Nghiên cứu mới cho thấy máy bay được trang bị thêm pin nhiên liệu hydro có thể giảm lượng khí thải CO2 từ các máy bay nhỏ - và có khả năng mở đường cho máy bay phản lực hydro.
Dornier 228 của ZeroAvia thực hiện chuyến bay thử nghiệm trên vùng nông thôn nước Anh. (ZeroAvia)
Một giải pháp tiềm năng cho việc bay không có carbon đang tiến gần hơn đến thực tế.
Kể từ đầu năm nay, những chiếc máy bay nhỏ được trang bị pin nhiên liệu hydro đã thực hiện chuyến bay thử nghiệm đầu tiên trên Bờ Tây Hoa Kỳ và vùng nông thôn nước Anh. Các công ty khởi nghiệp hàng không ZeroAvia và Universal Hydrogen hiện tuyên bố máy bay mới của họ sẽ sẵn sàng bắt đầu bay thương mại sớm nhất là vào năm 2025.
Một phân tích mới cho thấy rằng, nếu công nghệ này có thể mở rộng quy mô, nó có thể giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính đối với một số máy bay nhất định - và có khả năng đặt nền tảng cho việc khử cacbon trên phạm vi rộng hơn của thị trường hàng không toàn cầu.
Theo Hội đồng Quốc tế về Giao thông Sạch (ICCT), một tổ chức tư vấn phi lợi nhuận, việc trang bị thêm pin nhiên liệu và bình hydro lỏng cho máy bay cánh quạt sẽ giúp giảm gần 90% lượng khí thải trong vòng đời so với máy bay ban đầu. Đó là giả định rằng hydro chỉ được tạo ra bằng điện tái tạo - không phải bằng nhiên liệu hóa thạch, cách mà phần lớn hydro được sản xuất ngày nay.
Pin nhiên liệu hoạt động giống như pin. Trên máy bay, hydro chảy vào hệ thống pin nhiên liệu và tạo ra phản ứng điện hóa tạo ra điện; điều này lần lượt điều khiển động cơ điện và quay cánh quạt. Nhưng nếu không có đột phá về công nghệ, pin nhiên liệu không thể tạo ra đủ năng lượng để vận chuyển những chiếc máy bay lớn, đường dài vốn là nguyên nhân gây ra phần lớn lượng khí thải carbon dioxide trong ngành hàng không.
Thay vào đó, công nghệ này có thể sẽ bị giới hạn ở các máy bay chở khách có tua bin cánh quạt, đường bay ngắn có thể chứa khoảng 50 đến 60 hành khách và bay chỉ vài trăm dặm, chẳng hạn như khoảng cách từ Thành phố New York tới Washington, tua bin cánh quạt của DC Today chiếm khoảng 1% tổng số lưu lượng hành khách toàn cầu.
Tuy nhiên, các chuyên gia cho rằng pin nhiên liệu có thể giúp mở đường cho các mẫu hydro lớn hơn và mạnh hơn, bao gồm cả các máy bay phản lực có động cơ đốt cháy hydro lỏng. Airbus và Boeing, hai nhà sản xuất máy bay hàng đầu thế giới, đều đang phát triển công nghệ hydro khi ngành này phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng của công chúng nhằm giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu.
Jayant Mukhopadhaya, kỹ sư hàng không vũ trụ và là nhà nghiên cứu của ICCT có trụ sở tại Berlin, nói với Canary Media: “Sự ra đời của máy bay chạy bằng pin nhiên liệu sẽ là nơi thử nghiệm việc sử dụng hydro nói chung trong ngành hàng không”. “Nó sẽ hoạt động như thế nào tại các sân bay, việc tiếp nhiên liệu sẽ diễn ra như thế nào, hydro được phân phối như thế nào, bạn sẽ gặp những lo ngại gì về an toàn - tất cả những điều nhỏ nhặt đó.”
Tại sao hydro lại được ưa chuộng
Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế , trên khắp thế giới, du lịch hàng không thương mại chiếm hơn 2% lượng khí thải CO2 liên quan đến năng lượng . Con số đó sẽ tăng cao trong những năm tới khi ngày càng có nhiều máy bay chạy bằng dầu và nhiều hành khách bay lên bầu trời.
Trong thời gian tới, các hãng hàng không và nhà sản xuất máy bay đang nỗ lực hạn chế khí thải bằng cách thiết kế động cơ tiết kiệm nhiên liệu hơn, điện khí hóa các hoạt động trên mặt đất và tăng cường sử dụng “nhiên liệu hàng không bền vững” được làm từ dầu ăn đã qua sử dụng, dư lượng lâm nghiệp, carbon dioxide và các nguyên liệu thô khác. . Năm ngoái, nhiên liệu thay thế chỉ chiếm chưa đến 0,1% tổng lượng nhiên liệu máy bay được các hãng hàng không lớn của Mỹ sử dụng.
Mặc dù nhiên liệu từ thực vật và chất thải có thể sản xuất sạch hơn nhiên liệu từ dầu mỏ nhưng chúng vẫn thải ra carbon dioxide khi đốt trong động cơ. Hydro thì không - đó là lý do tại sao các hãng hàng không và nhà sản xuất đang cùng nỗ lực phát triển máy bay chạy bằng H2 . Đặc biệt, pin nhiên liệu không tạo ra oxit nitơ có hại hoặc các hạt bụi mịn vì chúng không đốt cháy nhiên liệu.
Theo phân tích của ICCT, một chiếc máy bay dùng pin nhiên liệu được trang bị thêm sẽ thải ra lượng CO 2 ít hơn khoảng 1/3 trong suốt vòng đời của nó so với một chiếc máy bay đốt “dầu hỏa điện tử”, một loại nhiên liệu hàng không bền vững được tạo ra từ điện, nước và carbon dioxide.
Hydro, đặc biệt là loại “xanh”, chi phí sản xuất và mua cao hơn đáng kể so với dầu hỏa thông thường. Tuy nhiên, do hệ thống pin nhiên liệu tiết kiệm năng lượng hơn nhiều so với động cơ nên máy bay không cần sử dụng nhiều nhiên liệu để bay. ICCT cho biết trong một sách trắng xuất bản hôm thứ Tư rằng nếu việc sản xuất hydro xanh tăng lên và máy bay chạy bằng pin nhiên liệu bắt đầu phát triển thì việc tiếp nhiên liệu bằng H2 có thể rẻ hơn nhiên liệu máy bay phản lực hóa thạch ở Hoa Kỳ vào năm 2050.
Mukhopadhaya nói: “Phần đáng ngạc nhiên nhất là hiệu quả [năng lượng] ảnh hưởng đến giá nhiên liệu”. “Đó là điều chúng tôi không mong đợi.”
Hàng không hydro thực hiện chuyến bay đầu tiên
ZeroAvia và Universal Hydrogen, đều có trụ sở chính tại California, đã dành nửa đầu năm 2023 để thử nghiệm và trình diễn một số máy bay chạy bằng pin nhiên liệu hydro đầu tiên trên thế giới.
Vào tháng 1, ZeroAvia lần đầu tiên ra mắt chiếc máy bay nguyên mẫu 19 chỗ ngồi tại Sân bay Cotswold, một sân bay tư nhân gần làng Kemble ở Anh, được bao quanh bởi các trang trại và chăn thả cừu. Chiếc Dornier 228 màu xanh trắng hiện đã bay 10 lần, đạt được các cột mốc quan trọng và cho phép công ty bắt đầu giai đoạn thử nghiệm chuyến bay tiếp theo.
ZeroAvia, đã huy động được hơn 140 triệu USD từ các nhà đầu tư bao gồm United Airlines và American Airlines, đã trang bị thêm một bên của động cơ phản lực cánh quạt đôi bằng pin nhiên liệu và pin, có thể đạt công suất tối đa 600 kilowatt. Phía bên kia vẫn giữ động cơ phản lực đốt dầu. Trong suốt sáu tháng, máy bay đã đạt tốc độ tối đa 150 hải lý/giờ, bay lên độ cao 5.000 feet và thực hiện bài kiểm tra độ bền trong 23 phút.
Gabriele Teofili, người đứng đầu bộ phận tích hợp và thử nghiệm máy bay của ZeroAvia, cho biết trong một cuộc gọi gần đây từ nhà chứa máy bay của sân bay, nghiêng máy tính xách tay của mình để hiển thị nguyên mẫu đậu phía sau ông: “Không có trục trặc nào về pin nhiên liệu trong chiến dịch bay thử nghiệm”.
Teofili cho biết công ty đã chứng minh thành công với Cơ quan Hàng không Dân dụng Vương quốc Anh rằng hệ thống điện-hydro hoạt động như mong đợi – và máy bay có đủ phạm vi để bay đến một sân bay khác gần đó. ZeroAvia hiện đang chuẩn bị bắt đầu các chuyến bay xuyên quốc gia đầu tiên ở Anh trước cuối năm nay. Họ cũng đang nỗ lực trang bị thêm động cơ phản lực cánh quạt khu vực thứ hai ở bang Washington, với sự hợp tác của Alaska Airlines.
Teofili nói về máy bay hydro: “Ý tưởng là để chứng minh rằng nó không chỉ khả thi mà còn an toàn, đáng tin cậy và mang lại lợi nhuận”. Ông lưu ý rằng ZeroAvia có kế hoạch loại bỏ pin và động cơ mà hãng đang sử dụng trong quá trình thử nghiệm để cung cấp chiếc máy bay cuối cùng chỉ chạy bằng pin nhiên liệu 1,8 megawatt. Công ty tuyên bố họ đang đi đúng hướng cho hoạt động thương mại vào năm 2025, bắt đầu với máy bay 9 đến 19 chỗ với tầm bay 300 dặm.
Trong khi đó, Universal Hydrogen cho biết họ đang đạt được tiến bộ trong việc phát triển động cơ phản lực cánh quạt được trang bị thêm thậm chí còn lớn hơn. Công ty đã huy động được ít nhất 82,5 triệu USD từ các nhà đầu tư như GE Aviation, American Airlines và các quỹ đầu tư mạo hiểm của Airbus, JetBlue và Toyota.
Vào tháng 3, công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Los Angeles đã thực hiện chuyến bay thử nghiệm đầu tiên từ một sân bay nhỏ gần Hồ Moses, Washington. Nguyên mẫu Dash 8 chở được 40 hành khách của nó có một động cơ nguyên bản, cùng với pin nhiên liệu 1,2 megawatt và động cơ điện 800 kilowatt, không có pin.
Mark Cousin, CTO của Universal Hydrogen, cho biết máy bay đã bay tổng cộng 9 lần, bao gồm một loạt chuyến đi từ Washington xuống Mojave, California, nơi máy bay hiện đang ở. Nguyên mẫu đã leo lên độ cao tới 10.000 feet, đạt tốc độ 170 hải lý/giờ và hoạt động trong hơn một giờ bay. Công ty đang tiếp tục thử nghiệm các bộ phận chính của hệ truyền động hydro, bao gồm hệ thống làm mát giúp pin nhiên liệu không bị quá nóng – một thách thức có thể hạn chế hiệu suất và phạm vi hoạt động của công nghệ.
Cousin cho biết Universal Hydrogen cũng đang chuẩn bị thử nghiệm mặt đất hệ thống truyền động 2 MW trên động cơ phản lực cánh quạt ATR 72, hệ thống này có thể bắt đầu thử nghiệm chuyến bay vào năm 2025. Công ty đặt mục tiêu đưa máy bay chạy bằng nhiên liệu hydro vào phục vụ hành khách vào cuối năm đó hoặc đầu năm 2026.
Cả ZeroAvia và Universal Hydrogen đều đang sử dụng hydro ở dạng khí để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu trong quá trình bay thử nghiệm, mặc dù cuối cùng các công ty có kế hoạch sử dụng hydro lỏng. Nhiên liệu ngày nay ít được phổ biến rộng rãi hơn, nhưng nó chứa nhiều năng lượng hơn về thể tích so với khí H2 và có thể được lưu trữ trong ít bình chứa hơn, nhẹ hơn trên máy bay.
Cùng với bộ dụng cụ chuyển đổi trang bị thêm, Universal Hydrogen cũng đang phát triển các viên nang lưu trữ hydro lỏng. Ý tưởng là thu thập hydro từ các nhà máy điện phân, sử dụng nước và điện tái tạo để sản xuất hydro “xanh” - và ngày nay vẫn còn rất ít. Sau đó, xe tải hoặc xe lửa sẽ vận chuyển các viên nang đến sân bay.
Cousin cho biết mục tiêu cuối cùng của công ty là thuyết phục các hãng hàng không và các nhà sản xuất máy bay lớn rằng có thể phát triển cơ sở hạ tầng cần thiết để cung cấp năng lượng cho các máy bay đốt hydro lớn hơn. Ví dụ, Airbus đang chế tạo một động cơ trình diễn để thử nghiệm lực đẩy hydro trên một trong những máy bay phản lực siêu lớn A380 của hãng.
Ông nói: “Mục tiêu thực sự là chứng minh không chỉ rằng chúng tôi có thể bay [turboprop] bằng hydro mà còn chứng minh rằng động cơ đẩy hydro… là một giải pháp khả thi cho các hoạt động tầm ngắn đến tầm trung”.
