Chào mừng tới học viện STEM

Xe chạy hydro - kẻ đi trước thời đại

Sử dụng pin nhiên liệu hydro, ngành ôtô thế giới giải quyết được tất cả các vấn đề về môi trường và vận hành, nhưng chi phí là trở ngại lớn.

Xe hoạt động với nguyên lý phản ứng hóa học tương tự trong các tên lửa và có thể chạy được quãng đường gấp đôi một chiếc Tesla. Đó là là xe dùng nhiên liệu hydro. Nhưng trừ khi bạn đang sống ở California (Mỹ), còn không bạn gần như chưa bao giờ nhìn thấy chúng trên đường.

Ngày nay, các mẫu xe điện được cung cấp năng lượng bởi pin sạc có vẻ là mục tiêu, trong khi xe hydro một thời được ca ngợi như phương tiện của tương lai lại rất hiếm và tương đối mù mờ. Pin nhiên liệu thực ra có rất nhiều ưu điểm trong cuộc cạnh tranh, xét trên cả khía cạnh về quãng đường xe có thể di chuyển cũng như thời gian nạp lại nhiên liệu.

Vậy điều gì đã xảy ra với những chiếc xe hơi chạy nhiên liệu hydro mà chúng ta từng được hứa hẹn?

Mirai đang nạp hydro. Ảnh: Toyota

Mirai đang nạp hydro. Ảnh: Toyota

Điều đầu tiên bạn nên biết: xe hydro cũng là một loại xe điện. Chúng ta có xu hướng cho rằng chỉ những xe chạy bằng pin sạc như Tesla, Nissan Leaf hay Chevrolet Bolt mới là 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.

Sự kết hợp giữa cơ khí và hóa học này tương tự phản ứng hydro-oxy xảy ra trong động cơ tên lửa. Đối với ôtô, năng lượng tạo ra sẽ chạy qua một pin nhiên liệu và biến đổi thành điện năng thay vì một vụ nổ. Ở cả hai trường hợp đều không tạo ra sự phát thải độc hại nào, đây chính là lý do để kỳ vọng các pin nhiên liệu là nguồn năng lượng tuyệt vời cho xe hơi tương lai.

Bản thân hydro có thể được tạo ra bằng cách đảo ngược quá trình này, gọi là sự điện phân. Chúng ta cho một dòng điện chạy qua nước để tách phân tử nước thành nguyên tử hydro và oxy. Còn một cách khác thông thường hơn, tuy nhiên, khi đó hydro được tạo ra ở quy mô từ khí gas trong quá trình mà người ta gọi là tái tạo metan thể hơi. Ở đó, nhiệt độ cao và hơi nén áp suất cao sẽ kết hợp cùng khí gas tự nhiên để sản sinh hydro.

Việc này sẽ phát thải ra một chút CO2 nên ngay cả nhiên liệu hydro cũng không hoàn toàn sạch 100%. Nhưng nếu so sánh lợi ích với khí CO2 sinh bởi xe pin điện hay hybrid, đặc biệt là với xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch thì xe pin nhiên liệu tốt hơn rất nhiều cho môi trường.

Bang California ban hành quy định ít nhất 33% hydro dùng trong xe pinvnhiên liệu phải xuất phát từ nguồn năng lượng tái tạo, với hy vọng trong tương lai sẽ đạt tới mức 100%. Điều đó giúp cho công nghệ này phù hợp với pin điện để tách biệt được với hệ thống điện lưới.

Công nghệ pin nhiên liệu mang rất nhiều tác động tích cực, đắn đo duy nhất là về giá cả.

Cấu tạo cơ bản của Honda Clarity với bình nén hybro ở ghế sau, pin nhiên liệu dưới ghế trước và môtơ vẫn ở dưới nắp ca-pô.

Cấu tạo cơ bản của Honda Clarity với bình nén hybro ở ghế sau, pin nhiên liệu dưới ghế trước và môtơ vẫn ở dưới nắp ca-pô.

Trong khi những chiếc xe sử dụng pin điện phổ biến hơn bao giờ hết, ngành công nghiệp ôtô lại phải vận lộn với hai vấn đề chính đối với tài xế. Thứ nhất, để sạc được đầy bộ pin sẽ tốn rất nhiều thời gian (nếu tài xế không thể tiếp cận được một trạm sạc nhanh). Thứ hai, ngay cả khi bộ pin đã được sạc đầy thì hầu hết những chiếc xe chạy pin điện chỉ hoàn thành được nửa quãng đường so với xe chạy xăng thông thường.

Những chiếc xe sử dụng pin nhiên liệu không gặp phải hai vấn đề này. Hydro có thể được bơm vào xe nhanh như khi chúng ta đổ xăng hay dầu. Và một khi bình nhiên liệu được nạp đầy, quãng đường xe di chuyển cũng chẳng hề thua kém. Toyota Mirai là chiếc sedan pin nhiên liệu có quãng đường di chuyển ngắn nhất hiện nay cũng đạt tới 510 km trước khi tài xế phải dừng lại. Điều đó có nghĩa nó tối ưu hơn 50% so với 354 km của một chiếc Tesla Model 3 tiêu chuẩn.

"Nếu bạn muốn biết nguồn năng lượng cho chiếc xe được truyền tải nhanh như thế nào, thì câu trả lời đó là từ 1-2 MW (megawatts)", Wipke cho biết. Khi so sánh với một đầu sạc xe chạy pin điện tiêu chuẩn chỉ có 2 kW, sự chênh lệch sẽ là 1.000 lần. Chúng ta dễ dàng hiểu được vì sao sạc cho xe pin điện lại lâu đến vậy.

"Với hydro, thứ mà bạn nạp vào xe là các phân tử", Wipke giải thích. "Miễn là bạn có đủ áp lực và đường dẫn dòng điện trở thấp thì bạn có thể bơm nhiên liệu cực kỳ nhanh".

Một khi những phân tử này đi vào trong xe, chúng ta sẽ có một khác biệt nhỏ giữa một chiếc xe pin nhiên liệu với một chiếc xe pin điện. Xe pin điện nổi tiếng mang lại hiệu suất cao đáng kinh ngạc. Chẳng hạn Tesla Roaster đã lập kỷ lục vào năm 2017 khi tăng tốc 0-100 km/h chỉ trong vòng 1,9 giây. Nhưng theo Stephen Ellis, giám đốc phát triển phương tiện tại Honda Mỹ thì xe pin nhiên liệu hoàn toàn có thể làm tốt như xe điện.

"Nếu đủ môtơ, một chiếc Honda Clarity hydro cũng có thể đạt được thành tích tăng tốc như vậy." Ellis chia sẻ. "Dù sao thì nó cũng là một chiếc xe thuần điện, bạn có thể lựa chọn bất kỳ loại môtơ điện nào được lắp vào, chẳng có trở ngại gì cả".

Tuy nhiên, để có được tất cả những ưu điểm này trong hiện tại, chúng ta phải chấp nhận mức giá cao. Chiếc Honda Clarity phiên bản pin nhiên liệu có giá gần gấp đôi so với phiên bản chạy pin điện thông thường. May mắn là, mức giá đó đã bao gồm cả chi phí cho nhiên liệu, hiện nay đang ở quanh 14 USD cho mỗi kilogram hydro. Xét theo khía cạnh năng lượng, nó tương đương với 1,5 USD cho mỗi lít xăng. Giá của xe và cả nhiên liệu sẽ giảm xuống theo thời gian, nhưng trong lúc này, chi phí phải bỏ ra không mấy dễ chịu.

Màn hình hiển thị của Mirai.

Màn hình hiển thị của Mirai.

Bây giờ, chúng ta tiếp tục đi tới một trở ngại lớn dành cho xe pin nhiên liệu: gần như khách hàng không thể có được nguồn cung cho loại nhiên liệu này bên ngoài California. Cơ quan đối tác năng lượng California đang vận hành 40 trạm cung cấp hydro, phần lớn chúng nằm tại Los Angeles hoặc khu vực vịnh. Nếu một chủ xe muốn đi tới một nơi nào khác của nước Mỹ, thật buồn là họ chẳng có cơ hội nào thực hiện được.

"Người tiêu dùng yêu những chiếc xe pin nhiên liệu, nhưng thử thách thực sự là phải xây dựng được số lượng trạm hydro đáp ứng đủ cho nhu cầu", Wipke nói.

Trong khi ngành công nghiệp dành cho công nghệ mới này đang không thể đáp ứng được nhu cầu, các nhà cung cấp vẫn đang nỗ lực. Họ đang mở khoảng một trạm hydro mới mỗi tháng và đang chạy đua để cán mốc mục tiêu 200 trạm sạc tại California cho tới 2025. Nhưng kể cả như vậy, thì con số đó vẫn còn khoảng cách quá xa so với 8.500 trạm xăng hiện tại tại bang này, cũng như 17.000 trạm sạc pin điện khác.

Cơ sở hạ tầng hydro rất hiếm hoi ở phần còn lại của nước Mỹ, và xe pin nhiên liệu không được bán ở hầu hết các bang khác. Có 2 trạm đặt tại New York và Connecticut, nhưng Wipke nói rằng khu vực Đông Bắc đang đi chậm hơn California tới 5 năm. Cùng với mật độ và môi trường chính trị, khu vực này rõ ràng là điểm điến cho cuộc bùng nổ tiếp theo của công nghệ hydro. Tuy nhiên, xây dựng một mạng lưới rộng khắp ở đây sẽ khó khăn hơn so với California.

"Thách thức đó là không chỉ ở một bang, bạn phải tập hợp được nhiều người liên quan hơn và họ thấy thoải mái với công nghệ này. Đó là một quá trình sẽ diễn ra chậm hơn", Wipke cho biết thêm.

Ông dự đoán rằng sẽ mất hàng năm trời để xe pin nhiên liệu trở nên khả thi đối với giao thông tại New York. Trong khi đó cơ sơ hạ tầng cho xe hybrid và xe điện thông thường đã rất phát triển, nhưng Wipke tin rằng xe hydro có thể san lấp được khoảng cách.

"Một trong những lý do mà các nhà sản xuất ôtô rất hào hứng với công nghệ hydro là bởi vì nó giúp tạo ra nền tảng cho những phương tiện không phát thải, thứ có thể hoàn toàn thay thế cho bất cứ mẫu xe hiện tại nào trong danh mục sản phẩm. Nếu bạn phải tạo ra một chiếc xe tải lớn hay một chiếc SUV có đủ khả năng kéo và quãng đường di chuyển đủ dài để thay thế các mẫu truyền thống, đó sẽ là thách thức cho công nghệ pin điện, nhưng với hydro thì không thành vấn đề".

Một vài loại phương tiện như thế đã xuất hiện hoặc đang trong quá trình phát triển. General Motors đang nghiên cứu một chiếc bản tải, Hyundai thì giới thiệu một mẫu SUV còn Toyota suốt 3 năm qua đang thiết kế và thử nghiệm một chiếc đầu kéo rơ-moóc. Tất cả đều sử dụng công nghệ pin nhiên liệu. Cư dân tại quận Orange đã được trải nghiệm xe bus công nghệ này từ 2016, và tổng cộng 25 trạm xe bus kiểu này đang được vận hành trên toàn nước Mỹ.

Cả Wipke và Ellis đều dự đoán rằng, chỉ một vài thập kỷ nữa thôi, các trạm hydro và xe hydro sẽ có tương lai tươi đẹp ở mọi nơi.

Thái Hoàng (theo Popular Mechanics