Đánh giá kỹ thuật-kinh tế và môi trường của pin nhiên liệu hydro cho vận tải hạng nặng: Phân tích so sánh và dự báo

Đánh giá kỹ thuật-kinh tế và môi trường của pin nhiên liệu hydro cho vận tải hạng nặng: Phân tích so sánh và dự báo

Ngày 14 tháng 9 năm 2026

Annie Nguyễn

Một nghiên cứu mới của Chatura Dodangoda và P. G. Ranjith, công bố trên Tạp chí Quốc tế về Giao thông Bền vững, đã đánh giá toàn diện tiềm năng của pin nhiên liệu hydro trong lĩnh vực vận tải đường bộ, đặc biệt tập trung vào xe hạng nặng. Nghiên cứu so sánh pin nhiên liệu hydro với động cơ đốt nén truyền thống và xe điện chạy pin, đồng thời đưa ra dự báo đến năm 2050.

Bối cảnh: Vận tải và phát thải carbon

Ngành vận tải chiếm khoảng 20% lượng phát thải CO2 toàn cầu, trong đó xe hạng nặng là những đóng góp đáng kể. Vận tải đường bộ là nguồn phát thải CO2 hàng đầu trong lĩnh vực vận tải (73%). Mặc dù xe con chiếm tỷ trọng lớn hơn về số lượng (75%), xe tải hạng nặng tạo ra nhiều phát thải carbon hơn do hiệu suất nhiên liệu thấp. Hầu hết xe hạng nặng sử dụng động cơ diesel, được biết đến với tiếng ồn đáng kể và phát thải ô nhiễm cao.

Pin nhiên liệu hydro: Giải pháp cho vận tải hạng nặng

Pin nhiên liệu hydro đang nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn, đặc biệt cho vận tải hạng nặng, nhờ khả năng cung cấp năng lượng bền vững và hiệu quả. Khác với pin, hệ thống pin nhiên liệu có thể mở rộng quy mô để đáp ứng bất kỳ nhu cầu năng lượng nào mà không làm giảm hiệu suất. Chúng duy trì tốc độ hoạt động ổn định ngay cả ở nhiệt độ lạnh mà không bị sụt giảm điện áp. Thời gian nạp hydro nhanh hơn so với sạc pin, và hydro, bao gồm cả trọng lượng của bình chứa, có mật độ năng lượng theo khối lượng cao hơn nhiều so với pin.

So sánh mật độ năng lượng và hiệu suất

Hydro nén có mật độ năng lượng theo khối lượng cao hơn 100 lần so với pin. Pin nhiên liệu hydro có thể đạt hiệu suất lên tới 65% trong vận tải, trong khi động cơ xăng hiện nay thường hoạt động ở khoảng 35%. Khi nhiệt sinh ra trong pin nhiên liệu được tận dụng trong hệ thống đồng phát nhiệt và điện (CHP), hiệu suất tổng thể có thể vượt quá 85%. Mật độ năng lượng theo khối lượng và thể tích của hệ thống pin nhiên liệu vượt trội so với bộ pin lithium-ion. Tuy nhiên, hiệu suất của pin nhiên liệu thấp hơn một nửa so với bộ pin.

Phạm vi hoạt động và thời gian nạp nhiên liệu

Xe điện chạy pin thông thường có thể đạt phạm vi 160 đến 500 km cho một lần sạc. Để đạt phạm vi 800 km sẽ cần dung lượng pin khoảng 1.000 kWh, tương đương ít nhất 5.500 kg dành cho pin. Trong khi đó, một xe hạng nặng chạy pin nhiên liệu tiêu chuẩn có thể đi được 800 đến 1.600 km sau một lần nạp nhiên liệu, sử dụng hai bình hydro, mỗi bình chứa 40 đến 60 kg hydro ở áp suất 350 bar. Thời gian nạp hydro cho xe tải hạng nặng khoảng 16 phút, trong khi sạc pin cho xe tải có thể mất hàng giờ.

Chi phí và dự báo

Nghiên cứu dự báo rằng vào năm 2030, chi phí sản xuất xe tải chạy pin là 236.266 USD, xe pin nhiên liệu là 175.750 USD và xe động cơ đốt nén truyền thống là 146.858 USD. Tuy nhiên, chi phí lái xe bình quân (LCOD) của xe động cơ đốt nén lại cao nhất do chi phí nhiên liệu và bảo trì. Đến năm 2050, chi phí của cả ba loại xe được dự báo sẽ gần như tương đương do sự phát triển của ngành.

Chi phí pin lithium-ion có thể dao động từ 110–350 USD/kWh, trong khi pin nhiên liệu có thể là 180–320 USD/kW. Chi phí sản xuất hydro xanh hiện dao động từ 18–22 USD/kg, nhưng vào năm 2030 có thể giảm xuống 1,4–2,3 USD/kg. Chi phí trạm nạp hydro có thể dao động từ 3–6 USD/kg đối với vận chuyển hydro dạng khí, và 5–15 USD/kg tùy thuộc vào phương pháp sản xuất, trạng thái vận chuyển và công suất hàng ngày.

Tác động môi trường

Mặc dù cả xe điện và xe pin nhiên liệu đều không có phát thải tại ống xả, nhưng trong giai đoạn sản xuất và cung cấp nhiên liệu, xe điện thải ra 33% và 50,4% nhiều CO2 hơn so với xe diesel trong các giai đoạn nguyên liệu thô và cung cấp năng lượng. Tuy nhiên, tổng thể, xe điện chạy pin sẽ thải ra 30–60 gCO2/km, trong khi xe pin nhiên liệu hydro chỉ thải ra 2–160 gCO2/km tùy thuộc vào phương pháp sản xuất.

Nhu cầu khoáng sản cho ngành công nghiệp hydro (máy điện phân và pin nhiên liệu) được dự báo là thấp hơn so với pin. Trong đó, niken và kim loại nhóm bạch kim được coi là khoáng sản có nhu cầu cao, nhôm và nguyên tố đất hiếm có nhu cầu trung bình, và đồng, coban, lithium, crom và kẽm có nhu cầu thấp. Bạch kim có thể được tái chế hơn 50% trong 24 giờ và có hệ số thu hồi cuối cùng là 60–98%.

Cơ sở hạ tầng

Trên toàn thế giới, có hơn 1,8 triệu điểm sạc công cộng được sản xuất vào năm 2021, với Trung Quốc dẫn đầu về số lượng bộ sạc nhanh (85%) và bộ sạc chậm (55%). Tuy nhiên, các trạm nạp nhiên liệu pin nhiên liệu và cơ sở hạ tầng hydro vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Chỉ có một đường ống dẫn hydro hoạt động trên toàn thế giới, với khoảng 40 địa điểm khả thi. Năm 2022, có 810 trạm nạp hydro hoạt động trên toàn cầu, với Trung Quốc vượt qua Nhật Bản.

Kết luận chính

Phát hiện chính của nghiên cứu là sự phù hợp của một hệ thống năng lượng vận tải phụ thuộc mạnh mẽ vào loại phương tiện hơn là chỉ dựa trên hiệu suất năng lượng. Mặc dù xe điện chạy pin có hiệu suất năng lượng cao nhất và phát thải vòng đời thấp nhất, mật độ năng lượng thấp hơn của chúng dẫn đến hình phạt khối lượng pin đáng kể cho các ứng dụng hạng nặng đường dài. Ngược lại, xe pin nhiên liệu hydro duy trì khối lượng lưu trữ năng lượng thấp hơn đáng kể trong khi cung cấp khả năng nạp nhiên liệu nhanh và phạm vi lái xe dài, khiến chúng phù hợp hơn cho vận tải hạng nặng đường dài.

Phân tích dự báo chỉ ra rằng khả năng cạnh tranh của xe hạng nặng pin nhiên liệu dự kiến sẽ cải thiện đáng kể từ năm 2030 đến 2050 nhờ giảm chi phí sản xuất hydro, hệ thống pin nhiên liệu và lưu trữ. Trong các kịch bản được phân tích, xe pin nhiên liệu tiệm cận ngang bằng với xe diesel truyền thống về chi phí sản xuất và chi phí lái xe bình quân, đồng thời cung cấp phát thải vòng đời thấp hơn đáng kể.

Khuyến nghị

Nghiên cứu đưa ra một số khuyến nghị cho việc triển khai pin nhiên liệu hydro trong lĩnh vực vận tải hạng nặng:

• Tích hợp công nghệ: Kết hợp hệ thống pin nhiên liệu với pin để tăng hiệu suất và phạm vi hoạt động, đặc biệt trong giai đoạn đầu.

• Sản xuất hydro: Tận dụng điện ngoài giờ cao điểm từ năng lượng gió để giảm chi phí sản xuất hydro.

• Phát triển cơ sở hạ tầng: Xác định các tuyến vận tải hàng hóa hạng nặng để xây dựng trạm nạp hydro và hệ thống vận chuyển.

• Lưu trữ hydro ngầm: Sử dụng các mỏ hydrocarbon đã cạn kiệt, tầng chứa nước và hang muối để lưu trữ hydro với khối lượng lớn.

• Chính sách: Các ưu đãi thuế và chương trình hỗ trợ của chính phủ có thể cải thiện khả năng kinh tế của pin nhiên liệu hydro.

Đối với Việt Nam, nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng về tiềm năng và thách thức của pin nhiên liệu hydro trong vận tải hạng nặng. Việc tập trung vào các ứng dụng phù hợp nhất — xe tải hạng nặng, đường dài, và các hành lang vận tải cố định — có thể giúp tối ưu hóa đầu tư và phát triển cơ sở hạ tầng hydro một cách hiệu quả.