Công nghệ năng lượng hydro trên xe hơi

Trong những năm gần đây, rất nhiều hãng xe như GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz và Toyota đã cho ra mắt những mẫu xe sử dụng pin nhiên liệu. Tuy nhiên giá của chúng lại khá cao và vấn đề tiếp nhiên liệu phức tạp, nên để thu hút được khách hàng thì những chiếc xe này phải vượt qua rất nhiều rào cản. Sau đây là những vấn đề về xe sử dụng pin nhiên liệu hydro.

Chúng ta lấy khí hydro ở đâu?

Cuộc cách mạng sử dụng pin nhiên liệu không thể bắt đầu nếu không có các trạm tiếp nhiên liệu và hiện nay hệ thống cung cấp hydro vẫn còn đang thiếu hụt. Những chiếc xe sử dụng pin nhiên liệu thường chỉ được người sử dụng dùng để đi tới sở làm. Vậy những chiếc trạm nhiên liệu đặt ở đâu?
Tùy thuộc vào nơi ở, có thể bạn sẽ phải chờ một thời gian. Năm năm trước, Chính phủ Mỹ đã quy hoạch một xa lộ hydro với những trạm nhiên liệu nằm bên đường dọc theo bờ biển California và tuyến đường I-95 kéo dài từ Maine đến Miami.

Mô hình hoạt động của pin nhiên liệu

Hệ thống pin nhiên liệu hoạt động như thế nào?

Hệ thống sẽ bơm khí hydro và oxy thông qua Anot và Catot, kết hợp với chất xúc tác sẽ tạo ra nước tinh khiết và dòng điện. Do mỗi viên pin chỉ tạo ra được dòng 0,7V nên người ta luôn sử dụng một cụm nhiều pin để tăng hiệu điện thế. Pin nhiên liệu có thể đạt hiệu suất lên tới 80%.
Nhưng bây giờ người ta đã nghĩ đến một kiểu mẫu khác: xây dựng các trạm theo từng khu vực địa phương để phục vụ cho những khu dân cư quanh ga tàu điện ngầm, sau đó sẽ dần dần liên kết chúng lại với nhau. Sử dụng kế hoạch này sẽ dễ dàng hơn so với việc tập trung xây dựng các trạm trong một khu vực, nó làm cho những người dân sống gần đó thấy rằng mua xe sử dụng nhiên liệu hydro là một lựa chọn hấp dẫn.

Trong tương lai gần, các trạm cung cấp nhiên liệu sẽ mua hydro từ các nhà sản xuất lớn. Nhưng về lâu dài thì chúng có thể sẽ sử dụng nhiên liệu lấy từ các nhà sản xuất địa phương khai thác nguồn nguyên liệu gần đó.

Người ta thường sản xuất khí hydro bằng cách hóa nhiệt khí tự nhiên, chủ yếu là khí metan. Khí tự nhiên là một loại nhiên liệu không tái tạo, nhưng nó thường có sẵn trong nội địa, Bộ Năng lượng Mỹ đã ước tính rằng phương tiện sử dụng nhiên liệu hydro được tạo ra bằng phương pháp hóa nhiệt vẫn tạo lượng khí thải C02 bằng một nửa so với những chiếc xe thông thường. Tuy nhiên loại hydro này lại đang được sản xuất với quy mô lớn và rẻ hơn so với các loại hydro khác.

Hydro cũng có thể được sản xuất bằng cách sử dụng các vật liệu hữu cơ, chẳng hạn như sản phẩm phụ nông nghiệp, chất thải động vật và nước thải. Chúng sẽ đưa vào quy trình khí hóa, chất hữu cơ được tiếp xúc với nhiệt, hơi nước và oxy để tạo thành một hỗn hợp khí, sau quá trình xử lí chúng ta sẽ thu được hydro nguyên chất. “Một bãi rác cũng có thể là nguồn nguyên liệu cho việc sản xuất khí hydro”, James Warner, Giám đốc Hiệp hội pin nhiên liệu và năng lượng hydro (FCHEA) cho biết.

Ngoài ra người ta cũng có thể sản xuất hydro bằng điện, quá trình này sẽ tách hydro ra khỏi nước bằng một dòng điện. Nghe có vẻ nó khả quan hơn so với việc sử dụng năng lượng hóa thạch và hữu cơ nhưng nó cũng có nhược điểm. Tuy nhiên một số nước lại sử dụng than để sản xuất điện. Còn hệ thống sản xuất điện bằng năng lượng gió và năng lượng mặt trời lại khá đắt, điều đó dẫn đến việc sử dụng năng lượng điện là không khả thi.

Giảm giá thành, tăng phạm vi hoạt động

Hiện nay, rào cản lớn nhất đối với ngành công nghiệp ô tô là chi phí cho các công nghệ hiện có. Ví dụ, các bộ pin nhiên liệu sử dụng trên xe hiện nay đều sử dụng bạch kim làm chất xúc tác. Nếu bạn mới mua một chiếc nhẫn đính hôn gần đây thì chắc hẳn bạn sẽ biết chúng đắt tiền như thế nào.

Theo các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đã chứng minh rằng chúng ta có thể sử dụng các chất liệu thông dụng hơn như sắt và coban để làm chất xúc tác, các nhà khoa học tại đại học Case Wester Reserve cũng đã phát triển một loại ống nano carbon có thể làm chất xúc tác với giá rẻ hơn 650 lần. Chất xúc tác tái chế có thể có giá thấp hơn nữa mặc dù các nhà sản xuất vẫn chưa đưa ra cái giá cụ thể.

Mercedes cũng đang tìm cách để nén khí hydro với áp suất lên tới hơn 10.000 psi để có thể lưu trữ được nhiều nhiên liệu hơn, kết hợp với việc sử dụng pin lithium-ion tiên tiến cho việc lưu trữ năng lượng bổ sung. Với những cải tiến như vậy, Tiến sĩ Herbert Kohler, Phó giám đốc Daimler phụ trách những sản phẩm tương lai, nhận định rằng những chiếc xe sắp tới sẽ có phạm vi hoạt động khoảng 600 dặm.

Hiện nay, Bộ Năng lượng Mỹ ước tính rằng giá của pin nhiên liệu đã giảm 30% trong 3 năm và 80% trong thập kỉ qua. Đồng thời, độ bền của chúng cũng đã tăng gấp đôi nhưng chúng vẫn cần phải tăng thêm nữa mới đáp ứng được yêu cầu. Những hệ thống pin nhiên liệu hiện này dự kiến có thể chạy trong vòng 2.500 giờ (tương đương quãng đường 75.000 dặm) nhưng như thế là chưa đủ. “Chúng ta cần đạt được mức 5.000 giờ để có thể cạnh tranh được với các công nghệ khác”, Sunita Satyapal, quản lí dự án pin nhiên liệu của Bộ Năng lượng Mỹ, cho biết.

Toyota hy vọng rằng họ có thể bán được một chiếc xe sử dụng năng lượng hydro với giá 50.000 đô la Mỹ, thấp hơn một nửa so với chi phí để sản xuất nó. Mặc dù công nghệ hiện đại có thể dẫn đến tăng chi phí, việc tiết kiệm trong ngắn hạn sẽ đến từ sản lượng. Tuy nhiên kể cả với những chiếc xe đã được sản xuất như FCX Clarity của Honda thì việc lấy sản lượng để bù đắp giá cả là điều rất khó khăn. Hy vọng là các nhà sản xuất sẽ sử dụng công nghệ này trên các chiếc xe cao cấp để chúng dễ được chấp nhận hơn.

Bắt đầu từ năm 2008, Honda đã bắt đầu chương trình cho thuê 200 chiếc FCX Clarity sử dụng pin nhiên liệu hydro. Cuối cùng đã có 24 khách hàng trả 600 USD mỗi tháng trong 3 năm để thuê chúng. Khi hợp đồng cho thuê kết thúc, Honda đã tiếp tục cho thuê một số chiếc và bắt đầu mổ xẻ nghiên cứu những chiếc còn lại. Dưới đây là những điều mà Honda đã rút ra được:

• Những chiếc FCX Clarity di chuyển qua lại thường xuyên các quận hạt của Los Angles và Orange mà không gặp vấn đề gì (phạm vi di chuyển của FCX là 270 dặm).
• Việc thiếu cơ sở hạ tầng là một sự bất tiện lớn cho những người không sống gần một trong 7 trạm nhiên liệu của California. Tất cả các trạm đều gần Los Angeles, giới hạn những chiếc xe di chuyển trong bán kính 150 dặm.
• Người lái thường lái xe khoảng 12.000 dặm một năm. Một người được thuê sớm nhất cũng chỉ vừa quá mức 36.000 dặm cho 3 năm.
• Các đại lý cho thuê xe FCX Clarity phải được đào tạo nghiêm ngặt để trả lời khách hàng. “Những nhân viên sẽ được hỏi những câu chưa bao giờ được hỏi”, quản lí bán hàng và marketing xe pin nhiên liệu của Honda, Steve Ellis, cho biết.

Chính quyền có ủng hộ chúng không?

Các nhà sản xuất xe và xây dựng cơ sở hạ tầng đều đồng ý rằng có một cách để cắt giảm chi phí là thông qua sự can thiệp của chính phủ. Tại Mỹ, mặc dù có vẻ như điều này không xảy ra. Bộ trưởng Năng lượng Mỹ, Steven Chu đã liên tục cố gắng để cắt giảm những tài trợ cho pin nhiên liệu, nhưng chúng luôn bị quốc hội phủ quyết.

Sự tập trung vào công nghệ pin có vẻ như là quá thiển cận đối với những người đề xướng công nghệ hydro. “Đây là những công nghệ bổ sung”, Steve Ellis cho biết. Công nghệ phát triển cho FCX hiện nay đang được sử dụng trên chiếc Fit EV.

Dự thảo phân bổ ngân sách của thượng viện Mỹ năm 2012 không thể dành nhiều tiền cho xe hydro và việc nghiên cứu pin nhiên liệu và chúng cũng không bao gồm việc hỗ trợ xây dựng cơ sở hạ tầng. Tuy nhiên những người bỏ tiền túi ra để xây dựng trạm tiếp nhiên liệu cho rằng họ có thể sử dụng một số sự giúp đỡ để chờ cho đến khi nhu cầu tăng lên và chi phí năng lượng tái tạo hạ xuống.

Theo Car & Driver