Nhà sản xuất đầu máy xe lửa cho biết đường sắt có thể chuyển đổi động cơ diesel thành đốt trực tiếp hydro, sau đó áp dụng công nghệ pin nhiên liệu không phát thải
Wabtec cho biết đây là hình ảnh khái niệm về đầu máy chạy bằng hydro và nhiên liệu. Wabtec
Khi ngành đường sắt tìm cách giảm thiểu và cuối cùng là loại bỏ lượng khí thải nhà kính, Wabtec coi hydro là nhiên liệu đầu máy của tương lai, cho dù nó được đốt trong động cơ đốt trong hay được sử dụng để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu.
“Chúng tôi nghĩ rằng đây sẽ là một công nghệ có tác động lớn. Chúng tôi không coi đây là chuyện ngoài lề. Philip Moslener, phó chủ tịch tập đoàn phụ trách công nghệ tiên tiến của Wabtec cho biết, đây sẽ là thứ thay thế động cơ diesel trong tương lai.
Hydro không tạo ra khí thải nhà kính khi đốt làm nhiên liệu. Moslener nói: “Ngày nay, phương pháp này không hiệu quả về mặt kinh tế và lưu ý rằng hydro hiện có giá cao hơn đáng kể so với nhiên liệu diesel.
Tuy nhiên, sản lượng hydro dự kiến sẽ tăng, điều này sẽ giúp giảm chi phí so với nhiên liệu diesel đối thủ sớm nhất là vào năm 2030. Tại Hoa Kỳ, Luật Cơ sở hạ tầng lưỡng đảng bao gồm 7 tỷ USD tài trợ để phát triển 6 đến 10 trung tâm sản xuất và lưu trữ hydro, trong khi vẫn còn có những nỗ lực tương tự đang được tiến hành ở Canada. Trong khi đó, các công ty năng lượng đang đầu tư vào các cơ sở sản xuất hydro.
Vì vậy, Wabtec đặt mục tiêu kết hợp các nỗ lực nghiên cứu và phát triển đầu máy hydro của mình với tốc độ sản xuất hydro theo kế hoạch ở Bắc Mỹ. Wabtec hy vọng sẽ đưa nguyên mẫu hydro đầu tiên vào năm 2027.
Pin nhiên liệu và pin
Moslener cho biết pin nhiên liệu chạy bằng hydro, kết hợp với pin để lưu trữ điện, sẽ là giải pháp không phát thải để thay thế đầu máy xe lửa diesel-điện.
Nhưng pin nhiên liệu vẫn chưa có mật độ năng lượng cần thiết cho đầu máy xe lửa chạy đường dài. Moslener cho biết, một đầu máy xe lửa đường bộ sẽ cần 3.300 kilowatt điện - gấp 10 lần công suất từ pin nhiên liệu có thể lắp trên đầu máy xe lửa ngày nay.
Tuy nhiên, sự phát triển của pin nhiên liệu mạnh hơn bao giờ hết dự kiến sẽ tiếp tục, giống như cách pin có được nhiều dung lượng lưu trữ hơn và mở rộng phạm vi hoạt động của xe điện trong những năm gần đây.
“Chúng ta sẽ đến đó,” Moslener nói.
Ông nói, nếu đầu máy chạy pin nhiên liệu cuối cùng cần nhiều dung lượng pin hơn, thì ngành đường sắt luôn có thể bổ sung một trong những đầu máy điện chạy pin FLXdrive của Wabtec vào đoàn tàu.
Do yêu cầu mã lực thấp hơn, đầu máy chuyển đổi pin nhiên liệu có thể hoạt động sớm hơn đầu máy đường bộ.
Đầu máy và bộ chuyển mạch đường bộ sẽ yêu cầu các hệ thống quản lý năng lượng khác nhau do nhu cầu khác nhau của từng loại dịch vụ. Moslener cho biết, pin nhiên liệu thích tạo ra một lượng điện năng ổn định, vì vậy bộ chuyển đổi sẽ cần lấy điện từ pin thay vì chạm vào pin nhiên liệu. Ngược lại, đầu máy xe lửa đường bộ thường hoạt động với nhu cầu năng lượng tương đối ổn định và có thể khai thác sự kết hợp giữa pin nhiên liệu và pin để cung cấp năng lượng cho động cơ kéo của chúng.
Trang bị thêm đầu máy xe lửa để đốt cháy hydro
Con đường còn lại là đốt hydro trong động cơ đốt trong. Moslener nói: “Chúng tôi cũng coi đó là một giải pháp khả thi, đặc biệt là giải pháp sử dụng công nghệ chuyển đổi”. “Điều thú vị về động cơ đốt trong là động cơ. Chúng tôi biết động cơ. Khách hàng cảm thấy thoải mái với động cơ. Họ biết cách bảo quản chúng. Họ biết cách vận hành chúng.”
Một điểm cộng nữa: Đầu máy xe lửa dòng Evolution của Wabtec có thể chạy bằng hydro mà không cần sửa đổi nhiều. Moslener nói: “Điều thú vị về dòng động cơ EVO của chúng tôi là chúng có khả năng, về mặt di truyền, có thể được sửa đổi thành hydro”.
Rào cản kỹ thuật lớn nhất là làm thế nào để đưa nhiên liệu hydro vào buồng đốt. Giống như khí tự nhiên hóa lỏng, hydro cần tia lửa để đốt cháy. Đầu máy xe lửa chạy bằng LNG của Wabtec đang được sử dụng trên Đường sắt Bờ Đông Florida dựa vào việc phun nhiên liệu diesel vào cảng để chạy thử. Moslener cho biết công nghệ đó cần phải được điều chỉnh để phù hợp với việc sử dụng hydro.
Hydro làm cho kim loại trở nên giòn theo thời gian, có thể dẫn đến hư hỏng cơ học. Để giải quyết vấn đề này, Wabtec đang hợp tác với các phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Trong một dự án được Bộ Năng lượng tài trợ, Argonne đang thực hiện công việc mô phỏng trên máy tính, trong khi Oak Ridge đang thử nghiệm động cơ một xi-lanh, chạy bằng nhiên liệu hydro sử dụng cổng phun.
Sau khi xác định được các đặc tính đốt cháy và hỗn hợp nhiên liệu lý tưởng khi sử dụng động cơ một xi-lanh, các thử nghiệm sẽ chuyển sang động cơ nhiều xi-lanh. Giai đoạn nghiên cứu và phát triển tiếp theo sẽ là chế tạo nguyên mẫu đầu máy xe lửa chạy bằng hydro.
Với việc phun vào cổng, đầu máy có thể đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu hydro và diesel theo tỷ lệ 50/50. Cần nhiều R&D hơn để đẩy hỗn hợp nhiên liệu lên 70% hydro bằng hệ thống phun trực tiếp áp suất thấp.
“Rõ ràng là chúng tôi muốn hướng tới 100% hydro,” Moslener nói. Điều đó sẽ đòi hỏi một bước nhảy vọt trong công nghệ phun trực tiếp áp suất cao, có thể tạo ra hỗn hợp nhiên liệu hydro và diesel theo tỷ lệ 90/10.
Cần một ít dầu diesel để đốt cháy hydro, vì vậy động cơ đốt trong sẽ luôn tạo ra ít nhất một lượng carbon dioxide. Moslener nói: “Nếu chúng ta muốn đạt mức phát thải bằng 0, chúng ta phải chuyển sang sử dụng pin nhiên liệu.
Moslener cho biết, một hạn chế khi đốt hydro trong động cơ đốt trong truyền thống là lượng khí thải nitơ oxit không giảm vì chúng được tạo ra trong quá trình đốt cháy. Tuy nhiên, lượng khí thải dạng hạt sẽ giảm tương ứng với việc giảm lượng dầu diesel trong hỗn hợp nhiên liệu.
Moslener cho biết, việc sửa đổi đầu máy xe lửa sẽ cho phép các tuyến đường sắt bắt đầu giảm lượng khí thải carbon ngay lập tức bằng cách kết hợp hydro và dầu diesel.
Đầu máy xe lửa chạy bằng hydro sẽ phải được kết hợp với các nguồn cung cấp nhiên liệu để có phạm vi hoạt động tương đương với động cơ diesel-điện ngày nay. Giống như đầu máy xe lửa LNG của FEC, đầu máy xe lửa hydro sẽ có hai đầu máy kẹp một đầu máy xe lửa. Wabtec gọi những đầu máy xe lửa này bao gồm “bộ ba”.
Những thách thức chuyển tiếp
Ngay cả khi quy mô sản xuất hydro tăng lên, nó sẽ không có sẵn ngay lập tức trên toàn bộ 140.000 dặm mạng lưới đường sắt. Và điều đó ban đầu sẽ tạo ra các vấn đề về khả năng tương tác trong ngành đường sắt cũng như với dịch vụ trao đổi.
Việc sử dụng động cơ đốt trong có thể chạy bằng hydro hoặc diesel là một cách để giải quyết vấn đề về khả năng tương tác. ES44AC hoặc ET44AC có hệ thống phun cổng hydro có thể chạy bằng 100% nhiên liệu diesel. Mặc dù kém hiệu quả hơn, Moslener cho biết tính linh hoạt của nhiên liệu này sẽ giúp dễ dàng chuyển đổi từ diesel sang hydro.
Giải pháp chuyển tiếp khác là tạo hành lang hydro giữa các nhà ga có hệ thống lưu trữ và cung cấp nhiên liệu hydro. Moslener nói: “Khách hàng ghét phải nghĩ đến những hành lang dành riêng — nhưng tôi nghĩ chúng tôi sẽ phải làm vậy”.
Một sự thay đổi tư duy khác: Suy nghĩ về sự tương tác giữa các bộ ba, trọng tải kéo và địa hình thay vì chỉ sức mạnh của đầu máy.
Moslener giải thích: “Chúng ta phải bắt đầu thay đổi tâm lý đó và nói về tàu hỏa,” Moslener giải thích, đồng thời lưu ý rằng bộ ba hydro và đầu máy điện chạy bằng pin, kết hợp với năng lượng mà đầu máy có thể thu được từ tàu trong quá trình phanh động dọc theo các tuyến đường cụ thể, tất cả sẽ phải được đưa vào phương trình.
Moslener cho biết, một lợi thế của việc đốt hydro trực tiếp trong động cơ đốt trong làm cầu nối cho pin nhiên liệu là nó sẽ mang lại trải nghiệm cho ngành đường sắt về cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu, an toàn, đào tạo và sản xuất, lưu trữ và phân phối hydro.
Những mảnh ghép
Việc chuyển đổi sang năng lượng hydro sẽ phức tạp. Nó giống như việc cố gắng ghép một câu đố mà không biết đầy đủ các mảnh trông như thế nào vì có nhiều vấn đề cần được giải quyết trong quá trình thực hiện.
Đầu tiên, có năm dạng nhiên liệu hydro tiềm năng. Chúng bao gồm nén khí ở một trong ba áp suất khác nhau; nén lạnh; và hydro lỏng. Mỗi dạng yêu cầu một loại bể chứa khác nhau.
Wabtec tin rằng hydro lỏng là sự lựa chọn hợp lý nhất cho đường sắt vì nó có mật độ năng lượng gấp đôi so với hydro nén, Moslener nói.
Thời gian tiếp nhiên liệu cũng mang lại lợi thế cho hydro lỏng. Moslener cho biết ngày nay sẽ mất 5 hoặc 6 giờ để đổ đầy một bình hydro lỏng, so với 30 giờ đối với hydro nén. Ông nói, NASA có tốc độ dòng chảy nhanh hơn đáng kể, đồng thời các nghiên cứu và phát triển tiếp theo có thể giúp tạo ra nhiên liệu hydro lỏng nhanh như tiếp nhiên liệu cho động cơ diesel.
Moslener cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng ngành này cần chuyển sang thanh khoản trong thời gian dài, vì vậy đó là lúc chúng tôi đặt nỗ lực R&D của mình”.
Nhưng Wabtec không thể hành động một mình và sẽ cần có sự đầu tư từ đường sắt và chính phủ.
“Có rất nhiều thứ chúng ta cần phải tìm hiểu. Wabtec không thể tự mình làm được điều đó,” Moslener nói. “Nếu ngành công nghiệp tin rằng hydro là nhiên liệu của tương lai, thì chúng ta cần đầu tư vào lĩnh vực này để tìm ra vô số vấn đề trước khi nó có thể trở thành nhiên liệu an toàn, có thể sử dụng được.”
ProgressRail, Chevron và BNSF Railway đã công bố vào tháng 12 năm 2021 rằng họ là đối tác trong một dự án đầu máy xe lửa hydro. ProgressRail sẽ chế tạo đầu máy chạy bằng pin nhiên liệu công suất cao, Chevron sẽ phát triển cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu và BNSF sẽ vận hành đầu máy này như một phần của chương trình thử nghiệm.
BNSF cho biết cơ sở hạ tầng hỗ trợ sẽ được lắp đặt vào năm tới và dự kiến giao thiết bị vào năm 2025. Chevron đã không trả lời các email tìm kiếm thêm thông tin chi tiết.
“Dự án trình diễn đầu máy chạy bằng pin nhiên liệu hydro của chúng tôi đang tiến triển khi chúng tôi tiếp tục hợp tác với Chevron và BNSF để cải tiến công nghệ hydro trong ngành đường sắt. Chúng tôi coi đây là một cơ hội thú vị để giảm lượng carbon từ hoạt động đầu máy xe lửa chính. Sự hợp tác cho phép chúng tôi nhanh chóng nâng cao hiểu biết của mình về loại nhiên liệu này vì lợi ích của khách hàng,” phát ngôn viên của Progress Rail, Amy Everett cho biết.
Wabtec đang theo sát dự án đầu máy xe lửa chạy bằng pin nhiên liệu hydro của Thành phố Kansas thuộc Canada Thái Bình Dương. Moslener cho biết cộng đồng hydro rất nhỏ, đặc biệt là trong lĩnh vực đường sắt và tất cả những người tham gia đều khuyến khích và hỗ trợ lẫn nhau.
Đường sắt cũng sẽ phải theo dõi sự phát triển và hợp tác với các ngành công nghiệp khác. “Đường sắt là một ngành công nghiệp nhỏ,” Moslener nói. “Chúng tôi sẽ không dẫn đầu về hướng phát triển của hydro. Các ngành công nghiệp khác sẽ thúc đẩy các khoản đầu tư lớn.”
Ngành công nghiệp vận tải đường bộ đã có một số giàn pin nhiên liệu hydro mang lại doanh thu. Ví dụ, JB Hunt, vào tháng 7 đã công bố mua 13 xe tải Loại 8 không phát thải từ Nikola, ba trong số đó chạy bằng pin nhiên liệu hydro. Công ty con hydro của Nikola, HYLA, đang cung cấp cơ sở hạ tầng nhiên liệu và hydro. Xe tải chạy pin nhiên liệu có phạm vi hoạt động 500 dặm.
Hydro cũng sẽ phải vượt qua danh tiếng là nó không an toàn. Những hình ảnh về thảm họa khí cầu Hindenburg năm 1937 vẫn còn in sâu vào tâm trí công chúng. Nhưng hydro được sử dụng an toàn trong các quy trình công nghiệp trên khắp Bắc Mỹ ngày nay, Moslener lưu ý, và được vận chuyển bằng đường cao tốc hàng ngày mà không gặp sự cố.
Tuy nhiên, ngành đường sắt sẽ phải phát triển các tiêu chuẩn xung quanh việc sản xuất, lưu trữ và cung cấp nhiên liệu hydro, cũng như cách phát hiện và xử lý rò rỉ. Moslener lưu ý rằng nếu có rò rỉ, hydro sẽ bay lên và nhanh chóng tiêu tan.
Nhờ khoản tài trợ của liên bang, Wabtec đang hợp tác với Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia để phát triển các tiêu chuẩn và quy định tiềm năng về hydro cho ngành đường sắt.
Cơ quan Quản lý Đường sắt Liên bang đã ban hành Thử thách về mức phát thải khí nhà kính bằng không vào năm 2050 đối với ngành đường sắt. Mặc dù cơ quan này không chính thức ủng hộ bất kỳ công nghệ cụ thể nào để đạt mức phát thải bằng 0, nhưng FRA đang trực tiếp tham gia vào một số nỗ lực sử dụng hydro trong ngành.
FRA là thành viên của Nhóm tư vấn kỹ thuật đấu thầu nhiên liệu thay thế của Hiệp hội đường sắt Hoa Kỳ và tham gia nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia về các yêu cầu thiết kế và an toàn đối với đấu thầu hydro.
Cơ quan này cũng tham gia vào nỗ lực của Hiệp hội Giao thông Công cộng Hoa Kỳ nhằm phát triển sách trắng về hệ thống lưu trữ năng lượng pin và hydro. Bài viết đó có thể dẫn đến một tiêu chuẩn và sự phát triển của các quy định FRA trong thời gian dài.
Cầu vồng hydro
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ nhưng hiếm khi được tìm thấy dưới dạng khí trên Trái đất. Vì vậy, nó được tạo ra từ các hợp chất có chứa hydro. Hầu hết hydro được sản xuất thông qua quá trình cải cách khí metan bằng hơi nước, loại bỏ hydro khỏi khí tự nhiên. Nó cũng được tạo ra thông qua quá trình điện phân, tách các phân tử nước thành hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy.
Hydro xanh được sản xuất thông qua quá trình điện phân sử dụng năng lượng từ các nguồn tái tạo như thủy điện, gió và năng lượng mặt trời. Một nhánh là hydro màu hồng, được sản xuất bằng năng lượng hạt nhân.
Gần như toàn bộ lượng hydro được sản xuất ở Bắc Mỹ ngày nay đều được gọi là hydro xám, xuất phát từ quá trình cải tạo khí metan bằng hơi nước hoặc khí hóa than. Loại hydro này bị coi là “bẩn” vì nó được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch đồng thời sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguồn năng lượng trong quá trình sản xuất.
Một biến thể là hydro xanh, thu giữ và lưu trữ carbon được tạo ra thông qua quá trình cải tạo khí metan bằng hơi nước hoặc khí hóa than.
Tại sao tất cả các vấn đề này? Bởi vì lượng khí thải carbon thực sự của bất kỳ loại nhiên liệu nào cần phải được đo từ giếng đến bánh xe - nói cách khác, toàn bộ chu trình sản xuất từ nguồn, tinh chế và phân phối đến việc sử dụng làm nhiên liệu trong đầu máy xe lửa.
Moslener nói: “Suy nghĩ của chúng tôi là chúng tôi không cần phải đợi hydro xanh xuất hiện. “Chúng ta có thể bắt đầu ngay bây giờ và hưởng lợi từ quá trình phủ xanh tự nhiên của hydro khi thời gian trôi qua.”
Ông nói, sự tiến triển này sẽ giống như những gì đã xảy ra với xe chạy bằng pin trong những năm gần đây. Khi lưới điện trở nên xanh hơn khi việc sản xuất than đốt giảm và năng lượng gió và năng lượng mặt trời tăng lên, thì dấu ấn môi trường tổng thể của ô tô điện chạy pin đã được cải thiện.
Sự thay đổi phương thức
Moslener nói rằng nếu bạn muốn khử cacbon cho đường sắt, hãy giảm và cuối cùng là loại bỏ khí thải từ đầu máy xe lửa. Nếu bạn thực sự muốn khử cacbon trong giao thông vận tải, hãy chuyển tải trọng xe tải sang đường sắt. Ông nói: “Hoạt động khử cacbon thực sự sau nhiên liệu thay thế là sự thay đổi phương thức. “Đó là cách chúng tôi sẽ khử cacbon ở Bắc Mỹ.”
Việc chuyển đổi khỏi động cơ diesel-điện có thể tiêu tốn hàng trăm triệu đô la khi bao gồm cơ sở hạ tầng cần thiết. “Nó sẽ rất đắt,” Moslener nói.
“Chúng ta hiện đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng toàn cầu. Đối với tôi, vấn đề không phải là chi phí,” Moslener nói và lưu ý rằng chúng ta là thế hệ đầu tiên cảm nhận được tác động của biến đổi khí hậu nhưng chúng ta cũng là thế hệ cuối cùng có thể làm điều gì đó có ý nghĩa để giải quyết vấn đề này.
“Chúng tôi có nghĩa vụ đạo đức phải đầu tư vào không gian này ngay bây giờ. Ngày mai sẽ quá muộn. Đúng, nó sẽ tốn kém, nhưng chúng tôi phải quyết tâm và thực hiện ngay bây giờ,” Moslener nói.
