Hiểu đúng về động cơ hydrogen

Ôtô sử dụng nhiên liệu hydrogen không đốt cháy và không có piston chạy trong cylinder để làm quay trục khuỷu.

Đọc bài “Động cơ nhiên liệu khí hydro – tương lai công nghiệp xe hơi” của tác giả Nguyễn Thanh Tuân, tôi nhận thấy đã có sự quan tâm của đông đảo độc giả yêu khoa học và yêu xe hơi của VnExpress. Trên cơ sở tham khảo những thông tin từ các chuyên gia của một số hãng chế tạo ôtô điện có uy tín của thế giới, tôi muốn đóng góp thêm vài ý nhỏ để làm rõ những điểm chưa thật chính xác trong bài viết của tác giả, để có một bức tranh tổng thể về chủ đề mang đậm tính thời sự, rất bổ ích và hấp dẫn này. Rất mong bạn đọc quan tâm xem xét và góp ý.

Về cơ bản, tác giả đã đúng khi đưa tin về dự án sử dụng hydrogen cho động cơ của xe hơi và cũng đúng khi đưa tin đã có xe chạy bằng nhiên liệu hydrogen ở châu Âu (thực ra thì ở Mỹ cũng đã có rồi), và về sự hiệp lực của các “ông lớn” trong ngành chế tạo xe hơi để hoàn thiện công nghệ và hạ tầng cho việc sử dụng đại trà xe hơi dùng nhiên liệu hydrogen trong tương lai không xa.

Tuy nhiên, bài viết của tác giả cũng có một vài điểm chưa thật chính xác, đặc biệt là về việc sử dụng hydrogen cho động cơ đốt trong như nhiều nước đang sử dụng gas tự nhiên cho xe buýt. Thực tế, động cơ của ôtô sử dụng hydrogen không phải là động cơ đốt trong, không đốt cháy hydrogen và không có piston chạy trong cylinder để làm quay “trục khuỷu”, mặc dù về lý thuyết thì việc dùng động cơ đốt trong là có thể. Động cơ hiện hữu của xe dùng nhiên liệu hydrogen đang hoạt động theo cách khác.

Hiện, loại xe hơi sử dụng nhiên liệu hydrogen được xếp vào loại “e-car” (xe điện), vận hành bằng một động cơ điện chạy bằng hydrogen, được gọi tên là “Hydrogen Fuel Cell Cars”. Tạm dịch là “Xe hơi có “động cơ” hydrogen”, thuật ngữ viết tắt thông dụng là “FCEV”. Còn ôtô điện, như xe của hãng Tesla là “Fuel Cell Battery Cars, hay Battery Electric Vehicles – Ôtô điện chạy bằng pin”- BEV. Để nhấn mạnh sự khác biệt giữa động cơ hydrogen với động cơ đốt trong và động cơ xe điện BEV (Electric cell), chúng ta lưu ý thuật ngữ “Hydrogen cell – Động cơ hydrogen” (tạm dịch).

Theo tài liệu của các hãng BMW và Ford, 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 hybrid điện-xăng.

Bình nhiên liệu hydrogen của xe cho phép nó chạy được khoảng 500 km, ắc-quy của xe cũng cho phép xe chạy xa gần bằng. Thời gian nạp đầy nhiên liệu hydrogen cho xe chỉ khoảng 5 phút.

Tóm tắt nguyên lý hoạt động, hydro từ thùng chứa của xe được đưa vào “động cơ hydrogen” để kết hợp với oxy trong một phản ứng hóa học tạo nhiệt và nước. Tuy nhiên, phản ứng giữa hydro và oxy lại cũng còn là một phản ứng sinh ra điện, và điện này được đưa đến động cơ điện (mô-tơ) đã làm quay các bánh xe. Khi xe chạy, động cơ điện này cũng hoạt động với chức năng một máy phát điện (dynamo) sinh ra điện xoay chiều, đưa điện qua máy nắn dòng để thành dòng điện một chiều để nạp cho ắc-quy của xe.

Một điểm đặc biệt của động cơ điện của loại xe này là nó cũng hoạt động được bằng điện một chiều từ ắc-quy, được chuyển đổi thành điện xoay chiều, khi “động cơ hydrogen” không hoạt động. Tuy nhiên, chính cái môtơ này đồng thời cũng là cũng là một máy phát (dynamo), tạo ra dòng điện để sạc điện cho ắc-quy, khi “buồng đốt” hoạt động. Đây cũng là điểm tương đồng của một chiếc FCEV, khi so với một chiếc xe hybrid xăng-điện hiện hành.

Một vài điều vẫn còn trong vòng bí mật, là chúng ta chưa thể biết rõ chi tiết về cơ cấu “động cơ hydrogen” của loại xe đang được đề cập, như nguyên lý hoạt động của “động cơ hydrogen”, hay kết cấu, vật liệu chế tạo “động cơ” này và nhiều điều khác nữa… Những bí mật công nghệ của các nhà sản xuất thì chắc chắn là không ai có thể dùng tiền mà mua được.

Theo quan điểm của Axel Ruecker, Giám đốc chương trình “Động cơ dùng nhiên liệu hydrogen” của BMW, chúng ta sẽ xem xét những ưu và nhược điểm của một chiếc FCEV, ở hai khía cạnh, đối với người sử dụng và đối với môi trường:

Ưu điểm đối với người sử dụng: (a) Không có tiếng ồn của động cơ “nổ”; (b) Thời gian nạp nhiên liệu nhanh như ôtô “truyền thống”, chỉ khoảng 5 phút, trong khi ở xe điện là từ 30 phút đến hàng giờ; (c) Hiện, xe FCEV đi được xa hơn xe điện BEV; (d) xe FCEV vận hành không phụ thuộc thời tiết, trời lạnh cũng vẫn có thể chạy bình thường; (e) Ngoài ra, qua các thử nghiệm đâm, va cho thấy các thùng chứa hydrogen của xe FCEV rất bền chắc, không bị nứt, vỡ và không có khí hydro thoát ra; và (f) một ưu điểm nữa của công nghệ xe FCEV là đã chứng tỏ rằng phản ứng hóa học giữa hydrogen và oxy trong “động cơ hydrogen” của xe luôn được kiểm soát chặt chẽ, không để xảy ra phản ứng cháy/nổ như mọi người có thể đã có ấn tượng qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm hồi còn ngồi trên ghế trường phổ thông. Cơ chế hoạt động của buồng đốt và hệ thống phân phối nhiên liệu, dẫn khí luôn an toàn cho người sử dụng và môi trường.

Nhược điểm đối với người sử dụng: theo quan điểm của người sử dụng là mạng lưới các trạm tiếp nhiên liệu hydrogen còn quá mỏng, trong khi việc nạp hydrogen cho xe phải được thực hiện bằng một loại trụ bơm đặc biệt. Cuối năm 2019, mới chỉ có 40 trạm ở Mỹ và khoảng 80 trạm ở Đức. Nước Đức đang có kế hoạch xây dựng một hệ thống gồm 130 trạm vào năm 2022, đủ để phục vụ cho khoảng 60.000 chiếc xe FCEV, và phần đấu để đạt tới 400 trạm vào năm 2025. Ngoài ra, giá thành xe còn quá cao.

Ưu điểm đối với môi trường: So với xe có động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch, FCEV không có khí thải CO2 độc hại cho môi trường, và cũng không có muội khói do nhiên liệu, chất phụ gia chưa cháy hết.

Nhược điểm và rủi ro khi sử dụng xe FCEV: (i) So với xe điện BEV, tuy xe FCEV sử dụng hydrogen không sử dụng nhiều điện năng, đặc biệt là nhiệt điện, như xe BEV cần có để sạc ắc-quy, nhưng vẫn phải cần điện (từ các nguồn khác với nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch) để sản xuất hydrogen, với công nghệ sản xuất hydrogen ngày càng tiên tiến, cho năng suất và hiệu quả cao; (ii) một nhược điểm nữa của công nghệ xe FCEV là vẫn còn phải dùng ắc-quy, giống như xe hybrid hay xe BEV, mặc dù khối lượng ắc-quy nhỏ hơn, vì vậy vẫn có rác thải (tuy ít hơn nhiều so với xe hybrid hay xe BEV), chính là ắc-quy hết hạn sử dụng.

Vai trò của công nghệ xe FCEV trong tương lai: hydrogen có thể đóng góp rất quan trọng cho sự phát triển bền vững của ôtô trong tương lai, nếu cơ sở hạ tầng cho việc tiếp, nạp hydrogen nhiên liệu được hoàn thiện và giá cả của hydrogen hợp lý hơn, đồng thời giá bán xe FCEV sẽ giảm thêm nhiều nữa. Trong những điều kiện thuận lợi như vậy xe FCEV sẽ là “công nghệ ô nhiễm bằng không”. Ước tính rằng từ nay tới năm 2040, thế giới sẽ có tổng cộng 2 tỷ xe hơi, trong khi nguồn dầu khí một ngày nào đó sẽ đến điểm tới hạn và vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng thêm trầm trọng. Điều đó buộc loài người phải chuyển sang sử dụng các loại xe điện dùng hydrogen tiết kiệm, an toàn hơn và không gây ô nhiễm.

Không chỉ có vậy, cũng với năng lượng mặt trời, và năng lượng gió, hydrogen cũng còn là một nguồn nhiên liệu sạch vô tận cho ngành công nghiệp sản xuất điện năng của thế giới trong tương lai.