Công nghệ xe hydrogen, chi tiết nguyên lý và ưu nhược điểm

Công nghệ xe hydrogen là một loại xe ô tô sử dụng nhiên liệu hydrogen để cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Xe hydrogen có thể được phân loại thành hai loại chính: xe chạy nhiên liệu hydro bằng pin nhiên liệu (FCEV) và xe động cơ đốt trong sử dụng hydrogen (HICEV), cùng tìm hiểu kỹ trong bài viết dưới đây.

Xe hydrogen là gì?

Xe hydrogen là một loại xe ô tô sử dụng nhiên liệu hydrogen để cung cấp năng lượng cho động cơ điện. Hydrogen là một nguyên tố có khả năng mang nhiều năng lượng hơn bất kỳ nhiên liệu nào khác, và khi kết hợp với oxy trong không khí, nó chỉ tạo ra hơi nước và nhiệt làm sản phẩm phụ. Do đó, xe hydrogen được coi là một loại xe không phát thải, góp phần bảo vệ môi trường và giảm biến đổi khí hậu.

Công nghệ xe hydrogen có thể được phân loại thành hai loại chính, tùy thuộc vào cách sử dụng hydrogen để tạo ra năng lượng:

• Xe chạy hydro bằng pin nhiên liệu (FCEV): là loại xe sử dụng pin nhiên liệu để chuyển đổi hydrogen và oxy thành điện năng, rồi cung cấp cho động cơ điện. Pin nhiên liệu là một thiết bị có khả năng tạo ra điện năng liên tục, miễn là có đủ nhiên liệu và chất xúc tác. Pin nhiên liệu có nhiều loại khác nhau, nhưng loại phổ biến nhất là pin nhiên liệu proton trao đổi (PEMFC), có hiệu suất cao và khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp. Xe chạy bằng pin nhiên liệu có thể được coi là một loại xe điện lai, vì nó cũng có một bộ pin nhỏ để lưu trữ điện năng dự phòng hoặc hỗ trợ tăng tốc.

• Xe động cơ đốt trong sử dụng hydrogen (HICEV): là loại xe sử dụng động cơ đốt trong để đốt cháy hydrogen và oxy, rồi tạo ra năng lượng cơ để quay bánh xe. Động cơ đốt trong sử dụng hydrogen có thể được thiết kế dựa trên động cơ xăng hoặc diesel, nhưng phải được điều chỉnh để phù hợp với tính chất của hydrogen, như độ nhạy nổ cao, độ cháy nhanh, và nhiệt độ đốt cháy cao. Xe động cơ đốt trong sử dụng công nghệ xe hydrogen có thể được coi là một loại xe hybrid nối tiếp, vì nó cũng có một bộ pin hoặc một máy phát điện để cung cấp điện năng cho động cơ điện.

Xe hydrogen là gì? Phân loại 2 dòng xe hydro

Nguyên lý vận hành công nghệ xe hydrogen

Xe hydrogen có nguyên lý vận hành khác nhau tùy thuộc vào loại xe. Dưới đây là nguyên lý vận hành của hai loại xe hydrogen phổ biến nhất:

Xe chạy hydro bằng pin nhiên liệu (FCEV)

xe chạy công nghệ xe hydrogen bằng pin nhiên liệu có nguyên lý vận hành như sau:

Hydrogen được lưu trữ trong các bình áp suất cao, thường là 350 hoặc 700 bar, được gắn ở phần sau của xe. Khi cần năng lượng, hydrogen được đưa vào pin nhiên liệu ở cực âm (ánốt).

Oxy được lấy từ không khí bằng cách sử dụng một bộ nạp khí, được đưa vào pin nhiên liệu ở cực dương (catốt).

Trong pin nhiên liệu, hydrogen và oxy được kết hợp bằng cách sử dụng một chất xúc tác, thường là bạc hoặc bạch kim, để tạo ra điện năng, nước và nhiệt. Quá trình này được gọi là phản ứng điện hóa, có phương trình tổng quát như sau:

2H2​+O2​→2H2​O+4e−

Điện năng được tạo ra trong pin nhiên liệu được đưa vào một bộ điều khiển điện, để điều chỉnh điện áp và dòng điện phù hợp với nhu cầu của động cơ điện. Động cơ điện sử dụng điện năng để quay bánh xe và tạo ra chuyển động cho xe.

Nước và nhiệt được tạo ra trong pin nhiên liệu được thoát ra ngoài qua một hệ thống làm mát và xả. Nước có thể được lưu trữ lại để tái sử dụng hoặc thải ra môi trường. Nhiệt có thể được sử dụng để làm nóng hoặc làm mát xe, hoặc để tăng hiệu suất của pin nhiên liệu.

Nguyên lý vận hành xe chạy hydro bằng pin nhiên liệu

Xe động cơ đốt trong sử dụng hydrogen (HICEV)

 xe động cơ đốt trong công nghệ xe hydrogen sử dụng hydrogen có nguyên lý vận hành như sau:

Hydrogen được lưu trữ trong các bình áp suất cao, thường là 350 hoặc 700 bar, được gắn ở phần sau của xe. Khi cần năng lượng, hydrogen được đưa vào động cơ đốt trong qua một bộ phun nhiên liệu.

Oxy được lấy từ không khí bằng cách sử dụng một bộ nạp khí, được đưa vào động cơ đốt trong qua một bộ hút khí.

Trong động cơ đốt trong, hydrogen và oxy được đốt cháy bằng cách sử dụng một bugi hoặc một bộ nén để tạo ra năng lượng cơ, nước và nhiệt. Quá trình này được gọi là phản ứng hoá học, có phương trình tổng quát như sau:

2H2​+O2​→2H2​O+Q

Năng lượng cơ được tạo ra trong động cơ đốt trong của công nghệ xe hydrogen được truyền qua một hộp số và một trục truyền động để quay bánh xe và tạo ra chuyển động cho xe.

Nước và nhiệt được tạo ra trong động cơ đốt trong được thoát ra ngoài qua một hệ thống làm mát và xả. Nước có thể được lưu trữ lại để tái sử dụng hoặc thải ra môi trường. Nhiệt có thể được sử dụng để làm nóng hoặc làm mát xe, hoặc để tăng hiệu suất của động cơ.

Nguyên lý vận hành xe chạy bằng động cơ đốt hydro - (nguồn: Toyota)

Ưu nhược điểm của công nghệ xe hydrogen

Xe hydrogen có nhiều ưu nhược điểm so với các loại xe khác, như:

Ưu điểm của xe chạy bằng hydrogen

• Công nghệ xe hydrogen không phát thải khí nhà kính, chỉ tạo ra hơi nước và nhiệt làm sản phẩm phụ, góp phần bảo vệ môi trường và giảm biến đổi khí hậu.

• Xe hydrogen có khả năng mang nhiều năng lượng hơn bất kỳ nhiên liệu nào khác, cho phép xe chạy được xa hơn và lâu hơn với một lần nạp nhiên liệu.

• Xe hydrogen có thời gian nạp nhiên liệu nhanh hơn xe điện, chỉ mất khoảng 3 đến 5 phút để nạp đầy bình hydrogen, trong khi xe điện phải sạc pin từ nhiều giờ đến nhiều ngày.

• Xe hydrogen có thể sử dụng các nguồn hydrogen tái tạo, như nước, sinh khối, hoặc điện mặt trời, để sản xuất hydrogen bằng các phương pháp như điện phân, khử nhiệt, hoặc quang hợp, giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch.

Nhược điểm của xe chạy bằng hydrogen

• Xe hydrogen có chi phí cao hơn xe xăng hoặc xe điện, do công nghệ pin nhiên liệu và động cơ đốt trong sử dụng hydrogen còn mới và chưa phổ biến, cũng như do giá thành của hydrogen còn cao hơn các nhiên liệu khác.

• Xe hydrogen có hạ tầng phục vụ còn hạn chế, do số lượng trạm nạp hydrogen còn ít và chưa phủ sóng rộng rãi, cũng như do thiếu các tiêu chuẩn và quy định về an toàn và chất lượng của hydrogen.

• Xe có công nghệ xe hydrogen có nguy cơ gây cháy nổ cao hơn xe xăng hoặc xe điện, do hydrogen có độ nhạy nổ cao, độ cháy nhanh, và nhiệt độ đốt cháy cao, cần phải có các biện pháp bảo vệ và kiểm soát chặt chẽ.

• Xe hydrogen có ảnh hưởng đến môi trường nếu hydrogen được sản xuất từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch, như khí tự nhiên, than, hoặc dầu mỏ, bằng các phương pháp như cải tạo hóa học, khử hóa học, hoặc khử nhiệt, tạo ra nhiều khí nhà kính và ô nhiễm không khí.

Ưu nhược điểm của công nghẹ xe hydrogen

So sánh xe điện và xe hydrogen

Xe điện và xe hydrogen là hai loại xe không phát thải,  sử dụng năng lượng sạch và công nghệ tiên tiến để cung cấp cho động cơ điện. Tuy nhiên, xe điện và công nghệ xe hydrogen cũng có nhiều điểm khác biệt, như:

• Xe điện sử dụng pin để lưu trữ điện năng, trong khi xe hydrogen sử dụng hydrogen để tạo ra điện năng. Do đó, xe điện phải sạc pin thường xuyên, trong khi xe hydrogen chỉ cần nạp hydrogen khi cần.

• Xe điện có hiệu suất cao hơn xe hydrogen, do pin có độ mất mát năng lượng thấp hơn pin nhiên liệu hoặc động cơ đốt trong, cũng như do điện năng có thể được truyền và sử dụng dễ dàng hơn hydrogen.

• Xe điện có hạ tầng phục vụ tốt hơn xe sử dụng công nghệ xe hydrogen, do số lượng trạm sạc điện năng nhiều và phủ sóng rộng rãi hơn trạm nạp hydrogen, cũng như do có nhiều tiêu chuẩn và quy định về an toàn và chất lượng của điện năng.

• Xe điện có ảnh hưởng đến môi trường nếu điện năng được sản xuất từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch, như than, khí tự nhiên, hoặc dầu mỏ, bằng các phương pháp như đốt cháy, hạt nhân, hoặc thủy điện, tạo ra nhiều khí nhà kính và ô nhiễm không khí.

So sánh tổng quan xe điện và xe hydrogen

Thực tế ứng dụng xe hydrogen thế nào?

Xe hydrogen là một công nghệ tiên tiến và triển vọng, nhưng cũng còn nhiều thách thức và hạn chế để phát triển và ứng dụng rộng rãi. Hiện nay, có một số quốc gia và doanh nghiệp đang nghiên cứu và thử nghiệm xe hydrogen, như:

• Nhật Bản: là quốc gia dẫn đầu trong lĩnh vực công nghệ xe hydrogen, với mục tiêu trở thành xã hội hydrogen vào năm 2050. Nhật Bản đã phát triển và sản xuất nhiều mẫu xe hydrogen, như Toyota Mirai, Honda Clarity, hoặc Nissan Terra, và xây dựng nhiều trạm nạp hydrogen trên toàn quốc. Nhật Bản cũng đã sử dụng xe hydrogen để vận chuyển hành khách và hàng hóa, cũng như để phục vụ các sự kiện lớn, như Olympic Tokyo 2020.

• Đức: là quốc gia tiên phong trong lĩnh vực xe hydrogen ở châu Âu, với mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính và nâng cao an ninh năng lượng. Đức đã phát triển và sản xuất nhiều mẫu xe hydrogen, như Mercedes-Benz GLC F-Cell, BMW i Hydrogen Next, hoặc Audi H-Tron, và xây dựng nhiều trạm nạp hydrogen trên toàn quốc. Đức cũng đã sử dụng xe hydrogen để vận chuyển hành khách và hàng hóa, cũng như để phục vụ các dự án nghiên cứu và phát triển.

• Hoa Kỳ: là quốc gia có nhiều tiềm năng trong lĩnh vực công nghệ xe hydrogen, với sự hỗ trợ của chính phủ và tư nhân. Hoa Kỳ đã phát triển và sản xuất nhiều mẫu xe hydrogen, như Hyundai Nexo, Toyota Mirai, hoặc Honda Clarity, và xây dựng nhiều trạm nạp hydrogen ở một số bang, như California, Hawaii, hoặc New York. Hoa Kỳ cũng đã sử dụng xe hydrogen để vận chuyển hành khách và hàng hóa, cũng như để phục vụ các mục đích quân sự và vũ trụ.

Ứng dụng xe hydrogen trong thực tiễn

Đây là một số ví dụ về thực tế ứng dụng xe hydrogen trên thế giới, nhưng còn nhiều quốc gia và doanh nghiệp khác cũng đang theo đuổi và tham gia vào lĩnh vực này. Xe hydrogen là một công nghệ có tiềm năng lớn để cải thiện giao thông và năng lượng, nhưng cũng cần có sự đồng thuận và hợp tác giữa các bên liên quan, cũng như có sự đầu tư và nghiên cứu để giải quyết các vấn đề còn tồn tại. Hy vọng bạn đã hiểu thêm về công nghệ xe hydrogen qua bài viết của nuôi xe.