Pin nhiên liệu hydro và quá trình đốt cháy có thể cách mạng hóa đua xe như thế nào – Ricardo
Năng lượng hydro đang dần dần nhưng chắc chắn xuất hiện trên sân khấu đua xe thể thao. Năm nay, chúng ta đã thấy những chiếc xe đua hydro tham gia giải đua Fuji 24 giờ, leo đồi và giải đua xe Rally Dakar. Trong khi năm 2025 sẽ mang đến giải vô địch hydro đầu tiên trên thế giới dưới hình thức Extreme H, và đến năm 2027, các nguyên mẫu hydro dự kiến sẽ đua tại giải đua Le Mans 24 giờ.
Vậy tại sao các đội lại chuyển sang hydro? Công nghệ nào phù hợp nhất với môn thể thao đua xe – pin nhiên liệu hydro hay quá trình đốt cháy hydro? Chúng tôi đã trao đổi với các Chuyên gia Kỹ thuật Toàn cầu của mình để tìm hiểu.
Lợi ích của năng lượng hydro
Là một giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, hydro đáp ứng được nhiều yêu cầu. Đây là nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ, giải phóng năng lượng nhiều hơn khoảng ba lần trên một đơn vị trọng lượng so với xăng [1] và khi được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe cộ, chỉ thải ra nước và nhiệt.
Richard Osborne , Chuyên gia kỹ thuật toàn cầu về Động cơ bền vững tại Ricardo nêu bật:
Hiệu suất của động cơ hydro tương tự như động cơ đốt trong thông thường,
“Pin nhiên liệu hydro đạt hiệu suất cao hơn ở điều kiện vận hành tải thấp. Tuy nhiên, ở tải cao, xét về hiệu suất kéo tổng thể, pin nhiên liệu và động cơ hydro rất giống nhau.”
Osborne tiếp tục :
Tuy nhiên, lợi thế quan trọng nhất của hydro là không có khí thải carbon ở ống xả,
“Ngay cả nhiên liệu lỏng bền vững, có thể trung hòa carbon trên cơ sở vòng đời tổng thể, vẫn tạo ra CO 2 ở ống xả. Đó là lý do tại sao hydro được coi là một giải pháp thay thế quan trọng.”
Quá trình đốt cháy hydro diễn ra như thế nào?
Giống như động cơ đốt trong thông thường, quá trình đốt cháy hydro sử dụng động cơ đánh lửa bằng tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí, dẫn động piston chuyển động qua lại để tạo ra công suất cơ học. Tuy nhiên, nhiên liệu hydro lỏng hoặc khí được sử dụng thay cho nhiên liệu hóa thạch lỏng như xăng hoặc dầu diesel.
Osborne giải thích :
Hydro là nhiên liệu tuyệt vời cho quá trình đốt cháy vì nó có tốc độ ngọn lửa cao và quá trình đốt cháy nhanh, lý tưởng cho các ứng dụng thể thao mô tô,
“Nó cũng có phạm vi dễ cháy rất rộng, nghĩa là bạn có thể chạy nhiều tỷ lệ nhiên liệu không khí. Nó đòi hỏi vật liệu và tỷ lệ nén hơi khác nhau, nhưng ngoài ra hầu hết các hệ thống cơ khí, phun và khí thải đều rất giống với ICE thông thường.”
Pin nhiên liệu hydro hoạt động như thế nào?
Pin nhiên liệu hydro tương tự như pin và bao gồm chất điện phân, cực dương và cực âm. Nhiên liệu hydro lỏng hoặc khí được cung cấp cho cực dương và không khí được cung cấp cho cực âm. Tại cực dương, chất xúc tác tách các phân tử hydro thành proton và electron, đi theo các tuyến đường khác nhau đến cực âm. Các proton đi qua chất điện phân, trong khi các electron chảy qua một mạch điện. Khi đến cực âm, các electron và proton kết hợp với oxy từ nguồn cung cấp không khí, tạo ra nước và nhiệt.
Temoc Rodriguez , Chuyên gia kỹ thuật toàn cầu về Giải pháp điện khí hóa tại Ricardo cho biết:
Xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro vẫn giữ nguyên hệ thống truyền động điện nên vẫn có bộ biến tần cung cấp điện xoay chiều cho động cơ truyền động bánh xe thông qua hộp số,
“Nhưng năng lượng được tạo ra bởi các ngăn xếp bên trong pin nhiên liệu hydro, thay vì pin.”
Tuy nhiên, pin hoặc siêu tụ điện vẫn đóng vai trò quan trọng. Việc tăng tốc và giảm tốc nhanh trong đua xe đòi hỏi năng lượng phải được xả nhanh. Thật không may, pin nhiên liệu không thể phản ứng nhanh như vậy vì chúng bị giới hạn bởi tốc độ phản ứng hóa học trong các ngăn xếp.
Rodriguez tiếp tục :
Pin nhiên liệu không thể phân tách các electron từ các phân tử hydro đủ nhanh cho môn thể thao đua xe,
“Một pin nhiên liệu có thể mất 2 đến 3 giây để tăng từ 0 đến 100% công suất, nhưng một chiếc xe đua cần tăng tốc từ 0 đến tốc độ tối đa trong vòng 2 đến 3 giây. Vì vậy, công suất cực đại đó phải đến từ một hệ thống lưu trữ năng lượng khác như pin hoặc siêu tụ điện.”
Đây là lý do tại sao pin nhiên liệu hydro thường được kết hợp với pin hoặc siêu tụ điện. Loại trước cung cấp mức năng lượng nền ổn định, trong khi loại sau cung cấp năng lượng tức thời cần thiết cho các xung động nhanh trong quá trình tăng tốc và phanh.
Những thách thức trong việc lưu trữ hydro trên xe đua
Hydro là loại khí nhẹ nhất trong vũ trụ, do đó mật độ năng lượng trên một đơn vị trọng lượng của nó cực kỳ cao. Tuy nhiên, tỷ lệ giãn nở cao của nó có nghĩa là mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích của nó cực kỳ kém. Điều này khiến việc lưu trữ hydro trong các bình chứa trên xe trở thành một thách thức lớn.
Osborne nói:
Hydrocacbon lỏng gần như không thể đánh bại về mặt mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích, vì vậy bất kỳ giải pháp thay thế nào như pin hoặc nhiên liệu khí đều khó có thể cạnh tranh.
“Ví dụ, khí hydro nén chiếm thể tích gấp khoảng 12 lần, còn hydro lỏng chiếm thể tích gấp khoảng 6 lần so với xăng nhưng có cùng năng lượng.”
Ngày nay, phần lớn các pin nhiên liệu hydro lưu trữ khí hydro ở áp suất 400 bar, với các loại xe mới hơn đạt tới áp suất 700 bar. Tuy nhiên, khí hydro chiếm thể tích lớn hơn khoảng 2 lần so với thể tích ở trạng thái lỏng [2] , vậy liệu hydro lỏng có phải là câu trả lời không?
Khám phá những xu hướng mới nhất trong công nghệ hydro với Bản cập nhật kỹ thuật MIỄN PHÍ của chúng tôi
Điểm nổi bật của Rodrigue :
Đây là một trong những thách thức lớn nhất với pin nhiên liệu – bạn thực sự có thể lưu trữ bao nhiêu hydro trên tàu,
“Sử dụng hydro lỏng thay vì khí có thể giúp lưu trữ thêm khoảng 100% hydro, nhưng điều đó đi kèm với những thách thức riêng. Hydro lỏng cần được giữ ở nhiệt độ đông lạnh và phải được đun sôi trước khi có thể sử dụng trong pin nhiên liệu. Điều này đòi hỏi nhiều thiết bị hơn trong đường ống, sau đó làm tăng tổng thể tích và khối lượng của xe.”
Rodríguez tiếp tục :
Một cách khác để lưu trữ hydro hiện đang được nghiên cứu là sử dụng hydro rắn,
“Hydro được trộn hóa học với một phân tử hydride và được lưu trữ dưới dạng rắn, đạt được mật độ thể tích tương tự như hydro lỏng nhưng không phức tạp trong việc duy trì nhiệt độ đông lạnh. Một bộ phận gia nhiệt trong các bể chứa làm nóng chất rắn, giải phóng khí hydro sau đó có thể được sử dụng trong các ống khói.”
Liệu hydro có phải là giải pháp tốt cho môn đua xe thể thao không?
Không có giải pháp toàn diện nào trong kỹ thuật, vì vậy, giống như bất kỳ công nghệ mới nổi nào, việc sử dụng hydro trong đua xe thể thao đều có ưu và nhược điểm.
Theo quan điểm về hiệu suất, có sự khác biệt tối thiểu giữa xe đua đốt cháy hydro và xe đua pin nhiên liệu hydro trên đường đua. Mặc dù pin nhiên liệu thường phù hợp với các ứng dụng tải thấp hơn, việc tích hợp pin hoặc siêu tụ điện làm cho toàn bộ gói pin nhiên liệu hydro có tính cạnh tranh ngang bằng với quá trình đốt cháy hydro.
Điểm nổi bật của Rodriguez :
Ngoài ra còn có lợi thế về trọng lượng so với xe đua chạy hoàn toàn bằng điện,
<
