Tại sao hydro lại thua trong cuộc đua cung cấp năng lượng cho ô tô sạch hơn?

Xe chạy bằng hydro được bán trên khắp thế giới. Nhưng nó dường như đang đi vào ngõ cụt, với giá nhiên liệu tăng cao, doanh số bán xe trì trệ và các trạm tiếp nhiên liệu đóng cửa.

Pin nhiên liệu hydro hoạt động bằng cách kết hợp hydro và oxy trong các phản ứng hóa học, tạo ra điện có thể cung cấp năng lượng cho xe cộ. Những chiếc xe này thường được quảng cáo là một lựa chọn giao thông thân thiện với khí hậu, trong một lĩnh vực rất cần nhiều sự lựa chọn hơn. Giao thông vận tải là một trong những vấn đề lớn nhất của thế giới khi nói đến biến đổi khí hậu. Lĩnh vực này chiếm khoảng 1/4 lượng khí thải toàn cầu. Vẫn còn những rào cản trong việc sử dụng xe điện làm giải pháp thay thế nhiên liệu hóa thạch, khiến nhiều người tiêu dùng lo lắng về phạm vi hoạt động, thời gian sạc và tình trạng thiếu bộ sạc.

Nhưng trong khi các phương tiện sử dụng pin nhiên liệu hydro đưa ra một giải pháp thay thế khác, thì công nghệ này phần lớn cũng không thu hút được sức hấp dẫn với nhiều người lái xe. 

Pin nhiên liệu hydro tụt dốc phía sau

Một thập kỷ trước, cuộc đua giới thiệu loại phương tiện phổ biến không phát thải là phần thắng thuộc về bất kỳ ai. Colin McKerracher, người đứng đầu nhóm nghiên cứu về vấn đề vận tải tại BloombergNEF, cho biết: “Quay trở lại những năm 2010, hai công nghệ điện và pin nhiên liệu đã được đề cập rất nhiều cùng một lúc”.

Tuy nhiên, ngày nay, pin rõ ràng là người dẫn đầu. Vào năm 2023, doanh số bán xe điện chạy pin trên toàn cầu đạt 10 triệu chiếc, cộng thêm khoảng 4 triệu xe plug-in hybrid. Trong cùng thời gian đó, chỉ có khoảng 14.000 xe chạy pin nhiên liệu được bán ra trên toàn thế giới. Điều đó có nghĩa là cứ mỗi chiếc xe chạy bằng hydro được bán ra thì có 1.000 chiếc chạy bằng pin được tung ra đường. Và khoảng cách ngày càng lớn, với doanh số bán xe điện tăng khoảng 1/3 vào năm 2023 và doanh số bán xe chạy bằng pin nhiên liệu lại giảm theo tỷ lệ tương tự.

Doanh số bán hàng tập trung ở một số thị trường nơi có nhiều trạm tiếp nhiên liệu. Các phương tiện này có thể được tìm thấy chủ yếu ở Trung Quốc, Hàn Quốc và Nhật Bản, cũng như ở Đức và Mỹ (gần như hoàn toàn ở California).

Bất chấp doanh số bán hàng tụt dốc, một số nhà sản xuất ô tô vẫn đứng về phía xe chạy pin nhiên liệu, đặc biệt là Toyota. Gill Pratt, nhà khoa học trưởng của Toyota, cho biết tại sự kiện Diễn đàn Kinh tế Thế giới năm 2023: “Chúng tôi đã nỗ lực nghiên cứu hydro trong một thời gian dài. Công ty tin tưởng vào hydro cho cả pin nhiên liệu và động cơ đốt trong”.

Phương tiện chở khách cần có cơ sở hạ tầng hỗ trợ. Đối với xe điện, đó là bộ sạc, trong khi xe chạy bằng hydro sẽ cần các trạm tiếp nhiên liệu. Vì vậy, sự khởi đầu thuận lợi cho pin có nghĩa là trọng tâm là chế tạo bộ sạc và một khi cơ sở hạ tầng cho một công nghệ được thiết lập, thì một lựa chọn thay thế có thể khó có được chỗ đứng hơn.

Giá thành cao

McKerracher cho biết một phần lý do khiến người tiêu dùng không đổ xô mua ô tô chạy bằng hydro là do giá thành của chúng.

Toyota Mirai 2024, một trong những loại xe chạy bằng hydro bán chạy nhất trên thị trường, có giá khoảng 50.000 USD hiện nay, đắt hơn so với các loại xe chạy bằng xăng và điện tương đương. Một số quốc gia đang hy vọng có thể có những hỗ trợ. Ở Hàn Quốc, chính quyền trung ương và địa phương đưa ra những ưu đãi về cơ bản có thể giảm một nửa chi phí của một chiếc xe chạy pin nhiên liệu mới cho người tiêu dùng.

Những người ủng hộ xe chạy bằng pin nhiên liệu cho rằng họ chỉ cần mở rộng quy mô khi doanh số bán hàng tăng, chi phí sẽ giảm.

Có một số tiền lệ cho kịch bản đó. Pin lithium-ion đã giảm giá khi sản xuất tăng quy mô. Sự khác biệt là trong trường hợp pin, chúng đã được chế tạo và sử dụng cho công nghệ thương mại; các tế bào được xâu chuỗi lại với nhau và đóng gói trong xe cùng loại với các tế bào cung cấp năng lượng cho các thiết bị cá nhân như máy ảnh. Tuy nhiên, không có gì có thể so sánh được với pin nhiên liệu, McKerracher nói.

Trong khi đó, nguồn cung cấp pin lithium-ion tiếp tục bùng nổ và giá pin lithium-ion đã giảm hơn 80% chỉ trong thập kỷ qua.

Đó không chỉ là chi phí của chiếc xe. Chi phí nhiên liệu cũng cao trong cùng một chuyến đi, nhiên liệu hydro sẽ đắt hơn điện hoặc thậm chí cả xăng.

Một phân tích gần đây từ ấn phẩm thương mại Hydrogen Insight cho thấy sau khi giá hydro ở California, Mỹ, tăng vọt, chi phí để lái một chiếc Toyota Mirai cao gần gấp 14 lần chi phí để lái một chiếc Tesla Model 3 (một loại xe điện tương đương) ở bang này. Các sự khác biệt không quá rõ ràng ở mọi nơi, nhưng xu hướng chung vẫn diễn ra trên toàn cầu cho thấy hydro là lựa chọn đắt tiền hơn.

Không có cơ sở hạ tầng

Một trong những điểm thu hút chính của xe chạy bằng pin nhiên liệu là tốc độ và sự dễ dàng nạp nhiên liệu tại các trạm. Tuy nhiên, việc xây dựng những trạm này đã được chứng minh là một thách thức.

Pratt của Toyota đã chỉ ra thách thức này tại sự kiện WEF, gọi cơ sở hạ tầng hydro là “vấn đề con gà và quả trứng”. Về cơ bản, ngày nay nhu cầu về phương tiện chạy bằng hydro rất ít vì không có đủ trạm tiếp nhiên liệu và cũng không có nhiều nhu cầu về trạm tiếp nhiên liệu vì có quá ít phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu trên đường.

Pratt cho hay: “Chúng tôi tin tưởng rằng cơ sở hạ tầng đang dần hình thành”.

Từ bộ sạc đến xe hybrid, đây là những điều bạn nên biết về tương lai của ngành giao thông vận tải.

Nhìn chung, cơ sở hạ tầng sử dụng nhiên liệu hydro đang có mức tăng trưởng khiêm tốn trên toàn cầu nhưng mọi thứ đang đi sai hướng ở một số thị trường trọng điểm, bao gồm cả vùng đất quan tâm đến hydro là California. Shell đã đóng cửa tất cả các trạm tiếp nhiên liệu hydro cho xe chở khách ở bang này vào đầu tháng này, mặc dù công ty vẫn sẽ vận hành một số trạm cho xe hạng nặng. Điều đó diễn ra sau những đợt đóng cửa tương tự trên toàn tiểu bang vào cuối năm 2023.

Xe chạy pin cũng bị cơ sở hạ tầng cản trở. Tuy nhiên, sự khác biệt lớn là có thể sạc xe hầu như ở bất cứ nơi nào có ổ cắm điện và điện cung cấp cho hầu hết các tòa nhà. Vì vậy, những người áp dụng sớm có một lựa chọn ngay cả khi không có bộ sạc nhanh công cộng, trong khi phương tiện chạy bằng hydro hoàn toàn phụ thuộc vào các trạm tiếp nhiên liệu, với tất cả các công việc hậu cần liên quan.

Công nghệ kém hiệu quả

Một vấn đề khác đối với pin nhiên liệu là chúng kém hiệu quả hơn pin. Khi chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác luôn có sự tổn thất. Trong trường hợp pin lithium-ion, điều đó có nghĩa là chuyển đổi điện thành năng lượng hóa học trong quá trình sạc và ngược lại trong quá trình xả. Khoảng 10% điện năng dùng để sạc pin bị thất thoát trong quá trình này, khiến hiệu suất chhir đạt khoảng 90%.

Geert de Cock, nhà quản lý điện và năng lượng tại Liên đoàn Giao thông và Môi trường Châu Âu cho biết, pin nhiên liệu hydro mất nhiều năng lượng hơn đáng kể. .

Sau đó, 20% điện năng đầu vào ban đầu khác bị mất trong quá trình chuyển đổi ngược lại, khiến toàn bộ quá trình đạt hiệu suất khoảng 50%.

Những tổn thất đó sẽ có tác động lâu dài đến giá cả và sự sẵn có của nhiên liệu hydro. Nếu bạn đang lựa chọn giữa việc sử dụng cùng một lượng năng lượng tái tạo để sạc trực tiếp cho xe điện và biến nó thành hydro để sử dụng trong phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu, thì sẽ có sự khác biệt lớn về mức độ sử dụng điện đó.

Hydro sạch đang bị thiếu hụt

Hiện tại, hydro không phải là giải pháp khử carbon, nó thực sự là một vấn đề, de Cock nói. Đó là bởi vì gần như tất cả hydro được sản xuất ngày nay (phần lớn được sử dụng cho hóa chất và phân bón cũng như trong các hoạt động dầu khí) đều được tạo ra bằng nhiên liệu hóa thạch. Vì vậy, mặc dù phương tiện sử dụng pin nhiên liệu không tự thải ra khí nhà kính nhưng việc sản xuất nhiên liệu hydro mà nó sử dụng lại gây ra một số ô nhiễm khí hậu.

Có nhiều cách phát thải thấp hơn để tạo ra nhiên liệu hydro, một số sử dụng thiết bị gọi là máy điện phân chạy bằng điện. Nếu nguồn điện đó đến từ các nguồn tái tạo, hydro có thể là một phương pháp ít carbon để lưu trữ và cung cấp năng lượng. Những nỗ lực sản xuất hydro khác đang được phát triển kết hợp thu hồi carbon, điều này cũng có thể làm giảm lượng khí thải liên quan đến nhiên liệu, mặc dù nhiều chuyên gia lo ngại về hiệu quả của những công nghệ đó. Nhưng trong cả hai trường hợp, có lẽ sẽ không có đủ phiên bản nhiên liệu có hàm lượng carbon thấp để sử dụng.

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, việc sản xuất hydro phát thải thấp có thể đạt 38 triệu tấn vào năm 2030, nếu tất cả các dự án ở giai đoạn đầu kết thúc như mong đợi. Đó là một phần đáng kể trong nhu cầu toàn cầu hiện nay, đạt 95 triệu tấn vào năm 2022.

Nhưng hydro có hàm lượng carbon thấp đang được coi là một giải pháp cho mọi ngành công nghiệp hiện nay, từ hàng không, vận tải biển đến công nghiệp nặng. Và xe chở khách thực sự có thể là một trong những cách sử dụng hydro sạch tồi tệ nhất, de Cock nói.

Về mức độ ưu tiên, ưu tiên hàng đầu sẽ là thay thế các mục đích sử dụng hydro hiện có, như sản xuất phân bón và các hóa chất khác. Tiếp theo là các ứng dụng công nghiệp nặng như sản xuất thép. Ông cũng cho rằng những thách thức khó giải quyết khác như các chuyến bay đường dài và các tuyến đường vận chuyển cũng cần được xem xét đối với việc cung cấp hydro.

Nhưng điều đó không có nghĩa là hydro hoàn toàn không được phép sử dụng trên đường. Nhiên liệu có thể hữu ích trong một lĩnh vực khó khăn hơn về mặt công nghệ: vận tải đường dài, hạng nặng. Tại sự kiện WEF, Pratt cho biết Toyota đặc biệt tập trung vào những mẫu xe này: “Chúng tôi thấy nó trong tương lai chủ yếu dành cho những mẫu xe lớn hơn, nơi thời gian sạc lại hoặc tiếp nhiên liệu rất quan trọng”.

Vì pin nặng nên chúng hạn chế tải trọng tiềm tàng mà những phương tiện như vậy có thể chở, vì vậy chúng không phải là một lựa chọn lý tưởng. Thời gian sạc lâu và sự khan hiếm bộ sạc công suất cao cần thiết để cung cấp năng lượng cho những cục pin lớn cũng là những rào cản.

Sergey Paltsev, phó giám đốc Chương trình chung của MIT về Khoa học và Chính sách Thay đổi Toàn cầu, cho rằng nếu hydro được sử dụng để vận chuyển đường bộ đường dài thì có khả năng tác động sẽ lan sang các phương tiện khác trên đường: “Nhưng điều đó sẽ không xảy ra chỉ sau một đêm”.