Nízkoemisní silniční vozidla - současný stav, vývojové trendy a podpora zavádění

Úvod

Vývoj v oblasti nízkoemisních silničních vozidel a podpora jejich zavádění souvisejí se vzrůstajícím důrazem na snížení podílu automobilů na negativním ovlivňování kvality životního prostředí výfukovými a hlukovými emisemi a klesajícími celosvětovými ropnými zásobami.

V návaznosti na předcházející analýzu vozidlových pohonů [1] je v článku zaměřena pozornost na stav v oblasti zavádění vozidel méně znečišťujících ovzduší, která jsou vybavena uvedenými pohony. Stav je dokládán konkrétními daty, případné relevantní odlišnosti mezi Českou republikou a dalšími vybranými státy jsou zdůrazněny. Rovněž jsou rozebrány možnosti podpoření implementace vozidel šetrnějších k životnímu prostředí. V příspěvku jsou zohledněny poznatky získané během činnosti skupiny OECD pro „Low-Emission Vehicles – Implementation Issues“, jejíž členem je jeden z autorů. Skupina působí v rámci programu „Road Transport and Intermodal Linkages Research (RTR) Programme“ pro rok 2001-2003 a jejím cílem je přispět ke snadnějšímu zavádění moderních nízkoemisních vozidel splňujících komplex požadavků z hlediska bezpečnosti a životního prostředí.

1. Současný stav a trendy

Hlavní směry vývoje nových pohonů vozidel uvedené autory v [1] zůstávají i nadále aktuálními. Ve vazbě na používané pohonné hmoty tedy existují v současnosti ve vývoji pohonů následující základní směry: moderní motory na klasická paliva, pohony na plynná paliva, pohony na biopaliva, pohony na vodík, pohony využívající elektrickou energii a hybridní pohony. Vzhledem k již provedené analýze v [1] se v následujícím zaměříme na vybrané aspekty spojené se současným stavem a vývojem v oblasti nízkoemisních vozidel.

Jednou z reakcí na požadavek snížit produkci skleníkových plynů je zvýšené užívání vysoce účinných dieselových motorů ve vozidlech, bohužel tato vozidla emitují vyšší obsah NO_x a pevných částic (PM) než odpovídající např. benzínová vozidla a jsou spojena se zvýšeným nebezpečím rakoviny.

Na pevné částice jsou ve výfukových plynech vázány polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), rovněž patřící mezi persistentní organické polutanty (POPs) a omezování vstupu POPs do životního prostředí tedy souvisí se snižováním množství emisí pevných částic [2, 3]. Za většinu emisí pevných částic jsou zodpovědné vznětové motory a s ohledem na jejich úspěšné pronikání i do pohonu osobních a dodávkových vozidel, věnují výrobci problematice emisí pevných částic značnou pozornost.

Obsah pevných částic ve výfukových plynech dnešních moderních vznětových motorů je účinně snižován kromě aplikace vnitromotorových opatření (např. aplikace vysokotlakých vstřikovacích systémů [5]) i použitím katalyzátorů. V současnosti jsou vozidla se vznětovými motory vybavována oxidačními katalyzátory, které kromě redukce obsahu oxidu uhelnatého (CO) a nespálených uhlovodíků (HC), rovněž snižují obsah pevných částic ve výfukových plynech až o cca 50% destrukcí organické frakce částic.

Současná situace a vývojový trend ve vybavenosti vozidel katalyzátory v České republice jsou zřejmé z následující tabulky.

Tabulka 1. Počty vozidel v České republice vybavených katalyzátory

Uvedený počet vozidel v ČR s katalyzátory je odhadnut dle tempa obměny vozového parku a v souladu s tímto tempem je zjevná stoupající tendence počtu vozidel vybavených katalyzátorem.

Rovněž je potřeba zdůraznit požadavek na zabezpečení odpovídajících parametrů paliva, které podmiňují účinnost výše uvedených technologií [4]. Zejména se jedná o obsah síry, která jednak snižuje též emise pevných částic a jednak ovlivňuje efektivnost katalytických systémů. Problematice kvality motorových paliv je v České republice věnována značná pozornost, analýza hlavních modifikací současných procesů a informace o nových procesech pro výrobu autobenzínů a motorové nafty jsou uvedeny v [7].

Bohužel počet pevných částic je u vznětových motorů s katalyzátory nezměněn a problémy spojené s vlivem ultrajemných částic na lidské zdraví zůstávají nevyřešeny. Tyto problémy vznětových motorů vyřeší až zavedení tzv. zachycovačů částic [5], vybavených automatickým čištěním a regenerací, kdy dochází ke spálení zachycených částic. Tyto zachycovače se v současnosti sériově prakticky nemontují, změna situace se očekává během cca 3-5 let.

V oblasti aplikace vodíku, paliva budoucnosti, je vhodné zmínit zásadní událost z dubna letošního roku, kterou je otevření celosvětově první vodíkové čerpací stanice v Reykjavíku na Islandu. Tento projekt nazvaný ECTOS (Ecological City Transport System), částečně financovaný Evropskou unií, směřuje k náhradě tradičních benzinových a naftových pohonů ekologičtějšími. V současnosti jsou provozovány tři autobusy Mercedes Benz Citaro s palivovými články, následně se předpokládá aplikace i v osobních automobilech a motorových člunech. Vodík je vyráběn elektrolýzou vody, elektřina je získávána z obnovitelných zdrojů, kterých má Island dostatek. Projekt ECTOS spojuje environmentální a technickou stránku a měl by se stát modelem pro svět mířící k vodíkové budoucnosti.

2. Vybrané aspekty spojené se zaváděním nízkoemisních vozidel

2.1 Lokální emise

Vazba mezi emisemi polutantů motorových vozidel a dopady na lidské zdraví a životní prostředí je zřejmá, vozidla významně přispívají k produkci polutantů nejzávažněji poškozujících zdraví obyvatel. Současné a budoucí evropské, americké a japonské emisní předpisy stanovují závazné limity na emise škodlivin (CO, HC, NO_x, PM).

Vývoj emisních předpisů prochází velmi intenzívním procesem, časový vývoj limitních hodnot a jejich zpřísňování je znázorněno na obr. 1 a 2 pro případy nových benzínových a dieselových motorů dle evropských předpisů. Obdobné trendy platí i pro USA a Japonsko.

Obr.1 Vliv směrnic EHK (benzínové motory)

Zdroj: [8]

Obr. 2 Vliv směrnic EHK (dieselové motory)

Poznámka: *změna testu
  Zdroj: [8]

Předpis EURO 3 platný v současnosti ve státech Evropské unie byl přijat a je platný i v České republice. Automobilka Škoda má v nabídce motory plnící nejen emisní limity, které vstoupily v platnost v r. 2001 tj. EURO 3, ale i motory plnící předpis EURO 4 s termínem platnosti od r. 2005.

2.2 Globální emise

Paliva vyráběná z ropy, benzin a motorová nafta, jsou dosud převládajícími palivy a uspokojují celosvětové požadavky dopravy z cca 96 % [8]. Celková spotřeba LPG, CNG nebo biopaliv v dopravě není dostatečně významná. Množství CO₂ (hlavního tzv. skleníkového plynu) emitované celosvětově dopravou se zvýšilo z cca 19 % v roce 1971 na 24 % v roce 2000, přičemž silniční doprava byla v roce 2000 zodpovědná za cca 18 % celkových světových emisí a za cca 23 % v zemích OECD (obr. 3).

Obr. 3 Světové emise CO₂

Zdroj: IEA, [8]

Pro emise tzv. skleníkových plynů u nových vozidel neplatí žádné mezinárodní předpisy, ačkoliv řada zemí má zavedeny své předpisy. V Evropě existuje dohoda mezi Evropskou komisí a ACEA (European Automobile Manufacturers Association) snížit emise CO₂ v průměru o 25 % (v porovnání s r. 1999/2000) u nových vozidel prodávaných v r. 2008. Podobné dohody byly uzavřeny mezi Evropskou komisí a JAMA (Japan Automobile Manufacturers Association) a KAMA (Korea Automobile Manufacturers Association). Všechny dohody obsahují stejné cílové průměrné hodnoty emisí CO₂ nových osobních automobilů prodávaných v Evropské unii tj. 140 g CO₂/km, které by měly dosáhnout JAMA a KAMA v r. 2009 a ACEA v r. 2008. Sdružení přispějí k dosažení cílových hodnot CO₂ technologickým vývojem a odpovídajícími změnami na trhu. Trendy u emisí CO₂ včetně cílových průměrných hodnot v příštích letech pro naplnění dohody (ACEA 165-170 g CO₂/km v r. 2003 atd.) jsou ukázány v tabulce 2.

Spotřeba pohonných hmot a CO₂ patří společně s limity emisí a hluku mezi celosvětově sledovaná kriteria vozidel. Rovněž automobilová společnost Škoda, na základě koncernové strategie zavedení pokrokových technologií a nových technických řešení, je řazena v této oblasti na čelní místo mezi automobilovými výrobci. Vozy Škoda využívají špičkové koncernové technologie, jakými jsou např. motory TDI se systémem vysokotlakého vstřikování. Dieselové motory mají díky přímému vstřikování nafty ve všech provozních režimech velmi nízkou spotřebu, motory Škoda zajišťují vysoký výkon s minimální spotřebou a co nejmenším zatížením životního prostředí.

Tab. 2 Trendy v oblasti emisí CO₂ u nových automobilů – ve vazbě na průměrné hodnoty hmotnosti vozidla, zdvihového objemu a výkonu motoru

Zdroj: ACEA, [8]

Ačkoliv jsou aplikovány stále účinnější technologie, nevedou tato zdokonalení motoru k odpovídajícímu zvýšení úspornosti ve spotřebě paliva. Důvodem je růst výkonu motoru, zvyšování bezpečnosti a rovněž zlepšování úrovně komfortu vybavením vozidla klimatizací a dalším příslušenstvím. Tyto změny zvyšují celkovou spotřebu paliva v důsledku nárůstu hmotnosti vozidla a dalších požadavků na energii.

Trend zvyšování výkonu a hmotnosti vozidel, který je založen na požadavcích zákazníků upřednostňujících větší a výkonnější vozidla s vyšší úrovní bezpečnosti a komfortu, je zřejmý z obr. 4. Současně na uvedeném příkladu VW Golf r. 2002 s benzínovým motorem je vidět, že spotřeba paliva je o cca 20 % nižší než u předchůdce z r. 1975, a že tohoto poklesu bylo dosaženo přes nárůst výkonu a hmotnosti vozidla o cca 50 %.

Dieselové motory dosahují oproti benzínovým nižší spotřeby paliva a nižších emisí CO₂, a celosvětově pronikají stále více i do pohonu osobních vozidel. Údaje v tabulce 3 potvrzují platnost tohoto trendu rovněž pro Českou republiku.

Tab. 3 Osobní automobily registrované v ČR - podle typu spotřebované energie

Zdroj: [9]

Zkušenosti z praxe ukazují, že vozidla s novými pohony dosud nemohou plně konkurovat vozidlům vybaveným konvenčními pohony. Hlavními nedostatky jsou náklady, dostupnost nových paliv (vodík, biopaliva), dojezd (CNG a zejména elektromobily), spolehlivost, komfort a bezpečnost (odolnost proti nárazu u vozidel s novými pohony, bezpečnost při manipulaci s novými palivy). To znamená, že je zapotřebí ještě značného úsilí v oblasti vývoje vozidel a velkých investic v oblasti distribuce nových paliv (např. vodíku).

Podrobná analýza a porovnání jednotlivých druhů vozidlových pohonů jsou uvedeny v příspěvku [1] v loňském roce.

3. Podpora zavádění nízkoemisních vozidel - ovlivňující podmínky

3.1 Požadavky na palivovou infrastrukturu a problémy bezpečnosti

Infrastruktura pro výrobu paliva

Rozsah investičních nákladů na vytvoření nové nebo rozšíření stávající infrastruktury pro výrobu, skladování a distribuci paliva se výrazně liší dle druhu paliva. Nejsnadnější je adaptace infrastruktury pro benzin na infrastrukturu pro naftu nebo alkoholová paliva v případě nahrazování benzinu těmito palivy. Např. infrastruktura pro elektromobily - musí zahrnovat prvky pro dodatečnou výrobu a přenos energie, instalaci dobíjecích zařízení v domácnostech a na veřejných místech apod.

Požadavky na distribuční infrastrukturu

Pro významnější rozšíření musí být pro vozidla na alternativní paliva vytvořena distribuční infrastruktura srovnatelná se současnou sítí čerpacích stanic pro klasická paliva včetně odpovídající rychlosti čerpání, doplňkových služeb, samoobslužného provozu atd. V úvahu je třeba vzít i současné přísnější zákony a nařízení pro projektování a provozování, které zajišťují bezpečnost, ochranu zdraví a životního prostředí.

Potenciální rizika vyplývající z výroby a distribuce paliva

Jak konvenční tak alternativní paliva představují rizika pro výše zmíněnou bezpečnost, zdraví a životní prostředí. Zahrnují nebezpečí požáru nebo explose během výroby paliva a jeho distribuce, možné nebezpečí pro lidské zdraví v důsledku kontaktu s palivy nebo jejich výpary. Potenciální škody vznikají při výrobě, skladování nebo distribuci paliva, během provozování vozidla a čerpání paliva, nebo v důsledku úniku paliva způsobeného nehodou v kterékoliv z uvedených fází.

3.2 Výrobní a provozní náklady

Hlavní nákladové položky u alternativních paliv

Náhrada klasických paliv alternativními vyžaduje dodatečné náklady v následujících třech oblastech:

• rozšíření většiny alternativních paliv vyžaduje zvýšené investice do zařízení pro výrobu a distribuci,
• možné vyšší výrobní náklady v porovnání s klasickými palivy,
• možné vyšší výrobní náklady vozidel na alternativní paliva v porovnání s vozidly na benzin nebo naftu (např. speciální palivové nádrže pro CNG, LPG nebo vodík).

Náklady na palivovou infrastrukturu

Dodatečné náklady na zásobovací infrastrukturu se pro jednotlivá alternativní paliva značně liší. Snadná adaptibilita současné infrastruktury na infrastrukturu pro alkoholová paliva (etanol, metanol) by vyžadovala velmi nízké zvýšení nákladů, naopak např. systémy pro skladování a distribuci stlačeného paliva CNG, LPG nebo vodíku by vyžadovaly významné dodatečné investice. Pro představu a porovnání jsou uvedeny následující odhady investičních nákladů dle [8] za provozního předpokladu 100 vozidel/den: LPG stanice - 45 000 EUR, CNG stanice - 300 000 EUR, LNG nebo vodíková stanice - 450 000 EUR.

Vozidla – provedení, údržba

Vozidla, která používají neropná kapalná paliva o teplotě rovné okolí (např. etanol) a jsou vybavena spalovacím motorem a konvenčním mechanickým pohonem, mají výrobní náklady podobné jako benzinová nebo dieselová vozidla. Dle [8] činí dodatečné náklady u vozidel na LPG cca 10 % a u vozidel na CNG cca 15-25 %, porovnáváme-li s podobnými vozidly (benzinovými resp. dieselovými); u hybridních vozidel je nárůst nákladů v závislosti na konstrukci cca 5-30 %. Z důvodu konkurenceschopnosti se výrobci vozidel snaží udržovat náklady na údržbu vozidel s alternativními pohony na obdobné úrovni jako u konvenčních vozidel.

3.3 Požadavky zákazníků

Přijetí vozidel zákazníky závisí na množství faktorů, jejich důležitost a pořadí se mění s konkrétním zákazníkem. Mezi hlavní faktory patří: bezpečnost, spolehlivost, hospodárnost, jízdní vlastnosti, šetrnost vůči životnímu prostředí, komfort, vnitřní prostor, kompaktní vnější rozměry, velký zavazadlový prostor, rozmanité využití, vzhled atd. Vozidla s alternativními pohony tedy musí nabízet obdobné parametry, mají-li získat významný podíl na trhu.

4. Závěr

Je zřejmé, že další rozvoj silniční dopravy využívající v převážné míře paliva vyráběná z ropy, není trvale udržitelný vzhledem ke konečným ropným zásobám a k negativnímu ovlivňování kvality životního prostředí emisemi škodlivin ve výfukových plynech vozidel.

Je nezbytné zvýšit ve vozovém parku podíl tzv. nízkoemisních vozidel, která jsou šetrnější k životnímu prostředí. Pro pohon těchto vozidel je v současnosti připravena řada řešení, která jsou schopna přispět ke snížení spotřeby energie a množství škodlivých emisí ze silniční dopravy. Ve vazbě na analýzu a porovnání jednotlivých druhů vozidlových pohonů byla pozornost v příspěvku zaměřena na stav v oblasti zavádění vozidel méně znečišťujících ovzduší. Z hodnocení stavu je mimo jiné zřetelný současný trend zvyšování výkonu a hmotnosti vozidel, který je založen na požadavcích zákazníků. Ti upřednostňují větší a výkonnější vozidla s vyšší úrovní bezpečnosti a komfortu, což však do jisté míry negativně vyrovnává nižší spotřebu paliva moderních pohonných jednotek.

Důležitá role při prosazování nízkoemisních vozidel připadá státu, který má k dispozici řadu účinných nástrojů. Na řešení problematiky se podílí rovněž již výše zmíněná pracovní skupina OECD pro „Low-Emission Vehicles – Implementation Issues“, cílem této skupiny působící v rámci programu „Road Transport and Intermodal Linkages Research (RTR) Programme“ je přispět ke snadnějšímu zavádění moderních nízkoemisních vozidel. V článku jsou rozebrány podmínky ovlivňující podporu zavádění vozidel méně znečišťujících ovzduší, přičemž z uváděných příkladů je zřejmé, že možnosti aplikování podpory implementace šetrnějších vozidel jsou limitovány specifickou situací v jednotlivých zemích.

Literatura

[1] CHOLAVA, R., MERTL, A., ADAMEC, V. Vozidla šetrnější k životnímu prostředí – vybrané aspekty jejich implementace. In 5. Mezinárodní konference ekologické městské dopravy, Karlovy Vary, 12.-14. června, 2002.

[2] WALSH, M.P. et al. Vehicle Emission Trends. Paris: ECMT, 2000.

[3] WALSH, M.P. et al. Vehicle Emission Reductions. Paris: ECMT, 2001.

[4] PRAŽÁK, V., BUCHTA, J. Motorová nafta pro pohon vozidel. Vývoj kvality a perspektivy jejího využívání. In Odborný seminář České asociace petrolejářského průmyslu a obchodu, Brno, 10. červen 2002.

[5] KRÖBL, L. Požadavky vznětových motorů na motorovou naftu. In Odborný seminář České asociace petrolejářského průmyslu a obchodu, Brno, 10. červen 2002.

[6] ADAMEC, V., DUFEK, J., JEDLIČKA, J. Studie o vývoji dopravy z hlediska životního prostředí v České republice za rok 2001. Brno: CDV, 2002.

[7] ŠVAJGL, O. Modifikace rafinérských procesů k výrobě motorových paliv do roku 2010. In Odborný seminář České asociace petrolejářského průmyslu a obchodu, Brno, 10. červen 2002.

[8] OECD. Plenary Meetings of the Working Group on Low-Emission Vehicles: Implementation Issues. 2001-2002.

[9] Ročenka dopravy České republiky 2001. Praha: MDS ČR, CDV, 2002.

[10] CHOLAVA, R. Trendy v oblasti pohonných jednotek automobilů ve vazbě na životní prostředí. In celostátní odborný seminář Doprava, životní prostředí a udržitelný rozvoj, Liberec, 17. květen 2001.

[11] CHOLAVA, R., DUFEK, J., MERTL, A. Druhy pohonných hmot z hlediska perspektivy a produkce (emise) znečišťujících látek. In celostátní odborný seminář Provozní hmoty pro dopravní prostředky, Pardubice, 20. června 2002.

[12] FULTON, L. Fuel Economy Improvement. Policies and Measures to Save Oil and Reduce CO₂ Emissions. Paris: IEA, 2000.

[13] FULTON, L. et al. Saving Oil and Reducing CO₂ Emissions in Transport. Options and Strategies. Paris: IEA, 2001.

[14] SWEDISH TRANSPORT AND COMMUNICATIONS RESEARCH BOARD. The Swedish Electric and Hybrid Vehicle Program. 1993-2000.

[15] VAN WALWIJK, M., BUCKMANN, M., TROELSTRA, W.P., ELAM, N. Automotive Fuels for the Future. The Search for Alternatives. Paris: IEA, 1999.

[16] DTLR, DTI, DEFRA, TREASURY. Powering Future Vehicles. Draft Government Strategy. 2001.

[17] Internetové stránky relevantních automobilových výrobců.

Použité zkratky