A római kor óta folyamatosan fejlődött és napjaink meghatározó építőanyagává vált. A beton a víz után a legnagyobb mennyiségben használt anyag, és kizárólag tőlünk függ, hogy mit alkotunk belőle, mérnöki műtárgyat vagy ékszert – vélekedett Asztalos István interjúnkban a Szilikátipari Tudományos Egyesület elnöke, a Beton folyóirat alapító szerkesztője.
Dr. Gács Iván
Mennyi hajtóenergiára van szükség?
Először azt kell tisztázni, hogy a belső égésű motoros és a villamos hajtású autók mennyi hajtóenergiát (szénhidrogént, illetve villamos energiát) használnak el egy bizonyos út (pl. 100 km) megtételéhez. A feladat látszólag egyszerű, hiszen a belső égésű motoros járművekre a gyártó megadja a hivatalos fogyasztási adatokat, a villamos autóknál pedig a megtehető úthosszból és az akkumulátor kapacitásából számolható. A valós fogyasztás azonban jelentősen meghaladja a gyári adatokat, ráadásul függ az útviszonyoktól, a vezetési stílustól, a környezeti jellemzőktől és más tényezőktől.
Ezek a hatások ugyanakkor nem egyformán változtatják meg a belső égésű motorral és a villamos motorral hajtott autók fogyasztását. Pl. hideg időben a belső tér fűtése a belső égésű motor fogyasztását lényegében nem növeli meg, hiszen veszteséghővel fűtünk, míg a villamos autóknál csak villamos fűtés alkalmazható. Ráadásul a hidegben erősen csökken az akkumulátorok kapacitása, –5⁰C-nál már csak 78-80%-ot ér el. Ugyanakkor a villanymotor hatásfoka nem romlik olyan mértékben a részterhelések hatására, mint a belső égésűé, ezért kevésbé rossz hatással van a fogyasztására a városi közlekedés, ami általában rövid utakat, sok gyorsítást, fékezést jelent. Különösen igaz ez akkor, ha a villamos autó fékezéskor visszatermel az akku töltésére. A legfontosabb hatásokat az 1. táblázat foglalja össze.
Ha a Renault Zoe villamos autó fogyasztási adatait összevetjük a hasonló kategóriájú benzinmotoros Renault adataival, kiderül: 3,5–4,5 kWh hálózatból vételezett villamos energia szükséges 1 liter üzemanyag kiváltásához, amibe beleszámoltuk, hogy a töltőknek és a tárolásnak is van vesztesége.
Fajlagos kibocsátások
A belső égésű motorok esetén viszonylag egyszerű a fajlagos kibocsátások meghatározása, mert nem kell kilépni a vizsgált berendezés köréből. A villamos autóknál az adja a nehézséget, hogy az egyes országokban nagyon eltérő összetételű villamosenergia-rendszer termeli meg a villamos energiát.
Szilárd anyag (PM, korom)
Koromkibocsátás csak a belső égésű motoroknál van, szigorú mennyiségi korlátok mellett. (Más kérdés, hogy az autók teljesíteni tudják-e, az időszakos környezetvédelmi vizsgálatoknál ezt nem ellenőrzik.) Az EURO 5 és az EURO 6 normáknak megfelelő autók esetén maximum 5 mg/km a megengedett érték. A szóba jöhető magyarországi villamosenergia-termelési módok közül csak a visontai lignittüzelésű erőműnél lehet szilárdanyag-kibocsátással számolni. Ha a pernye koncentrációja a füstgázban megegyezik a 110/2013 (XII. 4.) VM-rendelet szerinti 20 mg/Nm3 határértékkel, az 8,3 mg/GJ fajlagos kibocsátást jelent. Ez termelt villamos energiára átszámítva 93 mg/kWh fajlagos kibocsátás.
Kén-dioxid
Ma már a motorhajtó üzemanyagok gyakorlatilag kénmentesek, a maximálisan megengedett 10 ppm kéntartalom igen csekély, a benzinnél maximum 15 mg/l, a dízelolajnál maximum 17 mg/l fajlagos kibocsátást eredményez. A régebben legtöbb kén-dioxidot kibocsátó szénerőművek már el vannak látva füstgáz-kéntelenítővel. Az idézett rendeletben a megengedett SO2-kibocsátás 200 mg/Nm3, ez termelt villamos energiára átszámítva 930 mg/kWh fajlagos kibocsátást jelent. A magas kéntartalmú kőolajszármazékokat (pakura, gudron) tüzelő erőművek ma már gyakorlatilag nem üzemelnek. A földgáz esetében gáz-gőz körfolyamatú erőműben 47 mg/kWh, míg gázmotornál 64 mg/kWh fajlagos kibocsátás adódik. Ezt a magas megengedett kéntartalomértéket azonban rövidesen felül fogja írni az előkészületben levő egységes EU-előírás, amely 20 mg/m3-ben korlátozza a kéntartalmat. Ez a kombinált gáz-gőz körfolyamatú erőműben 8 mg/kWh, míg gázmotornál 11 mg/kWh fajlagos kibocsátást eredményez.
Nitrogén-oxid
A megengedett nitrogén-oxid-kibocsátás dízelmotoroknál az EURO 5 norma szerint 180 mg/km, az EURO 6 szerint 80 mg/km. Benzinmotorra mindkét esetben 60 mg/km a határérték. A baj az, hogy ezeket az autók nem tudják betartani. A felmérések szerint az átlagos kibocsátás a dízelmotoroknál hatszorosa a megengedettnek, a benzinmotoroknál pedig 90, illetve 80 mg/km. Villamosenergia-termelésnél a lignittüzelés, a gázturbina és a gázmotor okoz nitrogén-oxid-kibocsátást. Ezekre vonatkozó határértékekből és a berendezések átlagos hatásfokaiból számítható fajlagos kibocsátásokat a 2. táblázat mutatja be.
Szén-dioxid
A motorhajtóanyagok elégetéséből származó fajlagos CO2-kibocsátás könnyen számítható a sűrűség és a karbontartalom ismeretében. Egy liter benzin elégetése 2290 g CO2-kibocsátást eredményez. Dízelolajnál 2650 g/l kibocsátás számítható. Sokkal bonyolultabb a helyzet a villamosenergia-felhasználáshoz kapcsolódó szén-dioxid-kibocsátásnál. Ennek értéke attól függ, milyen erőmű termeli meg azt a többlet villamos energiát, ami a villamos autók miatt válik szükségessé. Egymilliós villamosautó-park villamosenergia-igénye 15 000 km/év futásteljesítmény esetén igényelné a mai magyar villamosenergia-fogyasztás 6-8%-át. Arra, hogy a fellépő többletigényt milyen erőművekből fogjuk kielégíteni, többféle feltételezés tehető. Vajon részt vesz-e a többlet kielégítésében pl. az atomerőmű, a megújuló erőműpark, az import vagy a ligniterőmű?
A globális hatás szempontjából a villamos autózásra való áttérés sem jelentős hasznot, sem jelentős kárt nem fog eredményezni.
Döntően szénerőművekben termelik a villamos energiát a világ két legnépesebb országában, Kínában és Indiában. Ezekben az országokban – a léptéket is figyelembe véve – vétek lenne a villamos autók elterjesztésére törekedni.
Kibocsátások összehasonlítása
Magyarország vonatkozásában a továbbiakban azt feltételezzük, hogy a növekményt zömében a földgázos erőművek elégítik ki, kisebb részarányban a visontai lignittüzelésű erőmű többlettermelése vesz részt benne. A konkrét számok meghatározásánál a gázturbina-gázmotor-lignit erőművek arányát 10:20:70%-nak vettük fel.
Az üzemanyag-egyenértékűséget benzin esetén 4 kWh/l, dízelolaj esetén 5 kWh/l többlettermelés-értékkel vesszük figyelembe. Ennek megfelelően a kibocsátásokat 20 kWh megtermelésére, 5 liter benzin és 4 liter gázolaj elégetésére számoltuk, amelyek körülbelül azonos út (alsó középkategóriás autóknál 70-80 km) megtételéhez elegendőek. A kibocsátások legvalószínűbb tartományát a 3. táblázat mutatja be.
Lokális hatások
A lokális hatások értékelésénél elsősorban a népesség legnagyobb részét érintő városi levegőminőséget kell vizsgálni. Általában is elmondható, hogy a belső égésű motorok kibocsátása – a forgalom sűrűségének megfelelően – zömében közvetlenül a városokban jelenik meg, méghozzá közel a légzési szinthez, így az egészségügyi hatása akkor is jelentős lehet, ha a mennyisége kicsiny. A szennyezők közül a szilárd anyag, a kén-dioxid és a nitrogén-oxidok kibocsátása okoz lokális hatásokat, azokat kell vizsgálni.
Szilárd részecskék (PM)
A lokális egészségügyi hatás vonatkozásában lényeges eltérés, hogy a villamosenergia-termelés szilárdanyag-kibocsátása döntően nagyobb szemcsékből áll, míg a belső égésű motoroké a mikron körüli vagy szubmikrontartományba esik (PM2,5), amelynek egészségügyi következményei sokkal súlyosabbak. További különbség, hogy a villamosenergia-termelés kibocsátása az érzékeny városi körzetektől távolabb és általában igen magas kéményeken keresztül történik.
Kén-dioxid
Kén-dioxid-kibocsátásban a kétféle belső égésű motor között nincs jelentős eltérés, de a villamosenergia-termelésé lényegesen magasabb, kb. 50-szer akkora. Az egészségügyi hatás szempontjából mégis mondhatjuk, hogy kevésbé ártalmas, mert a sűrűn lakott területektől jóval távolabb és – ami legalább ilyen fontos – igen nagy magasságban (nem légzésszinthez közel) történik.
Nitrogén-oxidok
A nitrogén-oxid-kibocsátás dízelmotor esetén akkor is kb. 30%-kal magasabb a benzinmotorokra jellemző értéknél, ha feltételezzük a határértékek betartását, ami jelenleg nem teljesül. A helyettesítő villamos energia megtermeléséhez ennél is jóval magasabb, a dízelmotorokét bő másfélszer, a benzinmotorokét pedig kétszeresnél is nagyobb mértékben meghaladó kibocsátás tartozik. A hatás szempontjából ugyanaz mondható el, mint a szilárd részecskék és a kén-dioxid esetén: az egészégügyi hatást tekintve a villanymotor a kedvezőbb, a távolra kerülő kibocsátási pont miatt.
Kontinentális léptékű hatás
A kontinentális léptékű hatás a környezetnek a szulfátok és nitrátok ülepedése miatt bekövetkező elsavasodása. Az igen nagy (több száz, esetleg egy-kétezer kilométer) távolságra is eljutó részecskék hatására következik be. A szulfátok és nitrátok a légkörben a kén- és nitrogén-oxidok kémiai átalakulásából keletkeznek. A folyamat szempontjából teljesen közömbös a kibocsátás magassága és pontos helye, csak a kibocsátott mennyiség a mérvadó. Ez azt jelenti, hogy a savasodás szempontjából a villamos hajtás sokszorosan kedvezőtlenebb, mint a belső égésű motoros hajtás.
Globális hatás
Globális hatás alatt a feltételezések szerint globális felmelegedést okozó üvegházhatású gázok kibocsátását értjük. Ezek közül a vizsgált kérdéskört elsősorban a széndioxid-kibocsátás érinti.
Mint már láttuk, 1 liter benzin elégetése 2290 g CO2-kibocsátással jár. Az ezt kiváltó 4 kWh villamos energia kb. 570 g/kWh fajlagos villamosenergia-termelési kibocsátás esetén kerül ezzel egyensúlyba. A gázolajnál a 2650 g/l kibocsátás akkor kerül egyensúlyba az 5 kWh helyettesítő energia szén-dioxid kibocsátásával, ha a villamosenergia-termelés 530 g/kWh fajlagos kibocsátással jár.
Magyarország esetében a növekmény villamosenergia-termelés fajlagos kibocsátása éppen e tartományban mozog. Ebből következően a globális hatás szempontjából a villamos autózásra való áttérés sem jelentős hasznot, sem jelentős kárt nem fog eredményezni. Egyes országokban, ahol víz- és/vagy atomerőművek termelik a villamosenergia zömét, a villamosenergia-termelés fajlagos kibocsátása igen alacsony: Franciaországban 84 g/kWh, Svédországban 72 g/kWh, Norvégiában 30 g/kWh. Feltehető, hogy a növekménytermelés is hasonló fajlagos kibocsátással járna. Ilyen körülmények között a villamos autók a szén-dioxid-kibocsátás 70–90%-os csökkenését eredményezik. Ezzel ellentétben Németországban kb. 30–60%-kal magasabb, Lengyelországban 2,5-szeres a fajlagos kibocsátás, mint Magyarországon, vagyis a villamos autózás növeli az üvegházhatást. Ugyancsak döntően szénerőművekben termelik a villamos energiát a világ két legnépesebb országában, Kínában és Indiában. Ezekben az országokban – a léptéket is figyelembe véve – vétek lenne a villamos autók elterjesztésére törekedni.
Egyéb szempontok
Életciklus-elemzés
Az eddigiekben bemutatott elemzések csak a használat közbeni kibocsátásokra korlátozódtak. Ugyanakkor nem szabad elfeledkezni a gyártáshoz és az ártalmatlanításhoz kapcsolódó kibocsátásokról sem. Egy életciklusra kiterjedő elemzés szerint az üvegházhatású gáz kibocsátásnak belső égésű motoros autó esetén csak 5%-a, villamos hajtású esetén 15-20%-a kapcsolódik a gyártáshoz és ártalmatlanításhoz.
Anyagigény
Arról sokat hallunk, hogy a szénhidrogénkészletek végesek, ez kőolaj esetén 50-55 év körül mozog. Kevésbé beszélnek a fémkészletek végességéről. A lítium-ion akkumulátorok gyártásához 3 kulcsfém szükséges: a teljes akkumulátor tömegének kb. 14%-át kitevő réz (Cu) az anódhoz, 5-6% kobalt (Co) kobaltszulfát formájában a katódhoz és kb. 1,2% lítium lítium-hexafluoro-foszfát formájában az elektrolithoz.
A világ lítiumtartaléka becslések szerint 13 millió tonna, az évi kitermelés 2011-ben 34 ezer tonna volt. Ez közel 400 év ellátottsági mutatót ad. Csakhogy az igény rohamosan növekszik. Már a jelenlegi igénynövekedés is megduplázta a lítium világpiaci árát 2012 és 2017 között. Arról sem szabad elfeledkezni, hogy az időjárásfüggő megújulók terjedése miatt a villamosenergia-rendszerek is egyre nagyobb mennyiségben fognak rászorulni akkumulátorok használatára, és az esetlegesen majd létesülő fúziós reaktorok is jelentős további lítiumigényt teremtenek. További kellemetlenség, hogy a föld lítiumkészleteinek zöme Dél-Amerikában és Ausztráliában található.
A kobalttal a fő probléma, hogy az egyre jobban terjedő, magas hőmérsékleten is nagy szilárdságú ötvözetek előállításának növekedése miatt a világ kobaltigénye folyamatosan nő. Ezt tetézi az akkumulátorgyártás miatti igénynövekedés. Az sem előnyös, hogy a Föld ismert kobaltkészletének mintegy 60%-a a politikailag instabil Kongóban található. Kongó részesedése a kitermelésben is 60% körüli. Az akkumulátorgyártók igyekeznek a kobaltot – legalább részben – más fémekkel helyettesíteni, de egyelőre magas kobalttartalom mellett kapják a legjobb eredményeket.
Következtetések
A cikk célja az volt, hogy bemutassa a „zéró kibocsátású autó” mítoszának tarthatatlanságát. Az eredmények szerint a villamos autók kibocsátása a legtöbb szennyező esetében magasabb, mint a belső égésű motorral hajtottaké. Persze a kibocsátás nem a gépkocsinál, hanem a villamos energiát megtermelő erőműveknél jelenik meg. A számítások Magyarország esetére készültek, de az országok többségének (legalábbis Európában) az erőművi struktúrája, és azon belül a fosszilis tüzelésű, illetve közel nulla kibocsátású erőművek aránya hasonló vagy kedvezőtlenebb, mint nálunk.
Mindez nem jelenti azt, hogy a villamos autókra való áttérésnek nincs levegőtisztasági előnye. Van, méghozzá a kevesebbet emlegetett városi lokális légszennyezésben. Elviszi a kibocsátást a várostól távolabb, és ami még fontosabb, nagyobb kibocsátási magasságba. Az ott megjelenő nagyobb kibocsátás is okoz légszennyezést, de az nagyobb területen és egyenletesebben oszlik el, így tehermentesíti a kiemelkedően szennyezett, általában sűrűn lakott területeket.
Különösen feltűnő, hogy az elterjesztés legfőbb indokaként felhozott üvegházhatás-csökkentés nem mutatkozik valósnak, csak ott, ahol a villamos energiát döntően atomerőművekben és/vagy vízerőművekben termelik meg (Európában pl. Franciaország, Svédország, Norvégia, az amerikai kontinensen Brazília és a kanadai Ontario állam).
Az 50 évre elegendő kőolajkészlettel való takarékoskodás indokolt. A villamos autózás tehermentesíti a kőolajforrásokat, de más területeken teremthet szűk kapacitásokat. Elsősorban a lítiumot emlegetik, de felmerül más fémeknél is a jelenlegi igények gyors ütemű növekedése, ami ezek árnövekedéséhez fog vezetni.
Nem szabad elfelejteni, hogy a közelítő számításokban igen nagy bizonytalanság van. Ez elsősorban a többlet-villamosenergia-igényt kielégítő erőművek hely és idő szerint erősen változó összetételéből adódik, de a járművek használati módjától, tényleges energiaigényétől függően is változhatnak a számok. A részletezett környezeti hatásokat a 4. táblázatban foglaltuk össze.
