Khí Hydro thay thế nguyên liệu hóa thạch trong công nghiệp ô tô?

Để giảm hiệu ứng phát thải CO2, ngành công nghiệp chế tạo ôtô đang đứng trước bước ngoặc lớn, buộc phải có chiến lược thay thế dần nhiên liệu hóa thạch như xăng, diesel, khí ga tự nhiên bằng nhiên liệu thân thiện với môi trường.Đây là những kỳ vọng khởi đầu của cuộc cách mạng xe "xanh" sử dụng Hydro, mở đầu một vòng đời mới với ngành công nghiệp ô tô.

Xe hydro cũng là một loại xe điện. Thực tế, xe hydro hoạt động bằng nhiên liệu khí, nhưng thứ năng lượng mà chúng tạo ra để bánh xe quay lại là điện.

"Khi chúng ta nói về những chiếc xe điện, đó sẽ là tập hợp của xe plug-in hybrid, hybrid, pin điện, pin nhiên liệu hay bất cứ loại nào khác nữa, miễn là chúng kết hợp cùng một môtơ điện", Keith Wipke, giám đốc chương trình thử nghiệm các công nghệ hydro và pin nhiên liệu tại phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia Mỹ phát biểu.

Nhưng một pin nhiên liệu thì khác xa một cục pin. Cục pin lithium-ion nặng nề bên trong chiếc Tesla Model S lưu trữ năng lượng như một dòng điện chạy qua giữa một a-nốt và một ca-tốt. Pin nhiên liệu sinh ra điện bằng cách tạo những phản ứng điện hóa học giữa nhiên liệu (thường là hydro) và oxy trong không khí. Trong quá trình phản ứng, hydro và oxy kết hợp để tạo ra năng lượng điện và nước vô hại. Nếu phản ứng hóa học ban đầu đó đủ lớn, năng lượng giải phóng sẽ giúp xe di chuyển.

Giải pháp trước mắt là xe chạy điện. Song giải pháp này vẫn gây ra các vấn đề với môi trường. Vì để sạc pin cho ôtô vẫn phụ thuộc vào nguồn điện. Nếu nguồn điện từ các nhà máy nhiệt điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch,như than đá, dầu mỏ, khí ga tự nhiên vẫn sản sinh lượng khí CO2 không nhỏ. Mức độ có thể thấp hơn do nguồn điện đa số các quốc gia thường kết hợp giữa nhiệt điện với thủy điện, điện nguyên tử, điện mặt trời và điện gió. Và vấn đề rác thải từ các pin điện hết thời hạn sử dụng,có chứa các hóa chất độc hại, lâu phân hủy cũng ảnh hưởng không tốt đối với con người và môi trường. Mặt khác, về sử dụng xe chạy điện còn sự bất tiện về thời gian sạc pin, ít nhất là 30 phút để tái nạp năng lượng, gây áp lực với cơ sở hạ tầng và người sử dụng.

Một giải pháp triệt để hơn thay thế nhiên liệu hóa thạch dùng trong động cơ đốt trong là sử dụng khí hydro.Phương tiện sử dụng năng lượng hydro có thể được chia thành xe đốt trong hydro và xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro.

Chọn 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 cho 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 còn làm oxy và nitơ trong không khí phản ứng, tạo ra các hợp chất gây ô nhiễm môi trường. Nên trong nhiều năm, phương án đốt trong bằng hydro đã bị loại bỏ. Nhưng gần đây, được biết các kỹ sư tại Toyota đang theo đuổi một dự án với những bước tiến nhất định đó là chế tạo động cơ đốt trong hút khí hydro. Khối động cơ đặc biệt này- hiện là động cơ 3 xi-lanh đã được lắp thử nghiệm cho một chiếc Corolla Hatchback và có kết quả ban đầu đầy hứa hẹn. Động cơ hydro ngoài một lượng dầu nhờn không đáng kể bị đốt cháy và một lượng khí thải có hại nhất định khi động cơ đốt cháy hydro và oxy từ không khí, còn lại gần như không thải ra khí CO2 và thân thiện với môi trường hơn nhiều so với động cơ xăng, dầu. Tuy nhiện, cơ chế vận hành chi tiết của động cơ hydro hiện chưa được Toyota công bố..

Động cơ đốt trong Hydro 3 xilanh của Toyota (nguồn autotimes.vn/toyota)

Hay xechạy bằng pin nhiên liệu hydro?

Loại còn lại là loại xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro- thuật ngữ viết tắt thông dụng là "FCEV". 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. Xe chạy pin nhiên liệu hydrogen giống như một chiếc xe điện, nhưng khác ở chỗ có khả năng tự sạc đầy ắc quy của xe sau đó điện năng truyền đến motor điện để quay các bánh xe. Bình chứa hydrogen có thể được nạp đầy hydrogen nén chỉ trong vài phút. Khí hydrogen chạy xuyên qua các vách ngăn pin nhiên liệu, gặp khí oxy tạo ra phản ứng hóa học sinh ra điện năng truyền đến ắc quy và motor, và chất thải là nước sẽ rơi xuống rồi theo ống dẫn ra ngoài.

Về cơ bản xét về nguyên lý hoạt động, một chiếc xe FCEV thực chất là một loại xe hybrid, là sự kết hợp giữa điện năng sinh ra từ phản ứng nhiệt hydro + oxy để chạy động cơ điện và khi xe chạy, thì động cơ điện đồng thời cũng trở thành một máy phát để sạc điện cho ắc-quy của xe, gần tương tự như xe hybrid điện-xăng.

 Năng lượng hydro có rất nhiều ưu điểm, nhưng để ứng dụng phải giải quyết các vấn để sau:

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 và trong chất hữu cơ.Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng để tạo ra hydro thương mại. Một số phương pháp như: Phản ứng phân tách khí metal ở nhiệt độ cao 700-1100 độ C, với chất xúc tác là kim loại niken; Tách khí hydro từ than đá; Điện phân nước; Dùng năng lượng mặt trời để tách hydro từ nước...nhưng giá thành đều khá cao. Cùng với sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và với sản lượng lớn,chi phí sản xuất khí Hydro sẽ giảm trong vài năm haytrong vài chục năm tới?

Thứ hai là lưu trữ. Phương pháp lưu trữ hydro truyền thống là sử dụng bình thép áp suất cao hoặc lưu trữ hydro dưới dạng khí hóa lỏng. Hai phương pháp này luôn tiềm ẩn 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, giải phóng hydro khi có tác động nhiệt. Tuy nhiên, công nghệ này hiện tại vẫn chưa hoàn thiện do chưa tìm ra kim loại lưu trữ hydro có chi phí thấp, thích hợp nhất.

Thứ ba là cơ sở hạ tầng: Cần xây dựng hệ thống vận chuyển và tiếp nhiên liệu hydro. Hệ thống này khá phức tạp do yêu cầu về an toàn do hydro là một chất khí dễ gây cháy và nổ. Do đó, việc đảm bảo an toàn cho các trạm tiếp nhiên liệu hydro là một điều quan trọng.

Cuối cùng là pin nhiên liệu cũng là vấn đề cốt lõi trong việc sử dụng năng lượng hydro, việc giảm chi phí chế tạo và 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.

Nguyên lý hoạt động của Pin năng lượng (nguồn DEVI renewable.com)

Là nhiên liệu của tương lai, BMW cho biết, Đức và EU đã “công nhận tầm quan trọng của hydro xanh đối với hệ thống năng lượng của tương lai”. Ngoài ra, các thị trường chính ở châu Á - như Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc... cũng “bày tỏ sự quan tâm mạnh mẽ đến việc thiết lập cơ sở hạ tầng cho các phương tiện chạy bằng hydro”.

Hiện dòng xe FCEV mới chỉ thực dụng tại một số thị trường nhất định và đôi khi chỉ ở các tiểu khu của những thị trường đó, chẳng hạn như thị trường Anh có Toyota Mirai, Hyundai ix35 Fuel Cell (tuy nhiên, chiếc ix35 chỉ với số lượng có hạn). Còn ở Mỹ có bán chiếc Honda Clarity, Năm 2020, công ty Hyperion đã giới thiệu một siêu xe chạy bằng hydro mới có tên là Hyperion XP-1, BMW đang triển khai sản xuất hàng loạt mẫu BMW i Hydrogen NEXT. GM và Honda vừa chính thức kí kết hợp tác trong việc sản xuất hàng loạt các dòng xe sử dụng pin nhiên liệu Hydro, khởi đầu tại nhà máy Michigan (Mỹ). Đây là những kỳ vọng khởi đầu của cuộc cách mạng xe "xanh" sử dụng Hydro, mở đầu một vòng đời mới với ngành công nghiệp ô tô.

Vậy chúng ta chờ đến khi nào để có thế thấy nhiều mẫu xe pin nhiên liệu hydro phổ biến trên đường. Vấn đề là ở chi phí hay điểm tiếp nhiên liệu?

Chi phí cao của việc chế tạo xe chạy pin nhiên liệu hydro liệu có là rào cản?

Kiểm soát chi phí sản xuất xe chạy bằng pin nhiên liệu là vấn đề lớn đầu tiên mà các nhà sản xuất ô tô đang giải quyết. Đã có những chiếc xe nguyên mẫu chạy bằng pin nhiên liệu trên đường, thậm chí đôi khi còn cho công chúng thuê, nhưng các hãng đã chi tới 1 triệu đô la để sản xuất mỗi chiếc do công nghệ tiên tiến liên quan và hoạt động sản xuất thấp. Toyota đã giảm chi phí cho mỗi chiếc xe chạy pin nhiên liệu nhưng, mẫu xe Mirai của họ được bán với giá khoảng xấp xỉ 60.000 USD tại Hoa Kỳ. Honda FCX Clarity chỉ có ở miền nam California. Các nhà sản xuất khác cũng đang đầu tư vào việc phát triển các mô hình thị trường đại chúng.

Vẫn còn quá ít điểm tiếp nhiên liệu

Một vấn đề khác là thiếu các trạm tiếp nhiên liệu hydro. Các công ty dầu khí lớn đã không thích thiết lập các bồn chứa hydro tại các trạm xăng hiện có vì nhiều lý do, từ an toàn, chi phí đến thiếu nhu cầu. Nhưng rõ ràng là các công ty dầu cũng đang cố gắng giữ cho khách hàng quan tâm đến sản phẩm có lợi nhuận cao của họ: xăng. Một kịch bản có khả năng xảy ra hơn là những gì đang xuất hiện ở California, nơi có vài chục trạm nhiên liệu hydro độc lập được đặt xung quanh tiểu bang như một phần của mạng lưới được tạo ra bởi Tổ chức phi lợi nhuận California Fuel Cell Partnership, một tập đoàn gồm các nhà sản xuất ô tô, các cơ quan liên bang và tiểu bang, và các tổ chức khác các bên quan tâm đến việc thúc đẩy hơn nữa công nghệ pin nhiên liệu hydro.

Hydro vẫn liên quantới nhiên liệu hóa thạch?

Một tỷ lệ lớn nhiên liệu hydro hoặc được chiết xuất từ nhiên liệu hóa thạch hoặc được tạo ra bằng các quy trình điện phân được cung cấp bởi nhiên liệu hóa thạch, do đó phủ nhận bất kỳ sự tiết kiệm hoặc giảm lượng khí thải thực sự nào trong việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Tại sao? Bởi nó đòi hỏi cần có phương án sản xuất nhiên liệu hydrogen theo phương thức công nghiệp hóa, và phù hợp chiến lược thương mại của thị trường… nhưng 95% H2 lại được sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Tức là cần phải đốt cháy dầu, gas, than… để có thể thu được H2.

Vì vậy, cho đến khi việc sản xuất Hydrogen (H2) được diễn ra trên quy mô rộng lớn nhằm bảo vệ môi trường thì chỉ còn hai phương án lúc này: 1) vẫn tiếp tục chạy xăng và diesel trực tiếp cho xe; 2) dùng điện đơn thuần từ trạm sạc để sạc cho ắc quy xe điện.

Trước mắt, Honda có kế hoạch phát triển các trạm sạc H2 nhỏ dùng cho hộ gia đình vận hành bởi năng lượng mặt trời, song song với các trạm sạc quy mô lớn vận hành từ rác thải hoặc các loại sinh vật hữu cơ. Những chiến lược quy mô nhỏ này sẽ dần giúp công nghệ hydrogen có chỗ đứng vững chắc hơn để chờ đến khi có phương pháp sản xuất số lượng lớn.

Chúng ta có thể khẳng định chắc chắn rằng xe công nghệ pin nhiên liệu hydrogen và xe điện sẽ giúp cải thiện, hạn chế chi phí phát sinh trong quá trình sử dụng xe và bảo vệ môi trường trong tương lai.

Nhưng chỉ khi các nguồn năng lượng tái tạo – năng lượng mặt trời, gió và các nguồn khác – có thể được khai thác để cung cấp năng lượng cho quá trình sản xuất nhiên liệu hydro thì giấc mơ về nhiên liệu hydro thực sự sạch mới có thể thành hiện thực

Kết cấu cơ bản Toyota Mirai sử dụng Pin nhiên liệu (nguồn autotimes.vn/toyota)

Mẫu BMW X5 chạy bằng khí hydro sẽ ra mắt vào cuối năm 2022 (Nguồn VOV)