Trong vài bài viết trước đây chúng tôi có tìm
hiểu về các đề tài như năng lượng hóa thạch và kỹ nghệ xe hybrid. Trong bài này
chúng tôi muốn trình bày thêm quan điểm về loại xe điện mới được sạc bằng hydrogen.
Các quốc gia tân tiến ngày nay dự đoán rằng nguồn dự
trữ nhiên liệu hóa thạch sẽ còn tồn tại hơn 1 thế kỷ nữa, đúng hơn là 138 năm theo
hiệp hội các quốc gia sản xuất dầu hỏa OPEC. Trong khi đó bên Hoa Kỳ các hãng sản xuất dầu
hỏa đang khai thác dầu diệp thạch (shale oil) và bên Canada còn dồi dào tài
nguyên dầu cát (sand oil) vì chưa được tận dụng khai thác, phần vì giá thành
còn đắt so với nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Hơn nữa dự án xây đường ống vận
chuyển dầu Keystone XL từ Alberta về các hãng lọc dầu ở
Texas bị gián đoạn và ngừng duyệt bởi thượng viện Hoa Kỳ.
Tóm lại ở thời đại chúng ta đang sống không
lo sợ nhiên liệu hóa thạch bị mai một, ngược lại còn rất dồi dào. Tuy nhiên áp
lực trên thế giới càng ngày càng gia tăng vì vấn đề ô nhiễm môi trường bởi việc
tiêu thụ dầu hỏa cũng như việc khai thác các nguồn nhiên liệu này.
Các đại công ty chế xe hàng đầu trên thế giới
như Toyota, BMW, GM, Nissan đang ráo rức tung ra thị trường các
loại xe với kỹ thuật mới mà chúng ta bắt đầu thấy chạy trên xa lộ như các loại
xe hybrid (xăng và điện hay dầu và điện) và vài kiểu xe điện 100%.
Việc
năng suất kém của xe hơi đều được cảm nhận bởi giới công nghệ cơ khí từ xa xưa.
Cho nên từ 3 niên kỷ trước khi mà giá xăng tăng vọt 3 lần thì lúc đó giới khoa
học mới bắt đầu nghĩ đến việc nghiên cứu và khai thác máy xe có năng suất cao
hơn và quá trình xe hybrid bắt đầu được nhà sản xuất xe hơi quan tâm đến và đầu
tư cải thiện công nghệ.
Đây
chính là công nghệ cầu nối trong tương lai khi công nghệ về xe điện sẽ được
hoàn thiện hơn và giá cả hợp lí hơn (ít nhất xe Hybrid sẽ là dòng xe phổ biến
trong vòng 10 đến 15 năm tới).
Năm
1990 Cơ quan trách nhiệm về ô nhiễm môi trường California Air Resources Board
có nhiệm vụ làm sạch bầu khí quyển California, ô nhiễm gây ra bởi lưu lượng xe
cộ gia tăng đáng kể ở tiểu bang California. Chính sách zero emission gắt rao bắt
đầu được đưa ra áp dụng toàn tiểu bang. Các hãng chế tạo bình điện bỏ ngân quỹ
lớn để nghiên cứu bình điện có khả năng dự trữ năng lượng điện nhiều hơn.
Mãi đến
năm 1995 thì kỹ thuật chế tạo bình điện mới đạt đến điểm có thể trang bị cho xe
hybrid. Hai hãng Toyota và Honda tiên
phong trong việc sản xuất xe hybrid đầu tiên trong những năm 90’s. Trong khi ấy
người tiêu thụ vẫn còn dè dặt trong việc đổi sang xe hybrid vì kỹ thuật quá mới
mẽ và có nhiều tranh cãi trong công chúng về nhiều vấn đề như bình điện sống được
bao lâu, không đủ nhiệt để sưởi mùa đông, bảo trì, giá thành mắt hơn xe xăng,
không đủ công xuất (power) để qua mặt xe khác trên xa lộ, v.v…Đồng thời bên Âu
châu nhiều hãng như Mercedes, Renault cũng lần lượt chế ra xe hybrid, mục đính
chính là làm xe van chuyên chở hàng hạng nhẹ như Sprinter, Renault Kangoo. Bên
bắc Mỹ hai hãng GM và Ford cũng dần dà cho ra đời những xe hybrid như Volt và
Ford Escape, v.v…Cái thử thách lớn nhất vẫn là khả năng lưu trữ điện. Bình điện
chỉ có khả năng cung cấp cho một khoảng đường ngắn như 60 miles/100Km là cùng –
HEV60 (Hybrid Electric Vehicle). Các kỹ sư thiết kế bình điện với khả năng
HEV40 tức là xe hybrid có khả năng đi 40 miles/60 Km bằng điện vì đa số dân
thành thị di chuyển khoảng đường ấy trung bình mỗi ngày. Từ ý niệm ấy các kỹ sư
của các hãng chế xe hybrid thiết kế cơ khí riêng biệt cho mỗi model xe hybrid của
họ. Nhưng tất cả các loại xe hybrid của các hãng này đều không giống nhau về
cách chuyển từ động cơ xăng qua điện và cách sạc điện vào bình…
Với
kinh nghiệm có sẳn về xe hybrid, giới khoa học và các hãng xe hơi xúc tiến nghiên
cứu và tiến xa hơn với kỹ thuật dùng nhiên liệu không làm ô nhiễm môi trường
như xe điện 100% và pin nhiên liệu hydrogen…
Hãng Nissan
đã cho ra các loại xe điện 100% như model Leaf, hãng
GM có Chevrolet Volt, BMW có I3/I8, Tesla serie X, M và Tesla 3, iMiev của
Mitsubishi, Smart for Two, v.v…
Thách
thức lớn nhất hiện nay trong lĩnh vực sản xuất ô tô chạy hoàn toàn bằng điện là
làm sao để duy trì khả năng hoạt động của xe. Cụ thể hơn là khả năng lưu điện của
hệ thống pin và giá thành sản xuất.
Ngoài
lợi thế của xe điện 100% là xử dụng điện với giá rẻ thì loại xe này còn cái lợi
điểm khác là hầu như không cần bảo trì. Tuy nhiên bình ác quy chỉ chạy được hơn
150 km hay 100miles cho mỗi lần sạc điện. Để khuyến khích giới tiêu thụ mua xe
với kỹ thuật mới này các chính phủ lập ra các chương trình trợ cấp cho người
mua và xây dựng các trụ sạc điện nhanh trong các thành phố lớn.
Năm nay Toyota, hãng ô tô lớn nhất thế giới, lần đầu tiên ra mắt thị trường
mẫu xe điện sạc bằng ga hydrogen (FCV) tại Nhật Bản và được đưa vào thị trường tháng 4 năm 2015 với giá khoảng 68,600 USD. Giống như xe điện 100%, chỉ khác là pin nhiên liệu được nạp bằng
hydrogen sẽ tạo ra dòng điện để vận chuyển động cơ điện và vừa sạc vào bình ac
quy để hỗ trợ khi xe đạt vận tốc cao điểm. Xe FCV này có khả năng hoạt động
trong khoảng 500 đến 700 km và người lái chỉ mất gần 3 phút để nạp nhiên liệu
gas hydro. Đặc biệt hơn, Toyota Mirai 2016 FCV không phát ra khí thải độc hại,
thay vào đó là thải ra nhiệt và hơi nước do phản ứng của khí hydro và oxy khi vận
hành.
Không chỉ vậy, Toyota Mirai FCV chạy hydro có thể đi quãng đường dài hơn
hơn xe điện gấp năm lần. Như vậy, thị trường Mỹ và châu Âu có thể sẽ đón nhận mẫu
xe này vào mùa hè sang năm. Tuy nhiên, những thách thức đối với ô tô chạy pin
nhiên liệu vẫn còn khó khăn và tăng trưởng chậm, đặc biệt là đối với khoản chi
phí để xây dựng cơ sở hạ tầng các trạm nhiên liệu hydro. Điều này mang đến tình
huống tiến thoái lưỡng nan về sự chấp nhận FCV trong ngành ô tô. Thực tế,
Toyota cũng đã chứng kiến khi đối thủ 17 năm trước phát triển xe hybrid Prius
trong chỉ hai năm và sau đó bị thiệt hại do chưa có cơ sở thiết lập ban đầu.
Chính vì vậy, Toyota hy vọng sẽ có hàng chục ngàn chiếc xe chạy bằng năng lượng
hydro được bán ra mỗi năm. Chính phủ Nhật Bản và hãng xe Toyota cho rằng họ
đang tiến tới một kỉ nguyên chạy pin nhiên liệu.
Khí hydro là chất thông dụng nhất trong vũ trụ, và khi cháy rất “sạch”.
Phản ứng cháy của hydro chỉ tạo ra nước (dù rằng khí nitơ oxit, sản sinh ra
trong mọi quá trình đốt, lại tạo ra những mối quan ngại khác về môi trường).
Nhưng dẫu là một nguồn tài nguyên vô tận có thể tái tạo, hiện nay, các loại ôtô
chưa thể chuyển sang chạy bằng năng lượng hydro, vì nhiều lý do. Nguyên nhân đầu
tiên là ở nhiệt độ thông thường, nó tồn tại dưới dạng khí. Xăng và dầu diesel
là chất lỏng nên có thể dễ dàng chứa trong bình, và sẽ tồn tại cho tới khi sử dụng
hết. Ngược lại, hydro sẽ dần bay hơi nếu bình không kín.
Một giải pháp đặt ra là có thể chuyển nó sang dạng lỏng, nhưng lúc đó cần
có các bình chứa đặc biệt để giữ cho nhiệt độ bên trong luôn thấp hơn so với
môi trường. Hoặc cũng có thể giữ nó trong một bình điều hoà áp suất. Có điều
khi một bình điều hoà áp suất bị vỡ, nó sẽ gây nổ. Cuối cùng, hãng DaimlerChrysler đang nghiên cứu chế tạo
phương pháp lưu trữ khí hydro trong bình có cấu trúc tổ ong. Hạn chế của loại
bình này là giá thành quá cao và lượng khí chứa được cũng không nhiều.
Cùng một lượng tương đương như nhau, hydro sản sinh ít năng lượng hơn là
xăng, một trong những nhiên liệu dễ cháy nhất có thể kiếm được. Đó là lý do tại
sao động cơ chạy bằng hydro có công suất yếu hơn động cơ xăng.
Rõ ràng các xe chạy bằng khí hydro không thải ra các chất gây ô nhiễm như
xăng. Nhưng để tạo ra hydro, phương pháp tốt nhất là cho một dòng điện chạy qua
nước. Và để có điện, có nghĩa là cần tăng cường khai thác than hoặc xây dựng
thêm các nhà máy điện nguyên tử, do vậy lợi thế không ảnh hưởng đến môi trường
của hydro lại không còn đáng kể.
Khi đã có hydro, còn cần lập ra các điểm tiêu thụ (giống như các cây
xăng), nơi khách hàng có thể nạp vào bình chứa. Do lượng khí các xe tiêu thụ lớn
hơn rất nhiều so với xăng, sẽ đòi hỏi một mạng lưới vận chuyển khổng lồ. Một
chuyên gia cho biết: “Nếu tất cả các xe trên thế giới hiện nay chuyển sang dùng
nhiên liệu hydro, thì cứ 5 xe đang lưu thông sẽ có 1 chiếc là xe téc chở khí”.
Điều này làm ảnh hưởng đến giao thông và một lần nữa đặt ra các vấn đề về an
toàn.
Vấn đề an toàn pin nhiên liệu hydrogen
Gây tranh cãi nhất giữa các nhà khoa học là mức độ an toàn của hydro.
Theo ExxonMobil, một trong những tập đoàn kinh doanh dầu lửa lớn nhất thế giới,
khí hydro chưa nên sử dụng rộng rãi để tránh các nguy cơ có thể xảy ra tai nạn.
Ngược lại, Karen Miller, Phó chủ tịch của Hiệp hội khí hydro toàn nước Mỹ, lại
cho rằng: “Sử dụng hydro trong nhiều trường hợp còn đảm bảo hơn dùng xăng. Vả lại,
nhiên liệu sẽ không gây nguy hiểm khi nó được bảo quản thật tốt”.
Việc đưa khí hydro vào các bình chứa có khuynh hướng tạo ra dòng tĩnh điện,
dễ gây nổ. Nhằm ngăn chặn điều đó xảy ra, xe FCX của Honda có tới 2 nắp tiếp
nhiên liệu. Khi mở nắp ngoài, một sợi dây kim loại sẽ được tiếp đất để loại trừ
dòng tĩnh điện, trước khi nắp thứ hai được mở để nhận dòng khí từ vòi cao áp.
Thêm vào đó, khí hydro không có mùi và cháy hoàn toàn. 2 đặc tính này khiến
cho người ta không thật sự quan tâm đến nguy cơ phát nổ cho tới lúc điều đó thực
sự diễn ra. Bất cứ nhiên liệu nào cũng có thể gây nổ khi sử dụng cho động cơ đốt
trong, nhưng điều đáng nói ở đây là hydro có đặc tính dễ nổ hơn so với xăng.
Khí hydro còn làm cho kim loại trở nên giòn hơn.
Hydrogen là khí không màu, không mùi, không vị và rất hoạt động. Khi
hydrogen cháy nó mang mối nguy hiểm tiềm ẩn bởi ngọn lửa của nó không thể nhận
thấy bằng mắt thường. Do đó nó có thể lan đi mà người ta không thể nhận biết để
cảnh báo. Tuy nhiên, trong chừng mực nào đó, hydrogen cháy an toàn hơn các
nhiên liệu hóa thạch thông thường. Hydrogen có tốc độ bừng cháy rất cao và tiêu
tán mau. Do đó, những vụ cháy, thậm chí bắt nguồn từ hydrogen lỏng, thường bùng
lên rất nhanh rồi hết. Theo tính toán của các nhà khoa học cho thấy ở một vụ
cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy có thể kéo dài hai mươi đến ba mươi
phút, trong khi đó, ngọn lửa từ đám cháy của chiếc xe chạy bằng lượng hydrogen
tương đương chỉ kéo dài từ một đến hai phút!.
Hydrogen khi bị đốt cháy sinh ra nhiệt và hơi nước. Do không có carbon,
hơn nữa hơi nước lại là chất hấp thụ nhiệt nên hydrogen cháy tỏa nhiệt ít hơn
nhiều so với khi các hydrocarbon cháy và đám cháy không lan đi, chỉ có những vật
trực tiếp bị đốt dưới ngọn lửa đó mới bị cháy nặng. Những vật khác ở gần ngọn lửa
sẽ khó mà tự bắt cháy được. Vì thế mà mối nguy hiểm về khói độc và việc cháy
lan kéo dài đối với hydrogen đã được giảm đi đáng kể. Điều này có ý nghĩa rất
quan trọng trong vấn đề cứu hỏa.
Tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép hydrogen thoát nhanh
vào khí quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra. Trong khi đó, propane và xăng dầu, với
tỉ trọng cao và khả năng khuếch tán thấp, dễ tụ lại gần mặt đất, làm gia tăng rủi
ro cháy nổ. Hydrogen phải đạt đến nồng độ 4% trong khí quyển mới gây nguy hiểm,
khi đó khả năng bắt lửa của hydrogen sẽ tăng lên nhanh. Mặc dù nồng độ 4% xem
như không cao, nhưng nếu so sánh với nồng độ cần đạt để bốc cháy của xăng dầu
chỉ có 1%, hydrogen cho thấy mức rủi ro cháy nổ thấp hơn đáng kể. Hydrogen
không độc và không ăn mòn. Xăng và dầu rất độc với con người và sinh vật nếu
như vô tình chúng bị rò rỉ ra môi trường bên ngoài. Trong khi đó, nếu hydrogen
bị thoát ra, chúng sẽ bay hơi gần như hoàn toàn và chỉ để lại nước đằng sau.
Pin nhiên liệu
Trong khi thế kỉ 19 được mệnh danh là thế kỉ của
động cơ hơi nước và thế kỉ 20 là thế kỉ của động cơ đốt trong thì ta có thể nói,
thế kỉ 21 sẽ là kỉ nguyên của pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu hiện nay đang dần
được phổ biến trên thị trường, dự đoán sẽ tạo nên cuộc cách mạng năng lượng
trên thế giới trong tương lai. Pin nhiên liệu có thể sử dụng hydrogen làm nhiên
liệu, mang đến triển vọng cung cấp cho thế giới một nguồn điện năng sạch và bền
vững.
Tương tự như bình ắc quy, pin nhiên liệu (Fuel Cell Stack) là một
thiết bị tạo ra điện năng thông qua cơ chế phản ứng điện hóa. Điểm khác biệt nằm
ở chỗ, pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi có một nguồn nhiên
liệu cung cấp cho nó, trong khi đó, ắc quy cần phải được nạp điện lại (sạc) sau
một thời gian sử dụng. Vì thế mà pin nhiên liệu không chứa năng lượng bên
trong, nó chuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, trong khi ắc quy cần
phải được nạp điện lại từ một nguồn bên ngoài.
Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm
(cathode) và dương (anode). Phản ứng sinh ra điện năng xảy ra tại hai điện cực
này. Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân, vận chuyển các hạt điện tích từ
cực này sang cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng. Các
module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo
ra các thiết bị có mức công suất phát điện khác nhau và lớn hơn.
Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên
liệu vận hành chỉ đơn giản là hydrogen và oxygen. Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên
liệu là ở chỗ nó tạo ra dòng điện sạch, rất ít ô nhiễm, do sản phẩm phụ của quá
trình phát điện cuối cùng chỉ là nước, không hề độc hại.
Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện chính là
chìa khóa trong cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu. Có nhiều loại pin nhiên liệu
và mỗi kiểu vận hành một cách khác nhau nhưng cùng chung nguyên tắc cơ bản. Khi
những nguyên tử hydrogen đi vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy ra ở anode
sẽ lấy đi electron của chúng. Những nguyên tử hydrogenl úc này bị ion hóa và
mang điện tích dương. Electron điện tích âm sẽ chạy qua dây dẫn tạo ra dòng điện
một chiều.
Một trở ngại lớn đối với việc phân phối nhiên
liệu hydro là nhu cầu phải xây dựng toàn bộ một mạng lưới cung ứng mới. Trạm
bán hydro ở thủ đô Washington đã thu hút được sự chú ý của nhiều người tiêu
dùng. Quản lý an toàn của trạm, ông Rick Scott cho biết: “Dĩ nhiên là họ hỏi những
điều mà người tiêu dùng vẫn hay hỏi, đại loại như: Nhiên liệu hydro giá cả ra
sao? Khi nào tôi có thể mua một chiếc xe chạy bằng hydro? Và giá xe là bao
nhiêu?".
Theo hãng Toyota chiếc xe chạy pin nhiên liệu
hydrogen 2016 Mirai sẽ đi vào lịch sử và nổi tiếng như chiếc xe tương lai sáng
lạng cho họ. Cái tên Mirai đồng nghĩa với "tương lai" trong tiếng Nhật.
Tạm thời chúng ta hãy quên đi Prius, Tesla Model S và i3 BMW, giám đốc điều
hành Toyata nói rằng xe Mirai chạy bằng công nghệ hydrogen fuel-cell là bước đầu
tiên trong thế kỷ 21 của ô tô.
Nguyễn Hồng Phúc
Mời xem tiếp phần 2
Mời xem tiếp phần 2
