Tổng quan về công nghệ xe hydro
Trong bối cảnh ngành giao thông vận tải toàn cầu đang đối mặt với những thách thức liên quan đến phát thải khí nhà kính và biến đổi khí hậu, các công nghệ sử dụng năng lượng sạch đang nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà sản xuất ô tô và các tổ chức nghiên cứu. Bên cạnh xe điện sử dụng pin (Battery Electric Vehicle – BEV), công nghệ xe hydro hay còn gọi là xe sử dụng pin nhiên liệu hydro (Fuel Cell Electric Vehicle – FCEV) được xem là một trong những giải pháp tiềm năng nhằm hướng tới mục tiêu trung hòa carbon trong tương lai.
Xe hydro là loại phương tiện sử dụng khí hydro làm nguồn năng lượng chính. Thay vì đốt cháy nhiên liệu như động cơ đốt trong truyền thống, hydro được chuyển hóa trực tiếp thành điện năng thông qua pin nhiên liệu để cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Quá trình này hầu như không tạo ra khí thải độc hại, sản phẩm phụ chủ yếu là nước tinh khiết.
Nhiều tập đoàn lớn như Toyota, Hyundai, Honda, BMW, Daimler Truck và Volvo đang đầu tư mạnh vào nghiên cứu và phát triển công nghệ pin nhiên liệu hydro.
Một số quốc gia như Nhật Bản, Hàn Quốc, Đức và Trung Quốc cũng đã xây dựng chiến lược phát triển nền kinh tế hydro nhằm phục vụ mục tiêu giảm phát thải carbon trong dài hạn.
Nguyên lý hoạt động của xe hydro
Cấu trúc cơ bản của một xe hydro bao gồm các thành phần chính:
- Bình chứa hydro áp suất cao.
- Hệ thống pin nhiên liệu (Fuel Cell Stack).
- Bộ chuyển đổi công suất.
- Pin lưu trữ năng lượng phụ trợ.
- Động cơ điện.
- Bộ điều khiển điện tử trung tâm.
Nguyên lý hoạt động của xe hydro dựa trên phản ứng điện hóa giữa hydro (H₂) và oxy (O₂).
Tại cực dương (Anode), hydro được tách thành proton và electron thông qua chất xúc tác:
H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
Các electron di chuyển qua mạch điện bên ngoài để tạo ra dòng điện cung cấp cho động cơ điện.
Trong khi đó, proton di chuyển qua màng trao đổi proton (PEM – Proton Exchange Membrane) đến cực âm (Cathode), nơi chúng kết hợp với oxy trong không khí và electron để tạo thành nước:
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Phản ứng tổng quát:
2H₂ + O₂ → 2H₂O + Điện năng + Nhiệt năng
Như vậy, xe hydro thực chất vẫn là xe điện, nhưng nguồn điện được tạo ra trực tiếp trên xe thông qua pin nhiên liệu thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào bộ pin lưu trữ như xe điện BEV.
Cấu tạo của hệ thống pin nhiên liệu hydro
Bình chứa hydro
Hydro thường được lưu trữ dưới áp suất rất cao, phổ biến ở mức 350 bar hoặc 700 bar.
Các bình chứa hiện đại được chế tạo từ vật liệu composite sợi carbon có độ bền cơ học cao nhằm đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
Pin nhiên liệu PEMFC
Loại pin nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất trên ô tô hiện nay là PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell).
Ưu điểm của PEMFC bao gồm:
- Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao.
- Kích thước nhỏ gọn.
- Khởi động nhanh.
- Phù hợp với phương tiện giao thông.
Bộ pin phụ trợ
Tương tự xe hybrid, xe hydro thường được trang bị bộ pin lithium-ion để lưu trữ năng lượng thu hồi từ hệ thống phanh tái sinh và hỗ trợ cung cấp công suất trong các điều kiện tải lớn.
Động cơ điện
Động cơ điện trên xe hydro có cấu tạo tương tự xe điện chạy pin, sử dụng dòng điện từ pin nhiên liệu và pin phụ trợ để tạo mô-men xoắn dẫn động bánh xe.
Ưu điểm của công nghệ xe hydro
Không phát thải khí nhà kính tại chỗ
Một trong những ưu điểm nổi bật nhất của xe hydro là không phát thải CO₂ trong quá trình vận hành.
Sản phẩm duy nhất của phản ứng điện hóa là nước và nhiệt lượng.
Điều này góp phần giảm ô nhiễm môi trường và cải thiện chất lượng không khí tại các khu đô thị.
Thời gian tiếp nhiên liệu ngắn
Khác với xe điện sử dụng pin cần thời gian sạc từ vài chục phút đến nhiều giờ, xe hydro chỉ mất khoảng 3 – 5 phút để nạp đầy nhiên liệu.
Đây là lợi thế đáng kể đối với các phương tiện vận tải đường dài hoặc xe thương mại.
Quãng đường hoạt động lớn
Nhiều mẫu xe hydro hiện nay có thể đạt phạm vi hoạt động từ 500 đến hơn 700 km sau mỗi lần nạp nhiên liệu.
Điều này tương đương hoặc vượt một số mẫu xe điện thương mại hiện nay.
Mật độ năng lượng cao
Hydro có mật độ năng lượng theo khối lượng rất lớn, khoảng 120 MJ/kg, cao gấp nhiều lần so với pin lithium-ion hiện nay.
Đặc tính này đặc biệt phù hợp với các phương tiện yêu cầu khả năng vận hành liên tục như xe tải, xe buýt, tàu hỏa hoặc tàu biển.
Những thách thức của công nghệ xe hydro
Năng lượng hydro có rất nhiều ưu điểm, tại sao trên thị trường lại có rất ít ứng dụng thực tế? Nhìn chung, năng lượng hydro vẫn được xem như một nguồn năng lượng mới nổi với dây chuyền công nghiệp phức tạp.
Đầu tiên là quá trình điều chế. Khí hydro dù trữ lượng lớn trên bề mặt Trái đất nhưng phần lớn lại tồn tại ở dạng hợp chất như nước (H2O) và trong chất hữu cơ. Tuy nhiên, quy mô sản xuất hydro từ nước còn nhỏ, còn việc sản xuất hydro từ năng lượng hóa thạch sẽ gây ra ô nhiễm môi trường.
Thứ hai là lưu trữ. Có hai phương pháp lưu trữ hydro truyền thống, một phương pháp là sử dụng bình thép áp suất cao và phương pháp còn lại là lưu trữ hydro dưới dạng khí hóa lỏng. Hai phương pháp này không thể lưu trữ lượng lớn hydro và có nguy cơ cháy nổ.
Trong những năm gần đây, một phương pháp lưu trữ hydro mới và đơn giản đã xuất hiện, đó là sử dụng các hợp kim. Những kim loại “hấp thụ” hydro này được gọi là hợp kim lưu trữ hydro. Tuy nhiên, công nghệ này hiện tại vẫn chưa hoàn thiện do con người vẫn chưa tìm ra kim loại lưu trữ hydro thích hợp nhất. Hydro lưu trữ trong kim loại chỉ có thể thoát ra bằng cách nung nóng. Quá trình này cần một thời gian nhất định, có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các công đoạn tiếp theo.
Quá trình vận chuyển và tiếp nhiên liệu hydro cũng tương tự như các nguồn năng lượng khác. Hydro có thể được vận chuyển bằng xe hoặc tàu, hydro hóa lỏng có thể được vận chuyển trực tiếp bằng đường ống. Các bước nạp hydro và tiếp nhiên liệu về cơ bản là giống nhau. Tuy nhiên, việc này cần phải chú ý đến vấn đề an toàn.
Hydro là một chất khí dễ gây cháy và nổ. Vào tháng 6/2019, một vụ nổ đã xảy ra tại một trạm tiếp nhiên liệu hydro ở Na Uy, san bằng toàn bộ khu vực xung quanh. Do đó, việc đảm bảo an toàn cho các trạm tiếp nhiên liệu hydro là một điều quan trọng trong dây chuyền công nghiệp.
Kế đế là ngăn xếp pin nhiên liệu. Bởi vì pin nhiên liệu đã trở thành cốt lõi trong việc sử dụng năng lượng hydro, việc cải thiện liên tục hiệu suất của pin là rất quan trọng đối với việc sử dụng năng lượng hydro. Hiện tại, chất xúc tác PtCo và màng trao đổi proton là cốt lõi của công nghệ pin.
Phương tiện sử dụng năng lượng hydro có thể được chia thành xe đốt trong hydro và xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro.
Xe đốt trong hydro tương tự như xe chạy xăng truyền thống. Nó trang bị thêm động cơ đốt trong để cung cấp năng lượng bằng cách đốt cháy hydro. Với đặc điểm nhiệt trị cao và hiệu suất cháy tốt, động cơ đốt trong hydro có hiệu suất tốt hơn. Tuy nhiên, động cơ này lại rất dễ bị đánh lửa trước (cháy trước khi bugi đánh lửa). Nhiệt độ cao bên trong động cơ cũng sẽ làm oxy và nitơ trong không khí phản ứng, tạo ra các hợp chất gây ô nhiễm môi trường. Do đó, các phương tiện đốt trong bằng hydro đã bị loại bỏ.
Loại còn lại là loại xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro, với ưu điểm có thể đi được quãng đường khá dài. Sử dụng pin cũng không gặp các vấn đề về môi trường như động cơ đốt trong chạy bằng hydro. Tuy nhiên, việc phát triển xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro gặp rất nhiều khó khăn.
Đầu tiên là giá thành cao của pin. Chất xúc tác PtCo nói trên và màng trao đổi proton đòi hỏi quá trình phức tạp và chi phí sản xuất cao. Chỉ một số công ty hoàn toàn làm chủ được quy trình sản xuất, điều này làm tăng chi phí sản xuất xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro.
Chiếc xe ứng dụng công nghệ này hiện bán trên thị trường Anh là Toyota Mirai có giá 66.000 bảng Anh (gần 2 tỉ VNĐ). Năm 2020, công ty Hyperion đã giới thiệu một siêu xe chạy bằng hydro mới có tên là Hyperion XP-1, được âm thầm phát triển trong suốt gần 10 năm. Giá bán của siêu xe này chưa được tiết lộ, nhưng có thể đoán rằng, nó có giá lên tới hàng triệu USD một chiếc.
Thứ hai, đó là vấn đề sử dụng năng lượng hiệu quả. So với xe điện thuần túy, xe chạy bằng hydro có hiệu suất thấp hơn. Các chuyên gia trong ngành đã tính toán rằng, một khi xe điện khởi động, nguồn điện tại vị trí sạc của xe sẽ mất đi khoảng 5%, quá trình sạc và xả của ắc quy sẽ mất thêm 10% và cuối cùng là động cơ điện sẽ mất 5%. Tổng lượng điện mất mát được tính toán là 20%.
Xe chạy hydro tích hợp thiết bị sạc trong xe và phương thức lái xe cũng giống như xe chạy điện thuần túy.
Theo các thử nghiệm, nếu 100 kilowatt giờ điện được sử dụng để sản xuất hydro, sau đó lưu trữ, vận chuyển, bổ sung vào ô tô, rồi chuyển thành năng lượng điện để điều khiển động cơ thì tỷ lệ sử dụng năng lượng điện chỉ là 38%. Nếu bắt đầu với việc tiếp hydro vào xe, hiệu suất sử dụng cũng chỉ là 57%. Dù tính toán như thế nào thì hiệu quả của nó cũng thấp hơn nhiều so với xe điện thuần túy.
Cuối cùng, các cơ sở hỗ trợ cho quá trình hydro hóa vẫn chưa được hoàn thiện. Lấy Trung Quốc làm ví dụ, tính đến tháng 1/2021, số lượng cơ sở hạ tầng sạc điện ở Trung Quốc là 1,716 triệu và số lượng trạm sạc công cộng đạt 810.903. Ngược lại, các trạm tiếp nhiên liệu hydro, tính đến cuối năm 2020, chỉ có 104 trạm. Điều này chắc chắn hạn chế rất nhiều sự phổ biến của các phương tiện chạy bằng hydro.
Kết luận
Công nghệ xe hydro đại diện cho một hướng phát triển quan trọng của ngành công nghiệp ô tô và giao thông vận tải trong thế kỷ XXI. Với khả năng phát thải gần bằng không, thời gian tiếp nhiên liệu nhanh và phạm vi hoạt động lớn, xe hydro được đánh giá là giải pháp đầy tiềm năng cho các phương tiện vận tải tương lai.
Mặc dù vẫn còn những thách thức về chi phí sản xuất, hiệu suất năng lượng và hạ tầng cung cấp nhiên liệu… nhưng sự phát triển của công nghệ pin nhiên liệu cùng xu hướng chuyển đổi sang năng lượng sạch đang mở ra nhiều cơ hội cho xe hydro trong những thập kỷ tới.
