Paliwa kopalne, takie jak ropa naftowa i gaz ziemny, są ograniczone i nie mogą być na zawsze jedynym źródłem paliwa dla zmotoryzowanych środków transportu. Postęp techniczny umożliwia eksploatację nowych złóż ropy naftowej, ale elastyczna mobilność przyszłości zależy od rozwoju energetyki odnawialnej.
W ramach paryskiego porozumienia w sprawie ochrony klimatu kraje na całym świecie postanowiły ograniczyć emisje zanieczyszczeń, a tym samym spowolnić globalne ocieplenie. Aby osiągnąć te cele, oprócz kluczowych technologii napędów elektrycznych i wodorowych pojawiła się inna obiecująca opcja: wykorzystanie paliw syntetycznych. W poniższym artykule wyjaśnimy, co się za tym kryje.
Czym są paliwa syntetyczne?
W przeciwieństwie do paliw kopalnych, paliwa syntetyczne, zwane również e-paliwami, są wytwarzane przy użyciu energii odnawialnej, dwutlenku węgla i wody. Ich budowa chemiczna jest zbliżona do konwencjonalnego oleju napędowego i benzyny, więc teoretycznie mogłyby być już stosowane w nowoczesnych silnikach spalinowych. Jednak ich produkcja jest nadal bardzo złożona.
Podstawą e-paliw jest wodór. Woda jest najpierw rozdzielana na tlen i wodór w procesie elektrolizy. Proces ten wymaga dużych ilości energii elektrycznej i dlatego powinien pochodzić z czysto odnawialnych źródeł energii, takich jak fotowoltaika, turbiny wiatrowe lub elektrownie pływowe, aby umożliwić produkcję wodoru w dużej mierze neutralną pod względem emisji CO2.
Aby wyprodukować paliwo syntetyczne z wodoru, w kolejnym kroku musi powstać wiązanie z dwutlenkiem węgla. Można to uzyskać na przykład z biomasy – produktu odpadowego z różnych procesów przemysłowych – lub, najlepiej, bezpośrednio z otaczającego powietrza. Oznacza to, że paliwo do nowoczesnych środków transportu można faktycznie wytwarzać z gazu napędowego CO2 i wody, co czyniłoby silniki spalinowe mniej lub bardziej neutralnymi dla klimatu.
Jak wydajne są paliwa syntetyczne?
Chociaż paliwa syntetyczne są w dużej mierze neutralne pod względem emisji CO2, ich wydajność jest znacznie niższa niż w przypadku napędu czysto elektrycznego. Powodem tego są liczne i złożone etapy produkcji paliw, w szczególności energochłonna produkcja wodoru. W ramach projektu badawczego Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT) bada się obecnie, w jaki sposób można zwiększyć wydajność e-paliw.
Teoretycznie sprawność mogłaby prawdopodobnie wzrosnąć nawet do 60 procent, ale w praktyce jest to jeszcze daleka droga. Dla porównania: silnik elektryczny ma sprawność około 70 do 80 procent. Nawet po uwzględnieniu strat związanych z ładowaniem i dostawą energii elektrycznej wartość ta nadal wynosi około 64 proc. Paliwa syntetyczne mają obecnie około 15% wydajności. Instytut Klimatu, Środowiska i Energii Uniwersytetu w Wuppertalu odkrył również, że ilość energii elektrycznej potrzebna do pokonania dystansu 100 kilometrów z e-paliwem wystarcza na 700 kilometrów dla samochodów z silnikami czysto elektrycznymi.
Ile kosztują paliwa syntetyczne?
Produkcja paliw syntetycznych jest obecnie bardzo złożona, a zatem również bardzo kosztowna. Przy dzisiejszych metodach produkcji cena za litr wynosiłaby około 4,50 euro. Wielkość produkcji jest obecnie na poziomie badawczym, ale jedno jest już jasne: szeroka akceptacja e-paliw będzie zależeć od ceny.
Cena energii elektrycznej stanowi bardzo dużą część kosztów produkcji, która w Niemczech ze średnią 31,81 centów za kilowatogodzinę zajmuje wysoką pozycję w międzynarodowym porównaniu. Jednak dzięki konsekwentnemu przestawianiu się na odnawialne źródła energii cena energii elektrycznej może wykazywać tendencję spadkową, tak więc badania zakładają przyszłą cenę litra między 1,00 a 1,40 euro (plus podatki) za paliwo syntetyczne.
Zalety e-paliw
Pomimo ich dotychczasowej niskiej wydajności i wysokich kosztów produkcji, istnieje wiele powodów, które przemawiają za e-paliwami. Jeśli do produkcji wykorzystuje się wyłącznie energię elektryczną z odnawialnych źródeł energii i CO2 z otaczającego powietrza, użycie syntetycznego paliwa jest zasadniczo neutralne dla klimatu. Ponadto spala się prawie bez sadzy, a CO2 emitowany przez pojazd może ostatecznie zostać ponownie wykorzystany do produkcji e-paliwa. To zamyka cykl produkcji i użytkowania przyjaznego dla klimatu paliwa.
Innym ważnym aspektem jest chemiczno-strukturalne podobieństwo syntetycznego oleju napędowego lub benzyny do ich kopalnych odpowiedników. Może być również wtryskiwany do komór spalania silników spalinowych i tam spalany, dzięki czemu w powszechnych technologiach silników spalinowych trzeba wprowadzać tylko kilka zmian lub nie trzeba ich wcale. Jest to również opłacalne dla producentów pojazdów, ponieważ nie trzeba by było wprowadzać żadnych zasadniczych nowych rozwiązań dla już istniejącej technologii silników nowoczesnych pojazdów. Można by również nadal wykorzystywać istniejącą infrastrukturę stacji paliw, dzięki czemu właścicielom pojazdów nie będzie trudniej zdobyć paliwo.
Oznacza to, że paliwo syntetyczne ma jeszcze jedną zaletę w porównaniu z napędami elektrycznymi lub wodorowymi: opcje transportu i przechowywania. Podobnie jak paliwa kopalne, e-paliwa można łatwo transportować i przechowywać w dużych zbiornikach w rafineriach i stacjach paliw przez długi czas. W przypadku wodoru wymagania są znacznie bardziej rygorystyczne ze względu na wysokie ryzyko wybuchu, dlatego magazynowanie i transport są tutaj znacznie droższe. Nic więc dziwnego, że w całych Niemczech są obecnie tylko 92 stacje tankowania wodoru, więc nie może być mowy o ogólnokrajowej ekspansji.
Z trudnym zaopatrzeniem w energię zmagają się nie tylko pojazdy wodorowe, ale także samochody czysto elektryczne. Według Federalnej Agencji ds. Sieci 1 marca 2021 r. działało 35 076 normalnych stacji ładowania i 5 730 stacji szybkiego ładowania, w porównaniu z prawie 600 000 pojazdów z napędem czysto elektrycznym lub hybrydowym typu plug-in. Z drugiej strony, korzystając z e-paliw, można bez obaw poradzić sobie z tematem tankowania, nawet na dłuższych dystansach.
Czy e-paliwa będą decydować o przyszłości?
Oprócz czystej energii elektrycznej i wodoru, paliwa syntetyczne stanowią interesujące i obiecujące źródło energii dla naszych przyszłych zmotoryzowanych środków transportu.Ze względu na obecny wysiłek wymagany do produkcji e-paliw, nie będzie możliwe zastąpienie paliw kopalnych w skrócie termin. Ponadto e-paliwa byłyby obecnie wyraźnie zbyt drogie dla konsumentów.
Niemniej jednak: potencjał oszczędności emisji CO2 dzięki wykorzystaniu e-paliw byłby ogromny. Naukowcy zakładają, że oprócz wdrożenia elektryfikacji, do 2050 roku można zaoszczędzić około 2,8 gigaton CO2 dzięki konsekwentnemu stosowaniu paliw syntetycznych. Dlatego nie tylko globalne firmy, takie jak Bosch, forsują rozwój e-paliw, niemiecki rząd zapewnia również zachęty finansowe do dalszego rozwoju badań nad paliwami syntetycznymi. Federalne Ministerstwo Transportu i Infrastruktury Cyfrowej uchwaliło program finansowania w wysokości 1,54 mld euro na okres od 2021 do 2024 roku na wsparcie procesów produkcji paliw odnawialnych.
Jednak ze względu na znacznie niższy poziom sprawności w porównaniu z napędami czysto elektrycznymi, eksperci obecnie nie spodziewają się, że paliwo syntetyczne stanie się jedynym rodzajem paliwa na drogach publicznych. Istnieją raczej obszary zastosowań e-paliw, w których napędy czysto elektryczne nie mogą być sensownie wykorzystywane ze względu na warunki ładowania i przechowywania: w transporcie morskim lub lotniczym.
Z drugiej strony w ruchu drogowym dodanie paliwa syntetycznego do paliw kopalnych może pomóc w zrównoważonym zmniejszeniu emisji CO2. Ponieważ ekspansja i rozwój nowych technologii jest możliwy tylko krok po kroku, równoległe stosowanie e-paliw, wodoru i napędów elektrycznych może stanowić skuteczny sposób przyczyniania się do ochrony klimatu.
Paliwa syntetyczne – odwrócenie trendu we współczesnej mobilności?
Oczywiste jest, że nie możemy nadal bez ograniczeń wykorzystywać ropę naftową i gaz ziemny jako główną bazę paliw w naszych środkach transportu przez kolejne dziesięciolecia. Zasoby są ograniczone, a ilość CO2 uwalnianego ze spalania paliw kopalnych jest niezgodna z wysiłkami na rzecz osiągnięcia globalnych celów klimatycznych.
Dlatego ogromne znaczenie mają wysiłki na rzecz ustanowienia alternatywnych technologii napędowych i źródeł energii, które są zrównoważone, neutralne dla klimatu i łatwe w użyciu. Paliwa syntetyczne mają potencjał, aby spełnić te wymagania.
Wysiłki naukowców, polityków i przemysłu są ogromne, aby uczynić paliwa syntetyczne odpowiednimi dla rynku masowego, a tym samym zrobić kolejny krok w kierunku bezemisyjnej mobilności. Jednak będzie to działać tylko wtedy, gdy proces produkcyjny stanie się mniej skomplikowany i tańszy, a wydajność e-paliw będzie można znacznie zwiększyć.
