozidel se spalovacími motory),

– vodíkovému palivovému článku nesvědčí náhlé změny výkonu, proto je vhodné jej nechat trvale pracovat v ustáleném stavu a výkonovou bilanci mezi palivovým článkem a v čase proměnlivým trakčním výkonem vyrovnávat lithiovým akumulátorem (jak je obvyklé i u hybridních vozidel se spalovacími motory),

– vodíkový palivový článek neumí zužitkovat rekuperovanou brzdovou energii, tu je vhodné ukládat v lithiovém akumulátoru (jak je obvyklé i u hybridních vozidel se spalovacími motory).

Z důvodu náležitého využití příznivých dynamických vlastností hybridních pohonů daných funkcí vyrovnávacího akumulátoru (lhostejno, zda se spalovacím motorem či s palivovým článkem) je vhodné hybridní trakční pohony aplikovat u vozidel s časově cyklicky proměnným průběhem jízdy. Tedy zejména v městské či regionální osobní zastávkové dopravě, nikoliv pro monotónní jízdu v ustálením režimu, kdy se princip vyrovnávací akumulace neuplatňuje a nelze využít efekt nižšího výkonového dimenzování prvotního zdroje (spalovacího motoru či palivového článku).

Proto je vodíková technologie vhodná pro vozidla provozovaná v cyklickém zastávkovém režimu. Naopak vodíková technologie není vhodná pro vozidla provozovaná v monotónním ustáleném režimu, při kterém se neuplatní ani efekt zvyšování výkonu palivového článku čerpáním výkonu z vyrovnávacího akumulátoru, ani efekt úspor energie rekuperačním brzděním. Pro monotónní provoz by bylo nutno použít drahý palivový článek vysokého výkonu. Typickým příkladem vozidel dlouhodobě pracujících monotónním stálým výkonem je právě dálková jízda kamionů po dálnici.

Racionální řešení

Při končící éře nákladních automobilů se spalovacími motory nemá při současném stavu techniky samotná dálková silniční automobilová doprava v podobě bezemisních automobilů technicky a ekonomicky v silniční dopravě reálnou náhradu za spalovací motor. Avšak není potřebné ji řešit jen na silnici. V systému multimodální mobility je optimální náhradou za dálkové jízdy automobilů kombinovaná přeprava silnice/železnice /silnice:

• v oblasti přepravy osob v kombinaci: první míle veřejná hromadná doprava či osobní automobil / střední část vysokorychlostní železnice / poslední míle veřejná hromadná doprava či osobní automobil,

• v oblasti přepravy expresního zboží v kombinaci: první míle nákladní rozvážkový automobil / střední část vysokorychlostní železnice / poslední míle nákladní rozvážkový automobil,

• v oblasti přepravy běžného zboží v kombinaci: první míle nákladní rozvážkový automobil / střední část konvenční železnice / poslední míle nákladní rozvážkový automobil.
Základní principy udržitelné bezemisní multimodální mobility, tedy kooperativnost a komplementárnost, se zde projevují naplno:

• z důvodu své řídké dopravní sítě není železnice vždy schopna zajistit první a poslední míli, kterou však silniční doprava (automobily) zajistí snadno, a to bezemisními elektrickými akumulátorovými automobily (krátký dojezd zvládnou),

• z důvodů technických limitů nedisponují bezemisní automobily schopností dlouhého dojezdu. Nemá logiku se příliš usilovat o dlouhý dojezd bezemisních automobilů, liniově elektrifikovaná železnice zvládá tuto úlohu s nižší spotřebou energie a s vyšší rychlostí (do 200 km/h na konvenčních železničních tratích a do 350 km/h na vysokorychlostních železničních tratích).

Autoři sdělení Evropské komise Evropskému parlamentu a radě COM(2019) 640 Green deal si byli výše popsaných fyzikálních limitů velmi dobře vědomi. Proto velmi jednoznačně určili dva základní nástroje k přechodu dopravy minulosti na udržitelnou mobilitu:

• urychlené budování vysokorychlostního železničního systému (a budiž ke cti české železniční diplomacie, že se jí podařilo jak s vedením EU, tak se sousedními státy koncem roku 2021 projednat zařazení novostavby vysokorychlostní železnice DE – Ústí nad Labem – Praha – Jihlava – Brno – Břeclav – AT/SK do hlavní sítě evropských vysokorychlostních železnic s prioritou financování z EU fondů a s výstavbou do roku 2030),

• převedení 75 % nákladní dopravy do roku 2050 ze silnice na železnici, respektive vodu (což však není případ ČR, na síť vodních cest délky pouhých 315 km nelze převést velký díl doprav ze sítě silnic a místních komunikací v úhrnné délce 130 687 km)

Převod 75 % nákladní dopravy ze silnice na železnicí není jednoduchým cílem. Bude vyžadovat velké změny paradigmat na železnici i na silnici. Pohovoříme si o nich příště.

Jiří Pohl, Senior Engineer Siemens Mobility

Partnerem článku je společnost Siemens Mobility.

Tagy Jiří Pohl nákladní železniční doprava Siemens Mobility

151 komentářů