Kolik procent ještě? Kde leží hranice možností spalovacích motorů

Současné limity emisí pro osobní vozy se spalovacími motory v Evropské unii jsou podle výrobců přísné. A měly by být ještě přísnější. Dá se s tím vůbec něco dělat?

Podle pravidel EU by průměrný osobní automobilky měl vypouštět do vzduchu pouze 95 gramů CO2 na ujetý kilometr (může i více, ale výrobci budou platit citelné penále). Říkáme “průměrný vůz”, protože se o takzvaný flotilový průměr, který se vypočítává zpětně na základě veškerých zaregistrovaných vozů konkrétního výrobce v zemích Evropské unie. Do výpočtu se na základě speciálního matematického vzorce promítá nejen spotřeba, ale i hmotnost vozidla.

Emise CO2 přímo odpovídají spotřebě vozu a v dohledné době to jinak nebude. Zatím neexistuje žádný systém na zachycování CO2 ze spalin motoru a nezdá se, že by se to v dohledné době mohlo změnit. Technických a praktických problémů je příliš. Nabízí se otázka, proč i evropské orgány či národní vlády raději než o emisích skleníkových plynů nehovoří ke svým občanům o limitech spotřeby – na té záleží každému – ale tu nechejme stranou a přejděme k základním číslům.

Emise 95 gramů CO2 na kilometr odpovídají spotřebě zhruba 3,7 litru paliva na 100 kilometrů u dieselového motoru a zhruba 4 l/100 km u motoru benzínového. (Tady mimochodem nezáleží na metodice měření spotřeby protože pokud auta spálí paliva více, nemohou požadavky splnit, protože se z něj uvolní více CO2.) Už to je velmi nízký limit, jak se může vyvíjet dále?

Jak jsme na emovio.cz psali, na veřejnosti unikl návrh Evropké komise, podle kterého byse se emise CO2  měly během příštích let snížit ze současných až 30 mg/km. Spotřeba paliva by se totiž v takovém případě musela pohybovat kolem 1,2 litru nafty na 100 km nebo 1,4 litru benzinu na 100 km. V takovém případě by velkou část nabídky nutně musely tvořit elektromobily, které mají podle metodiky nulové emise oxidu uhličitého.

Ale ani ty zbylé vozy se spalovacími motory nebudou moci mít vysokou spotřebu. Jak daleko vlastně ještě výrobci mohou zajít?

Benzín à la diesel

Z technického hlediska navíc existuje celá řada způsobů, jak účinnost motorů nadále vylepšit. Jeden takový „skok“ v efektivitě se právě děje. Měly by ji představovat pohonné jednotky s takzvanou technologií HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition, česky se překládá jako „vznětové spalování homogenní směsi“). V těchto motorech se má spalovat benzin, v principu jde ovšem o „diesel“. O zážeh paliva se v HCCI motorech nemá starat zapalovací svíčka; palivo se má pod tlakem samo vznítit stejně jako v naftovém motoru.

Jde samozřejmě především o úsporu paliva. Díky vznětovému principu spalování by motor měl být schopen využít velmi chudou směs paliva se vzduchem. Jednoduše řečeno, ve válci je palivo promícháno se vzduchem tak dobře, že ho k vytvoření stejného výkonu stačí méně. Japonská automobilka Mazda, která zřejmě bude první, kdo tento typ začne prodávat, slibuje snížení o dramatických 20 až 30 procent oproti jejímu dnešnímu úspornému dieselu Skyactive-G. A o 35 až 45 procent oproti motorům Mazda z roku 2008.

První modely s motory Skyactiv-x přichází na trh v roce 2021 (foto Mazda)
První modely s motory Skyactiv-x přichází na trh v roce 2021 (foto Mazda)

V praxi vypadá takový záměna možná jednoduše, ale ve skutečnosti to tak ani zdaleka není. I proto si na praktické realizaci této myšlenky i v nedávné minulosti celá řada velkých firem vylámala zuby. Japonská automobilka dokázala projít problémy špatného běhu motorů při jiných než optimálních otáčkách, a vlastně postavila jakýsi „hybrid“, kombinaci vznětového principu a klasického zapalování svíčkami. (Poznámka bokem: Protože marketing miluje odborně znějící názvy a zkratky, Mazda to celé nazvala SPCCI – Spark Controlled Compression Ignition, tedy doslova „jiskrou řízené zapalování směsi“. Což vlastně neříká nic, ale zní to dobře.)

V podstatě jde ovšem o to, že motor, respektive jeho řídicí jednotka, na základě otáček a zatížení tedy bude volit mezi zážehovým a vznětovým principem. Přechod mezi oběma režimy by přitom samozřejmě měl být co nejhladší, aby motor pracoval co nejefektivněji (a řidič nic nepoznal). Motory jsou tak kompresory, ne turbodmychadly, aby nedocházelo k prodlevám při přechodu z jednoho režimu do druhého.

Protože motor je snad poměrně blízko výrobě, s auty vybavenými těmito motory už se svezli také první novináři. Podle nich je dojem z něj přesně takový, jaký by si všichni milovníci silných aut asi představovali: rozdíl není poznat.

Mazda bude patrně první, ale nepochybně nebude jediná. Stejný princip údajně využívá Mercedes ve svých motorech ve Formuli 1, totéž dělá Ferrari a je nasnadě, že konkurence v podobě Renaultu a Hondy musí pracovat na tomtéž. Novinka by tedy mohla pomoci plnit limity ještě v blízké budoucnosti. Ale jak dlouho to bude stačit?

Hon na procenta

Samozřejmě samotné spalování není to jediné, co se dá vylepšit. Například jen použití novějších syntetických olejů s přesně nadávkovanými přísadami prvků, které by laik v oleji nehledal (například molybdenu), může podle výrobců zvyšovat celkovou účinnost pohonu vozidla i o více než 0,5 procenta.

V praxi může jedno půlprocento k druhému znamenat poměrně veliký rozdíl, jak nasvědčuje i vývoj posledních desetiletí. Celková energetická účinnost spalovacích motorů u řady vozů na konci minulého století byla kolem 20–25 procent. K pohonu vozu tedy nakonec sloužila pouze pětina až čtvrtina energie, kterou je možné získat spálením daného množství paliva. V takovém případě by už samotná změna maziv de facto zvýšila účinnost takového motoru zhruba o dvacetinu: tedy jako kdyby váš motor měl 105 kW místo 100 kW. To neohromí, ale potěší.

Podobných opatření (včetně rozšíření turbo-dmychadel, systémů start-stop atd.) výrobci v poslední době uskutečnili řadu. Ve výsledku se tak podařilo účinnost moderních motorů poměrně výrazně zvýšit a dnes se udává, že u řady vozidel přesahuje 35 procent a v případě těch nejnovějších se dostává na hodnoty kolem 40 procent. Jak dosvědčuje příklad Mazdy, trend může ještě minimálně nějakou dobu pokračovat. Optimistické hlasy v průmyslu říkají, že výhledově (tedy možná zhruba do roku 2030) bychom se mohli dostat na hodnoty kolem 50 procent.

Stačí to?

Může takové auto ale splnit evropské normy stejného roku? S přimhouřením alespoň jednoho oka můžeme říci, že spálením jednoho kilogramu paliva lze získat při stoprocentní účinnosti kolem 10 kilowatthodin (kWh) energie. Při přepočtu na litr je to tedy někde mezi 7 až 8 kWh. Pro jednoduchost v tomto velmi přibližném výpočtu pomineme rozdíly mezi benzínem a naftou a výsledek je trochu „neostrý“. My ovšem naštěstí auta podle nových standardů stavět nemusíme, tak nám snad bude odpuštěno.

Co to v praxi znamená? Zatím pouze hypotetický motor s 50procentní účinností by tedy z jednoho litru paliva měl vyrobit maximálně 4 kWh. Jak daleko na to auto dojede, ptáte se? To lze snadno ilustrovat. U většiny vozů se spotřeba v kilowatthodinách neudává, ale existuje jedna výjimka: elektromobily.

V jejich případě se totiž v kilowatthodinách udává objem jejich „nádrže“, tedy baterie. A z provozních dat vyplývá, že spotřeba elektromobilů současných generací s rekuperací energie při brzdění se pohybuje kolem 17–20 kWh na 100 kilometrů. Ztráty u elektromobilů jsou velmi malé. Ani ten nejúčinnější systém pohonu, který dnes na silnicích je, na čtyři kilowatthodiny neujede více než zhruba dvacet kilometrů.

Ještě jinak řečeno, vůz, který využije celou polovinu energie paliva opravdu ke svému pohonu, by se asi v reálném provozu mohl dostat na spotřebu někde kolem čtyř litrů na sto kilometrů. Ale pokud by měl dosáhnout reálné spotřeby kolem tří litrů, musela by se účinnost motoru zvýšit poměrně vysoko nad 60 procent. Ovšem kde brát?

Za hranicí možností?

Nějaké další možnosti se nabízejí, ale jejich potenciál není neomezený. Ostatně ani velké velké stacionární systémy (generátory, ale i lodní motory) dnes nedosahují o mnoho lepší účinnosti než kolem 50 procent.

Největší ztrátovou složkou je teplo, které odchází spolu s výfukovými plyny. Přesné hodnoty se mohou lišit, ovšem zhruba platí, že u zážehových motorů takto odchází asi 40 % a u vznětových okolo 30 % celkové tepelné energie. Je tedy jen logické, že konstruktéři se snaží o využití tohoto tepla pro zvýšení celkové účinnosti přeměny energie paliva na „užitečnou práci“.

Ne že by teplo vznikající ve spalovacích motorech nemělo žádné využití (zahřívání prokřehlých cestujících je užitečné). Konstruktéři ovšem sní o něčem zásadnějším. Například nějakém systému přeměny odpadního tepla na elektrickou energii, využitelnou buď pro provoz pomocných zařízení motoru, nebo přímo k přídavnému pohonu klikového hřídele.

Již desetiletí se spekuluje o možném využití tzv. termoelektrického jevu. Což je jednoduše přímá přeměna rozdílu teplot na elektrické napětí a naopak. Nemá smysl zabíhat do detailů, protože tento jev je sice dobře popsaný, ale k jeho praktickému použití máme daleko. Účinnost známých materiálů se pohybuje v nejlepším případě pouze v jednotkách procent. Navíc jde většinou o materiály poměrně exotické a drahé.

Pokud se to změní, půjde nejspíše o zajímavé řešení. V principu by podobné zařízení mělo být jednoduché a nijak nesnižovat tepelnou činnost samotného motoru. Každý watt navíc je tedy „čistý zisk“. 

Tudy ne

Ale nasezení takové technologie v časovém horizontu tohoto desetiletí je čirou utopií. Jinak řečeno, ani optimisté v tuto chvíli nevidí způsob, jak pouze s pomocí dlouho ověřené a známé technologie spalovacích motorů dosáhnout vytyčených cílů. (Které se sice mohou ještě měnit v roce 2023 na základě průběžného vyhodnocení, ale to je samozřejmě jen částečná útěcha.) Velké instituce i podniky bývají z podstaty konzervativní a nejistoty se bojí.

Na druhou stranu musíme ihned upozornit, že technologické možnosti, jak těchto cílů dosáhnout, jsou k dispozici již dnes. Jen nejsou zdaleka tak vyspělé jako klasické vozy se spalovacími motory. Zdá se nepochybné, že výrobci – minimálně pro evropský trh – k nim přesto budou muset ve zvýšené míře sahat.

Připomínáme totiž znovu, že tyto normy nemusí plnit všechny vyráběné vozy. Ale jak je evidentní, vozy pouze spalovacími motory ho téměř určitě plnit nemohou. Dnes je jasně nejefektivnějším způsobem, jak si průměr srazit, je prodej čistých elektromobilů, které přímo žádný CO2 nevypouštějí. To se může změnit.

Od roku 2025 by snad měli výrobci deklarovat CO2 emise nově prodávaných vozů se započtením celého životního cyklu paliva. Má se tedy mimo jiné počítat, kolik oxidu uhličitého vypouštějící elektrárny pro daný typ vozidla podle složení energetické výroby v tom daném státě. A v tu chvíli se elektromobily už tak výhodnými zdaleka nejeví.

Unijní průměr je velmi zhruba kolem 400 gramů CO2 na kilowatthodinu spotřebovanou v síti. Na jednu kWh dnešní automobily ujedou pět až šest kilometrů, což znamená, že jejich spotřeba se pohybuje kolem 60 gramů CO2 na kilometr. V celé řadě zemí – včetně třeba Německa – jsou hodnoty ještě výrazně nepříznivější a elektromobily by byly velmi „špinavé“. Debata kolem přechodu k čistší automobilové dopravě bude nepochybně ještě bouřlivá.

Související články

Vložit komentář...