H2: Năng lượng tương lai (Kỳ 10)

Phe bảo thủ Iran chỉ trích Thỏa thuận chiến lược dài hạn với Trung Quốc

H2: Năng lượng tương lai (Kỳ 9) - Máy phát điện pin nhiên liệu H2

Việc sử dụng nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong trên xe buýt, xe con và xe tải đã xuất hiện từ giữa thế kỷ XX, song pin nhiên liệu hydro được sử dụng phổ biến hơn cả trên thế giới nhờ những ưu điểm như không tạo tiếng ồn và hiệu quả chuyển đổi năng lượng cao hơn so với các loại hình khác.

Ứng dụng hydro làm nhiên liệu động cơ hiện nay không chỉ dừng lại ở các dự án thí điểm. Ngoài các dự án mẫu, thị trường đã xuất hiện các mô hình sản xuất ô tô cá nhân sử dụng nhiên liệu hydro ở quy mô nhỏ. Bài phân tích sẽ trình bày những đặc tính kỹ thuật của một số dự án đã được kiểm chứng cũng như một số dòng xe chạy bằng nhiên liệu hydro (xe hydro) được các nhà sản xuất đưa ra thị trường thời gian gần đây.

Những chiếc ô tô cá nhân sử dụng nhiên liệu hydro nén và pin nhiên liệu sẽ trang bị thêm một pin điện đóng vai trò bộ đệm trong hệ thống để khởi động, hỗ trợ tải trọng cũng như quá trình tăng tốc. Công suất của các dòng xe từ 70 - 130 KW; tốc độ tối đa là 160 km/h; mức tiêu thụ từ 0,76 - 1 kg hydro/100 km. Hydro được nén ở áp suất 70 MPa và phạm vi hoạt động từ 385-750 km. Hiện nay, mẫu ô tô Honda Clarity có khả năng đạt quãng đường di chuyển 750 km cho mỗi lần tiếp nhiên liệu. Dòng xe này đang được sản xuất hàng loạt. Vào tháng 3/2019, tại Trung Quốc cũng đã ra mắt mẫu xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro với quãng đường di chuyển tối đa lên tới 1.000 km/1 lần nạp, trong khi mẫu xe điện của Tesla được đánh giá là di chuyển xa nhất chỉ đạt 590 km/lần sạc điện. Hiện mẫu xe này đang được chuẩn bị đưa vào sản xuất thương mại.

Giá các dòng xe hydro phổ biến trên thị trường (2019): Honda Clarity - 51.000 euro, Toyota Mirai - 78.600 euro; Hyundai ix35 Fuel Cell - 64.500 euro (figure 28). Trong danh sách các nhà sản xuất các dòng xe hydro cũng bao gồm những thương hiệu lớn như Audi, BMW, Daimler, Ford, GM, Mercedes-Benz. Những khách hàng tiềm năng sử dụng xe chạy hydro được đánh giá là người dùng cá nhân, dịch vụ taxi và các công ty dịch vụ công nghệ chia sẻ xe (car sharing). Tuy nhiên, để phát triển hơn nữa lĩnh vực này cần phát triển cơ sở hạ tầng, giảm chi phí, cũng như đòi hỏi đầu tư đáng kể từ các công ty trong và ngoài quốc doanh.

Theo đánh giá của Hội đồng hydro (Hydrogen Council), chênh lệch về giá giữa xe ô tô chạy bằng pin nhiên liệu so với xe ô tô sử dụng động cơ đốt trong sẽ giảm từ 2 lần hiện nay xuống 10% trong giai đoạn 2025 - 2030. Chi phí sản xuất xe chạy bằng pin nhiên liệu có thể giảm tới 80% nhờ đạt những hiệu quả quy mô lớn trong sản xuất phương tiện và cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu. Các nghiên cứu khác cũng cho những kết quả đánh giá tương tự. Sử dụng phương tiện chạy bằng hydro đang ở điểm khởi đầu của chu kỳ phát triển nên chúng ta có thể kỳ vọng rằng sự tăng trưởng các phương tiện chạy hydro sẽ tương đương với tăng trưởng của thị trường ô tô chạy bằng pin điện, đã tăng từ 12.000 (2010) lên 5 triệu phương tiện (2018). Tính đến hết năm 2018, thế giới hiện có khoảng 11.000 phương tiện chạy bằng hydro đang hoạt động.

Một số quốc gia tuyên bố mục tiêu phát triển số lượng xe hydro đạt 1 triệu chiếc vào năm 2030 và tổng số lượng xe theo kế hoạch của các nước này là 4,6 triệu chiếc (table 3). Trong bối cảnh số lượng xe sử dụng động cơ đốt trong đạt 1 tỷ phương tiện, thì số lượng xe hydro còn rất khiêm tốn, song đến năm 2030, số lượng xe hydro có thể tương đương với số lượng xe điện năm 2018 (đạt khoảng 5 triệu chiếc).

Xe buýt là một ví dụ quan trọng về sử dụng năng lượng hydro trong lĩnh vực giao thông. Để sản xuất những chiếc xe buýt hydro, các nhà sản xuất sử dụng các khung gầm tiêu chuẩn với động cơ điện hoạt động như một cầu truyền động, còn năng lượng điện được cung cấp bởi pin nhiên liệu hydro (các xe buýt sử dụng động cơ hybrid cũng được trang bị bộ lưu trữ điện năng). Công suất của xe buýt là trên 100 KW với mức tiêu thụ nhiên liệu là 8-14 kg hydro/100 km; hiệu suất hoạt động đạt 51-58% với phạm vi di chuyển trung bình từ 250-450 km/lần tiếp nhiên liệu. Hydro nén được lưu trữ trong các bình chứa dưới áp suất 35 MPa. Những thay đổi hiện tại của xe buýt hydro có khả năng chứa từ 75-105 người với giá thành trung bình là 625.000 euro. Những nhà sản xuất hàng đầu trong thị trường này là Daimler EvoBus, Van Hool, VDL, Solaris, Toyota, Writghtbus, Ballard, Hydrogenics…

Một số ví dụ về sử dụng hydro trong lĩnh vực giao thông đường sắt. Ở Đức, một đoàn tàu chạy bằng nhiên liệu diesel đã được chuyển sang sử dụng nhiên liệu hydro bởi công ty Alstom. Công suất của đoàn tàu này là 400 KW. Hệ thống động cơ hoạt động theo chế độ hybrid với các pin điện. Vận tốc tối đa của đoàn tàu là 140 km/h. Mức tiêu thụ nhiên liệu hydro ở mức 0,25 - 0,3 kg/km. Phạm vi hoạt động từ 600 - 800 km. Nhiên liệu hydro được lưu trữ ở áp suất 35 MPa. Sức chứa của tàu là 300 người, trong đó có 150 chỗ ngồi. Giá của đoàn tàu khoảng 5,1 - 5,6 triệu euro. Công ty Alstom không chỉ cung cấp tàu và dịch vụ mà còn lắp đặt các trạm tiếp nhiên liệu và xây dựng cơ sở hạ tầng. Khách hàng tiềm năng của loại phương tiện này trong tương lai gần sẽ là các nhà cung cấp dịch vụ đường sắt địa phương và các công ty đường sắt nhà nước và tư nhân.

Danh mục các phương tiện vận tải hàng hóa cỡ nhỏ bao gồm xe chở rác, xe tải giao hàng, xe nâng… là lĩnh vực đầy hứa hẹn để chuyển đổi sang sử dụng năng lượng hydro. Công suất phương tiện giao động trong khoảng 2,5 - 4,5 KW đối với xe tải cỡ nhỏ; 30 - 80 KW đối với xe tải và xe chở rác. Tốc độ của xe tải cỡ nhỏ đạt 100 - 130 km/h, phạm vi hoạt động từ 200 - 300 km. Thời gian hoạt động trung bình của các xe tải hạng nhỏ là 8 giờ. Những nhà sản xuất hoạt động trong thị trường này gồm: CAT, Linde, Renault/Symbio Fcell, E-Trucks Europe, FAUN Kirchhoff, ULEMCo… Khách hàng đối với các loại phương tiện này là các công ty kho vận, công ty dịch vụ đô thị, dịch vụ bưu chính và dịch vụ giao hàng.

Xe motor (tay ga) hydro có thể đạt tốc độ 50 - 70 km/h; phạm vi hoạt động là 350 km với tốc độ trung bình 30 km/h. Công suất đầu ra từ 3 - 4 KW, hiệu suất pin nhiên liệu đạt 53% (với công suất định mức 3,9 KW). Một số công ty tham gia thị trường này gồm APFCT, Suzuki. Khách hàng của xe motor hydro là người dùng cá nhân cũng như các công ty dịch vụ đô thị. Giá các loại xe tay ga hydro trung bình khoảng 3.100 euro.

Xe đạp hydro sử dụng pin nhiên liệu hydro, hydro nén và động cơ điện để hỗ trợ quá trình đạp. Tốc độ của xe khoảng 25 - 35 km/h. Phạm vi hoạt động đạt hơn 100 km. Công suất của xe là 0,1 - 0,25 KW. Hydro được nén dưới áp suất 20 - 35 MPa. Khối lượng của một chiếc xe đạp hydro từ 24 - 35 kg. Những công ty hàng đầu trên thị trường gồm Linde, Gernweit, Clean Air mobility, Pragma Industries, Atawey (cơ sở hạ tầng). Khách hàng tiềm năng cho dòng sản phẩm này bao gồm người tiêu dùng cá nhân cũng như các công ty dịch vụ giao hàng và dịch vụ cho thuê xe đạp trong thành phố.

Những phân khúc khác của lĩnh vực giao thông như máy móc xây dựng, máy bay hạng nhẹ, tàu thuyền nhỏ, phà cũng đang được nghiên cứu phát triển mặc dù ở quy mô và mức độ thấp hơn. Khi tính đến dự báo thị trường hydro đến năm 2050 và sự sẵn sàng về mặt kỹ thuật hiện nay có thể thấy các dòng xe buýt, xe tải nhỏ và xe con hydro có triển vọng phát triển tốt (Hình 29).

Trạm tiếp nhiên liệu hydro là cơ sở hạ tầng cơ bản và không thể thiếu cho các phương tiện hydro. Theo đó, trạm sạc điện cũng có ý nghĩa tương tự đối với dòng xe điện. Chỉ có sự khác biệt duy nhất là sạc điện ở những nơi công cộng sẽ dễ dàng hơn, nhưng thời gian sạc nhiều hơn khoảng 10 lần (xe hydro nạp nhiên liệu trong vòng vài phút trong khi pin điện sạc nhanh cần đến vài giờ). Tính đến năm 2019 đã có hơn 300 trạm tiếp nhiên liệu và 5.000 xe chạy bằng nhiên liệu hydro trên toàn cầu, chủ yếu phân bổ tại Mỹ, Tây Âu và Nhật Bản. Đến năm 2030, một số quốc gia lên kế hoạch tăng lượng lớn số lượng xe chạy hydro (Table4). Chi phí ước tính cho xây dựng một trạm tiếp nhiên liệu khoảng 1 triệu USD.

Các trạm tiếp nhiên liệu hydro được cấu thành từ hệ thống lưu trữ hydro, hệ thống làm mát, nén và các thiết bị phân phối để tiếp nhiên liệu cho xe hydro. Các tiêu chuẩn được áp dụng trong thiết kế các trạm tiếp nhiên liệu là tiêu chuẩn chung quốc tế, còn cấu trúc module cho phép chủ đầu tư điều chỉnh công suất và kích thước của trạm theo mức tiêu thụ dự kiến. Điều quan trọng là phải tuân thủ các tiêu chuẩn chung cho các trạm tiếp nhiên liệu và phương tiện hydro để đảm bảo sự tương thích của chúng.

Như trong các phân khúc khác của thị trường công nghệ hydro, vai trò của hợp tác quốc tế rất quan trọng trong lĩnh vực vận tải. Ví dự, dự án JIVE năm 2017 (Joint Initiative for Hydrogen Vehicles Across Europe) liên quan đến việc giới thiệu hơn 140 xe buýt tại 9 địa điểm được lựa chọn ở châu Âu và được Liên minh châu Âu tài trợ với kinh phí 106 triệu euro. Dự án giải quyết vấn đề “con gà hay quả trứng” cho khu vực được chọn - cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hay phương tiện. Năm 2015, 41 triệu euro đã được phân bổ cho một dự án tương tự (3 EMOTION) để chế tạo 21 xe buýt mới và trong năm 2012. General Motors và Honda đang cùng hợp tác để giảm giá thành xe ô tô hydro và xây dựng cơ sở hạ tầng.

Sự phát triển và tăng trưởng lớn nhất của hydro trong lĩnh vực vận tải sử dụng pin nhiên liệu được thể hiện rõ nét nhất tại Đức, Mỹ (California), Hàn Quốc và Nhật bản. Ở mỗi quốc gia này đều có nhiều chương trình khác nhau để hỗ trợ phát triển các phương tiện chạy hydro bởi nhà nước hay các tập đoàn công nghiệp. Ví dụ, chương trình H2 Mobility tại Đức, H2USA và CaFCP tại Mỹ, HySUT tại Nhật Bản. Sự hỗ trợ nghiên cứu và phát triển ứng dụng các công nghệ và phát triển cơ sở hạ tầng là cần thiết để phát triển các phương tiện hydro và đạt được thành công nhanh chóng về khả năng cạnh tranh về giá, chi phí giữa các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hydro và chạy điện.