Vodíkové a elektronáklaďáky jsou skoro neproveditelné. Jaká je alternativa?

Tlak na elektrifikaci silniční dopravy je dnes neúprosný a cesta tímto směrem už pevně narýsovaná. V případě osobních aut, na jejichž vrub připadá v rámci dopravy po silnicích většina emisí, nejen CO2, je velká část technických otázek vyřešena. Stále zbývá samozřejmě otázka ceny, a to ať u aut (tedy hlavně baterií), tak potřebné elektřiny a infrastruktury.

Ale v případě silniční nákladní dopravy, která má na svědomí menší část emisí než osobní auta, je otevřených technických otázek vícero. Stále není rozhodnuto, které ze dvou dnes nabízených řešení pro bezemisní nákladní dopravu pro silnicích bude vhodnější: čistá elektrifikace, nebo využití vodíku.

Vodíkové pohony jsou ovšem v tuto chvíli zjevně otázkou vzdálenější budoucnosti. Mají své nesporné výhody: Dá se využít stávající infrastruktury, palivo obsahuje hodně energie a může se snadno a rychle čerpat, může se skladovat dlouhodobě a sloužit jako „zásobárna“ energie z dob nadbytku.

Ovšem vodík má i řadu nevýhod. Největší z nich je, že zatím prostě není k dispozici. Alespoň v dostatečném množství - levně a zároveň „zeleně“. Většina vodíku se dnes získává procesy, které k uhlíkové neutralitě mají daleko. Vodík tedy nepochybně může být součástí „čisté“ dopravy, ale těžko v nejbližších letech. Výrobci nákladních vozů v EU a možná ani v USA na něj možná nebudou moci čekat.

Zbývá tedy elektřina. Při jejím použití se rýsuje veliká úspora energie už v samotné změně paliva. Spalovací motory spalují jen menší část energie na práci. Větší část se mění teplo, které se využije pouze z části. Elektromotory jsou výrazně účinnější, a tak celková účinnost celého procesu je bez využití fosilních paliv vyšší. (V případě vodíku to minimálně zatím k nízké účinnosti jeho produkce rozhodně neplatí, ale to je ještě složitější téma.)

Samozřejmě, „čistota“ elektřiny se ztratí, pokud pochází ze „špinavých“ zdrojů, jako je uhlí. Ideálně by se „šťáva“ pro nákladní vozy měla získávat z nízkoemisních zdrojů. Čímž někdo myslí v podstatě výhradně zdroje obnovitelné, jiní i jaderné elektrárny. Pravdu mají zjevně ti druzí, ale i do této otázky samozřejmě zasahuje politika.

Jak přesně však elektrifikovat? V případě využití elektřiny se obvykle předpokládá, že vozy ji budou ukládat v bateriích. Ovšem u „náklaďáků“ to může být větší výkonnostní šok než u vozů osobních.

Týká se to především dálkové dopravy. Takové vozy se pohybují poměrně konstantní a relativně vysokou rychlostí na dlouhé vzdálenosti. Spalovací motory u nich tak někdy mohou pracovat velmi účinně – s konstantním zatížením a otáčkami.

Spotřeba elektrického kamionu pohybujícího se po dálnici zhruba 100kilometrovou rychlostí by se v případě vozu s dobrou aerodynamikou mohla (podle této evropské studie) pohybovat kolem 115 kWh na sto kilometrů. To je téměř šestkrát více, než je průměrná spotřeba u elektromobilu, a to spíše SUV než malého městského vozítka.

Aby čistě bateriové elektrifikované nákladní vozy mohly plnit podobnou funkci jako dnešní „tiráky“, musí mít na palubě masivní baterii. Autoři nedávné studie z Kalifornské univerzity předpokládali, že pro dosažení na poměry těchto vozidel krátkého 500kilometrového dojezdu bude v roce 2030 dálkový elektrický nákladní vůz potřebovat baterie o hmotnosti cca 3,5 tuny.

Všimněte si, že jde o baterii budoucí, která bude mít o něco lepší výkony – a tedy i menší hmotnost – než ty dnešní. Na druhou stranu je trochu těžší, protože je naddimenzována, aby se nikdy nemusela vybíjet až „do dna“ a déle tedy vydržela. V každém případě by podle odhadu elektrický nákladní vůz měl být cca o tři tuny těžší než jeho dieselový protějšek z roku 2020. Což se mimochodem samozřejmě projeví i na zátěži silnic a mostů.

Proto například společnosti Daimler a Volvo, dva největší světoví výrobci nákladních automobilů, sázejí v tuto chvíli na vodíkové palivové články. Stejně třeba jako ambiciózní start-up Nikola. Argumentují tím, že těžké baterie potřebné k zajištění přijatelného dojezdu jsou pro nákladní automobily nepraktické, protože příliš ubírají z užitečného zatížení.

Často se tak předpokládá, že přesně z těchto důvodů se bude elektrifikovat především nákladní doprava na kratší či střední vzdálenosti. Na takových trasách je elektrický pohon oproti dieselu účinnější (stání a pomalá jízda účinnosti spalovacích motorů nepřejí). Baterie také mohou být menší, protože tyto vozy nejezdí tak dlouhé vzdálenosti, a nárůst hmotnosti není tak velký. Přesto by podle této metodiky mohly být i menší elektrické nákladní vozy o necelou 1,5 tunu těžší než dnešní vozy na spalovací motor.

Prostor pro uplatnění takových vozů je přitom veliký. V EU zhruba polovinu všech ujetých kilometrů silniční nákladní dopravy tvoří jízdy na vzdálenosti kratší 300 kilometrů. Takže menší nákladní vozy s dojezdem 200 nebo 300 kilometrů by našly celou řadu využití. I tak je stále co řešit.

Zajímavou otázkou je například dobíjení nákladních vozů s velkými bateriemi. Osobní vozy cca 95 svého „života“ prostojí zaparkované, flotily nákladních vozů velkou část dne stráví na silnici. Vytížení se liší podle typu přepravy a provozovatele, v řadě případů si ovšem majitelé nemohou dovolit, aby se jeho vůz nabíjel před další cestou hodiny.

Během několika příštích let by tak měl být představen nový dobíjecí standard určený především právě pro nákladní vozy. Měl by výhledově umožnit dobíjení výkonem až kolem čtyř megawattů. Což je zhruba tisíckrát rychleji než ze zásuvky a přibližně 25krát rychleji než u těch dnes nejvýkonnějších šířeji používaných nabíječek, které mají maximální výkon 150 kW.

To s sebou nese i požadavky na konstrukci. Společnosti, které se vývoje zabývají (např. Siemens), počítají s tím, kabely na takové stanici budou příliš silné, a tedy i příliš těžké na to, aby s nimi mohl manipulovat člověk. V nákladní dopravě se tak výhledově má využívat autonomních, robotických dobíjecích stanic.

Otázkou také je, kde na to brát potřebnou energii. Nejde přitom jen o elektrárny nutné k pohonu elektromobilů, ale i „dráty“, které je na ně místo dovedou. Při stavbě benzínových stanic se rozhodně nepočítalo s tím, že by mohly odebírat takové výkony.

Postavit nákladní auto na baterie a zajistit, aby mohlo opravdu prakticky fungovat není tedy jednoduché. A tak není divu, že se objevují nejrůznější nápady, jak problém řešit jinak.

Jedno staronové řešení problému především dálkové kamionové dopravy se od roku 2019 zkouší například na německé dálnici A5, respektive na jejím krátkém úseku u Frankfurtu. Nad jízdním pruhem se tu táhnou dráty, které byste čekali spíše nad koleji a pražci. Nad vozovkou je prostě nataženo elektrické vedení, které vypadá – a také funguje – stejně, či velmi podobně jako vedení na železniční či tramvajovou tratí.

Za projektem stojí velcí hráči: společnost Traton, která vlastní výrobce nákladních automobilů Scania, MAN a Navistar, a elektrotechnický gigant Siemens. Frankfurtský experiment také není zcela ojedinělý. Krátké úseky elektrifikovaných silnic jsou také ve spolkových zemích Šlesvicko-Holštýnsko a Bádensko-Württembersko. Technologie byla vyzkoušena ve Švédsku a v roce 2017 na kilometrovém úseku poblíž přístavu v Los Angeles.

Jak to v praxi vypadá? Nákladní vozy samozřejmě mohou vedení využívat pouze v případě, že jsou vybaveny sběračem: tedy pantografem namontovaným na kabině. Jde v podstatě jen lehce upravenou technologii, která se už používá na kolejových vozidlech.

Určité odlišnosti tu ovšem samozřejmě jsou. Nákladní vozidla s pantografem jsou vybavena systémem, které za prvé zjistí přítomnost elektrického vedení nad vozovkou a současně udržuje auto přímo pod ním. Jakmile tedy počítač zaznamená přítomnost elektrických drátů, pantografový sběrač proudu se na ně připojí a vozidlo přejde na plně elektrický pohon.

V pokusu je maximální rychlost takto dobíjených aut omezena na 90 km za hodinu. Jakmile kamion tuto rychlost přesáhne, anebo opustí elektrifikovaný dálniční koridor, automaticky se přepne na svůj hlavní pohon, ať už je jakýkoliv. Totéž se stane v případě nějaké nečekané situace: vozidlo může kdykoliv prostor pod trolejemi opustit.

Instalace napájecího vedení na dálnicích v mnoha ohledech dává dokonalý smysl. Jednou malou výhodou je, že systém je energeticky účinný. Energie putuje ze sítě přímo do motorů, a odpadají tak ztráty spojené s nabíjením.

Elektrické nákladní vozy s tímto systémem také mohou být levnější než čistě bateriové. Musí samozřejmě mít vlastní pohon – tedy baterii – aby se na dálnici vůbec dostaly, ale nemusí být nijak veliká. Většina dálkových nákladních vozů v zemi opustí dálnici ve chvíli, kdy jim do cíle zbývá méně než 50 kilometrů (údaj ze zprávy dostupné zde v PDF).

Baterie by tak mohla stačit na pokrytí jen malého úseku cesty, mohla by tedy být levnější a lehčí. Zároveň se provozovatelům ušetří čas, a tedy i peníze. Díky průběžnému dobíjení vozu z trolejí není nutné zastavovat na dobíjecích stanicích.

Samozřejmě, instalace a údržba takového systému něco stojí. Náklady na elektrifikaci jednoho kilometru dálnice se dnes odhadují na 2,5 milionu eur (tedy něco přes 60 milionů korun). Siemens tvrdí, že největší přínos a úspory by přinesla elektrifikace zhruba 4000 nejvytíženějších kilometrů německých dálnic.

To je asi třetina německá dálniční sítě, na které se ovšem odehraje cca 60 procent německé kamionové dopravy. Příkladem může být trasa mezi Rotterdamem a Duisburgem v průmyslovém srdci Německa, nebo dálnice spojující přístavy Hamburk a Lübeck. Vynásobením obojího zjistíme, že elektrifikace klíčových úseků dálnic by vyšla zhruba na 10 miliard euro (cca 250 mld. korun). To musí někdo zaplatit, a protože jde o část silniční infrastruktury, nejspíše by to byl stát.

Zatím není jisté, že se k tomu ten německý odhodlá. Tamní ministerstvo životního prostředí, které financovalo pokusných elektrifikovaných dálnic v Německu, údajně zatím porovnává výsledky studií zkoumajících výhody nákladních vozidel na vodíkové palivové články a na čistě elektrický pohon. Když se nedávno na výsledek ptal list NY Times, ministerstvo uvedlo, že o tom, kterou z těchto technologií podpoří, rozhodne za tři nebo čtyři roky.

Zatím se nezdá být situace pro elektrické dálnice ztracená. „Četné studie dospěly k závěru, že nákladní vozy s nadzemním vedením jsou i přes vysoké náklady na infrastrukturu nákladově nejefektivnější variantou,“ uvedlo ministerstvo. Jedním dechem však jeho představitelé dodali, že se musí počítat se stále klesající cenou baterií.

Je celkem pochopitelné, že vláda je opatrná. Jak jsme zmínili, některé firmy z oboru spíše věří vodíku, a tak je budoucnost elektrifikovaných dálnic nejistá. Politici by rozhodně litovali, kdyby němečtí daňoví poplatníci zaplatili elektrifikované dálnice, aby se vzápětí zjistilo, že automobilový průmysl dává od nápadu dává ruce pryč.

Navíc není jisté, že by německý „elektrický Autobahn“ byl úspěšný exportně; tedy že by koncept a s ním spojené normy přijaly i další státy. Dráty nad dálnicemi tedy možná neuvidíme. Ale co „na“ dálnicích?

Jako doprovod nedávné start-upové soutěže WCS 2021 se v Praze konal i malý „slet“ začínajících firem v oblasti „zelené“ městské dopravy. Na podobných akcích převládá obvykle všeobecný optimismus, v jednom případě došlo i na jindy poměrně vzácnou dávku skepticismu. A to u prezentace švédské firmičky Elonroad.

Firma, která se názvem zjevně odvolává na Elona Muska, ale nemá s ním nic společného, prodává vidinu „elektromobility bez strachu z nízkého dojezdu“. V současné době zkouší a v budoucnosti chce ve větším prodávat systém dobíjecích „desek“, které se dají instalovat na povrch silnice nebo přímo do asfaltu.

Ve výsledku připomínají vodivou kolejnici. Pokud je umístěna (vlastně přilepena) k povrchu silnice, je zhruba čtyři centimetry vysoká a 35 centimetrů široká. Strany má sešikmené, aby se přes ni dalo plynule přejíždět při změně jízdních pruhů. Zanořená kolejnice se klase do vyfrézovaného otvoru, a má pak plochý vršek zarovnaný s okolním asfaltem. Je čtvrt metru široká a cca pět centimetrů silná.

Výraz kolejnice pro ovšem je do jisté míry zavádějící. Nemá to být „jen“ kus oceli. „Na každém metru systému je řada senzorů – teploty, vibrací a tak dále – a počítač,“ vysvětluje šéfka Elonroad Karin Ebbinghausová. „Kolejnice“ by tak měla poskytovat spoustu dat o provozu či stavu vozovky (včetně rizika výskytu námrazy) a měla by fungovat chytřeji než tramvajové troleje.

Už z bezpečnostního hlediska prostě nemůže být nabíjecí pás zapnut neustále. Silnice by byly příliš nebezpečné. Proto se skládá z metrových segmentů, které se zapínají nezávisle. Podle Ebbinghausové elektronika zapouzdřená v hliníkovém profilu zaručuje, že nabíjení se zapíná pouze, když má. Tedy, když je nad nimi vůz se sběračem, který má dovoleno se systému čerpat (má zaplaceno).

Systém má mimo jiné také hlídat, aby odběr nebyl příliš vysoký (výskyt lokálních špiček). Podle společnosti napájení mají zajišťovat transformátory u silnice. Ty mění střídavé napětí sítě na stejnosměrný proud o napětí 600 voltů. Maximální výkon je tři megawatty. Maximální odběr jednoho nákladního vozu či autobusu je 300 kilowattů (kW), na každém kilometru by se mohlo současně nabíjet deset nákladních aut. U osobních aut je sběrač fyzicky menší, maximální odběr je tedy poloviční.

Samotný sběrač „tak trochu připomíná sběrač na autíčku z autodráhy“, říká šéfka Elonrad. V podstatě jde o měděný kartáč s jemnými drátky, který je lehce přitlačený k povrchu.

Výkon je dost veliký na to, aby to stačilo nejen na pohon automobilu, ale také na dobíjení baterie. V případě nákladního vozu to zhruba stačí na to, aby jeden kilometr na „elektrické dálnici“ stačil na nabití baterie na ujetí dalších dvou kilometrů mimo ni. Elonroad tedy chce prodat vizi, ve které pokrytí jen části silnic jejím nabíjecím systémem stačí změnit na prakticky nekonečný. A to i s menší – a tedy levnější – baterií, než jaká se ve většině elektromobilů používá, či má používat.

Nabíjecí systém nemusí být také pouze na komunikacích. „Kolejnice“ mohou být třeba jen na zastávkách. Využití by podle švédské firmy mohly najít i v průmyslových či logistických areálech.

Z velké části je představa jen na papíře, ale praktické zkoušky již probíhají. Největší ve švédském Lundu, kde funguje kilometrový úsek dobíjecích „kolejnic“. Společnost upravila jeden z trolejbusů tamní MHD, aby ho mohl používat. Podle Karin Ebbinghausové jsou dosavadní zkušenosti dobré. A firma už má naplánovanou prodejní cenu: půl milionu euro za kilometr systému.

I z reakce části pražských účastníků start-upového fóra je jasné, že takové tvrzení nebude stačit. Opakovaly se otázky kolem bezpečnosti samotné vozovky, stability spojení při nabíjení, trvanlivosti sběrače či údržby silnice. („Na sněžný pluh se ptá každý,“ povzdechla si na konferenci Ebbinghausová. Řešení je prý prosté: pro vyvýšenou „kolejnici“ firma vyrobila pluh s otvorem o správném rozměru, zanořená verze se může udržovat normálně.)

Elonroad tvrdí, že velká část problém je vyřešená, navíc zatím firma svůj koncept dál zkouší a vyvíjí, ale evidentně má ještě co dokazovat. Její výhodou je, že „naučit“ silniční nákladní dopravu pohybu na elektřinu není vůbec jednoduchý problém.

Pokud k tomu má dojít, dost možná to bude vyžadovat nějaké neotřelé řešení. Ale jistého ani švédské elektrické silnice, ani „elektrická Autobahn“ zatím nemají nic.

Aktualizace: V úvodu článku jsme doplnili informace tak, aby bylo z kontextu jasnější, že osobní vozy jsou největšími producenty emisí v rámci silniční dopravy, nikoliv dopravy vůbec.