Hydro cho vận tải hạng nặng: Các trường hợp sử dụng, rào cản và cơ hội

Bất chấp các mục tiêu khử cacbon, lượng khí thải từ phương tiện vận tải hạng nặng vẫn tăng đều đặn trong nhiều thập kỷ - lượng khí thải từ ống xả ước tính đã tăng hơn 2% mỗi năm kể từ năm 2000. Sau khi giảm nhẹ trong thời kỳ đại dịch, lượng khí thải của phương tiện hạng nặng (HDV), đặc biệt là từ vận tải hàng hóa tiếp tục tăng cao. HDV hiện chịu trách nhiệm cho hơn 25% lượng khí thải vận tải đường bộ ở EU trong khi chỉ chiếm 2% số  đội vận tải đường bộ.

Trong số các HDV, xe tải là điểm yếu đặc biệt trong việc khử cacbon và giảm phát thải. Trên toàn cầu, xe tải hạng nặng chiếm hơn  40%  lượng khí thải vận chuyển hàng hóa và chịu trách nhiệm tới 80% mức tăng lượng khí thải CO ₂ ở ống xả  trong hai thập kỷ qua  .  Việc khử cacbon trong phương tiện giao thông hạng nặng đang nổi lên như một mục tiêu ưu tiên của chính quyền địa phương và quốc gia nhằm đáp ứng các mục tiêu khử cacbon trong giao thông. Na Uy, Anh, EU và California đều đã đề xuất hoặc thực hiện các lệnh cấm bán xe HDV diesel mới từ năm 2030 đến năm 2040. 

Giới hạn đối với điện khí hóa pin

Trong khi xe điện chạy pin (BEV) dường như là con đường rõ ràng để hướng tới việc đạt được lượng phương tiện chở khách không có khí thải, thì chỉ riêng điện khí hóa sẽ không đủ để khử cacbon trong phương tiện giao thông hạng nặng. Một số đặc điểm chính của vận tải hạng nặng khiến BEV HDV trở nên không thực tế:

• Thời gian sạc:  Xe tải đường dài loại 8 cần pin khoảng 1-2MWh có thể mất tới vài giờ để sạc đầy, tăng thời gian chuyến đi lên tới  35%.  Đối với các đội tàu vận tải và hậu cần đang hoạt động với biên độ hẹp, thời gian lái xe bổ sung này là không khả thi về mặt kinh tế.
   
• Tải trọng:  Pin cần thiết cho xe thương mại hạng nặng làm giảm đáng kể sức chứa hàng hóa sẵn có - có thể lên tới hơn 8.000 pound. Sức chứa hàng hóa giảm và trọng lượng xe tăng cũng tác động tiêu cực đến hiệu quả kinh tế vận hành và làm tăng đáng kể thời gian hoàn vốn đối với chi phí trả trước khi mua BEV HDV.
   
• Cơ sở hạ tầng sạc:  Triển khai cơ sở hạ tầng vật lý và yêu cầu về năng lượng điện:
  • Trạm sạc cho HDV yêu cầu nhiều không gian hơn đáng kể so với trạm sạc trên ô tô khách do thời gian sạc của các phương tiện lớn hơn dài hơn. Tỷ lệ sử dụng cao và phạm vi hoạt động ngắn hơn cũng làm tăng số lượng trạm cần thiết trên các tuyến đường dài.
  • Việc sạc megawatt đặt ra nhu cầu lớn về lưới điện. Việc sạc megawatt trên diện rộng sẽ yêu cầu sự kết hợp giữa sản xuất năng lượng tái tạo tại chỗ và lưu trữ năng lượng.

Trường hợp sử dụng hydro: Vận chuyển đường dài và trở về căn cứ

Sử dụng hydro để cung cấp nhiên liệu cho HDV (với động cơ đốt hydro hoặc pin nhiên liệu hydro) giải quyết một số thách thức mà BEV phải đối mặt trong lĩnh vực vận tải hạng nặng. Cụ thể, thời gian sạc của xe tải hydro hạng nặng là 10-15 phút, tương đương với các loại xe chạy diesel thông thường. Tương tự, tải trọng bị ảnh hưởng tối thiểu, đặc biệt đối với các phương tiện vận chuyển đường dài và tải trọng nặng nhất. 

Trong khi xe chạy pin nhiên liệu hydro (HFCEV) sử dụng cả bộ pin và hệ thống pin nhiên liệu hydro, thì pin lại nhỏ hơn đáng kể so với xe BEV hoàn toàn. Xe tải hydro cũng có lợi thế cạnh tranh về phạm vi hoạt động so với BEV, với các mẫu xe mới hơn có thể đạt tới 800 dặm. Tầm bay xa hơn, thời gian tiếp nhiên liệu ngắn hơn và sức chứa hàng hóa tăng lên sẽ cải thiện tính kinh tế của HDV hydro, rút ​​ngắn thời gian hoàn vốn và tăng năng suất cho các nhà khai thác đội tàu.

Những thách thức và đổi mới

• Xe tải hydro hiện có giá gấp 2-4 lần so với xe tải diesel, đây là mức giá quá cao đối với hầu hết các đội xe.
   
• Với việc lưu trữ hydro, khí có khối lượng lớn, khối lượng thấp phải được lưu trữ ở áp suất cao hoặc nhiệt độ đông lạnh:
  • Trọng lượng và kích thước của bể chứa ảnh hưởng đến tải trọng và phạm vi hoạt động - áp suất và nhiệt độ đông lạnh làm tăng mối lo ngại về an toàn.
     
• Thiếu cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu đã được thiết lập và số lượng phương tiện sẵn có hạn chế đã cản trở việc thu hút khách hàng - gà hoặc trứng - không đủ phương tiện để thúc đẩy phát triển cơ sở hạ tầng, thiếu cơ sở hạ tầng cản trở việc thu hút phương tiện.

Các nhà đổi mới đang giải quyết những thách thức này, tham gia vào chuỗi giá trị để cung cấp các giải pháp tiếp nhiên liệu hydro, lưu trữ và tối ưu hóa hệ thống pin nhiên liệu, cũng như tăng tốc độ sẵn có và sản xuất phương tiện.

• Việc trang bị thêm xe tải diesel để tương thích với nhiên liệu hybrid hoặc hệ thống truyền động pin nhiên liệu hydro giúp loại bỏ chi phí trả trước khi mua đội xe mới. Quy trình sản xuất ngắn hơn giúp xe chạy trên đường nhanh hơn nhiều so với sản xuất xe đặt riêng (ví dụ:  Hyzon Motors ).
   
• Giải pháp phần mềm tối ưu hóa lượng nhiên liệu diesel và việc sử dụng nhiên liệu hydro (ví dụ:  Hydra Energy )​.
   
• Lưu trữ hydro: Hydro được nén lạnh và làm mát phụ làm tăng mật độ năng lượng và cho phép tăng phạm vi hoạt động, tải trọng, tránh chi phí hóa lỏng cao và giảm thất thoát nhiên liệu (ví dụ: Verne  ) .
   
• Tiếp nhiên liệu: Sự đổi mới được thể hiện rõ ràng trong các dịch vụ tiếp nhiên liệu theo mô-đun, dịch vụ hydro và các nhà sản xuất hydro tích hợp theo chiều dọc (ví dụ:  Hydro nguyên chất ).
   
• Các nhà sản xuất hydro xanh đang tham gia vào các giải pháp xây dựng hệ sinh thái, cơ sở hạ tầng riêng, mua sắm phương tiện và tiếp nhiên liệu (ví dụ:  Phynix ).

Nhìn về phía trước

Sự sẵn có và chi phí hydro là những yếu tố không chắc chắn chính đối với các nhà khai thác đội xe đang tìm cách mua HDV không có chất thải. Các quy định về sản xuất và nhiên liệu hydro xanh, trợ cấp và ưu đãi cho phương tiện không phát thải cũng như tài trợ của liên bang cho cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu sẽ khiến HDV chạy bằng hydro trở thành một lựa chọn hấp dẫn hơn.

Trong khi đó, việc trang bị thêm các HDV diesel hiện có để sản xuất hydro sẽ rất quan trọng để đưa HDV hydro chạy trên đường, thực hiện các thí điểm quy mô lớn hơn và biện minh cho việc triển khai cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro rộng rãi. Hãy theo dõi hoạt động của các hãng ô tô lớn. Tất cả các nhà sản xuất xe tải lớn nhất đều công bố sản xuất hoặc đưa ra thử nghiệm xe HDV chạy bằng hydro trong những năm gần đây. Dự kiến ​​xe từ các OEM sẽ ra đường vào những năm 2020 vừa qua.