Ngành công nghiệp ô tô đang trải qua một cuộc dịch chuyển “trăm năm có một”. Những chiếc xe chạy bằng động cơ đốt trong bắt đầu được thay thế bởi những lựa chọn mới, trên cơ sở hàng loạt vấn đề, từ những mối quan ngại về môi trường, biến động giá dầu, cho tới cải tiến không ngừng về công nghệ pin xe.
Theo trang Hot Cars, vài năm trước, có 6 nguồn nhiên liệu thay thế được xem là khả thi cho ô tô: khí tự nhiên, propane, ethanol, diesel sinh học, hydro và điện. Ở thời điểm hiện tại, thế giới dường như đã xác định được rằng tế bào nhiên liệu (fuel cell), tức hydro, và điện là hai phương pháp hợp lý nhất để thay thế cho động cơ đốt trong.
Hydro là nguồn khí dồi dào và dễ dàng tiếp cận trong môi trường. Loại khí này có trong nước, trong các hydro carbon, và các vật chất hữu cơ. Đây là một nguồn năng lượng sạch, không sinh ra khí thải độc hại trong quá trình sử dụng làm nhiên liệu.
Tuy nhiên, hiện mới chỉ có một vài hãng xe lớn ủng hộ việc dùng nhiên liệu hydro để thay thế xăng và dầu diesel. Hãng Ford đang tiến hành một chương trình đánh giá xe Focus chạy hydro tại một số thành phố ở Mỹ, Canada và Đức. General Motors (GM) và BMW đã làm một số mẫu xe ý tưởng sử dụng nhiên liệu hydro. Nhưng trên thị trường đến nay mới chỉ có lác đác vài mẫu xe chạy hydro, gồm Hyundai NEXO, Honda Clarity Fuel Cell, và Toyota Mirai.
Xe chạy hydro và xe điện hoạt động như thế nào?
Xe chạy bằng tế bào nhiên liệu hydro, có tên viết tắt tiếng Anh là FCV hoặc FCEV, sử dụng khí hydro nén trong bình chứa và tế bào nhiên liệu để tạo ra phản ứng hóa học giữa hydro với oxy. Phản ứng này sản sinh ra điện và dòng điện được dẫn tới mô-tơ điện để tạo lực đẩy cho chiếc xe chuyển động. Sản phẩm phụ duy nhất của quá trình này là nước và không có bất kỳ một chất thải độc hại nào khác. Thậm chí, nước thải ra từ quy trình này còn tinh khiến đến nỗi con người có thể uống được, cho dù không có một số thành phần khoáng chất như trong nước uống thông thường.
FCV hoàn toàn không cần đến pin để cung cấp điện. Các tế bào nhiên liệu duy trì việc sản sinh dòng điện chừng nào còn được cung cấp khí hydro.
Trong khi đó, xe chạy điện (EV) lấy năng lượng từ pin xạc hoặc các nguồn điện có thể mang theo khác, chẳng hạn như tấm pin mặt trời. Xe điện không sử dụng phản ứng hóa học, nhưng dùng dòng điện từ pin đã được xạc để làm quay mô tơ điện, đưa xe chuyển động. Khi cạn, pin của EV phải được xạc lại, trong khi FCV cần được làm đầy bình khí hydro nén.
Cách tốt nhất để tạo hydro
Hydro là nguyên tố hóa học phổ biến nhất trên Trái Đất, đồng nghĩa với việc xe chạy hydro có một nguồn cung nhiên liệu gần như vô tận. Tuy nhiên, khí hydro không tồn tại dưới dạng tinh khiết mà phải được chiết xuất từ các hợp chất như nước, khí tự nhiên, các nhiên liệu hóa thạch khác…
Hiện có một số phương pháp để sản xuất khí hydro, trong đó phổ biến nhất là phương pháp điện phân (tách nước) và chuyển hóa (reforming) khí tự nhiên.
Điện phân được xem là phương pháp tốt để thu khí hydro vì cách làm này rất sạch: toàn bộ quy trình không tạo ra bất kỳ khí thải gây hại nào. Tuy nhiên, đây lại là một phương pháp tôn kém và chỉ mang lại hiệu quả khoảng 75%. Nếu năng lượng sử dụng cho quy trình điện phân đến từ một nguồn có thể tái sinh như gió hay mặt trời (thay vì nhiệt điện, điện hạt nhân, hay một nguồn điện truyền thống nào khác), thì chu trình năng lượng đạt được sẽ có mức carbon thấp, theo đó thân thiện với môi trường.
Phương pháp chuyển hóa khí tự nhiên để thu khí hydro có chi phí rẻ hơn điện phân. Quy trình này bao gồm tạo việc tạo ra một loại khí tổng hợp bằng cách gây phản ứng hóa học giữa than hoặc sinh khối với hơi nước và oxy ở nhiệt độ cao trong bộ khí hóa có áp suất lớn. Dioxide carbon và các tạp chất khác được chiết khỏi khí tự nhiên, chỉ để lại khí hydro tinh khiết. Tuy nhiên, việc sinh ra dioxide carbon và các sản phẩm phụ độc hại khác của quy trình này lại góp phần gây nên tình trạng nóng lên của Trái Đất.
Tương quan trạm cấp nhiên liệu giữa xe chạy hydro và xe điện
Nạp nhiên liệu hydro là một lợi thế đặc biệt của FCV so với việc xạc pin điện của EV. Thông thường, một bình khí hydro của FCV chỉ cần 5-10 phút để được nạp đầy.
Công nghệ pin và xạc ô tô điện đã được cải thiện trong những năm gần đây, nhưng thời gian xạc vẫn còn dài. Chế độ xạc nhanh của Tesla cũng phải mất khoảng 30 phút để pin xe được xạc 80%. Xe điện của các hãng khác mất nhiều thời gian để xạc hơn, như Nissan Leaf và BMW i3 phải cần tới 4-8 giờ để xạc đầy pin.
Nhưng ngược lại, công nghệ xe chạy nhiên liệu hydro và hạ tầng cho loại xe này vẫn còn yếu so với xe điện. Tại Mỹ tính đến tháng 3/2020, có khoảng 78.500 điểm xạc nhỏ và gần 25.000 trạm xạc lớn dành cho ô tô điện.
Ở thời điểm cuối năm 2019, mới chỉ có 432 trạm tiếp nhiên liệu hydro trên toàn thế giới và chỉ có 330 trạm là công chúng có thể tiếp cận. Tầm đi trung bình của FCV mỗi lần được tiếp đầy nhiên liệu đạt khoảng 300 dặm (khoảng 483 km), dài hơn nhiều so với tầm đi của hầu hết xe điện (chỉ khoảng 200 dặm), nhưng vẫn cần phải có thêm nhiều trạm tiếp nhiên liệu để có thể cạnh tranh với mạng lưới của EV.
Tóm lại, công nghệ dùng hydro làm nhiên liệu cho ô tô có nhiều điểm hấp dẫn và lợi thế so với công nghệ ô tô điện.
Trong đó, tế bào nhiên liệu sản sinh dòng điện để vận hành mô tơ điện mà không gây khí thải độc hại. Nguồn cung khí hydro gần như vô tận. Thời gian nạp nhiên liệu hydro ngắn hơn nhiều so với thời gian xạc pin. Quy trình điện phân để lấy hydro là một phương pháp sạch dù có phần đắt đỏ, phương pháp chuyển hóa khí tự nhiên có sản phẩm phụ độc hại nhưng chi phí lại rẻ hơn.
Từ những đặc điểm này, có thể kết luận rằng công nghệ xe chạy nhiên liệu hydro tốt hơn công nghệ ô tô điện. Nhưng vẫn có ít nhất hai trở ngại mà xe chạy hydro cần phải vượt qua để cạnh tranh với xe điện. Thứ nhất, sự phổ biến của các trạm xạc xe điện tới thời điểm này đã vượt xa số trạm tiếp nhiên liệu hydro. Và thứ hai, trong tương lai gần, nếu pin lithium của ô tô điện có thể được tái chế hoặc sử dụng lại, EV sẽ là một giải pháp bền vững hơn so với FCV.