Những thách thức không phát thải nhấn mạnh thời gian tiếp nhiên liệu ngắn và phạm vi hoạt động xa hơn.
Trong khi các loại xe điện chạy bằng pin (BEV) như Tesla Model 3 chiếm ưu thế trong việc đề cập về các phương tiện không phát thải, các nhà sản xuất ô tô như Toyota, BMW và Hyundai đang phát triển các loại xe điện chạy bằng pin nhiên liệu thế hệ tiếp theo (FCEV). Giống như BEV, FCEV cũng hầu như không tạo ra khí thải độc hại — chúng chỉ thải ra hơi nước và không khí ấm. Tuy nhiên, không giống như BEV, FCEV có một điểm khác biệt quan trọng: ô tô chạy bằng hydro tự sản xuất điện.
FCEV chạy bằng hydro sử dụng hệ thống đẩy (hệ thống động lực) tương tự như của xe điện; năng lượng được lưu trữ dưới dạng hydro được chuyển đổi thành điện năng bởi pin nhiên liệu. Hydro được coi là một loại nhiên liệu thay thế theo Đạo luật Chính sách Năng lượng năm 1992 (Energy Policy Act of 1992) và đủ điều kiện nhận các khoản tín dụng thuế phương tiện chạy bằng nhiên liệu thay thế.
Trong một báo cáo được công bố gần đây có tiêu đề “Thị trường xe điện dùng pin nhiên liệu (FCEV), Phân tích ngành toàn cầu, Quy mô thị trường, Cơ hội và Dự báo, 2020-2027” (“Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) Market, Global Industry Analysis, Market Size, Opportunities and Forecast, 2020 – 2027”), Nghiên cứu và Tư vấn Acumen ước tính rằng thị trường FCEV toàn cầu được dự đoán sẽ tăng trưởng với tốc độ CAGR là khoảng 38% về doanh thu trong giai đoạn dự báo 2020-2027.
Tùy thuộc vào trạm sạc và dung lượng pin, BEV có thể cần vài giờ để sạc đầy. Mặt khác, các bình chứa hydro của ô tô chạy bằng pin nhiên liệu có thể được nạp đầy lại và sẵn sàng hoạt động trở lại trong vòng chưa đầy năm phút. Một báo cáo của IDTechEx về “Ô tô điện tiên tiến” lưu ý rằng các mẫu ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hàng đầu là Toyota Mirai với phạm vi 300 dặm và Hyundai Nexo với phạm vi 413 dặm. Đầu năm 2020, Tesla đã tiết lộ một phạm vi 400 dặm (EPA) Model S, để đáp ứng với sự cạnh tranh từ đối thủ Lucid Motors, mà sau này công bố sedan Lucid Air BEV sẽ là chiếc xe sản xuất đầu tiên với 500 dặm phạm vi điện. Vì vậy, lợi thế về phạm vi mà xe ô tô chạy bằng pin nhiên liệu đã tuyên bố có thể chỉ tồn tại trong thời gian ngắn.
Mirai thế hệ đầu tiên được Toyota giới thiệu vào năm 2014 là một chiếc sedan bốn cửa, có tốc độ là 111 mph và thời gian tăng tốc 0-62 mph trong 9.6 giây, với một phạm vi 300 dặm từ 5 kg hydro được lưu trữ tại áp suất 10.000 psi trong hai bể chứa dưới phía sau ghế ngồi. Việc tiếp nhiên liệu mất năm phút. Toyota sản xuất thùng chứa bằng sợi carbon, cũng như pin nhiên liệu công suất 153 bhp, mô-men xoắn 247-lb-ft.
Trong đó, mẫu xe dẫn động cầu trước trước đây dựa trên nền tảng được chia sẻ với các mẫu xe cũ hơn là RAV4, Corolla và Prius, Mirai thế hệ thứ hai mới có nền tảng dẫn động cầu sau dựa trên Kiến trúc Thế hệ mới của Toyota (Toyota New Generation Architecture).
Pin nhiên liệu mới và thiết lập khác
Pin nhiên liệu Toyota cũng đã được thay đổi. Hiện giờ là ba bình hydro thay vì hai, được gắn theo hình chữ T với một bình dài dọc theo đường chính giữa và hai bình nằm dưới và sau hàng ghế sau. Giữa chúng chứa tối đa 5,6 kg khí hydro được nén đến 10.000 psi (~689.48 bar).
Mirai mới có thiết lập pin nhiên liệu hydro nhỏ gọn và hiệu quả hơn. Ngăn xếp pin nhiên liệu 24 lít bao gồm 330 tế bào pin tạo ra công suất điện 128 kW. Điều đó so với mô hình tiền nhiệm với ngăn xếp 33 lít và 370 tế bào pin sản xuất ra 114 kW. Bộ phận động lực nhỏ hơn cũng có nghĩa là các kỹ sư của Toyota đã có thể di chuyển nó từ phía sau về phía trước, giúp phân bổ trọng lượng, kiểu dáng và cân bằng.
Với ít tế bào pin và công suất lớn hơn, Toyota Mirai thế hệ 2 hiệu quả hơn về không gian trên mỗi kilowatt và công suất đầu ra trên mỗi tế bào pin. Các tế bào nhiên liệu cung cấp động cơ truyền động chính mới, mạnh mẽ hơn (179 bhp/221 lb-ft). Thời gian tăng tốc từ 0 đến 62 dặm/giờ của nó giảm xuống còn 9,2 giây; tốc độ tối đa cũng thấp hơn một chút ở mức 109 dặm/giờ. Toyota đã áp dụng lithium-ion cho pin đệm, giúp cải thiện khả năng cung cấp năng lượng của pin nhiên liệu và thu hồi năng lượng phanh. Đơn vị tí hon này có công suất năng lượng là 1,24 kWh.
Chiếc Mirai mới lớn hơn và có phạm vi xa hơn đáng kể khoảng 390 dặm trong điều kiện thực tế. Nó dự kiến sẽ được bán ra vào năm 2021 với mức giá hứa hẹn sẽ thấp hơn 20% so với bản tiền nhiệm của nó để khuyến khích những gì Toyota dự đoán sẽ là doanh số bán hàng toàn cầu tăng gấp 10 lần từ khoảng 3.000 đến 30.000 chiếc một năm.
Sản xuất hydro
Sản xuất hydro cần năng lượng điện. Năng lượng điện này được sử dụng để điện phân nước thành các nguyên tố cấu thành của nó, hydro và oxy, thông qua quá trình điện phân. Nếu điện được sử dụng đến từ các nguồn năng lượng tái tạo, thì việc sản xuất hydro có lượng khí thải carbon trung tính.
Loại pin nhiên liệu phổ biến nhất cho các ứng dụng trên xe là pin nhiên liệu polyme-chất điện phân-màng (polymer-electrolyte-membrane PEM). Pin nhiên liệu PEM không phải là mới, đã cung cấp năng lượng cho dự án vũ trụ Gemini của NASA vào những năm 1960.
Trong pin nhiên liệu PEM, một màng điện phân được kẹp giữa điện cực dương (cathode cực âm) và điện cực âm (anode cực dương). Hydro được đưa vào anode và ôxy (từ không khí) được đưa vào cathode. Các phân tử hydro phân tách thành proton và electron do phản ứng điện hóa trong chất xúc tác pin nhiên liệu. Sau đó, proton đi qua màng đến cathode.
Các phát triển pin nhiên liệu hydro khác
Đã nghiên cứu về pin nhiên liệu trong hơn bốn thập kỷ và hợp tác với Toyota từ năm 2013, BMW cũng đang nghiên cứu công nghệ pin nhiên liệu hydro. Một phiên bản mới của BMW X5 SUV, được gọi là i Hydrogen NEXT, sẽ được phát hành bắt đầu từ năm 2022 với Toyota cung cấp pin nhiên liệu.
BMW i Hydrogen NEXT là một chiếc EV có hai bình chứa hydro 700 bar được bố trí gần đúng vị trí của đường hầm truyền động và dưới ghế sau. Hệ thống truyền động sẽ trộn hydro từ bình chứa với oxy để tạo ra điện, cung cấp năng lượng cho hệ dẫn động EV 170 mã lực của chiếc SUV. BMW i Hydrogen NEXT cũng sẽ có một pin nhỏ phía trên động cơ điện, cung cấp công suất kết hợp đỉnh 374 mã lực.
BMW i Hydrogen NEXT theo kế hoạch, được cung cấp liên tục bằng hydro từ bình CFRP, sẽ tạo ra năng lượng điện lên tới 125 kW cho động cơ điện đặt ở trục sau. Hai bồn chứa cùng nhau chứa sáu kg hydro, đảm bảo phạm vi hoạt động xa trong mọi điều kiện thời tiết — với thời gian tiếp nhiên liệu chỉ từ ba đến bốn phút.
Nếu bạn đang muốn mua một chiếc SUV chạy bằng pin nhiên liệu hydro ngay bây giờ, thì lựa chọn duy nhất là Hyundai Nexo 2021. Nexo có lợi thế về không gian chở hàng so với các đối thủ chạy pin nhiên liệu gần nhất, đều là những chiếc sedan.
Chỉ với một lần nhấn nút Smart Key, Nexo Fuel Cell sẽ trở thành người phục vụ cá nhân. Được hướng dẫn bởi cảm biến 360 độ, nó có thể tự động đỗ xe trong không gian song song hoặc vuông góc với người lái bên trong — hoặc bên ngoài xe. Bạn cũng có thể sử dụng các điều khiển key-fob để di chuyển nó về phía sau và tiến từ xa.
phạm vi lái xe lên đến 380 dặm cho một lần tiếp nhiên liệu, tại Mỹ, tiểu bang duy nhất mà cung cấp một cơ sở hạ tầng hydro tiếp nhiên liệu là California. Như một phần thưởng, người lái xe sẽ có thể lái xe với nhiên liệu miễn phí trong tối đa ba năm; Hyundai ném vào khoản nhiên liệu trị giá 13.000 USD như một phần của thỏa thuận.
Nexo tự hào có công suất 161 mã lực và mô-men xoắn 291 lb-ft. Nó hiện có sẵn và có thể được cho thuê với giá $ 379 (Blue model) hoặc $ 449 (Limited model) trong 36 tháng. Ngoài ra, năm đầu tiên được bảo trì miễn phí.
Vào tháng 2 năm 2020, Hyundai công bố mở rộng quan hệ đối tác với Bộ Năng lượng Hoa Kỳ để hỗ trợ Chương trình Tế bào Nhiên liệu và Hydro DoE (DoE Hydrogen and Fuel Cells Program). Nó giải quyết các rào cản kỹ thuật và hoạt động để thúc đẩy sự phát triển của công nghệ hydro và pin nhiên liệu trong một loạt các ứng dụng và lĩnh vực.
Murray Slovick
