Samochody (i pojazdy w ogóle) elektryczne stały się w ostatnich latach ikoną zrównoważonego rozwoju i tzw. “zielonej gospodarki”. Mimo to, wiele osób utrzymuje, że tego typu rozwiązania z ekologią mają niewiele wspólnego. Zawsze pojawia się jakieś ale – ale nieekologiczna produkcja baterii; ale emisyjne źródła energii do ładowania pojazdów. Nic dziwnego, że liczba sceptyków rośnie. Wizja całkowitego odrzucenia paliw kopalnych bez rezygnacji z samochodu jest co najmniej kusząca – ale równie kontrowersyjna. Warto zatem poznać trochę faktów i rozwiać kilka mitów, żeby móc stwierdzić, czy rzeczywiście samochody elektryczne są ekologiczne (albo i nie?).
Samochody elektryczne nie są jednolitą grupą
Dociekania nad śladem ekologicznym samochodów elektrycznych względem tradycyjnych należy zacząć od nomenklatury. Pojazdy, których jedynym źródłem napędu jest energia elektryczna, to bowiem tylko jeden rodzaj spośród wszystkich samochodów (dla ułatwienia) wrzuconych do zbiorczego worka podpisanego “samochody elektryczne”. Szybko wyjaśnijmy zatem, co jest czym [1]:
- Samochody (100%) elektryczne – jedynym źródłem energii są baterie litowo-jonowe, ładowane energią elektryczną w specjalnie przeznaczonych do tego stacjach.
- Range-extender – samochody, których głównym napędem jest bateria, ale posiadają silnik spalinowy, który w wyjątkowych sytuacjach może ładować baterię. Taki samochód może być zatem w pełni sprawny, nawet bez dostępu do stacji ładowania, dzięki czemu jego zasięg się zwiększa.
- Hybryda Plug-in – tego typu samochody są półelektryczne. Ich baterie można ładować przy użyciu energii z sieci elektrycznej, ale nadal napędzane są głównie dzięki spalaniu paliwa w silniku spalinowym.
- Hybryda – standardowej hybrydy nie można ładować w stacjach, chociaż część energii napędowej pochodzi z baterii. Bateria ładowana jest z energii gromadzonej ze spalania w silniku podczas szybkiej jazdy, a wykorzystywana do napędzania samochodu podczas jazdy wolnej (np. w mieście).
Każdy z powyższych rodzajów samochodów może być mniej lub bardziej przyjazny dla środowiska jeśli chodzi o emisyjność. Zależy to głównie od tego, skąd pochodzi energia, którą ładujemy baterie.
Skąd pochodzi energia, którą ładujemy elektryczne samochody?
Jeśli chodzi o wydajność energetyczną, samochody elektryczne wypadają znacznie lepiej od samochodów tradycyjnych. Nawet auto ładowane prądem wytwarzanym wyłącznie przez elektrownię opalaną olejem opałowym czy węglem, na 100 km zużywa ok. ⅔ energii, którą na ten sam dystans zużywa samochód benzynowy [1]. W związku z tym, jego emisja jest analogicznie niższa. Dla przykładu w Australii, gdzie sporo ponad połowa energii [2] nadal pochodzi ze spalania węgla, samochody elektryczne ładowane typowym mixem energetycznym dla tego kraju, emitują o 40% dwutlenku węgla mniej niż klasyczne samochody [3]. Niemniej jednak – emisja CO2 nadal jest. Samochód w pełni elektryczny, sam w sobie oczywiście nie będzie powodował żadnej emisji, bo na żadnym etapie nie dochodzi w nim do spalania paliwa. Ilość emitowanego do atmosfery dwutlenku węgla w związku z używaniem samochodu elektrycznego będzie zależała w dużej mierze od energii, którą go ładujemy. To z kolei uzależnione jest od kraju, w którym mieszkamy – Polska czy Niemcy większość energii pozyskują ze spalania węgla, więc pośrednia emisja CO2 (tzw. well-to-wheel) związana z użytkowaniem samochodu elektrycznego będzie tam nieporównywalnie wyższa niż w Norwegii, która korzysta ze źródeł odnawialnych [4].
Dla przykładu, samochód elektryczny, ładowany energią pochodzącą ze spalania paliw kopalnych, będzie generował ponad 90g CO2 na 100km, a napędzany ze źródeł odnawialnych (jak np. wiatr) – 0g [1]. Oczywiście nic nie jest zeroemisyjne – musimy wziąć pod uwagę także produkcję samochodu oraz jego komponentów i emisję z tym związaną. W przypadku samochodów elektrycznych największą zagwostką ekologiczną są baterie.
Jak zbudowana jest bateria napędzająca samochody elektryczne?
Niestety sam proces produkcji samochodów elektrycznych charakteryzuje się nieco wyższą emisją CO2 niż w przypadku samochodów klasycznych [5]. Ponadto żywotność pojazdów elektrycznych jest zdecydowanie niższa (szacuje się ją na ok. 10 lat standardowego użytkowania). Ze względu na baterie.
To jednak wydobycie komponentów do ich produkcji, a nie emisyjność procesów produkcyjnych, stwarza największą przestrzeń do polemiki na temat ekologiczności pojazdów elektrycznych. Trzy kluczowe pierwiastki obecne w bateriach litowo-jonowych to lit, kobalt i nikiel. Ich dostarczenie do baterii jest energochłonne, inwazyjne dla środowiska, a nierzadko także dla ludzi.
Zarówno Lit jak i Kobalt to bardzo reaktywne pierwiastki chemiczne, które w naturze występują zawsze w formie związków, nigdy w stanie wolnym. Ponadto ich najcenniejsze złoża znajdują się pod ziemią. To powoduje, że zarówno proces ich wydobycia jak i pozyskania, jest skomplikowany. Jako, że lit znaleźć można w solankach, najlepsze jego złoża znajdują się na solniskach (największe z nich znajduje się w Ameryce Południowej), które są eksploatowane w sposób ekstremalny. Słoną wodę należy bowiem najpierw wypompować spod powierzchni ziemi, a następnie poczekać aż odparuje. Pozostałe sole zbiera się, filtruje i umieszcza w innym basenie, czekając kolejne kilka-kilkanaście miesięcy na odparowanie wody. Na wyprodukowanie tony litu potrzeba zatem prawie 2 milionów litrów wody [6]. W niektórych rejonach ta praktyka zużywa większość zasobów wodnych, co powoduje niemałe problemy dla ludności je zamieszkujących.
Kolejnym problemem jest toksyczność chemikaliów używanych do przetwarzania litu, w tym np. kwasu solnego. Wycieki z basenów litowych mogą zatruwać rzeki, a wraz z nimi ryby i inne stworzenia. Zanieczyszczona woda może być też używana przez ludzi, zwierzęta gospodarskie i do podlewania upraw. Skutki ekologiczne przetwórstwa litu mogą być zatem katastrofalne.
O ile litu na Ziemi mamy pod dostatkiem, tak sytuacja jest znacznie mniej optymistyczna w przypadku kobaltu. Pozyskiwany jest on w zdecydowanej większości (z kilkoma wyjątkami) z jednego kraju – Demokratycznej Republiki Konga. Zapotrzebowanie na niego stale rośnie, a w związku z tym także jego cena. Jest to, jak nietrudno się domyślić, silnym motorem napędowym niebezpiecznych i nieetycznych zachowań (włączając w to pracę dzieci).
Te problematyczne, naturalnie ograniczone ilościowo i energochłonne w pozyskaniu pierwiastki chemiczne da się jednak przywrócić do obiegu. Z baterii litowo-jonowych, poddawanych recyklingowi, da się odzyskać aż 90% litu i 70% kobaltu [7]. Działa to w przypadku baterii ze smartfonów, dlaczego więc nie poddawać recyklingowi baterii napędzających samochody elektryczne? Niektóre firmy na szczęście już się tym zajmują.
Baterie napędzane konopiami
Wydaje się, że rozwiązanie problemu baterii litowo-jonowych, także tych w samochodach elektrycznych, jest tylko kwestią czasu. Nieustannie wprowadzane są ulepszenia, modyfikowane i dodawane są warstwy grafenu lub silikonu, poprawiające wydajność baterii. Mimo to, większość z nich nadal bazuje na licie.
Niewykluczone jednak, że rewolucja nadejdzie dużo szybciej, niż nam się wydaje – i to z całkiem nieoczekiwanej strony. Kilkukrotnie w ciągu ostatnich lat przeprowadzane badania wykazały bowiem, że dużo lepiej niż ogniwa litowe sprawdzają się.. Ogniwa konopne. Wielokrotnie lepiej. Nanowarstwy konopne odznaczają się jedną z najlepszych charakterystyk mocy i energii, jakie kiedykolwiek zaobserwowano w przypadku superkondensatora [8]. Warstwy konopne przetworzone zostały w taki sposób, że przypominały grafen. Z tą różnicą, że wyprodukowano je za jedną tysięczną kosztów produkcji grafenu. Co najlepsze – ogniwa zostały zrobione z części roślin, które normalnie wylądowałyby na wysypisku jako odpad.
Oczywiście badania nadal są szczątkowe i wymagające wielu powtórzeń, ale technologia jest wyjątkowo obiecująca. Nic, tylko sprawdzić, (oby) ostatecznie potwierdzić i produkować. Konopie to w końcu jedne z najbardziej zrównoważonych i wszechstronnie użytecznych roślin. Baterie konopne nie tylko mogłyby spopularyzować samochody elektryczne znacznie obniżając ich koszt, ale także rozwiązać problem Litu.
Samochody elektryczne to przyszłość – ale trochę dalsza niż byśmy chcieli
Wzmożona produkcja samochodów elektrycznych, która z założenia ma być bardziej zrównoważona środowiskowo, niewątpliwie prowadzić będzie do przełomów w obrębie produkcji baterii litowo-jonowych. Z pewnością także coraz większy nacisk będzie kładziony na ich recykling. Niewykluczone, a wręcz bardzo prawdopodobne, że postęp w tej dziedzinie przyczyni się także do zmniejszenia śladu ekologicznego smartfonów i innych urządzeń elektronicznych, które zasypują rynek w ogromnych ilościach.
Warto pamiętać, że nic (jak do tej pory) nie jest całkowicie zeroemisyjne, jeśli spojrzymy na produkt holistycznie. W przypadku pojazdów rozważać musimy bowiem zarówno emisję bezpośrednią jak i pośrednią (produkcja i transport komponentów, energia potrzebna do ich wyprodukowania itd). Faktem jest, że samochody elektryczne, jeśli napędzane energią ze źródeł odnawialnych, są dużo bardziej przyjazne dla środowiska niż samochody spalinowe. Co więcej, nawet jeśli napędzane wysokoemisyjnymi źródłami energii, ich całościowa produkcja CO2 będzie niższa (chociaż nie aż tak, jak byśmy chcieli). Samochody elektryczne nie przyczyniają się także do emisji szkodliwych dla zdrowia zanieczyszczeń w miastach. Mimo to, dopóki nie zrównoważymy produkcji baterii i nie przerzucimy się całkowicie na OZE, jest to jedynie potencjał (chociaż ogromny) dla rozwoju ekologicznej komunikacji. Oczywiście dobry postęp warto wspierać. Nawet jeśli w kraju takim jak Polska samochód elektryczny pomoże w niewielkim stopniu – zawsze będzie to odciążenie dla klimatu i Ziemi.
Źródła
[1] Clarke S., 2017: How green are electric cars? The Guardian [dostęp 01.10.2019].
[2] Australian Energy Statistics, 2019 [dostęp 01.10.2019].
[3] Whitehead J., 2019: Clean, green machines: the truth about electric vehicle emissions. The Conversation [dostęp 01.10.2019].
[4] Athanasopoulou L., Bikas H., Stavropoulos P., 2018: Comparative Well-to-Wheel Emissions Assessment of Internal Combustion Engine and Battery Electric Vehicles. Procedia CIRP, 78, 25–30.
[5] Nealer R., Reichmuth D., Anair D., 2015: Cleaner Cars from Cradle to Grave. How Electric Cars Beat Gasoline Cars on Lifetime Global Warming Emissions. Report from Union of Concerned Scientists [dostęp: 01.10.2019].
[6] Katwala A., 2018: The spiralling environmental cost of our lithium battery addiction. Wired [dostęp: 01.10.2019].
[7] Jha M. K., Kumari A., Jha A. K., Kumar V., Hait J., Pandey B. D., 2013: Recovery of lithium and cobalt from waste lithium ion batteries of mobile phone. Waste Management, 33, 9, 1890–1897.
[8] Wang H., Xu Z., Kohandehghan A., Li Z., Cui K., Tan X., Mitlin D., 2013: Interconnected Carbon Nanosheets Derived from Hemp for Ultrafast Supercapacitors with High Energy. ACS Nano, 7, 6, 5131–5141.
Jeśli podoba Ci się treść na blogu, możesz podziękować za moją pracę stawiając mi wirtualną kawę:
