Hydro có thể trở thành nhiên liệu của tương lai Câu hỏi đặt ra là dành cho pin nhiên liệu hay động cơ đốt hydro? Và sự khác biệt thực sự là gì? Chúng tôi làm rõ những câu hỏi quan trọng nhất.
Ảnh: Toyota, Schönfeld
Xe hydro vẫn chưa có chỗ đứng trên thị trường. Công nghệ quá đắt và cơ sở hạ tầng quá thô sơ. Ngoài ra, số lượng trạm xăng H2 của Đức đã trì trệ trong nhiều năm chỉ ở mức khoảng 100. Xét cho cùng, Toyota Mirai tương đối nổi tiếng là hãng tiên phong về công nghệ. Người Nhật biến khí hydro nén ở áp suất 700 bar thành điện năng trong pin nhiên liệu để chạy động cơ điện. Tuy nhiên, hydro cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu theo những cách hoàn toàn khác.
Hydro có thể đốt cháy như xăng được không?
Đúng. Xét cho cùng, H2 là một loại khí đơn giản - và giống như propan, khí tự nhiên hoặc metan, nó có thể dễ dàng đốt cháy cùng với oxy. Để chuyển năng lượng đốt thành chuyển động, động cơ piston chuyển động tịnh tiến đã được chứng minh là hiệu quả, mạnh mẽ và không tốn kém trong lịch sử di chuyển. Về mặt kỹ thuật, nó có thể xử lý bất kỳ loại nhiên liệu nào với những điều chỉnh thích hợp. Và tất nhiên đã có nhiều thí nghiệm lặp đi lặp lại với hydro trong suốt lịch sử.
Ví dụ nổi tiếng nhất là cuộc thử nghiệm thực tế của BMW với đội xe 7 Series gồm 100 chiếc có thể quản lý được (cũng có những dự án đầy tham vọng của Mazda, Toyota và Ford). Thí nghiệm của BMW đã bị ngừng vào năm 2009 cũng vì cân bằng năng lượng quá kém. Có hai lý do chính cho việc này. Một mặt, động cơ 12 xi-lanh (750i) được thiết kế như một bộ truyền động hai xi-lanh. Vì vậy, nó chạy bằng cả xăng và hydro - vì vậy nó không được thiết kế nhất quán để chạy bằng hydro. Mặt khác, BMW đã quyết định sử dụng hydro lỏng vào thời điểm đó. Nó phải được tạo ra với rất nhiều nỗ lực và sau đó hóa lỏng với nhiều năng lượng hơn nữa ở -252°C. Khí hydro, được nén ở áp suất 350 hoặc 700 bar, đã trở thành tiêu chuẩn ngày nay.
Ưu điểm của đầu đốt hydro là gì?
Lợi thế lớn nằm ở kinh nghiệm mà ngành công nghiệp ô tô có được đối với động cơ pittông. Chuỗi cung ứng, sản xuất và cung ứng nguyên liệu được coi là đã được thiết lập tốt và không có tính phê phán. Không cần những nguyên liệu thô quý hiếm như pin, máy điện hay pin nhiên liệu (bạch kim). Về mặt kỹ thuật, các đội xe ô tô hoặc máy móc hiện tại thậm chí có thể được chuyển đổi sang chạy bằng hydro. Bởi vì động cơ piston chuyển động tịnh tiến hoạt động mạnh mẽ và quá trình đốt cháy tương đối đơn giản nên không có yêu cầu lớn nào về độ tinh khiết của hydro. Điều này hoàn toàn khác với pin nhiên liệu (xem bên dưới).
Lập luận mạnh mẽ cho lò đốt hydro là lượng khí thải sạch của nó. Trong khi các loại nhiên liệu thông thường như dầu diesel, xăng hoặc khí tự nhiên đều dựa trên hydrocarbon - tức là sự kết hợp hóa học giữa carbon và hydro - thì phản ứng của chúng với oxy (đốt cháy) luôn tạo ra khí nhà kính carbon dioxide. Mặt khác, hydro nguyên chất đốt cháy sạch hơn nhiều và không có khí thải có hại cho khí hậu. Chỉ có nhiệt và nước được tạo ra.
Nhược điểm của đầu đốt hydro là gì?
Giống như bất kỳ quá trình đốt cháy nào khác, hiệu suất của đầu đốt hydro cực kỳ kém. Chỉ có khoảng 40 đến 45 phần trăm năng lượng được lưu trữ trong H2 có thể được chuyển đổi thành chuyển động trong động cơ piston chuyển động tịnh tiến. Điều này có nghĩa là động cơ đốt trong H2 gần ngang bằng với động cơ diesel. Tuy nhiên, nếu bạn chuyển đổi hydro thành điện năng cho ô tô điện bằng pin nhiên liệu thì hiệu suất đã là 50 đến 60%.
Chỉ có ô tô chạy bằng pin mới có thể đạt được hiệu suất từ 75 đến 85%. Nếu một chiếc ô tô sử dụng động cơ đốt hydro có thể đi được quãng đường 40 km với một đơn vị năng lượng thì lượng năng lượng tương tự ở một chiếc ô tô điện sẽ cung cấp quãng đường đi được hơn 80 km. Gửi năng lượng gió hoặc mặt trời dư thừa trực tiếp vào pin ô tô điện sẽ là cách hiệu quả nhất.
Đầu đốt hydro vẫn đang được phát triển?
Đúng – ngày càng có nhiều dự án đầy tham vọng theo hướng này. Quá trình chuyển đổi năng lượng đang buộc các công ty vận tải, nhà sản xuất ô tô và nhà sản xuất động cơ phải suy nghĩ lại. Và đây là lúc hydro trở lại được chú ý như là nguyên tố xuất hiện thường xuyên nhất. Ưu điểm lớn: Không tạo ra CO2 khi đốt cháy hydro. Vì vậy nó cháy mà không ảnh hưởng đến hiệu ứng nhà kính hay khí hậu.
Không có gì ngạc nhiên khi các nhà sản xuất động cơ lớn nhất thế giới hiện đang phát triển các khái niệm của riêng họ. Điều này chủ yếu liên quan đến khả năng di chuyển và khu vực làm việc mà ổ đĩa điện-pin không phải là giải pháp thay thế. Nói cách khác: máy móc nông nghiệp và xây dựng, một số lĩnh vực hậu cần cũng như các ứng dụng quân sự hoặc hàng hải. Nhân tiện, các nhà sản xuất xe máy Nhật Bản Kawasaki, Honda, Yamaha và Suzuki cũng đã chung tay giải quyết vấn đề này.
Hydro có dễ sản xuất không?
Về mặt kỹ thuật: có. Tuy nhiên, cần phải có một lượng lớn hydro để có thể sử dụng hàm lượng năng lượng. Vì hydro là nguyên tố nhẹ nhất trong vũ trụ. Vì vậy nó phải được nén rất nhiều. Tuy nhiên, xét về khối lượng thì nó cũng có thể tích trữ nhiều năng lượng nhất. H2 có thể được sản xuất theo nhiều cách khác nhau. Quá trình điện phân có thể sẽ trở nên thiết yếu trong tương lai. Nói một cách đơn giản, quá trình điện phân tạo ra hydro và oxy chỉ từ hai thành phần: điện và nước.
Đôi khi chúng ta đã sản xuất quá nhiều điện. Để có thể lưu trữ năng lượng dư thừa từ năng lượng gió và mặt trời, hydro sẽ là nguồn năng lượng lý tưởng. Ví dụ, 33,33 kilowatt giờ điện có thể được lưu trữ trong một kg H2. Một kg này đủ để trang trải mức tiêu thụ điện trung bình của một gia đình trong khoảng năm ngày. Một chiếc ô tô chạy pin nhiên liệu như Toyota Mirai có thể di chuyển khoảng 100 km với cùng lượng điện năng.
Pin nhiên liệu hydro là gì?
Trong pin nhiên liệu, điện được tạo ra từ hydro thông qua phản ứng hóa học. Nước được tạo ra như một sản phẩm phụ. Bởi vì về cơ bản nó là một quá trình điện phân ngược – điện và nước được tạo ra từ không khí và hydro. Do đó, pin nhiên liệu thực chất là máy phát điện. Ở một số quốc gia, chẳng hạn như Đan Mạch, đã có những hệ thống khổng lồ có thể cung cấp điện cho toàn bộ quận từ hydro xanh.
Hydro xanh được tạo ra từ năng lượng tái tạo - tốt nhất là từ năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió dư thừa. Hydro có thể lưu trữ rất nhiều năng lượng trong thời gian dài. Về mặt lý thuyết, nó có thể được sử dụng để khắc phục cái gọi là thời kỳ tạm lắng đen tối (không nắng, không gió) hoặc tắc nghẽn nguồn cung theo mùa.
Ưu điểm của pin nhiên liệu là gì?
So với đầu đốt hydro, pin nhiên liệu hoạt động với mức hiệu suất cao hơn nhiều - vì vậy chúng có thể tận dụng tốt hơn năng lượng dự trữ trong H2. Tùy thuộc vào công nghệ, hiệu suất của pin nhiên liệu là khoảng 60%, của động cơ đốt hydro là khoảng 40%. Với cùng một lượng hydro trên xe, ô tô chạy pin nhiên liệu có thể di chuyển xa hơn 20% so với động cơ đốt trong.
Bởi vì điện phân ngược là một quá trình rất sạch mà thực tế chỉ tạo ra nhiệt, điện và nước, ô tô sử dụng pin nhiên liệu được coi là phương tiện không phát thải. Hầu hết các FCEV (Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu) chỉ có một bình thu nước nhỏ có thể đổ hết nước chỉ bằng một nút nhấn. Bởi vì xe chạy bằng pin nhiên liệu về mặt kỹ thuật là ô tô điện nên chúng có thể tăng hiệu suất lái hơn nữa (bao gồm cả khả năng phục hồi). Mặt khác, động cơ đốt trong, như động cơ xăng hoặc diesel, lại dựa vào hộp số.
Nhược điểm của pin nhiên liệu là gì?
Pin nhiên liệu bao gồm nhiều điện cực được ngăn cách với nhau bằng màng và chất điện phân (dây dẫn ion). Cấu trúc được phân lớp tinh xảo và đòi hỏi bí quyết và kinh nghiệm sản xuất đặc biệt. Trong thế giới ô tô toàn cầu, Toyota, Honda và Hyundai nói riêng đã tiếp thu được kiến thức này. Và trái ngược với các động cơ đốt được thiết kế tương đối đơn giản, pin nhiên liệu đòi hỏi nguyên liệu thô xúc tác đặc biệt, hiếm và đắt tiền. Chúng bao gồm, ví dụ, hỗn hợp bạch kim, ruthenium hoặc palladium hoặc platin-ruthenium. Các vật liệu khác bao gồm niken, oxit niken, cacbua vonfram, molypden sulfua, vonfram sulfua hoặc phthalocyanine.
Pin nhiên liệu cũng phản ứng nhạy cảm với các tạp chất trong hydro. Họ đặc biệt không thích bụi hoặc rung động. So với động cơ đốt nhỏ gọn, pin nhiên liệu có mật độ năng lượng thấp hơn. Do đó, hiệu suất bị hạn chế trong không gian lắp đặt của xe.
Pin nhiên liệu và đầu đốt hydro – cái nào tốt hơn?
Như mọi khi, nó phụ thuộc vào ứng dụng. Nhờ hiệu quả tốt hơn nhiều, pin nhiên liệu vượt trội hơn trong nhiều lĩnh vực. Với cùng một phạm vi hoạt động, FCEV phải mang theo ít hydro hơn nhiều so với động cơ đốt trong. Ngoài ra, hiện đã có hai dòng xe được bán trong lĩnh vực xe du lịch: Toyota Mirai và Hyundai Nexo. Mặt khác, động cơ đốt trong còn lâu mới xuất hiện.
Tuy nhiên, sẽ có đủ trường hợp sử dụng động cơ đốt hydro trong tương lai. Trong các phương tiện xây dựng, trong nông nghiệp và trong lĩnh vực hàng hải hoặc quân sự, pin nhiên liệu rất dễ bị nhiễm bẩn và rung động. Công suất đầu ra của các thiết bị di động cũng có thể quá thấp ở chỗ này chỗ kia. Cả hai hệ thống đều có điểm chung là thời gian tiếp nhiên liệu ngắn, tính linh hoạt của nhiên liệu năng lượng cao và cân bằng khí thải sạch.
