Xe điện hydro FCEV: Tất cả những gì bạn cần biết

Xe FCEV là gì?

Xe FCEV (viết tắt của Fuel Cell Electric Vehicle) là xe điện sử dụng tế bào nhiên liệu (fuel cell) hay còn gọi "pin nhiên liệu" để cung cấp năng lượng cho động cơ điện trên xe. Các khối pin nhiên liệu biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu - chủ yếu là hydro - thành năng lượng điện vì vậy xe FCEV còn được gọi là ô tô sử dụng nhiên liệu hydro hoặc xe điện hydro (hydrogen car). Không giống như pin (battery) hoặc ắc quy, pin nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện. Pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu hydro ở dạng nén phản ứng với oxy được đưa từ ngoài vào. Hầu hết các xe sử dụng nguyên hydro là phương tiện không phát thải, chỉ thải ra nước và nhiệt.

Bình nhiên liệu hydro của xe cho phép nó chạy được khoảng 500 km, ắc-quy của xe cũng cho phép xe chạy một quãng đường tương tự. Thời gian nạp đầy nhiên liệu hydro cho xe chỉ khoảng 5 phút. Toyota Mirai là một trong những chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro đầu tiên được bán thương mại vào năm 2015. 

FCEV và BEV khác nhau thế nào?

BEV là xe thuần điện hay còn gọi là xe điện chạy bằng pin (battery) sử dụng hoàn toàn năng lượng hóa học được lưu trữ trong các bộ pin có thể sạc lại được. Việc truyền động hoàn toàn bằng động cơ điện, không có nguồn động lực thứ cấp. 

FCEV là xe sử nhiên liệu hydro trong các bình nhiên liệu kết hợp với oxy bên ngoài tạo ra các phản ứng nhiệt hydro + oxy để chạy động cơ điện đồng thời cũng trở thành một máy phát để sạc điện cho pin của xe, gần tương tự như xe plug-in hybrid.

Như vậy, về bản chất, cả hai loại phương tiện đều sử dụng điện để vận hành, nhưng cách tạo ra điện hoàn toàn khác nhau. BEV bắt buộc phải có nguồn điện từ bên ngoài truyền tải vào để sạc cho pin mới có thể hoạt động. Trong khi đó, với xe FCEV, điện được sản xuất tại chỗ từ một phản ứng hoá học của khí hydro ngay trên xe. 

Nguyên lý hoạt động của động cơ hydro

Xét về nguyên lý hoạt động, một chiếc xe FCEV thực chất là một loại xe hybrid, là sự kết hợp giữa điện năng sinh ra từ phản ứng nhiệt hydro + oxy để chạy động cơ điện và khi xe chạy thì động cơ điện đồng thời cũng trở thành một máy phát để sạc điện cho ắc-quy của xe, gần tương tự như xe plug-in hybrid. 

Cấu tạo của hệ thống động cơ hydro FCEV

Tại sao ô tô sử dụng pin nhiên liệu hydro vẫn tồn tại? Cuộc tranh luận về việc liệu ô tô điện nên chạy bằng pin, kiểu Tesla hay bằng pin nhiên liệu hydro, chẳng hạn như Toyota Mirai, dường như đã phân thắng bại trong những năm gần đây. Nhưng tại sao các công ty vẫn đầu tư vào ô tô dùng...

Một quá trình được gọi là điện phân ngược diễn ra trong pin nhiên liệu. Hydrogen phản ứng với oxy trong quá trình này. Hydro đến từ một hoặc nhiều bình chứa trong ô tô trong khi oxy đến từ không khí xung quanh. Thứ duy nhất mà phản ứng này tạo ra là năng lượng điện, nhiệt và nước được thoát ra ngoài qua ống xả dưới dạng hơi nước – không có chút khí thải nào.

Điện được tạo ra trong pin nhiên liệu có hai lộ trình, tùy thuộc vào yêu cầu của tình huống lái xe cụ thể. Nó chạy đến động cơ điện và trực tiếp điều khiển phương tiện, và/hoặc nó sạc pin hoạt động như một bộ lưu trữ tạm thời cho đến khi cần năng lượng cho việc truyền động. Loại pin “đệm” này nhỏ hơn đáng kể so với pin của ô tô chạy hoàn toàn bằng điện – nghĩa là nó cũng nhẹ hơn. Nó cũng liên tục được sạc lại bằng pin nhiên liệu.

Giống như các loại ô tô điện khác, phương tiện chạy bằng hydro cũng có thể phục hồi năng lượng phanh. Trong quá trình này, động cơ điện chuyển đổi động năng của ô tô trở lại thành năng lượng điện và nạp vào pin đệm.

• Ngăn xếp tế bào nhiên liệu (Fuel cell) - Tập hợp nhiều tế bào nhiên liệu kết hợp oxy và hydro để tạo ra điện và cung cấp năng lượng cho động cơ điện.
• Bình nhiên liệu (Hydrogen tank) - Khí hydro được lưu trữ trong các bình chứa được gia cố bằng sợi carbon để cung cấp nhiên liệu cho ngăn xếp pin nhiên liệu.
• Động cơ điện (Electric engine) - Cung cấp năng lượng cho ô tô sử dụng, năng lượng được tạo ra trong ngăn xếp pin nhiên liệu.
• Pin (Battery) - Thu năng lượng từ phanh tái tạo và cung cấp thêm năng lượng cho động cơ điện.
• Cổ nạp nhiên liệu (Fuel tank neck) - Chỗ để nạp nhiên liệu hydro, nhiêu liệu hydro sẽ được nạp vào trong các bình nhiêu liệu tương tự như đổ xăng/diesel.

Những ưu điểm và nhược điểm của xe điện hydro FCEV

Ưu điểm

• Sạch và không gây ô nhiễm: Ô tô hydro được cung cấp năng lượng hoàn toàn bằng điện và lái xe không có khí thải cục bộ. Do đó, trải nghiệm lái xe tương tự như xe điện. Cụ thể là: khả năng tăng tốc động, hầu như không gây tiếng ồn, vì động cơ điện cung cấp toàn bộ mô-men xoắn ngay cả ở tốc độ thấp.
• Thời gian sạc nhanh: Ưu điểm chính - và lợi thế cạnh tranh lớn nhất - là thời gian tiếp nhiên liệu ngắn. Không giống như thời gian sạc của ô tô điện BEV, phụ thuộc vào cả kiểu dáng và cơ sở hạ tầng, xe điện FCEV chỉ mất từ ba đến bốn phút để nạp đầy bình hydro của BMW iX5 Hydrogen. Điều này mang lại sự sẵn có và tính linh hoạt của phương tiện phù hợp với những chiếc ô tô thông thường.
• Khả năng lái xe xa hơn: Xe hydro có phạm vi hoạt động xa hơn xe điện truyền thống, giúp người lái cảm thấy thoải mái hơn trong các chuyến đi dài. 
• Hiệu suất cao: xe điện hydro FCEV có hiệu suất cao hơn so với các loại động cơ đốt trong và động cơ thuần điện, giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng cường hiệu quả năng lượng.

Nhược điểm

• Chi phí cao: FCEV thường có giá thành cao hơn so với các loại xe truyền thống, do chi phí sản xuất tế bào nhiên liệu phức tạp và tốn kém hơn.
• Cơ sở hạ tầng còn rất hạn chế: Hiện nay, hạ tầng trạm nạp hydro vẫn chưa phát triển hoàn chỉnh, điều này có thể gây rắc rối và hạn chế sử dụng xe FCEV.
• Hiệu suất giảm trong thời tiết lạnh: Hiệu suất của FCEV có thể bị ảnh hưởng bởi thời tiết lạnh, do hiệu suất của tế bào nhiên liệu giảm khi nhiệt độ giảm

Ô tô điện hydro có giá bao nhiêu

Một số mẫu xe chạy bằng pin nhiên liệu đã có sẵn trên thị trường vẫn có giá cao hơn so với những chiếc xe điện chạy bằng pin hoặc động cơ đốt trong tương đương.

Có nhiều lý do tại sao ô tô hydro hiện đang đắt hơn. Công nghiệp hóa trong sản xuất chưa phát triển đầy đủ và nhu cầu về bạch kim cũng đóng một vai trò quan trọng. Kim loại quý này đóng vai trò là chất xúc tác trong quá trình sản xuất điện. Tuy nhiên, lượng bạch kim cần thiết cho pin nhiên liệu ô tô đã giảm đi rất nhiều; hơn nữa, bạch kim được thu hồi thông qua tái chế các bộ chuyển đổi xúc tác cũng đang ngày càng quay trở lại chu trình vật chất. Khối lượng sản xuất thấp cũng là một yếu tố, mặc dù chỉ là yếu tố tạm thời. Công nghệ hydro rất giống với cách nó được sử dụng cho nhiều ứng dụng – ví dụ như xe thương mại, tàu hỏa, máy bay hoặc thậm chí là các giải pháp định vị cố định – vì vậy có thể giả định rằng khối lượng sản xuất tăng lên sẽ mang lại lợi ích. Điều quan trọng nữa là có ít sự phụ thuộc vào nguyên liệu thô hơn so với BEV.

Cũng như chi phí mua lại, chi phí vận hành đóng một vai trò quan trọng trong hiệu quả chi phí và sự chấp nhận công nghệ truyền động. Trong trường hợp ô tô hydro, những điều này phụ thuộc không ít vào giá nhiên liệu. Một kilôgam hydro hiện có giá khoảng 14 euro. Một chiếc ô tô chạy bằng pin nhiên liệu có thể di chuyển khoảng 100 km trên một kg hydro. Điều này làm cho chi phí cho mỗi km của một chiếc ô tô hydro hiện nay tương đương với các phương tiện ICE. Nếu sản xuất hydro tăng trên toàn thế giới, như dự đoán hiện nay, giá mỗi kg ở Đức có thể giảm xuống khoảng 4 đến 6 euro vào năm 2030.

Xe điện hydro FCEV thân thiện với môi trường như thế nào?

Một chiếc xe chỉ sử dụng năng lượng tái tạo và không tạo ra khí thải độc hại sẽ là lý tưởng từ quan điểm sinh thái. Xe chạy pin nhiên liệu gần đạt được lý tưởng này đến mức nào so với các loại truyền động khác?

• Theo luật, các truyền động thay thế phải được thiết kế để giảm phát thải các chất ô nhiễm, đặc biệt là CO2 gây hại cho khí hậu, cũng như các loại khí khác có hại cho sức khỏe, chẳng hạn như nitơ oxit. Khí thải của ô tô hydro bao gồm hơi nước tinh khiết. Do đó, truyền động bằng pin nhiên liệu không có khí thải cục bộ. Điều này có nghĩa là nó giữ cho không khí ở các thành phố trong lành. Nhưng nó có bảo vệ khí hậu cùng một lúc không?
• Điều đó phụ thuộc vào cách hydro được sản xuất. Sản xuất hydro cần năng lượng điện. Trong quá trình điện phân, năng lượng điện phân hủy nước thành các thành phần hydro và oxy riêng biệt. Nếu điện được sử dụng đến từ năng lượng tái tạo, thì quá trình sản xuất hydro có lượng khí thải carbon trung tính. Mặt khác, nếu nhiên liệu hóa thạch được sử dụng, thì điều này cuối cùng sẽ có tác động xấu đến dấu vết khí hậu của ô tô chạy bằng hydro. Tác động này mạnh đến mức nào tùy thuộc vào hỗn hợp năng lượng được sử dụng. Về mặt này, xe hydro không khác gì các loại xe điện khác.
• Nhược điểm của việc sản xuất hydro là lượng hydro bị mất đi trong quá trình điện phân. Hiệu quả của toàn bộ chuỗi năng lượng – từ sản xuất điện đến vận hành phương tiện – hiện vẫn chỉ bằng một nửa so với BEV. Mặc dù nếu bạn nhìn vào toàn bộ vòng đời của FCEV và BEV, thì chúng không cách nhau quá xa.

• Tuy nhiên, hydro có thể được sản xuất vào những thời điểm khi có quá nhiều nguồn cung cấp điện từ các nguồn năng lượng tái tạo do năng lượng gió hoặc mặt trời hiện đang được sản xuất không được sử dụng ở nơi khác. Tiềm năng cho điều này là rất lớn. Hydro cũng là sản phẩm phụ trong nhiều quy trình công nghiệp – và thường được coi là chất thải, tức là không được sử dụng tiếp. Truyền động pin nhiên liệu cung cấp một cách để nâng cấp hydro tại đây. Trong trường hợp sản xuất hydro từ nhiên liệu hóa thạch, cũng có cơ hội lưu trữ CO2 thu được (“thu giữ và lưu trữ carbon”) hoặc thậm chí sử dụng nó (“thu giữ và sử dụng carbon”) – hydro này được gọi là “blue” hydro.
• Cân bằng năng lượng của ô tô chạy bằng pin nhiên liệu cũng bao gồm việc vận chuyển và lưu trữ hydro. Các chi phí khác nhau cho việc nén, làm mát, vận chuyển và lưu trữ phát sinh tùy thuộc vào công nghệ vận chuyển được sử dụng (chất lỏng so với chất khí). Tuy nhiên, việc vận chuyển và lưu trữ hydro vẫn phức tạp và tốn nhiều năng lượng hơn so với xăng hoặc dầu diesel. Tuy nhiên, trái ngược với nhiên liệu hóa thạch, hydro có thể được sản xuất ở bất cứ nơi nào có điện và nước, thậm chí trực tiếp tại các trạm xăng, như ví dụ ở Antwerp (Bỉ) và Fürholzen (Đức) cho thấy. Khoảng cách vận chuyển có thể được rút ngắn đáng kể trong tương lai khi cơ sở hạ tầng mở rộng hơn nữa.
• Tóm lại, các truyền động hydro có khả năng tạo ra khả năng di chuyển bền vững về mặt sinh thái. Tuy nhiên, điều này đặc biệt phụ thuộc vào việc sử dụng năng lượng tái tạo trong sản xuất hydro và mở rộng cơ sở hạ tầng kỹ thuật để đạt được các tuyến vận chuyển ngắn hơn.

Có những rủi ro nào khi sử dụng xe điện hydro?

Điều gì xảy ra khi hydro phản ứng không kiểm soát với oxy? Năng lượng định sinh ra khi có các phản ứng nhiệt hydro + oxy, điều này có nghĩa là hydro dễ cháy. Để ngăn hydro và oxy phản ứng ngoài tầm kiểm soát trong quá trình vận hành ô tô chạy bằng pin nhiên liệu, hydro trong xe được lưu trữ ở dạng khí trong các bình chứa có thành dày, đặc biệt an toàn. Nhiều thử nghiệm va chạm đã xác nhận tính an toàn của thiết kế này: các bình chứa không bị hư hại và không có khí hydro rò rỉ ra ngoài.

Và đừng quên: công nghệ hydro không phải là mới nhưng đã được thử nghiệm và kiểm tra trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ, các nhà máy lọc dầu đã sử dụng một lượng lớn hydro làm khí xử lý khi xử lý dầu thô. Các đường ống và cơ sở lưu trữ hydro cũng đã hoạt động trong nhiều thập kỷ. Đối với các nhà sản xuất xe điện hydro như BMW, Toyota, Hyundai thì chắc chắn yếu tố an toàn là quan tâm hàng đầu, do đó, xe hydro có thể đảm bảo là an toàn như các xe khác.

Xe điện hydro FCEV có vai trò gì trong tương lai?

Các nhà sản xuất như Toyota, BMW,… có lẽ đều tin chắc rằng hydro có thể đóng góp ngày càng quan trọng cho tính di động bền vững, bổ sung cho các phương tiện chạy bằng pin – miễn là có cơ sở hạ tầng hydro phù hợp với giá hydro thuận lợi và giá xe giảm. Khi điều này xảy ra, FCEV có thể là công nghệ không phát thải cho phép người dùng duy trì thói quen lái xe linh hoạt của họ. Điều quan trọng cần lưu ý là FCEV là sự bổ sung cho ô tô điện chạy bằng pin chứ không phải đối thủ cạnh tranh. Và: một chiếc FCEV sẽ là giải pháp phù hợp cho những tài xế di chuyển nhiều và cần sự linh hoạt cao.

Hội đồng Hydrogen (The Hydrogen Council) coi hydro không chỉ là động lực bền vững cho các phương tiện trong tương lai mà còn là nguồn năng lượng sạch cho nhiệt, điện và công nghiệp.

Theo báo cáo của IEA (Cơ quan Năng lượng Quốc tế), hydro có tiềm năng to lớn với tư cách là chất mang năng lượng của tương lai trong bối cảnh các hoạt động chuyển đổi năng lượng toàn cầu. Khả năng lưu trữ và vận chuyển của nó làm cho hydro phù hợp để sử dụng trong nhiều ứng dụng.

Hydro được tiếp nhiên liệu thông qua các máy bơm đặc biệt. Cơ sở hạ tầng này không ngừng được mở rộng trên toàn thế giới. Các nghiên cứu được thực hiện ở Đức chứng minh rằng cơ sở hạ tầng có các trạm sạc điện và tiếp nhiên liệu hydro về tổng thể rẻ hơn so với cơ sở hạ tầng sạc điện thuần túy. Các nhà sản xuất phương tiện như BMW đã hợp tác với các nhà sản xuất hydro và nhà điều hành trạm xăng trong sáng kiến Đối tác Năng lượng Sạch – Clean Energy Partnership để thúc đẩy việc mở rộng cơ sở hạ tầng. H2 MOBILITY đảm nhận việc lập kế hoạch và vận hành các trạm nạp hydro ở Đức.