Nhiên liệu khí Hydro - Tương lai của ngành công nghiệp ô tô

Một trong các giải pháp thay thế nhiên liệu hóa thạch dùng trong động cơ đốt trong đã được thử nghiệm từ khoảng đầu thế kỷ XX. Đó là đề án sử dụng khí hydro (H2) để chạy động cơ đốt trong, giống như khí ga tự nhiên vẫn đang được sử dụng cho các xe buýt ở nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Tương tự như việc sử dụng khí gas tự nhiên, khí Hydro cũng tạo ra phản ứng cháy nổ trong buồng đốt của động cơ đốt trong để sinh công, làm piston chuyển động dọc lên-xuống, tạo ra chuyển động vòng của trục khuỷu, rồi truyền chuyển động vòng đó dẫn đến các trục lap làm quay các bánh xe.

Dẫu cho có sự tương đồng, vẫn có sự khác biệt rất hấp dẫn khi dùng khí hydro, so với dùng khí gas tự nhiên. Đó là khi dùng khí gas tự nhiên làm nhiên liệu cho động cơ, phản ứng cháy nổ sẽ làm sản sinh hai thành phần chủ yếu trong khí thải là hơi nước H2O và khí carbonic (CO2), kèm theo một ít hóa chất phụ gia nhiên liệu và chất bôi trơn chưa cháy hết vốn tồn tại ở dạng muội khói. Thành phần CO2 trong khí thải của động cơ sử dụng gas, xăng, dầu chính là kẻ phá hoại nguy hiểm nhất đối với bầu khí quyền và khí hậu trên trái đất; còn muội khói, sinh ra bụi siêu mịn lại gây hại trực tiếp cho việc hô hấp của con người, do tạo ra ô nhiễm ngày càng trầm trọng ở các đô thị.

Trong khi đó, phản ứng cháy nổ trong buồng đốt của động cơ do sự kết hợp của các khí hydro và oxy, tuy vẫn sinh nhiệt, sinh công, nhưng lại chỉ tạo ra "khí thải", mà về lý thuyết là sạch gần như tuyệt đối, hầu như không có chất phụ gia cho nhiên liệu, do chỉ bao gồm hơi nước khi sinh công: H2 + O2 = 2H2O + Năng lượng.

Áp dụng nhiên liệu hydro cho xe hơi có những ưu thế tốt để đảm bảo tiêu chuẩn chống biến đổi khí hậu. Ảnh minh họa 

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng để tạo ra hydro thương mại. Có bốn phương pháp mà hiện tại đã được biết đến, là: (1) Phản ứng phân tách khí metal (CH4) ở nhiệt độ cao 700-1100 độ C (Steam reforming of methane gas), với chất xúc tác là kim loại niken: đây hiện là nguồn chủ yếu để tạo ra khí hydro; (2) Tách khí hydro từ than đá (Gasification): phương pháp hiện hành để sản xuất hydro ở khối lượng lớn; (3) Điện phân nước (Electrolysis of water: 2H2O -> 2H2 + O2): chưa áp dụng rộng rãi do giá thành còn rất cao; và (4) Dùng năng lượng mặt trời để tách hydro từ nước (Solar-hydrogen System): rất ít dùng do chi phí quá cao cho việc tái tạo các nguồn năng lượng.

Ngoài vấn đề chia tách các hợp chất để thu thập khí hydro, hai vấn đề còn tồn tại chưa được giải quyết triệt để nhằm đưa công nghệ tách khí hydro vào sản xuất thương mại là tồn trữ và vận chuyển hydro ở dạng lỏng. Để lưu trữ hydro, hiện có ba phương pháp chủ yếu: (1) Nén khí hydro dưới áp lực cao (Compressed Gas), đây là phương pháp đáng tin cậy, có thể tồn trữ vô hạn định, dễ sử dụng, nhưng đòi hỏi vốn đầu tư và chi phí vận hành cao; (2) Hóa lỏng khi hydro ở nhiệt độ thấp: cần tạo ra và duy trì nhiệt độ cực thấp, chi phí cao, có nguy cơ rò rỉ khí hydro gây ngạt cho con người hoặc hỏa hoạn; (3) Hydrua hóa kim loại (Metal Hydride), đây là phương pháp tồn trữ khối lượng lớn một cách hiệu quả, dễ dàng thu lại khí hydro và rất an toàn.

Phương pháp thứ ba này là phương pháp tiềm năng nhất để tồn trữ hydro làm nhiên liệu. Nhiều hãng xe tên tuổi của thế giới như Daimler (hãng mẹ của Mercedes), BMW và Toyota đã đi tiên phong khi sở hữu một nhóm 13 công ty trên toàn thế giới, với việc đầu tư đến 10 tỷ USD trong 10 năm tới cho việc phát triển công nghệ hydrogen và hạ tầng (trạm nhiên liệu) cho việc tiếp nhiên liệu hydro cho xe hơi. Hiện ôtô có động cơ sử dụng nhiên liệu hydro đã bắt đầu được đưa vào sản xuất thương mại và bán ra thị trường châu Âu, nhưng số lượng bán ra còn thấp, do giá thành xe còn cao. Giá bán chiếc sedan Toyota Miral là 61.500 bảng Anh (gần 100.000 USD), dù đã được chính phủ Anh trợ giá 4.500 bảng. Tuy nhiên, người ra giá vẫn là Toyota. Đến năm 2023, cả nước Đức sẽ có 400 trạm cung cấp hydro làm nhiên liệu cho ôtô...

Mới đây, PGS.TS Đàm Hoàng Phúc và ông Nguyễn Trung Hiếu, Trưởng ban Kế hoạch kinh doanh, Công ty Ô tô Toyota Việt Nam đều khen ngợi việc sử dụng nhiên liệu hydro cho xe hơi. Về mặt nguyên lý, khí hydro tạo ra phản ứng cháy nổ trong buồng đốt của động cơ đốt trong để sinh nhiệt, sinh công nhưng chỉ tạo khí thải là hơi nước. Ngoài ra, hydro còn có dạng dùng phản ứng hóa học để tích lũy trong pin.  

Tại Thái Lan, ứng dụng công nghệ hydro hiện áp dụng cho xe tải đường dài, khối lượng lớn nhờ khả năng tiết kiệm nhiên liệu siêu việt. Từ khoảng năm 2016, xe điện, hybrid, hydro đều có chính sách ưu đãi rõ ràng ở quốc gia này. Đối với Hàn Quốc, đầu năm 2023, có 3.000 trạm sạc hydro. Nhưng mới đây, quốc gia này đặt mục tiêu 10.000 trạm sạc hydro. "Để phát triển được nhiên liệu này, sự hỗ trợ của Chính phủ phải cực kỳ to lớn. Vì giá thành chế tạo ra hydro cao, đòi hỏi công nghệ phức tạp", PGS.TS Đàm Hoàng Phúc nhận định.

Việt Nam đã có đơn vị đầu tư và chuẩn bị sản xuất năng lượng hydro đảm bảo tiêu chuẩn netzero, nhưng chỉ để xuất khẩu chứ không bán trong nước. Các chuyên gia ô tô đều công nhận xe hydro cần được nghiên cứu và phát triển sớm. Loại năng lượng này cần nhiều nước để sản xuất, phù hợp với vị trí địa lý của nước ta khi có bờ biển dài. Đáng chú ý, Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội tuyên bố đội ngũ các nhà khoa học của trường đã bắt đầu thực hiện quá trình nghiên cứu về nhiên liệu hydro. Hiện nay, những "bước đi" cơ sở trong dự án đang dần hoàn thành. Chuyển tiếp năng lượng được nhận định là bước đi dài hạn, cần có kế hoạch cụ thể, chi tiết, tiếp cận đa chiều. Và hydro hiện nay đang hứa hẹn sẽ là một phần của ngành công nghiệp ô tô trong tương lai, khi nhiều quốc gia bắt đầu sản xuất số lượng lớn loại nhiên liệu này.

Khánh Mai (t/h)