IUH - Báo cáo tiểu luận Năng lượng mới trên ô tô - Phân tích tiềm năng sử dụng HIDRO trong động cơ đốt trong IUH - Báo cáo tiểu luận Năng lượng mới trên ô tô - Phân tích tiềm năng sử dụng HIDRO trong động cơ đốt trong IUH - Báo cáo tiểu luận Năng lượng mới trên ô tô - Phân tích tiềm năng sử dụng HIDRO trong động cơ đốt trong IUH - Báo cáo tiểu luận Năng lượng mới trên ô tô - Phân tích tiềm năng sử dụng HIDRO trong động cơ đốt trong IUH - Báo cáo tiểu luận Năng lượng mới trên ô tô - Phân tích tiềm năng sử dụng HIDRO trong động cơ đốt trong
Giới thiệu chung về hydro
Hydro (H₂) là nguyên tử nhẹ nhất và phổ biến nhất trong vũ trụ Dưới điều kiện tiêu chuẩn (0 °C, 1 atm), hydro tồn tại ở dạng khí với khối lượng riêng rất thấp và mang những đặc tính vật lý – hóa học nổi bật Nó không màu, không mùi, không vị, và khuếch tán nhanh hơn nhiều so với các khí khác.
Về mặt hóa học, phân tử hydro (H₂) có liên kết đơn giữa hai nguyên tử và cần năng lượng đáng kể để tách thành nguyên tử riêng lẻ Hydro trong tự nhiên hầu như không tồn tại ở dạng nguyên tố tự do mà chủ yếu liên kết trong các hợp chất như H₂O, các hydride và các hợp chất hữu cơ Do đó, để sử dụng hydro làm nhiên liệu, cần tách hydro ra khỏi các hợp chất này thông qua các phương pháp sản xuất khác nhau.
Một điểm nổi bật của hydro là năng lượng riêng (theo khối lượng) rất cao
Năng lượng chứa trong hydro trên mỗi kilogram nhiên liệu có thể vượt hầu hết các nhiên liệu truyền thống Tuy nhiên, nhược điểm lớn là mật độ năng lượng theo thể tích của hydro rất thấp, nên để chứa đủ năng lượng, thể tích lưu trữ hoặc áp suất lưu trữ hydro phải rất lớn hoặc phải dùng các công nghệ lưu trữ đặc biệt Xem tổng quan về các đặc tính và thách thức lưu trữ hydro trong các nghiên cứu gần đây để có cái nhìn toàn diện.
Hydro thường được mệnh danh là “vectơ năng lượng” — tức nó là một
Hydro đóng vai trò như một trung gian trong chuỗi chuyển đổi năng lượng: nguồn tái tạo như gió và mặt trời được dùng để điện phân nước, tạo ra hydro; hydro được vận chuyển và lưu trữ, và khi cần thiết có thể được chuyển đổi thành điện hoặc nhiệt để phục vụ tiêu dùng, giúp tối ưu hóa việc khai thác nguồn năng lượng tái tạo và giảm phát thải carbon.
Các phương pháp sản xuất hydro và tác động môi trường
Để dùng hydro làm nhiên liệu, công nghệ và quy trình sản xuất xác định hiệu suất cũng như mức phát thải CO₂ liên quan Hydro được phân loại theo màu sắc—xám, xanh lam, xanh lá cây và các biến thể khác—nhằm phản ánh nguồn gốc và mức độ phát thải của quá trình sản xuất, từ đó giúp so sánh tính bền vững và tối ưu hóa chuỗi cung ứng nhiên liệu hydro.
Hydro xám là loại hydro được sản xuất từ khí tự nhiên thông qua quá trình Steam Methane Reforming (SMR) Quá trình này thường kèm theo phát thải CO₂, khiến hydro xám có mức phát thải carbon cao so với các loại hydro khác Do chi phí sản xuất thấp, hydro xám hiện là phương pháp phổ biến nhất để sản xuất hydro trên thị trường.
Hydro xanh lam (blue hydrogen): cũng từ SMR nhưng có thêm xử lý bắt giữ carbon (Carbon Capture and Storage – CCS) để giảm lượng CO₂ thải ra
Hydro xanh là hydrogen được tạo ra từ điện phân nước, sử dụng nguồn điện từ năng lượng tái tạo như gió và năng lượng mặt trời, nhờ vậy quá trình sản xuất hầu như không thải CO₂ Đây là một hướng đi tiềm năng để đạt mục tiêu net-zero trong chuỗi giá trị và thúc đẩy chuyển đổi decarbon hóa giữa các ngành công nghiệp Việc kết hợp điện phân với nguồn tái tạo giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và tăng tính bền vững của hệ thống năng lượng Để có cái nhìn tổng quan, tham khảo bài tổng quan về sản xuất hydro xanh.
Mỗi phương pháp sản xuất hydro có ưu nhược điểm riêng: SMR dễ triển khai và chi phí thấp nhưng gây phát thải CO2; điện phân xanh là phương pháp sạch nhưng chi phí cao và đòi hỏi nguồn điện từ năng lượng tái tạo dồi dào; việc xây dựng và vận hành nhà máy điện phân quy mô lớn còn đối mặt với nhiều thách thức về kỹ thuật và chi phí Xem tổng quan về các công nghệ sản xuất hydro để hiểu rõ hơn.
Vận chuyển và lưu trữ hydro từ nhà máy đến nơi sử dụng gây tác động môi trường đáng kể do tiêu hao năng lượng và nguy cơ rò rỉ, đồng thời đi kèm chi phí cao Những yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế và tính bền vững của chu trình sản xuất hydro Để hiểu rõ hơn về các thách thức và giải pháp lưu trữ và vận chuyển hydro, xem bài phân tích lưu trữ và vận chuyển.
Hai con đường công nghệ chính sử dụng hydro trong giao thông
Động cơ đốt trong sử dụng hydro (Hydrogen ICE, viết tắt H₂- ICE)
Xe sử dụng pin nhiên liệu hydro (Fuel Cell Electric Vehicle – FCEV hoặc H₂-FCEV)
Nguyên lý hoạt động của Hydrogen ICE
Trong hệ thống Hydrogen ICE, hydro được đưa vào buồng đốt của động cơ gần như tương tự động cơ đốt xăng/diesel, nơi hydro phối hợp với oxy từ không khí và bị đốt cháy để sinh nhiệt năng Nhiệt năng này đẩy piston, tạo công cơ học và truyền tới hệ truyền động của xe.
Một số điểm chú ý trong thiết kế H₂-ICE:
Hệ quản lý nhiên liệu (tối ưu tỉ lệ hòa khí hydrogen – không khí) cần được điều chỉnh khác so với xăng
Để tối ưu hiệu suất đốt và đảm bảo an toàn khi dùng hydro, cần có hệ thống đánh lửa (bugi) và kiểm soát trước đánh lửa (ignition timing) Hydro có thời gian cháy ngắn và tốc độ lan truyền ngọn lửa khác với xăng, nên thời điểm đánh lửa phải được điều chỉnh phù hợp để tối ưu quá trình cháy và giảm tổn thất công suất, đồng thời hạn chế rung động.
Vì hydro không chứa cacbon, khi cháy trong điều kiện lý tưởng sẽ tạo thành nước (H₂ + ẵ O₂ → H₂O); tức khụng phỏt thải CO₂ trực tiếp
Ở nhiệt độ cao và điều kiện cháy, NOx (nitơ oxit) có thể hình thành từ phản ứng của nitơ trong không khí Để giảm NOx, cần các giải pháp như kiểm soát nhiệt độ đốt, sử dụng hệ xúc tác làm mát, hoặc xử lý khí thải sau đốt.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của động cơ đốt trong, kể cả khi dùng hydro, vẫn bị giới hạn bởi định luật Carnot, ma sát và các tổn thất nhiệt Ưu điểm của H₂-ICE là tính quen thuộc của công nghệ động cơ đốt trong đã phổ biến, khả năng tận dụng phần nào hạ tầng kỹ thuật hiện có (xưởng, quy trình sản xuất động cơ) và cấu trúc đơn giản hơn so với một số thiết bị điện – điện hóa Nhờ đó, H₂-ICE được xem là lựa chọn thực tế để kết hợp nguồn nhiên liệu sạch với hệ thống sản xuất và bảo dưỡng hiện có, đồng thời vẫn có thể tối ưu hóa hiệu suất và chi phí vận hành tùy theo điều kiện vận hành và thiết kế động cơ.
Hydrogen làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong (ICE) mang lại một số nhược điểm so với công nghệ chuyển đổi điện hóa như tế bào nhiên liệu: hiệu suất của ICE chạy bằng hydro thấp hơn và việc kiểm soát NOx gặp khó khăn Bên cạnh đó, các thách thức kỹ thuật liên quan đến đánh lửa, hòa khí và ổn định cháy đòi hỏi thiết kế động cơ và hệ thống phun nhiên liệu tinh vi hơn Các nghiên cứu gần đây, điển hình như bài viết "Hydrogen as Fuel for ICEs: State of Art and Technological Challenges", phân tích chi tiết nhiều vấn đề này và gợi ý các hướng nghiên cứu nhằm tối ưu hóa tiềm năng của hydro làm nhiên liệu cho ICE đồng thời giảm thiểu nhược điểm.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống pin nhiên liệu hydro (FCEV)
Trong xe FCEV, hydro không được đốt cháy trực tiếp mà được đưa vào pin nhiên liệu (fuel cell), nơi diễn ra phản ứng điện hóa giữa hydro và oxy Nguyên tử hydro phân ly thành ion H⁺ và electron; electron di chuyển qua mạch ngoài tạo dòng điện cung cấp năng lượng cho xe, còn ion H⁺ di chuyển qua màng điện phân và kết hợp với oxy và electron tại cực đối diện để tạo nước Phản ứng tổng là 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Xe FCEV là một xe điện cơ bản, trong đó dòng điện được tạo ra bởi pin nhiên liệu để cấp cho mô-tơ điện và truyền lực tới bánh xe.
Một số đặc điểm quan trọng:
Hiệu suất chuyển từ hóa năng sang điện năng cao hơn so với đốt — thường khoảng 40–60 % trong điều kiện lý tưởng (có thể cao hơn tùy cấu trúc)
Do pin nhiên liệu khởi động chậm, xe FCEV thường được trang bị thêm một pin điện (battery) để hỗ trợ gia tốc, đáp ứng nhanh các tải đột biến và tối ưu hóa quá trình xử lý năng lượng tái sinh thông qua hệ thống phanh tái sinh Hệ thống pin kép này nâng cao hiệu suất động cơ, mang lại cảm giác lái ổn định và tiết kiệm nhiên liệu hơn, đồng thời đảm bảo nguồn điện dự phòng cho các tác vụ phụ trợ và điều khiển động cơ khi tải trọng tăng lên.
Hệ truyền động điện đơn giản hơn, ít thành phần cơ khí chuyển động so với động cơ đốt trong — giúp giảm hao mòn, tiếng ồn, và bảo trì
Khí thải sau phản ứng là nước; do đó FCEV được xem như gần “không phát thải” nếu hydro sử dụng là sạch (green hydrogen)
Các xe chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) có nhiều ưu điểm nhưng cũng đối mặt với một số hạn chế quan trọng Chi phí cao do pin nhiên liệu sử dụng vật liệu đắt như platinum ảnh hưởng đến giá thành và tính cạnh tranh Bên cạnh đó, độ bền và tuổi thọ của công nghệ này vẫn là thách thức, cùng với việc quản lý nhiệt và độ ẩm trong tế bào, hệ thống xử lý khí và yêu cầu an toàn cho lưu trữ và xử lý hydro Hạ tầng tiếp nhiên liệu cũng chưa phổ biến, với số trạm hydrogen hạn chế, làm phức tạp việc triển khai FCEV trên diện rộng.
A comparison of H2-ICE and FCEV from the article "Hydrogen-Powered Vehicles: Comparing the Powertrain" shows that FCEVs achieve substantially higher efficiency than internal combustion engines when using the same amount of hydrogen, but cost and infrastructure remain major challenges.
So Sánh Động Cơ Đốt Trong Hydro (Hydrogen ICE) Và Pin Nhiên Liệu Hydro (FCEV)
Nhược điểm của Hydrogen ICE so với FCEV
2.2.1 Hiệu suất năng lượng thấp hơn
Hiệu suất năng lượng tổng thể (well-to-wheel efficiency) của H₂-ICE chỉ đạt khoảng 40–45%, trong khi hệ thống pin nhiên liệu có thể đạt hiệu suất khoảng 55–60%
Nguyên nhân chính là trong động cơ đốt trong phần lớn năng lượng bị thất thoát dưới dạng nhiệt, khiến hiệu suất thấp và tiêu hao nhiên liệu cao Ngược lại, FCEV chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học thành điện năng thông qua phản ứng điện hóa, hạn chế hao tổn nhiệt và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.
Hình 2.2.1/ Quá trình cháy và phần năng lượng bị mất (tổn hao)
2.2.2 Phát thải NOₓ do nhiệt độ cháy cao
Mặc dù hydrogen không chứa carbon và không tạo CO₂ trong quá trình cháy, nhưng nhiệt độ đỉnh cao (~2300–2500 °C) dẫn đến phản ứng giữa nitơ (N₂) và oxy (O₂) trong không khí, tạo thành oxit nitơ (NOx); theo Hall & Jiang (2024), phát thải NOx trong H2-ICE tăng mạnh khi vận hành ở chế độ stoichiometric, nhưng có thể giảm đáng kể nếu sử dụng chiến lược “lean burn” hoặc phun muộn (late injection) Các giải pháp kỹ thuật như tuần hoàn khí xả (EGR) hoặc hệ thống xử lý SCR được khuyến nghị để giảm phát thải NOx.
Hình 2.2.2/ Mối quan hệ giữa áp suất cháy và lượng phát thải NOₓ trong động cơ hydrogen-ICE
2.2.3 Khó đạt phát thải CO₂ bằng 0 tuyệt đối
Hydrogen là nhiên liệu không carbon, nhưng một lượng nhỏ CO₂ có thể phát sinh từ sự cháy không hoàn toàn của dầu bôi trơn trong xi-lanh hoặc từ hơi dầu bị đốt ở nhiệt độ cao, khiến H₂-ICE không hoàn toàn loại bỏ CO₂ trong khí thải.
“zero-carbon”, mà chỉ đạt mức phát thải rất thấp (near-zero) nếu không sử dụng hệ thống tách dầu tiên tiến
2.2.4 Tiếng ồn và rung động
Giống với động cơ piston truyền thống, H₂-ICE vẫn gây tiếng ồn cơ học và rung động đáng kể do sự tồn tại của cơ cấu piston-trục khuỷu và chu kỳ nổ-nén-xả Ngược lại, FCEV vận hành êm ái gần như tuyệt đối nhờ chỉ dùng mô-tơ điện, không có quá trình đốt cháy, giúp giảm thiểu tiếng ồn và mài mòn cơ học.
Hình 2.2.3/ Chu kỳ nạp-nén-nổ-xả của ICE
CÁC THÁCH THỨC LỚN ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ ĐỐT
Thách thức về lưu trữ hydro
3.1.1 Mật độ năng lượng thể tích thấp
Hydro có mật độ năng lượng thể tích rất thấp, khoảng 0.01079 MJ/L ở điều kiện tiêu chuẩn, thấp hơn xăng tới khoảng 3.000 lần Vì vậy, để đọng được lượng năng lượng cần thiết cho xe, lưu trữ hydro phải ở áp suất cao (khoảng 350–700 bar) hoặc ở nhiệt độ cực thấp (-253°C) Trong cả hai trường hợp, khối lượng và chi phí bình chứa tăng lên đáng kể, đặc biệt khi dùng vật liệu composite để đảm bảo an toàn và giảm trọng lượng xe.
Các nghiên cứu cho thấy mật độ năng lượng thấp không chỉ ảnh hưởng đến phạm vi di chuyển của xe (range) mà còn tác động đến thiết kế hệ thống cấp nhiên liệu và phân bố trọng lượng trên xe Điều này đòi hỏi các giải pháp tối ưu hóa vị trí nguồn năng lượng, cấu trúc hệ thống cấp nhiên liệu và bố trí khung sườn để duy trì hiệu suất và an toàn Trong bối cảnh xe điện và các nguồn năng lượng thay thế, mật độ năng lượng cao có thể kéo dài phạm vi di chuyển và cải thiện sự cân bằng tải trọng, trong khi mật độ thấp cần các điều chỉnh thiết kế để bù đắp hạn chế này.
Hình 3.1.1/ Cấu tạo bình chứa cơ bản
3.1.2 Các công nghệ lưu trữ hiện nay
Ba hướng lưu trữ hydro chính đang được nghiên cứu gồm:
Lưu trữ ở 350–700 bar trong bình composite (Type IV) Ưu điểm: công nghệ trưởng thành, đã được sử dụng trong nhiều mẫu xe (như Toyota Mirai, Hyundai Nexo)
Hạn chế: chi phí chế tạo bình cao (vật liệu carbon fiber), rủi ro nứt và thấm khí
Lưu trữ ở -253°C, mật độ thể tích cao hơn ~70% so với khí nén
Tuy nhiên, hệ thống yêu cầu bình cryogenic đắt đỏ và gặp vấn đề bay hơi (boil-off), gây mất mát năng
Lưu trữ hấp phụ / vật liệu kim loại (Metal Hydrides, MOFs):
Hấp phụ hydro trong cấu trúc tinh thể kim loại hoặc khung hữu cơ (MOF, carbon nanotube)
Mặc dù hứa hẹn an toàn và mật độ năng lượng cao, công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, chi phí vật liệu còn cao
Hình 3.1.2/ Các công nghệ lưu trữ hiện nay
Hình 3.1.3/ Cấu tạo của bình lưu trữ loại IV
3.1.3 Tác động đến ứng dụng động cơ H₂-ICE Đối với H₂-ICE, các yêu cầu về lưu trữ nghiêm ngặt hơn so với FCEV vì lượng hydro tiêu thụ thường lớn hơn (~15–25% so với FCEV cùng quãng đường) do hiệu suất thấp hơn Do đó, việc tối ưu hóa khối lượng và thể tích bình chứa là yếu tố rất quan trọng trong thiết kế xe tải, xe buýt và máy công nghiệp
Thách thức về an toàn
3.2.1 Tính chất nguy hiểm của hydro
Hydro là chất khí cực kỳ dễ cháy nổ, có dải giới hạn cháy rộng từ 4% đến 75% thể tích trong không khí và năng lượng kích nổ rất thấp, khoảng 0,02 mJ, thấp hơn xăng gần 10 lần Đặc biệt, hydro không màu, không mùi và có tốc độ khuếch tán cao, khiến việc phát hiện rò rỉ trở nên khó khăn nếu không có cảm biến chuyên dụng.
Ngoài ra, khi cháy, ngọn lửa hydro gần như trong suốt, khó quan sát bằng mắt thường, tạo thêm nguy cơ cho người vận hành.
Hình 3.2.1/ Cách hydro thoát ra và lan truyền
3.2.2 Biện pháp đảm bảo an toàn Để giảm thiểu rủi ro, các phương pháp sau được khuyến nghị trong hệ thống H₂-ICE:
Cảm biến rò rỉ hydro: đặt gần các vị trí có nguy cơ cao (bình chứa, ống dẫn, kim phun)
Van an toàn và hệ thống thoát khí: cho phép xả hydro ra ngoài an toàn khi áp suất vượt ngưỡng
Bình chứa composite Type IV: được thiết kế chịu va đập, chống nứt và hạn chế thấm khí
Thông gió bắt buộc là biện pháp thiết yếu để ngăn hydro tích tụ trong khoang động cơ và cabin, từ đó giảm thiểu rủi ro và tăng độ an toàn cho hệ thống Để đảm bảo hiệu quả, cần đào tạo vận hành bài bản và thực hiện quy trình bảo trì chuyên biệt, đặc biệt trong môi trường công nghiệp nơi kiểm soát chất khí và điều kiện làm việc khắc nghiệt là yêu cầu hàng đầu.
Các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 19880 (Hydrogen Refueling Infrastructure) và SAE J2579 (Hydrogen Vehicle Fuel Systems) đang được áp dụng rộng rãi cho cả FCEV và H₂-ICE
Hình 3.2.2/ Mật độ hydro trong môi trường kín và có thông gió
Thách thức về cơ sở hạ tầng
3.3.1 Thiếu trạm tiếp nhiên liệu hydro
Đến cuối năm 2024, toàn cầu có khoảng 1.200 trạm tiếp nhiên liệu hydro, tập trung chủ yếu ở Nhật Bản, Đức, Hàn Quốc và Mỹ Để hỗ trợ quy mô thương mại hóa cho cả FCEV và H₂-ICE, cần tối thiểu 10.000 trạm nạp vào năm 2035 Chi phí đầu tư trung bình cho một trạm 700 bar khoảng 1,5–2,5 triệu USD.
Với H2-ICE, nhu cầu tiêu thụ hydro cao hơn so với FCEV do hiệu suất thấp hơn, nên áp lực lên hạ tầng cung cấp hydro tăng lên Áp lực này đặc biệt rõ ở các ứng dụng tải nặng và tại khu vực xa đô thị, nơi mạng lưới phân phối cần được mở rộng và tối ưu hóa để đảm bảo nguồn hydro ổn định Do đó, phát triển hạ tầng hydro cho H2-ICE đòi hỏi kế hoạch đầu tư và chiến lược phân phối phù hợp nhằm đáp ứng nhu cầu vận hành và giảm chi phí.
Hình 3.3.1/ Phân bố trạm nạp nhiên liệu hydro
3.3.2 Chi phí vận hành và kinh tế hydro
Mặc dù chi phí sản xuất hydro xanh (qua điện phân) đã giảm xuống khoảng 4–6 USD/kg, chi phí phân phối và nén hydro vẫn chiếm 40–50% tổng chi phí cuối cùng, khiến triển khai hàng loạt công nghệ H2-ICE gặp khó khăn hơn so với FCEV Nguyên nhân chính nằm ở chi phí phân phối và nén cao, làm tăng tổng chi phí và độ phức tạp của hệ thống, trong khi FCEV được hưởng lợi từ sự hỗ trợ của chính sách phát triển lưới trạm nạp đồng bộ với xe pin nhiên liệu.
Hình 3.3.2/ Dự trù chi phí đầu tư ban đầu
Phân Tích Các Ví Dụ Thử Nghiệm Thực Tế
Trường Hợp Của Toyota: Hướng Đi Thực Dụng và Thể Thao
4.1.1 Bối Cảnh và Mục Tiêu Thử Nghiệm
Toyota, với tư cách là người tiên phong trong công nghệ hydro với mẫu xe pin nhiên liệu (FCEV) Toyota Mirai, đã có một chiến lược tiếp cận đa chiều Thay vì chỉ tập trung vào FCEV, Toyota nhận thấy H2-ICE là một giải pháp bổ sung chiến lược với nhiều lợi thế:
- Đa dạng hóa giải pháp trung hòa carbon: Toyota tin rằng không có một
"viên đạn bạc" nào cho tương lai không phát thải H2-ICE cung cấp một con đường khác bên cạnh xe điện pin (BEV) và FCEV
- Tận dụng cơ sở hạ tầng và chuỗi cung ứng hiện có: Công nghệ H2-ICE cho phép tái sử dụng phần lớn các công nghệ, dây chuyền sản xuất và bí quyết kỹ thuật của động cơ đốt trong truyền thống Điều này giúp giảm chi phí đầu tư và đẩy nhanh quá trình chuyển đổi
Việc bảo tồn cảm xúc của động cơ đốt trong được thể hiện qua âm thanh đặc trưng và cảm giác vận hành chân thực, vốn là nền tảng của văn hóa xe hơi, đặc biệt ở các dòng xe thể thao; H2-ICE được thiết kế để giữ lại những đặc tính này, mang lại trải nghiệm lái xe sống động và đáp ứng nhu cầu của người đam mê lái Nhờ đó, hệ thống này không chỉ tối ưu hiệu suất mà còn thu hút phân khúc khách hàng mong muốn sự tương tác trực tiếp giữa lái xe và máy móc, nhờ âm thanh và phản hồi nhạy bén Việc duy trì cảm xúc của động cơ đốt trong giúp H2-ICE khẳng định giá trị trong thị trường xe thể thao và củng cố mối liên kết giữa người lái và xe.
Toyota hướng tới việc chứng minh với công nghệ H2-ICE rằng động cơ đốt trong chạy bằng hydro không chỉ khả thi mà còn đáng tin cậy, bền bỉ và mang lại hiệu suất cao ngay cả trong những điều kiện khắc nghiệt nhất Trong khuôn khổ thử nghiệm H2-ICE, Toyota đánh giá sâu độ tin cậy, khả năng vận hành ở nhiệt độ và áp suất khắt khe, cũng như tối ưu hóa tiêu hao nhiên liệu và độ bền của các thành phần chịu tải Thành công của thử nghiệm được xem như nền tảng cho sự phổ biến của năng lượng sạch và sự phát triển bền vững của công nghệ động cơ hydro.
4.1.2 Các Dự Án Thử Nghiệm Nổi Bật Để hiện thực hóa mục tiêu, Toyota đã đưa các mẫu xe H2-ICE của mình vào môi trường thử nghiệm khắc nghiệt nhất: các giải đua sức bền (endurance racing)
Nền tảng của mẫu xe này dựa trên động cơ 3 xy-lanh tăng áp 1.6L từ mẫu xe hiệu suất cao GR Yaris và được cải tiến để đốt cháy hydro.
Chiếc xe đã tham gia nhiều chặng của giải đua Super Taikyu Series tại Nhật Bản từ năm 2021, thể hiện sự bền bỉ và hiệu suất trên đường đua Những cuộc đua kéo dài nhiều giờ, lên tới 24 giờ, đóng vai trò là bài kiểm tra thực sự cho độ bền và hiệu suất của động cơ Thông qua các chặng endurance tại Nhật Bản, xe cho thấy khả năng vận hành ổn định dưới áp lực cạnh tranh khắc nghiệt và khả năng tối ưu hóa động cơ để đạt hiệu suất cao nhất.
Cải tiến liên tục là nguyên lý cốt lõi của Toyota qua mỗi chặng đua, khi hãng liên tục nâng cấp công nghệ để tăng hiệu suất và cạnh tranh Ban đầu, xe mất nhiều thời gian để tiếp nhiên liệu, nhưng thời gian tiếp nhiên liệu hydro khí nén đã được rút ngắn từ 5 phút xuống khoảng 1,5 phút, gần tương đương với xe xăng Đồng thời, công suất và mô-men xoắn của động cơ được cải thiện trên 20% so với lúc ban đầu.
Toyota GR Yaris H2-ICE Concept là phiên bản concept được phát triển song song, cho thấy tiềm năng ứng dụng công nghệ hydro trên một mẫu xe thương mại thể thao Xe sử dụng chung động cơ và hệ thống nhiên liệu hydro với Corolla đua, cho thấy khả năng mở rộng công nghệ H2-ICE từ đua xe sang xe thương mại hiệu suất cao.
Hình 4.1.2/ Corolla H2 Racing Super Taikyu
4.1.3 Kết Quả, Thách Thức và Bài Học
Chứng minh độ tin cậy qua thành tích 24 giờ: Việc Toyota hoàn thành các cuộc đua sức bền 24 giờ cho thấy động cơ H2-ICE có độ bền và độ tin cậy cao Thành tích này củng cố uy tín của Toyota trong lĩnh vực công nghệ hydrogen và cho thấy hiệu suất ổn định của động cơ H2-ICE trong điều kiện đua khắc nghiệt.
Giảm phát thải CO2 gần như tuyệt đối là mục tiêu của xe hiện đại: lượng CO2 thải ra từ xe gần như bằng không, chỉ tồn tại một lượng rất nhỏ phát sinh từ việc đốt dầu bôi trơn động cơ Nhờ công nghệ tiết kiệm nhiên liệu và động cơ hiệu suất cao, xe không chỉ giảm khí thải mà còn góp phần làm sạch không khí và bảo vệ môi trường.
Hiệu suất động cơ được cải thiện đáng kể khi công suất và mô-men xoắn tăng lên theo thời gian, cho thấy tiềm năng hiệu suất của công nghệ này không hề thua kém động cơ xăng Những tiến bộ này làm nổi bật khả năng cạnh tranh của công nghệ động cơ so với động cơ đốt trong xăng về hiệu suất và hiệu quả vận hành.
Việc lưu trữ hydro được thực hiện bằng các bình chứa hydro khí nén ở áp suất 700 bar, nhưng các bình này vẫn cồng kềnh và nặng, chiếm nhiều không gian và làm tăng trọng lượng xe Do đó, quãng đường di chuyển sau mỗi lần nạp nhiên liệu vẫn hạn chế so với xe xăng.
Kiểm soát NOx vẫn là một thách thức kỹ thuật bất kể đã có nhiều tiến bộ công nghệ Mặc dù các biện pháp giảm NOx đã cho thấy hiệu quả ở nhiều chế độ vận hành, việc kiểm soát phát thải NOx ở các dải tải và tốc độ cao vẫn chưa đạt được mức tối ưu Nhiệt sinh NOx tăng theo cấp độ tải và điều kiện vận hành phức tạp khiến hiệu quả của các công nghệ xử lý khí thải, như SCR, gặp giới hạn ở tải cao Vì vậy, cần tiếp tục nghiên cứu, tối ưu hóa thiết kế động cơ và chiến lược kiểm soát để cải thiện hiệu suất giảm NOx trên toàn dải tải và tốc độ.
Mật độ năng lượng theo thể tích của hydro thấp hơn xăng, vì vậy để động cơ đạt vòng tua cao và cung cấp đủ năng lượng, hệ thống phun nhiên liệu cần có lưu lượng rất lớn và đáp ứng cực nhanh Điều này đòi hỏi công nghệ phun nhiên liệu và quản lý nhiên liệu tiên tiến để tối ưu hóa hiệu suất và vận hành ở vòng tua cao.
Bài học kinh nghiệm: Đua xe là một phòng thí nghiệm di động vô giá, giúp đẩy nhanh chu trình
"phát triển - thử nghiệm - cải tiến"
Công nghệ H2-ICE hoàn toàn có thể mang lại trải nghiệm lái phấn khích, duy trì "linh hồn" của động cơ đốt trong trong kỷ nguyên trung hòa carbon
Trường Hợp Của BMW: Người Tiên Phong và Những Bài Học Đắt Giá
4.2.1 Lịch Sử và Dự Án BMW Hydrogen 7
BMW là một trong những nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới đã nghiêm túc nghiên cứu và phát triển công nghệ H2-ICE, tức động cơ đốt trong chạy nhiên liệu hydro Đỉnh cao của nỗ lực này là dự án BMW Hydrogen 7, được giới thiệu vào năm 2006, đánh dấu bước tiến nổi bật trong công nghệ xe chạy bằng hydro và thể hiện cam kết của hãng đối với lưu trữ hydro an toàn và ứng dụng hydro trong ngành ô tô.
Nền tảng: Mẫu xe này được phát triển dựa trên dòng sedan hạng sang BMW
Công nghệ cốt lõi: Động cơ V12, dung tích 6.0L, có khả năng hoạt động ở chế độ kép: chạy bằng xăng hoặc hydro lỏng
Sử dụng hydro lỏng (LH2) thay vì hydro khí nén Hydro được lưu trữ ở nhiệt độ cực thấp (-253°C) trong một bình chứa siêu cách nhiệt, phức tạp
BMW đang đặt mục tiêu chứng minh rằng một chiếc xe sang trọng, hiệu suất cao có thể vận hành bằng hydro mà không làm mất đi trải nghiệm lái đặc trưng của thương hiệu Hãng tập trung vào sự cân bằng giữa công nghệ động cơ hydro tiên tiến và thiết kế thể thao để duy trì phản hồi vô-lăng nhạy bén, âm thanh động cơ và cảm giác lái đậm chất BMW Mục tiêu này mở ra con đường bền vững cho xe cao cấp, nơi hiệu suất và tiện nghi được tối ưu và trải nghiệm lái vẫn giữ nguyên đẳng cấp vốn có Đây là cam kết của BMW về việc kết hợp di động xanh với di sản lái xe sang trọng, thể hiện sự đổi mới mà vẫn tôn trọng tinh hoa thương hiệu.
4.2.2 Đánh Giá Dự Án: Thành Tựu và Hạn Chế
Dự án BMW Hydrogen 7 được xem là một thành tựu kỹ thuật đáng chú ý vào thời điểm đó, cho thấy tiềm năng của xe chạy bằng hydro và động cơ đốt trong dùng hydro (H2-ICE) Tuy nhiên, dự án cũng phơi bày những thách thức lớn của công nghệ H2-ICE, đặc biệt là với phương thức lưu trữ hydro ở thể lỏng Lưu trữ hydro lỏng đặt ra nhiều bài toán về an toàn, hiệu suất và chi phí, khiến cho tính khả thi và mức độ thương mại hóa của H2-ICE trở nên phức tạp Dự án này cho thấy sự cân bằng giữa tiềm năng giảm khí thải và các giới hạn về công nghệ, cơ sở hạ tầng và chi phí, nhấn mạnh rằng để mở rộng ứng dụng của H2-ICE cần có các cải tiến về lưu trữ hydro, thiết kế động cơ và hệ sinh thái năng lượng hydro.
Vận hành mạnh mẽ ở chế độ hydro, động cơ V12 sản sinh công suất khoảng 260 mã lực, mang lại khả năng vận hành mượt mà và êm ái, xứng tầm một chiếc sedan hạng sang.
Chứng minh tính khả thi của dự án được thể hiện rõ qua việc sản xuất khoảng 100 chiếc xe và đưa chúng vào sử dụng cho các nhân vật công chúng, chính trị gia trên toàn cầu, cho thấy công nghệ này có thể vận hành ổn định và hiệu quả trong điều kiện thực tế, mở đường cho các ứng dụng tiếp theo và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.
Hạn chế và thách thức chí mạng:
Hiệu suất tổng thể của động cơ chạy bằng hydro thấp hơn đáng kể so với khi chạy bằng xăng Cụ thể, công suất giảm từ khoảng 445 mã lực xuống còn khoảng 260 mã lực khi chuyển sang nhiên liệu hydro, kéo theo hiệu suất vận hành tổng thể giảm và hiệu suất nhiệt không tối ưu.
29 của động cơ cũng chỉ ở mức trung bình, thua xa so với tiềm năng của công nghệ pin nhiên liệu
Vấn đề lưu trữ hydro lỏng (LH2): Đây là gót chân Achilles của dự án
Boil-off (bay hơi) là hiện tượng hydro lỏng bay hơi từ bình chứa dù được cách nhiệt tốt đến đâu, bởi nhiệt từ môi trường xâm nhập vào và khiến hydro lỏng từ từ bay hơi Dù bình chứa có lớp cách nhiệt, khi xe không được sử dụng trong vài ngày, lượng nhiên liệu mất đi là đáng kể Sau khoảng 10–12 ngày, bình chứa sẽ trở nên hoàn toàn trống rỗng Hiểu rõ hiện tượng boil-off giúp lên kế hoạch quản lý nhiên liệu và tối ưu vận hành hệ thống sử dụng hydro lỏng.
Quá trình hóa lỏng hydro tiêu tốn một lượng năng lượng rất lớn, ước tính chiếm khoảng 30-40% tổng năng lượng chứa trong hydro Vì vậy, hiệu suất 'well-to-wheel' của cả chu trình từ nguồn sản xuất đến bánh xe khi dùng hydro ở mức rất thấp, khiến chi phí năng lượng và tác động môi trường của chu trình này trở nên đáng lưu ý so với các nguồn nhiên liệu khác.
Cơ sở hạ tầng phức tạp và chi phí cao cho hydro lỏng: Việc xây dựng các trạm tiếp nhiên liệu hydro lỏng đòi hỏi vốn đầu tư lớn và quy trình kỹ thuật nghiêm ngặt, phức tạp hơn nhiều so với các trạm tiếp nhiên liệu hydro khí nén.
Hình 4.2.2/ Thế hệ bình chứa hydro mới: nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn Thiết kế sáng tạo của bình chứa hydro lỏng giúp tích hợp tốt hơn vào xe
4.2.3 Hướng Đi Hiện Tại và Giá Trị Của Bài Học Quá Khứ
Trước những thách thức không thể vượt qua của BMW Hydrogen 7, đặc biệt về lưu trữ và hiệu suất, BMW đã điều chỉnh chiến lược đầu tư vào hydro Hiện nay, hãng tập trung mạnh mẽ vào công nghệ pin nhiên liệu (FCEV), minh chứng qua sự phát triển của mẫu xe BMW iX5 Hydrogen Động thái này cho thấy cam kết của BMW đối với hệ truyền động nhiên liệu tế bào và các giải pháp lưu trữ nhiên liệu tiên tiến nhằm cải thiện hiệu suất và phạm vi vận hành cho xe chạy bằng hydro.
Tuy nhiên, những bài học từ kỷ nguyên H2-ICE vẫn còn nguyên giá trị:
Bài học về lưu trữ nhiên liệu từ hydro cho xe du lịch cho thấy thất bại của hydro lỏng đã củng cố xu hướng chung của ngành: tập trung vào hydro ở dạng khí nén áp suất cao (700 bar) Đây được xem như một giải pháp cân bằng giữa mật độ lưu trữ, chi phí và tính tiện dụng, giúp xe du lịch đạt quãng đường hợp lý, chi phí vận hành cạnh tranh và sự thuận tiện cho người dùng so với các lựa chọn lưu trữ hydro khác.
Bài học về hiệu suất cho thấy việc chỉ đơn thuần chuyển đổi một động cơ xăng sang chạy hydro không đủ để tối ưu hóa hiệu suất Để khai thác tối đa tiềm năng của nhiên liệu hydro, cần có những thiết kế động cơ chuyên dụng cho hydro và áp dụng công nghệ phù hợp, như cách Toyota đang làm hiện nay.
BMW Hydrogen 7 đã đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng nhận thức về công nghệ hydro, bất chấp việc không thành công về mặt thương mại Mẫu xe này đã giới thiệu công nghệ hydro tới công chúng và các nhà hoạch định chính sách, từ đó mở đường cho những phát triển tiếp theo của xe chạy bằng hydro và các ứng dụng nhiên liệu sạch trong tương lai.
Phân tích hai trường hợp của Toyota và BMW cho thấy một bức tranh tương phản nhưng bổ sung cho nhau về tiềm năng của động cơ H2-ICE Ưu điểm của H2-ICE được minh chứng qua Toyota gồm khả năng giảm phát thải và tích hợp dễ dàng với hạ tầng hiện có, đồng thời duy trì hiệu suất vận hành và tính linh hoạt cho nhiều mẫu xe Sự đối thoại giữa hai hãng cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế của động cơ hydro-đốt trong có thể kết hợp với hệ thống hybrid để tối ưu hóa chi phí và hiệu quả, mở ra cơ hội thương mại rộng cho xe chạy bằng nhiên liệu hydro.
Tốc độ phát triển nhanh: Có thể tận dụng nền tảng động cơ đốt trong sẵn có
Chi phí sản xuất tiềm năng thấp hơn FCEV: Không yêu cầu các vật liệu quý hiếm như bạch kim cho pin nhiên liệu
Duy trì trải nghiệm lái thể thao: Âm thanh và phản hồi của động cơ là một lợi thế độc nhất
Phù hợp cho xe thương mại và xe đua: Nơi mà độ bền, khả năng chịu tải nặng và thời gian tiếp nhiên liệu nhanh là tối quan trọng
Nhược điểm và Hạn chế (minh chứng qua BMW và cả Toyota):
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin nhiên liệu trên xe FCEV đạt khoảng 60%, cao hơn đáng kể so với động cơ đốt trong có hiệu suất khoảng 40-50% ở điều kiện tối ưu; nhờ đó, xe FCEV thể hiện hiệu quả sử dụng năng lượng tốt hơn và tiềm năng tiết kiệm nhiên liệu lớn.
