A hagyományos, belső égésű motoros személyautókat nehéz összehasonlítani az elektromos autókkal, az energiaforrások fajtáinak eltérése miatt. A különböző energiafajták közötti átalakítás eltérő elven történik. Akkor lehet helytálló összehasonlítást készíteni, ha végig tanulmányozzuk az üzemanyagfajták energiaellátásra vonatkoztatott életciklusát, feltérképezzük, hogy az egyes fázisokban mekkora az energiaátalakítás hatásfoka, vesztesége, a külső energia befektetés és a széndioxid-kibocsátás. A vizsgálatot két részre érdemes bontani: a kúttól a tankig szakasz (az angol szakirodalomban well-to-tank, WTT) a nyers energiahordozó kitermelésétől az „üzemanyag” (benzin, gázolaj, bioetanol, biodízel elektromos áram) autóhoz való eljuttatásáig öleli fel a folyamatot. A tanktól a kerékig (tank-to-wheels, TTW) szakasz az autóban tárolt folyékony üzemanyag vagy elektromos áram hasznosítását foglalja magában.

Bevezetés

Manapság sokat hallhatuk az elektromos autókról, és arról, hogy elterjedésük igen fontos bolygónk számára, hiszen ezzel jelentősen csökkenhet a közlekedésből – amely az egyik legnagyobb levegőszennyező tevékenyég - adódó környezetterhelés. A médiában igen felkapott kifejezés, hogy az elektromos autók zérus széndioxid-kibocsátással rendelkeznek és sokkal kevesebb „üzemanyagot” igényelnek. Valóban így van ez? Amennyiben eltekintünk a teljes energiatermelési és átalakítási folyamatra vett széndioxid-kibocsátástól és energiabefektetéstől, csak az üzemanyagok well-to-wheels energiaellátási folyamatát vizsgáljuk, akkor sem helytállók ezek a megállapítások. Az elektromos autók üzemeltetése is jár szennyezőanyag kibocsátással - amely egyenesen arányos az energiafelhasználással - hiszen az az energiahordozók kitermelése, feldolgozása, szállítása és az energiaátalakítás során is keletkezik.

Fosszilis és bioüzemanyagok előállításának energiaigénye és széndioxid-kibocsátása

Az 1. ábrán látható a fosszilis üzemanyagok, azaz benzin és gázolaj kúttól a tankig vett szakasz ellátási lánca, valamint a kukoricaalapú bioetanolé is. Az átalakítási folyamatok az autó tankjáig eljuttatott üzemanyag energiatartalmára vonatkoztatott energiamennyiségekkel szemléltethetők jól. A szakirodalom alapján 1 liter benzin előállításához
0,19 liter benzinnek megfelelő energiát kell befektetni ahhoz, hogy a még kitermeletlen, nyers kőolajból az autó tankjáig eljuttatott, töltőállomásokon is kapható üzemanyag legyen [1].

1. ábra: Fosszilis üzemanyagok ellátási lánca (fent), bioetanol ellátási lánca (lent) [2]

A fosszilis üzemanyagok közül a gázolaj előállításához kell befektetni a legkevesebb energiát. A feldolgozási metódus nagymértékben hasonlít a benzinéhez, a két üzemanyag közötti különbség a feldolgozás és finomítás során használt technológiából adódik. A kisebb befektetett energia ellenére 1 MJ fosszilis üzemanyag felhasználásából a gázolaj összességében nagyobb széndioxid-kibocsátással rendelkezik. Ez az üzemanyag magasabb széntartalma miatt alakul ki. A szén-dioxid túlnyomó része mindkét fosszilis üzemanyag esetén a motor égésterében lezajlodó égési folyamat során szabadul fel. A nagy távolságok ellenére a kőolaj szállítása a finomítóig nem képvisel jelentős arányt az előállítás energiaigényében, ugyanis a leggyakrabban alkalmazott tengeri úton és csővezetéken történő szállítás sokkal hatékonyabb, mint a vasúti, illetve a közúti.

Kukoricaalapú bioetanol előállítása során a földművelés, azon belül a műtrágya gyártása igényli a legtöbb energiát. A betakarított kukorica feldolgozása, vagyis az etanol gyártás már kisebb energiaigényű, ez annak is betudható, hogy a folyamat során hasznos melléktermékek keletkeznek, amelyeket fel lehet használni energiatermelésre, ezáltal csökken a bioetanolra számolt energiaigény. Sajnos Magyarországon a bioetanol előállítása nem pozitív energiamérleggel rendelkező folyamat – azaz több energiabefektetést igényel, mint amennyit az elégetése során nyerünk –, ennek ellenére felhasználása kisebb széndioxid-kibocsátással jár, mint a benzin, vagy a gázolaj felhasználása, ha az elégetés folyamatát karbonsemlegesnek tekintjük.

Fosszilis és bioüzemanyagok paramétereit befolyásoló tényezők

A 2. ábrán látható, hogy az olajkitermelés EROEI-értékének (Energy Returned On Energy Invested), vagyis a kinyert és a befektetett energia mennyiség arányának megváltozása milyen módon hat a folyamat széndioxid-kibocsátására. A számításaink szerint 5 MJ energiatartalmú olaj mennyiséghez 1 MJ energiát kell visszairányítani a kitermelés folyamatába. A közelmúltban felfedezett új típusú olajmezők ehhez közelítő EROEI-értékeket mutatnak, a jelenleg kitermelés alatt álló mezők pedig 12:1 körüli értékre tehetők [3]. Az üzemanyag elégetése adja a teljes értékláncra vetített széndioxid-kibocsátás túlnyomó részét, így az összesített kibocsátás kis mértékben változik a kitermelés energiaigényének ingadozásaira. Emiatt az új típusú, nem konvencionális olajmezők kitermelése – egyben az átlagos EROEI-érték csökkenése – nem fogja jelentősen növelni a benzinhez és gázolajhoz köthető széndioxid-kibocsátást.

2. ábra: Az olajkitermelés változó EROEI értékének hatása a benzinre [2]

3. ábra: Kukorica termésátlag-változásának hatása a bioetanol EROEI értékére [2]

Az etanolgyártás legnagyobb energiabefektetést igénylő szakasza a kukorica termesztésére szolgáló föld művelése és a termés betakarítása, ezért fontos, hogy a mezőgazdasági területen minél nagyobb legyen a terményhozam. A 2. ábrán látható, hogy a pozitív energiamérleg – azaz több az etanol felhasználásából kinyert energia, mint amennyit befektetünk az előállításához – nagyjából 9,5 t/ha/év termésátlag felett valósul meg. Magyarországon átlagosan ennél jóval kevesebb terményt takarítanak be, és az elmúlt évek növekedési tendenciájának extrapolációjával sem valószínű, hogy a közeljövőben gazdaságossá válik a bioetanol előállítása kis hazánkban [4].

A magyar villamos hálózat jellemzői

A hazai villamosenergia-felhasználás ellátásában egyre nagyobb szerepet vállal az olcsó importenergia vételezése. A gáztüzelésű erőművek üzemeltetése az évek során a földgáz árának növekedése és a piaci környezet változása miatt már nem gazdaságos. Ennek ellenére az egyensúly fenntartásához szükségesek az ilyen típusú csúcserőművek, vagyis szabályozáshoz, teljesítménytartalék biztosításához és a manapság egyre nagyobb mértékben terjedő távhőszolgáltatás alapjául is. Két nagy erőmű befolyásolja nagy mértékben az ország energiamérlegét a jelen gazdasági helyzet mellett: a Paksi Atomerőmű és a Mátrai Erőmű, amelyek az itthon felhasznált energia több mint 50 százalékát adják (a MAVIR 2015-ös jelentése alapján). [5] A fennmaradó mennyiséget gázüzemű-, megújuló energiaforrásokat felhasználó erőműveink, valamint az importenergia biztosítja.

A bányától a villamos elosztóhálózatig mérhető veszteségeket három szakaszban vizsgáltuk (lsd. 3. ábra). Az első az energiahordozók kitermelése, szállítása és az előkészítés folyamata, amely szakasz veszteségeit a külföldről vásárolt energiahordozók meghatározhatatlan paraméterei miatt a szakirodalomban található EROEI-értékek felhasználásával számítottuk ki. A nyers energiahordozók energiatartalmának átlagosan 4–5 százalékát szükséges befektetni a folyamat egyensúlyának fenntartásához [3]. Kivételt képez a biogáz előállítása, illetve a hulladékégetés szigorú előírásaival járó folyamatok energiaigénye. A második szakaszban meghatároztuk az erőművek energiaátalakítási hatásfokát és önfogyasztását, amelyet importenergia esetén az Európai Unió tagállamainak primerenergia-faktor (PEF) értékének reciproka ad meg, amely  számítási módszer "figyelembe veszi a primerenergia-felhasználást a teljes életciklusra vetítve. Ebbe beletartozik a kitermelés, szállítás, energiaátalakítás, a tüzelőanyag-felhasználás, a kiadott energia, a folyamat fenntartásához szükséges ráfordítások stb…” [6]

4.ábra: Villamosenergia felhasználás ellátási lánca [2]

Ezáltal az importenergia előállításának, illetve az országhatárig történő elszállításának közelítő hatásfoka a 2013-as adatok alapján 40 százalék [2] [6]. Az elmúlt öt év során nagymértékben változott az európai energiapolitika. A nukleáris energiatermelés háttérbe szorult, a megújulók – főleg szél- és napenergia - térhódítása egyre csak növekszik. Ez növekedést jelent az összesített hatásfok értékében.

A magyarországi erőművek átlagos energiaátalakítási hatásfoka körülbelül 32 százalék [2] [7]. A hazai bruttó és import energia mennyiségéből levonva az erőművek önfogyasztását és a termelési folyamat igényeit a nettó, szektoron kívül értékesített energia mennyisége évente mintegy 39 000 gigawattórára becsülhető. A villamos hálózat vesztesége 2012 és 2015 között a nettó értékesített energiának csaknem 9 százaléka volt, amely azóta sem változott jelentősen. Ez éves szinten megközelítőleg 3700 gigawattórának felel meg. [2]

A Mátrai Erőmű károsanyag-kibocsátása 1003 g CO2/kWh (KCO2,1) volt 2014-ben, a magyar villamosenergia-termelő szektor fennmaradó részének kibocsátása pedig 717 g CO2/kWh (KCO2,2) volt ugyanabban az évben [2]. Figyelembe véve azt, hogy atomenergia felhasználás igen jelentős és a megújuló energia is széndioxid semleges, az ország területén kiadott nettó, a fogyasztó által felhasználható energiára vonatkoztatott károsanyag-kibocsátási tényező (KCO2,Mo.):

A vizsgálat során a biomasszát széndioxid-semleges tüzelőanyagnak tekintettük.

Az importenergia kibocsátási tényezője az International Energy Agency (Nemzetközi Energiaügynökség) kiadványában található adatok alapján, Európa esetén 48,3 g CO2/MJ, amely 174 g CO2/kWh-t jelent. (1 KWh = 3,6 MJ) [8]

A Magyarországon felhasznált villamos energia fajlagos széndioxid-kibocsátása a hazai és az importenergia részarányának – utóbbi 31,30 százalék volt 2014-ben – és az elosztóhálózat veszteségeinek figyelembevételével alább található:

Az elektromos személyautók jellemzői

A mai technológia egyelőre nem teszi lehetővé, hogy a mindennapokban az elektromos személyautók akkumulátoraiban 600-800 kilométer hosszú út megtételéhez elegendő energiát raktározzunk el,, ez jelentősen korlátozza ezen járművek elfogadottságát. Az akkumulátorok energiasűrűségének fejlesztése mellett az infrastruktúra bővítése is elengedhetetlen.

Fontos megemlíteni, hogy az elektromos járművek energiaigényét és széndioxid- kibocsátását jelentősen befolyásolja az azokkal megtehető távolság. A 5. ábrán láthatóak a különbségek a New European Driving Cycle (NEDC), és az U.S. Department of Energy (DOE) által közzétett hatótáv adatok alapján számított energiaigény és széndioxid-kibocsátás között. Ez azzal magyarázható, hogy az NEDC egy, a gyártó által megrendelt, szabványosított tesztsorozat alapján, laboratóriumi körülmények között vizsgálja a személyautók hatótávolságát. Az DOE oldalán a felhasználók által beküldött, és nem a szabványosított tesztek során kapott értékek szerepelnek. Ennek eredményeképpen az elektromos személyautókkal megtehető távolság szempontjából a gyártói és a fogyasztói adatok között több tíz kilométeres eltérés is megfigyelhető. Következtetéseinket a fogyasztói adatok alapján számított értékekből vontuk le.

Az alább látható eredményekre a korábban taglalt ellátási láncok elemeinek részletes vizsgálatával jutottunk. A szakirodalom részletes leírásokkal rendelkezik a belső égésű motoros autók energiafelhasználása és széndioxid-kibocsátása szempontjából. Elektromos autók esetében a primerenergia igény kiszámítására az alábbi formula került felhasználásra, bemutatva a Tesla model S esetén: [2]

ahol

W_akk. [kWh] az akkumulátor felhasználható kapacitását (https://teslamotorsclub.com/tmc/threads/actual-kwh-capacity-of-p90d.76347/),

k [-] konstans az akkumulátorban tárolt és abból kivehető energia arányát,

h_aut. [km] az autó hatótávolságát a DOE adatai alapján,

η_össz. [%] az energiaellátási lánc teljes hatásfokát jelöli.

Az utóbbi, a fent megjelölt ellátási lánc részeinek szakirodalomban megjelölt referencia adatai alapján került kiszámításra.

5. ábra: 100 kilométerre vetített primerenergia-igény [2]

6. ábra: 100 kilométerre vetített széndioxid-kibocsátás [2]

A tanulmányban vizsgált személyautók közül nem mindegyik feleltethető meg egymásnak, többek között terhelhetőség és belső tér szempontjából sem. A Nissan Leaf a vizsgált belső égésű motoros autókhoz hasonlóan kompakt, egyterű autónak készült, így méreteiben és terhelhetőségben is felveszi a versenyt. Amíg BMW i3 és a Mitshubishi i-MieV városi kisautók, vagyis kialakításukban is kompaktabbak, addig a Tesla Model S a luxusautók kategóriájába tartozik, így méreteiben és terhelhetőségében is meghaladja a korábbi villamos hajtású járműveket. [9] [10]

Számításaink alapján, ahogyan a 5. és 6. ábrán látható, Magyarországon napjainkban az elektromos autók primerenergia-felhasználás szempontjából nem mutatnak kedvezőbb értékeket, mint a benzint, gázolajat, bioetanolt vagy biodízelt felhasználó járművek, de fontos megemlíteni, hogy a különbség növelhető a magyar erőműpark energiaátalakítási hatásfokának javításával és a villamos elosztóhálózat fejlesztésével, hiszen a legnagyobb veszteségek ezekben a fázisokban realizálhatók. Az 5. ábrán látható, hogy amennyiben átlagát képezzük az energiafelhasználásra vonatkoztatott értékeknek (200 MJ/100km), or az elektromos autók némely esetben még magasabb fogyasztással is rendelkeznek.

Ennek ellenére az elektromos autók jelentősen környezetkímélőbbek. Az E85 keverékkel, illetve tiszta biodízellel működő járművek kibocsátás szempontjából hasonlóan alacsony értékekkel rendelkeznek. Ezek elterjedésének lehetősége az első generációs bioüzemanyagok nagy termőföldigénye miatt nem számottevő. Amennyiben hasonlóan átlagát képezzük a széndioxid-kibocsátásra vett értékeknek, mint korábban (8 kgCO2/100km), látható, hogy az elektromos személyautók teljes folyamatláncra vetített kibocsátása nem sokkal több, mint a fele annak. Kivételt képez a Tesla Model S, mivel az nagyobb kapacitású akkumulátorral, de a kiegészítő elektronika miatt – amelyet a luxus megkövetel – és a nagyobb akkumulátor tömeg miatt nagyobb fogyasztással is bír.

Az elektromos autók elterjedése – főleg városi környezetben – megoldást jelenthet több problémára is, segíthet például a zajszennyezés jelentős csökkentésében, a levegőminőség javításában, például a szállópor, a nitrogén-oxidok és egyéb káros anyagok mérséklésében. Azt is fontos figyelembe venni, hogy az elektromos autók használata során a felsorolt káros anyagok nem a városokban, hanem az azoktól távolabb eső erőművekben kerülnek kibocsátásra. Ilyen módon csökkenthető lenne a szmog kialakulásának valószínűsége, illetve többek között, az azzal járó egészségügyi problémák és a közlekedési korlátozások is.

1. táblázat: 100 kilométerre vetített primerenergia-igény

2. táblázat: 100 kilométerre vetített széndioxid-kibocsátás

Ha tetszett a cikkünk, és szeretnétek értesülni a legújabb bejegyzéseinkről, kövessetek minket facebookon!

Felhasznált irodalom:

[1] Bourgeois L., Ahmann M. (2012): EU Refinery Energy Systems and Efficiency. https://www.researchgate.net/publication/292568996_EU_refinery_energy_systems_and_efficiency

[2] Katona Mihály, Radnai Róbert (2016): Elektromos és belső égésű motorral rendelkező autók fajlagos energia-felhasználásának és széndioxid-kibocsátásának összehasonlítása a teljes folyamatláncra vetítve. https://tdk.bme.hu/GPK/FEN/Elektromos-es-belso-egesu-motorral-rendelkezo

[3] Charles A. S., Lambert, Jessica G. és Balogh, Stephen B. (2013): EROEI of

different fuels and the implications for society. Energy Policy 64, 2014, 141-155

[4] Központi Statisztikai Hivatal (2016): A kukorica termelése. Hozzáférés ideje: 2018.08.02. https://www.ksh.hu/docs/hun/xftp/gyor/szn/szn16.html

[5] Mavir Magyar Villamosenergia-ipari Átviteli Rendszerirányító (2015): A magyar villamosenergia-rendszer adatai. Hozzáférés ideje: 2018.08.03. https://www.mavir.hu/documents/10258/154394509/VER-statisztika+2015+-+Final_1.pdf/f9111e9f-b7cf-44fc-a0b6-bb391f3e8144

[6] Uwe R. Fritsche et al. (2015): Development of the Primary Energy Factor of Electricity Generation in the EU28 from 2010-2013. http://iinas.org/tl_files/iinas/downloads/GEMIS/2015_PEF_EU-28_Electricity_2010-2013.pdf

[7] Mavir Magyar Villamosenergia-ipari Átviteli Rendszerirányító (2016): A magyar villamosenergia-rendszer (VER) 2015. évi adatai. Hozzáférés ideje: 2018.08.03. https://www.mavir.hu/documents/10258/45985073/MAVIR_VER_2015_WEB.pdf/4cb51529-6318-41cf-94f4-d62aca92b72d

[8] International Energy Agency (2017): CO2 Emissions from fuel combustion Highlights.

[9] Parkers (2017): Hatchback Car Reviews Hozzáférés ideje: 2018.08.02. https://www.parkers.co.uk/car-reviews/hatchback/

[10] Electric Vehicle Wiki (2017): Specs Hozzáférés ideje: 2018.08.02.http://www.electricvehiclewiki.com/Main_Page

A cikket készítették: Katona Mihály, Radnai Róbert