Tương lai của động cơ tế bào nhiên liệu
Không khí thải, không gây tiếng ồn và chỉ cần nạp trong ít phút, tế bào nhiên liệu dường như kết hợp được cả ưu điểm của động cơ chạy xăng và động cơ điện. Yếu tố góp phần giải quyết tất cả những điều này chính là công nghệ.
Khi đèn xanh bật, chiếc Toyota Mirai vọt lên mà chỉ gây tiếng động khẽ. Việc tăng tốc trong im lặng vốn chỉ có ở các loại xe động cơ điện như BMW i3, Tesla Model S hay Nissan Leaf nay đã thấy ở xe Mirai.
Tuy nhiên có một sự khác biệt lớn: xe chạy điện ác quy sau một chặng đường dài (xe i3 và Leaf sau một lần nạp điện có thể chạy một quãng đường từ 100 đến 200 km ) thì phải dừng hàng giờ để nạp điện, trong khi xe Mirai sau chặng đường 500 km mới hết nhiên liệu. Nét ưu việt của Mirai là sau khi dừng độ ba phút là có thể chạy tiếp một chặng đường 500 km nữa.
Thay vì nạp điện, xe Mirai nạp khí hydro tinh khiết. Tế bào nhiên liệu trên xe biến hydro thành điện. Không khí ấm và hơi nước được thoát ra từ ống xả. Nếu hydro được sản xuất bền vững thì xe không phát ra khí thải độc hại.
Chạy đua công nghệ
Ước mơ di chuyển mà không làm ô nhiễm môi trường đã trở thành hiện thực với nỗ lực của Toyota.
Nhiều ông lớn trong ngành chế tạo ô tô đã tham gia cuộc chạy đua sản xuất hàng loạt loại xe chạy bằng khí hydro với giá có thể chấp nhận được. Toyota thắng trong cuộc chạy đua này: xe Mirai được bán tại Nhật Bản trong tháng 12 này và sẽ có mặt trên thị trường Đức vào tháng 9.2015 với giá 79.000 Euro.
Tuy nhiên các đối thủ cạnh tranh của Toyota đang nỗ lực rút ngắn khoảng cách. BMW, đối tác liên doanh của Toyota, dự định đến năm 2016 sẽ tung ra thị trường xe i5 với công nghệ mô phỏng theo công nghệ của Mirai. Xe FCV hydro của Honda tuy sẽ xuất hiện muốn hơn – năm 2016 nhưng lại có ưu thế có thể chạy một mạch tới 700 km. Bộ tứ Daimler, Ford và Renault-Nissan hợp tác, dự định từ 2017 sẽ cùng đưa ra thị trường các model chạy bằng khí hydro. Trên cơ sở loại SUVs iX35, Hyundai đã có một loạt xe nhỏ gồm 1000 xe tế bào nhiên liệu đang hoạt động.
Nhật Bản khuyến khích dùng khí hydro
Tất cả các nhà sản xuất ô tô cỡ lớn đều đang nghiên cứu về tế bào nhiên liệu, Họ còn tính cả đến việc áp dụng tế bào nhiên liệu ở các lĩnh vực khác như xe buýt, xe nâng hàng vv…
Đối với các nhà sản xuất ô tô Nhật Bản, việc sử dụng tế bào nhiên liệu được chính phủ khuyến khích bởi đây là hướng làm giảm sự lệ thuộc vào nhập khẩu năng lượng.
Động cơ của Liên minh châu Âu (EU) trong chiến dịch nghiên cứu tế bào nhiên liệu gần đây là do đến năm 2050, EU phải giảm lượng khí thải CO2 trong lĩnh vực giao thông vận tải xuống tới 95% so với năm 2009.
EU dự định kể từ 2021, lượng khí thải CO2 không được quá 95 gram cho mỗi km2. Mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô thông thường là 4,1 lít xăng hoặc 3,6 lít diesen cho 100 km – đối với loại xe nhỏ thì chỉ tiêu này là hiện thực nhưng với các loại xe lớn hơn như Limousinen hay SUVs thì mục tiêu này hầu như không thể thực hiện được.
Đối với nhà chế tạo, nếu muốn đạt chỉ tiêu về lượng khí thải thì phải tính đến những hệ thống động lực phát thải.
Theo các chuyên gia của công ty tư vấn McKinsey, công tác R&D trong lĩnh vực này phải hết sức đa dạng. Trong vòng 40 năm tới sẽ không có một hệ thống động lực riêng lẻ nào có thể đáp ứng được các tiêu chí về kinh tế, công suất động cơ và sự thân thiện với môi trường. Trong tương lai, sẽ có nhiều hệ thống động cơ được sử dụng: ô tô chạy điện từ bình ác quy ở các đô thị, phương tiện đi lại bằng tế bào nhiên liệu trên đường trường và Plug-In-Hybrid (xe lai xạc điện), đây sẽ là những giải pháp hấp dẫn về kinh tế khi xe chạy trên các tuyến đường ngắn.
Platin đẩy giá thành lên
Kể từ năm 2000, mật độ công suất bề mặt (Surface power density) của tế bào nhiên liệu ứng dụng ở ô tô tăng gấp sáu lần. Điều mà các nhà chuyên môn đặc biệt quan tâm hiện nay là tối ưu hóa công nghệ để hạ giá thành sản phẩm và tăng độ bền cho động cơ.
Về giá thành thì platin, chất xúc tác của tế bào nhiên liệu, đóng vai trò hết sức quan trọng. Một ounce troy quốc tế (tương đương 31,1034768 gam) thứ kim loại quý hiếm này có giá từ 950 tới 1000 Euro. Với mỗi xe ô tô, nhà sản xuất cần từ 30 đến 40 gr platin cho động cơ tế bào nhiên liệu.
Katsuhiko Hirose, người phụ trách phát triển tế bào nhiên liệu của Toyota đề ra mục tiêu, mỗi xe ô tô chỉ còn cần khoảng 6 gr platin, tương đương với chất xúc tác ở động cơ diesel hiện nay. Chuyên gia Karstedt của ZBT cho rằng 10 gr là một con số hiện thực và tiết lộ, “về lâu dài chúng tôi nghĩ đến một giải pháp không cần platin, tuy nhiên phương án này vẫn chưa chín muồi về kỹ thuật”.
Giảm chi phí 90%
Không phải chỉ có nguyên liệu làm tế bào mà ngay cả bộ chuyển đổi điện năng cũng có thể tiết kiệm chi phí. Do từng tế bào riêng lẻ chỉ có thể tạo nên một công suất thấp nên nhiều tế bào sẽ được kết nối với nhau thành một khối gọi là “Stacks”. Cái khối này cùng các thiết bị đi kèm như máy bơm, thiết bị làm nguội thậm chí còn đắt hơn cả platin.
Khi nỗ lực tiết kiệm này được kết nối để sản xuất hàng loạt thì chuyên gia của McKinsey hy vọng sẽ giảm được giá thành tế bào nhiên liệu. Theo dự báo của McKinsey thì giá bộ máy phát bằng tế bào nhiên liệu so với năm 2010 , nội trong mười năm, giảm được 90% – tức khoảng 7.500 Euro. Cũng trong khoảng thời gian đó, tuổi thọ của một Stack tăng lên gấp đôi.
Ô tô chạy bằng tế bào nhiên liệu về cơ bản cũng giống ô tô chạy điện, vậy tại sao người ta chưa tiến hành sản xuất hàng loạt? Vấn đề này nằm ở khâu thị trường và hạ tầng cơ sở. Ulrich Hackenberg, giám đốc kỹ thuật của hãng Audi nói: “Chúng tôi sẽ sản xuất hàng loạt khi giải quyết được khâu thị trường và hạ tầng cơ sở”. Như vậy nơi nào không có trạm hydro thì ở đó sẽ không có khách hàng.
Chi phí lắp đặt một trạm nạp điện công cộng cho ô tô chạy điện hết khoảng vài nghìn Euro. Với trình độ kỹ thuật hiện nay chi phí lắp đặt một trạm nạp hydro khoảng 1 triệu Euro. Hiện tại Đức mới có 17 trạm hydro công cộng. Theo tính toán của McKinsey thì riêng khoản đầu tư ban đầu cho việc xây dựng một mạng lưới trạm hydro tế bào nhiên liệu khoảng 3 tỷ Euro.
Nguồn hydro lấy ở đâu?
Tuy hydro là một nguyên tố thường thấy nhất trên trái đất nhưng trong tự nhiên nó hầu như chỉ xuất hiện ở dạng hợp chất, thí dụ dạng nước hoặc methane. Để tách hydro khỏi những hợp chất này, cần phải có một lượng năng lượng rất lớn.
Hiện tại hydro là sản phẩm phụ trong quá trình tinh luyện dầu mỏ. Tuy nhiên hydro chỉ được coi là thân thiện với môi trường khi được sản xuất từ năng lượng tái tạo, thí dụ thông qua điện phân nước bằng điện mặt trời hay điện gió.
Theo nhận định của Mc Kinsey, ngay cả khi có một mạng lưới trạm nạp tế bào nhiên liệu thì xe ô tô tế bào nhiên liệu cũng không thể phổ biến rộng rãi như xe ô tô chạy xăng hay diesel như hiện nay. Kịch bản cho năm 2050 là: 25% ô tô chạy điện ác quy, 35% xe tế bào nhiên liệu, 35 % xe lai xạc điện, 5% xe động cơ đốt trong.
Loại xe nào sẽ giành phần chủ đạo, điều này phụ thuộc không nhỏ vào các loại model có mặt trên thị trường và chính sách hỗ trợ, khuyến khích của nhà nước. Tỷ lệ xe ô tô chạy bằng bình ác quy và tế bào nhiên liệu có thể xê dịch một vài phần trăm nhưng một điều gần như chắc chắn: kẻ thua cuộc sẽ là động cơ đốt trong.
Xuân Hoài dịch từ Tuần kinh tế Đức
