Năng lượng hydro có thực sự sạch?
Mỗi buổi sáng tại một cơ sở trung chuyển ở Canton, Ohio, hơn một chục xe buýt đến trạm tiếp nhiên liệu trước khi chạy ra các tuyến đường của họ ở thành phố phía nam Cleveland.
Những chiếc xe buýt do El Dorado National sản xuất và thuộc sở hữu của Cơ quan Vận tải Khu vực Stark trông giống như những chiếc khác. Tuy nhiên, chúng phản ánh sự tiên tiến của một công nghệ có thể đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra phương tiện giao thông liên thành phố sạch hơn. Thay vì sử dụng nhiên liệu diesel gây ô nhiễm, một phần tư số xe buýt của cơ quan này chạy bằng hydro. Chúng không thải ra gì ngoài hơi nước vô hại.
Hydro, nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ, cùng với xe điện, ngày càng được xem là một cách để làm chậm tác động hủy hoại môi trường của 1,2 tỷ phương tiện trên hành tinh, hầu hết trong số đó đốt cháy nhiên liệu xăng và dầu diesel.
Các nhà sản xuất xe tải lớn và xe thương mại đang bắt đầu đón nhận công nghệ pin nhiên liệu hydro như một con đường phía trước. Các nhà sản xuất máy bay, xe lửa và xe chở khách cũng vậy.
Giao thông vận tải là yếu tố đóng góp lớn nhất của Mỹ đối với biến đổi khí hậu, đó là lý do tại sao về lâu dài, năng lượng hydro được coi là một cách quan trọng có khả năng giúp giảm lượng khí thải carbon.
Tuy nhiên, để chắc chắn, hydro vẫn chưa phải là một giải pháp kỳ diệu. Hiện tại, hydro được sản xuất trên toàn cầu mỗi năm, chủ yếu cho các nhà máy lọc dầu và sản xuất phân bón, được tạo ra từ khí đốt tự nhiên hoặc than đá. Quá trình đó gây ô nhiễm không khí, làm ấm hành tinh hơn là giảm tác động.
Một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu từ các trường đại học Cornell và Stanford đã phát hiện ra rằng hầu hết quá trình sản xuất hydro đều thải ra carbon dioxide, có nghĩa là phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hydro vẫn chưa thể được coi là năng lượng sạch.
Những người ủng hộ phương tiện giao thông chạy bằng hydro nói rằng về lâu dài, việc sản xuất hydro được định hướng để trở nên an toàn hơn với môi trường.
Họ hình dung việc sử dụng điện ngày càng tăng từ năng lượng gió và năng lượng mặt trời, có thể tách hydro và oxy trong nước. Khi các dạng năng lượng tái tạo như vậy được sử dụng rộng rãi hơn, sản xuất hydro sẽ trở thành một quá trình sạch và ít tốn kém hơn.
Trong vòng ba năm, General Motors, Navistar và công ty vận tải đường bộ J.B. Hunt có kế hoạch xây dựng các trạm tiếp nhiên liệu và chạy xe tải hydro trên một số xa lộ của Mỹ. Toyota, Kenworth và Cảng Los Angeles đã bắt đầu thử nghiệm xe tải hydro để vận chuyển hàng hóa từ tàu đến kho.
Volvo Trucks, Daimler Trucks AG và các nhà sản xuất khác cũng đã công bố quan hệ đối tác. Các công ty hy vọng sẽ thương mại hóa nghiên cứu của họ, cung cấp các xe tải không phát thải, tiết kiệm tiền và đáp ứng các quy định nghiêm ngặt hơn về ô nhiễm.
Ở Đức, một đoàn tàu chạy bằng năng lượng hydro đã bắt đầu hoạt động vào năm 2018 và nhiều hơn thế nữa sẽ đến. Airbus có trụ sở tại Pháp, nhà sản xuất máy bay lớn nhất thế giới, cũng đang xem xét sử dụng hydro.
Shawn Litster, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Đại học Carnegie Mellon, người đã nghiên cứu pin nhiên liệu hydro trong gần hai thập kỷ cho biết: “Đây là khoảng thời gian gần nhất mà tôi thấy chúng ta đi đến bước ngoặt thực sự đó”.
Hydro từ lâu đã trở thành nguyên liệu để sản xuất phân bón, thép, dầu khí, bê tông và hóa chất. Nó cũng đã chạy xe trong nhiều năm: Khoảng 35.000 xe nâng ở Hoa Kỳ, khoảng 4% tổng số xe của quốc gia, được chạy bằng hydro. Việc sử dụng cuối cùng của nó trên đường bộ, để vận chuyển hàng hóa nặng, có thể bắt đầu thay thế các chất gây ô nhiễm do đốt dầu diesel.
Không ai biết khi nào nhiên liệu hydro sẽ được sử dụng rộng rãi hay không.
Craig Scott, người đứng đầu bộ phận công nghệ tiên tiến của Toyota tại Bắc Mỹ, cho biết công ty có lẽ còn hai năm nữa mới có một chiếc xe tải hydro sẵn sàng để bán. Việc xây dựng thêm các trạm tiếp nhiên liệu sẽ rất quan trọng để áp dụng rộng rãi.
Kirt Conrad, Giám đốc điều hành của cơ quan vận tải Canton từ năm 2009, cho biết các hệ thống vận chuyển khác đã thể hiện sự quan tâm nhiều đến công nghệ đến mức SARTA đưa xe buýt của mình đi khắp đất nước để trình diễn.
Hệ thống của Canton, đã mua ba xe buýt hydro đầu tiên vào năm 2016, kể từ đó đã có thêm 11. Hệ thống này cũng đã xây dựng một trạm tiếp nhiên liệu. Hai hệ thống vận chuyển của California, ở Oakland và Riverside County, có xe buýt chạy bằng hydro trong đội của họ.
“Chúng tôi đã chứng minh rằng xe buýt của chúng tôi đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí và kết quả là, chúng tôi đang phá bỏ các rào cản đã làm chậm việc áp dụng công nghệ rộng rãi hơn”, Conrad nói.
Kế hoạch trong tương lai
Nhiên liệu hydro nằm trong kế hoạch cắt giảm một nửa lượng khí thải của Tổng thống Joe Biden vào năm 2030. Dự luật cơ sở hạ tầng mà Thượng viện Mỹ đã thông qua bao gồm 9 tỷ USD cho nghiên cứu nhằm giảm chi phí sản xuất hydro sạch và mạng lưới trong khu vực.
Ngành công nghiệp vận tải đường dài dường như là đặt cược tốt nhất cho việc áp dụng sớm hydro. Pin nhiên liệu, chuyển hóa khí hydro thành điện, cung cấp phạm vi hoạt động xa hơn so với xe tải chạy bằng pin, chạy tốt hơn trong thời tiết lạnh và có thể được tiếp nhiên liệu nhanh hơn nhiều so với pin điện có thể được sạc lại.
Những người ủng hộ nói rằng thời gian tiếp nhiên liệu ngắn cho các phương tiện chạy bằng hydro giúp họ có lợi thế hơn so với xe điện để sử dụng trong taxi hoặc xe tải giao hàng, những loại xe được sử dụng liên tục.
Lợi thế đó rất quan trọng với nhiều hãng. Như đối với Green Tomato Cars có trụ sở tại London, hãng sử dụng 60 xe Toyota Mirai chạy bằng pin nhiên liệu hydro trong đội xe 500 xe không phát thải của mình để vận chuyển khách hàng doanh nghiệp. Người đồng sáng lập Jonny Goldstone cho biết tài xế của ông có thể đi hơn 500 km trên một chiếc xe và chỉ cần tiếp nhiên liệu trong ba phút.
Vì thu nhập của người lái xe phụ thuộc vào giá vé, Goldstone nói: “Nếu họ phải dành 40, 50 phút, một giờ, hai giờ để cắm xe vào giữa ngày làm việc, điều đó là không thể chấp nhận được”.
Hiện tại, Green Tomato là một trong những nhà khai thác phương tiện chạy hydro lớn nhất ở nơi vẫn còn là một thị trường nhỏ bé ở châu Âu, với khoảng 2.000 xe ô tô chạy bằng pin nhiên liệu, xe chở rác và xe tải giao hàng trên đường.
Khoảng 7.500 xe ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hydro đang lưu thông trên đường ở Mỹ, chủ yếu là ở California. Toyota, Honda và Hyundai sản xuất những chiếc xe có giá cao hơn hàng nghìn chiếc so với xe chạy bằng xăng. California có 45 trạm tiếp nhiên liệu công cộng, với nhiều kế hoạch hoặc đang được xây dựng.
Không giống như xe buýt và xe tải hạng nặng, các chuyên gia cho rằng tương lai của xe chở khách ở Mỹ chủ yếu nằm ở năng lượng pin điện, không phải hydro. Những chiếc xe chạy hoàn toàn bằng điện có thể đi xa hơn hầu hết mọi người cần sử dụng loại pin tương đối nhỏ.
Hiện tại, việc sản xuất hydro đang tăng thêm thay vì giảm ô nhiễm. Thế giới sản xuất khoảng 75 triệu tấn mỗi năm, hầu hết trong số đó là trong quá trình tạo ra khí thải carbon liên quan đến sự biến đổi hơi nước của khí tự nhiên.
Cái gọi là hydro “xanh”, được tạo ra từ khí tự nhiên cần một bước bổ sung. Carbon dioxide thải ra trong quá trình này được gửi xuống dưới bề mặt Trái đất để lưu trữ.
Nghiên cứu của Cornell và Stanford đã phát hiện ra rằng sản xuất hydro xanh thải ra lượng carbon nhiều hơn 20% so với đốt khí tự nhiên hoặc than để làm nhiệt.
Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu trong ngành tập trung vào quá trình điện phân, sử dụng điện năng để tách hydro và oxy trong nước. Hydro hòa trộn với oxy trong pin nhiên liệu của xe để tạo ra năng lượng.
Joe Cargnelli, giám đốc công nghệ hydro của Cummins, công ty sản xuất máy điện phân và hệ thống điện pin nhiên liệu, cho biết lượng điện được tạo ra từ gió và mặt trời ngày càng tăng trên toàn thế giới, khiến quá trình điện phân trở nên sạch hơn và rẻ hơn.
Hiện tại, chi phí để sản xuất một chiếc xe tải chạy bằng hydro và sản xuất nhiên liệu sẽ cao hơn so với việc đưa một chiếc xe tải chạy bằng động cơ diesel trên đường.
Ở California, hydro có giá khoảng 13 USD/kg, và 1 kg có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn một gallon nhiên liệu diesel. Ngược lại, nhiên liệu diesel chỉ khoảng 3,25 USD/gallon ở Mỹ.
Nhưng các chuyên gia cho rằng sự chênh lệch đó sẽ thu hẹp. Litster của Carnegie Mellon cho biết: “Khi mở rộng quy mô công nghệ để sản xuất, giá hydro sẽ giảm xuống”.
Mặc dù một chiếc bán tải động cơ diesel có thể có giá khoảng 150.000 USD tùy thuộc vào cách nó được trang bị, nhưng vẫn chưa rõ xe tải chạy pin nhiên liệu sẽ có giá bao nhiêu.
Nikola, một công ty khởi nghiệp sản xuất xe tải chạy bằng pin nhiên liệu điện và hydro, ước tính vào năm ngoái rằng họ sẽ nhận được khoảng 235.000 USD cho mỗi chiếc bán hydro bán ra.
Điện sạch cuối cùng có thể được sử dụng để sản xuất và lưu trữ hydro tại một bãi đường sắt, nơi nó có thể tiếp nhiên liệu cho các đầu máy và bán tải, tất cả đều không phát thải.
Cummins dự đoán việc sử dụng hydro rộng rãi ở Mỹ vào năm 2030, được thúc đẩy bởi các quy định nghiêm ngặt hơn về khí thải diesel và các yêu cầu về phương tiện không phát thải của chính phủ.
Hiện tại, châu Âu đã đặt ra các mục tiêu hydro xanh đầy tham vọng được thiết kế để đẩy nhanh việc sử dụng loại năng lượng này.