Nhiều người cho rằng, chỉ những xe chạy bằng pin sạc như Tesla, Nissan Leaf hay Chevrolet Bolt mới là xe điện. Thực tế, xe hydro cũng thuộc loại xe điện. Phương tiện này hoạt động bằng nhiên liệu khí, tuy nhiên năng lượng tạo ra để bánh xe quay lại là điện.
Con người đã bắt đầu sử dụng nguồn năng lượng này từ rất sớm. Ngay từ năm 1834, người Mỹ đã phát triển chiếc ô tô điện đầu tiên. Pin nhiên liệu cũng được người Anh đề xuất vào cuối thế kỷ 19.
Hiện tại, mọi người hy vọng rằng những nguồn năng lượng mới này có thể đóng vai trò quan trọng hơn trong ngành công nghiệp năng lượng. Trong đó, ngành ô tô không đứng ngoài cuộc, khi kế hoạch cho các mẫu xe tương lai của các công ty lớn đều nhấn mạnh tầm quan trọng của nguồn năng lượng mới.
Tuy nhiên, loại phương tiện sử dụng năng lượng mới nào sẽ “thống trị” thế giới trong tương lai vẫn còn là một ẩn số. Ngày nay, các mẫu xe điện được cung cấp năng lượng bởi pin sạc là sự lựa chọn hàng đầu, trong khi xe hydro – từng được ca ngợi như phương tiện của tương lai – lại rất hiếm. Điều gì đã xảy ra với những chiếc xe hơi chạy nhiên liệu hydro từng được đặt kỳ vọng?
1. Năng lượng hydro là gì?
Hydro là một loại khí có nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu trong thiên nhiên. Đặc điểm quan trọng của hydro là trong phân tử không chứa các nguyên tố hóa học khác như cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là nước (H2O), được gọi là nhiên liệu sạch lý tưởng.
Phản ứng điện hóa kết hợp giữa hydro và oxygen. Ảnh: Energy Information Administration
Không như pin thông thường, pin nhiên liệu có thể liên tục sản sinh ra điện chừng nào nguyên liệu oxy và hydro vẫn còn. Không những thế, pin nhiên liệu không xảy ra phản ứng đốt cháy nên hầu như không gây ra tiếng ồn trong quá trình sản xuất điện.
Hiện nay, người ta thường sử dụng năng lượng hydro thông qua pin nhiên liệu hydro. Loại pin này sử dụng hydro làm chất khử và oxy làm chất oxy hóa để chuyển đổi trực tiếp thành năng lượng điện thông qua phản ứng hóa học. Dòng điện được động cơ sử dụng và nạp vào bộ pin, còn oxy lỏng sẽ thải ra ngoài.
2. “Khó khăn” của công nghệ năng lượng 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.
3. Đâu là lý do khiến phương tiện sử dụng năng lượng hydro “lỗi thời”?
 Cấu tạo cơ bản của Honda Clarity với bình nén hydro ở ghế sau, pin nhiên liệu dưới ghế trước. |
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.
 Siêu xe Hyperion XP-1 được trang bị động cơ điện 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.
Mặc dù các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu hydro có những lợi thế nhất định so với các phương tiện truyền thống, chúng vẫn tồn tại nhiều bất lợi. Những vấn đề này cản trở sự phát triển của các loại xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro. Kết quả là, các phương tiện chạy bằng hydro bị “bỏ lại phía sau” trong cuộc đua năng lượng mới.
