Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV)

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.4. Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV)

FCEV còn có tên là Xe chạy bằng pin nhiên liệu (FCV). Chúng có tên như vậy bởi vì phương tiện là pin nhiên liệu sử dụng các phản ứng hóa học để sản xuất ra điện [15]. Hydro là nhiên liệu của sự lựa chọn cho các FCV để thực hiện phản ứng này, vì vậy chúng thường được gọi là xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro. FCV mang hydro trong các bình áp suất cao đặc biệt, một thành phần khác để sản xuất ra điện là oxy, mà nó thu được từ không khí hút vào từ môi trường. Điện lực được tạo ra từ các tế bào nhiên liệu đi đến một động cơ điện dẫn động các bánh xe. Năng lượng dư thừa được lưu trữ trong hệ thống lưu trữ như pin hoặc siêu tụ điện. Các FCV có sẵn trên thị trường như Toyota Mirai hoặc Honda Clarity sử dụng pin cho mục đích này [2,3,16-18]. FCVs chỉ tạo ra nước dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình tạo ra năng lượng được đẩy ra khỏi ô tô qua các ống xả. Các cấu hình của một FCV được thể hiện trong Hình 2.5. Một lợi thế của những phương tiện như vậy là chúng có thể sản xuất điện riêng của chúng mà không thải ra carbon. Một ưu điểm chính khác của chúng là việc đổ đầy nhiên liệu cho những chiếc xe này mất cùng khoảng thời gian cần thiết để đổ xăng cho một chiếc xe sử dụng xăng thông thường. Điều này làm cho việc áp dụng những phương tiện này có nhiều khả năng hơn trong tương lai gần[2-4,19]. Một trở ngại chính trong việc áp dụng công nghệ này là sự khan hiếm của các trạm nhiên liệu hydro. Một báo cáo cho Hoa Kỳ Bộ Năng lượng (DOE) chỉ ra một nhược điểm

12

khác là chi phí pin nhiên liệu cao, chi phí hơn 200 đô la cho mỗi kW, cao hơn nhiều so với ICE (dưới 50 đô la cho mỗi kW)[20,21]. Đây cũng là những mối quan tâm liên quan đến an toàn trong trường hợp hydro dễ cháy rò rỉ ra khỏi các bồn chứa. Nếu những vấn đề đó được giải quyết, FCV thực sự có thể đại diện cho những chiếc xe ô tô trong tương lai. Các khả năng sử dụng công nghệ này trong siêu xe được thể hiện qua Pininfarina’s H2 Speed (Hình 2.6). So sánh BEV và FCEV ở các khía cạnh khác nhau [22], trong đó FCEV có vẻ tốt hơn BEV về nhiều mặt; sự so sánh này được thể hiện trong Hình 2.7. Trong hình này, các chi phí khác nhau và các vấn đề liên quan đến chi phí của BEV và FCEV: trọng lượng, thể tích lưu trữ cần thiết, lượng thải khí nhà kính ban đầu, nhu cầu năng lượng khí tự nhiên, nhu cầu năng lượng gió, chi phí gia tăng, chi phí cơ sở hạ tầng nhiên liệu cho mỗi chiếc ô tô, chi phí nhiên liệu cho mỗi km,và chi phí vòng đời gia tăng đều được so sánh các dãy cho 320 km (màu xanh lam) và 480 km (màu xanh lục). Trục hoành hiển thị tỷ lệ thuộc tính của BEV so với FCEV. Vì có ít giá trị hơn trong những thuộc tính chỉ ra lợi thế, bất kỳ giá trị nào cao hơn một trong trục hoành sẽ khai báo FCEV vượt trội hơn BEVs ở thuộc tính đó.

Điều đó có nghĩa là, BEV chỉ xuất hiện tốt hơn trong các lĩnh vực bắt buộc năng lượng gió và chi phí nhiên liệu cho mỗi km. Chi phí nhiên liệu dường như vẫn là một trong những nhược điểm lớn của FCEV, với tư cách là một phương thức sản xuất hydro giá rẻ, bền vững và thân thiện với môi trường vẫn còn thiếu, và cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu chậm hơn so với cơ sở hạ tầng của BEV; nhưng những vấn đề này có thể không còn phổ biến trong tương lai gần.

13

Hình 2.5. Cấu hình FCEV. Oxy từ không khí và hydro từ các xi lanh phản ứng trong pin nhiên liệu để sản xuất điện chạy động cơ. Chỉ nước được tạo ra dưới dạng sản phẩm phụ được thải ra trong môi trường.

Hình 2.6. Pininfarina H2 Speed, một siêu xe sử dụng pin nhiên liệu hydro.

14

Hình 2.7. Thuộc tính EV của pin nâng cao và tỷ lệ thuộc tính EV của pin nhiên liệu cho 320 km (màu xanh lam) và Phạm vi 480 km (màu xanh lá cây), với giả định về

hỗn hợp lưới điện trung bình của Hoa Kỳ trong phạm vi thời gian 2010–2020 và tất cả hydro được tạo ra từ khí tự nhiên [22].

Một điều khác về FCV [23] đó là pin nhiên liệu cắm vào xe (PFCV) có công suất lớn hơn và tiêu hao nhỏ hơn, khiến nó trở thành chiếc xe chiếm ưu thế về pin [23], nếu hydro cho các phương tiện như vậy có thể được tạo ra từ các nguồn tái tạo để chạy nhiên liệu tế bào và năng lượng để sạc pin cũng đến từ các nguồn xanh, những

15

PFCV này sẽ là tương lai của các loại xe. Các FCV mà chúng ta thấy ngày nay sẽ không có nhiều hấp dẫn ngoài một số thị trường đặc biệt.

Hình 2.8 cho thấy một cấu hình PFCV cơ bản. Bảng 1 so sánh các loại xe khác nhau về thành phần dẫn động, nguồn năng lượng, tính năng và các hạn chế.

Hình 2.8. Cấu hình PFCV. Ngoài các pin nhiên liệu, sự sắp xếp này có thể sạc trực tiếp pin từ ổ cắm điện

Bảng 2.1. So sánh các loại xe khác nhau [4]

Loại EV Thiết bị điều khiển

Nguồn năng

lượng Ưu điểm Các vấn đề

BEV  Động cơ điện  Pin

 Siêu tụ điện

 Không khí thải

 Không phụ thuộc vào dầu

 Phạm vi phụ thuộc phần lớn vào loại pin được sử dụng

 Có sẵn trên thị trường

 Giá và dung lượng pin

 Phạm vi

 Thời gian sạc

 Tính sẵn có của các trạm sạc

 Giá cao

HEV  Động cơ điện

 ICE

 Pin

 Siêu tụ điện

 ICE

 Khí thải rất ít

 Tầm xa

 Quản lý các nguồn năng lượng

16

 Có thể lấy điện từ cả nguồn điện và nhiên liệu

 Cấu trúc phức tạp có cả hệ thống truyền động điện và cơ khí

 Có sẵn trên thị trường

 Tối ưu hóa kích thước pin và động cơ

FCEV  Động cơ điện  Pin nhiên liệu

 Rất ít hoặc không phát thải

 Hiệu quả cao

 Không phụ thuộc vào nguồn cung cấp điện

 Giá cao

 Có sẵn trên thị trường

 Chi phí pin nhiên liệu

 Cách khả thi để sản xuất nhiên liệu

 Sự sẵn có của các phương tiện tiếp nhiên liệu