Đoàn tàu năng lượng Hydro: Giải pháp vận tải không phát thải thay thế cho động cơ Diesel của tương lai?

1. Chương trình vận tải hành khách không phát thải

Nhằm thay thế những đoàn tàu vận tải hành khách chạy bằng diesel, nước Đức đã giới thiệu một ý tưởng dự án quy mô lớn: “đoàn tàu chở khách không phát thải” (zero-emissions train) đầu tiên trên thế giới. Những đoàn tàu này sử dụng năng lượng từ nhiên liệu Hydro, với tên gọi Coradia iLint được kỳ vọng sẽ là giải pháp năng lượng hạn chế phát thải nhằm thay thế khoảng 4.000 đoàn tàu diesel đang hoạt động tại nước này. Theo dự kiến, 14 chiếc loại này đã được đặt mua từ công ty Alstom (Pháp). Quá trình thử nghiệm sẽ diễn ra vào quý IV năm 2017, trước khi được công bố rộng rãi vào tháng 12/2017.

Theo báo cáo của Die Welt (2016), chuyến đi thử nghiệm đầu tiên của hệ thống này đã diễn ra tại triển lãm thương mại InnoTrans tại Berlin vào tháng 8/2016. Từ kết quả thành công của dự án, công nghệ Hydrail giúp những đoàn tàu chạy năng lượng Hydro có thể chuyên chở hành khách với số lượng và dự trữ hành trình lớn. iLint được trang bị các pin lithium-ion khổng lồ phía dưới sàn, và lấy năng lượng từ các bình nhiên liệu hydro trên nóc toa. Theo thử nghiệm, đoàn tàu có thể di chuyển với vận tốc gần 140 km/h, với dự trữ hành trình dao động từ 600-800 km. Ưu điểm lớn nhất của hệ thống này đó là các đoàn tàu có thể vận hành mà không cần tới mạng lưới truyền tải điện năng. Trong khi, âm thanh duy nhất mà nó phát ra chỉ xuất phát từ lực cản không khí và các bánh xe.

Alstom khẳng định đoàn tàu là một giải pháp mới có tính đột phá trong lĩnh vực vận tải thân thiện mới môi trường. Bằng cách sử dụng khí Hydro phản ứng với Oxi, nguồn năng lượng điện được giải phóng và cung cấp năng lượng cho đoàn tàu, với sản phẩm phụ duy nhất là nước. Với công nghệ này, NASA đã từng sử dụng Hydro lỏng để đẩy các tên lửa vào vũ trụ từ năm 1970. Công nghệ mới này đã và đang thu hút sự quan tâm của Hà Lan, Đan Mạch và Nauy.

	(i) Hệ thống vận hành không cần sử dụng mạng lưới truyền tải điện năng
	(ii) Sử dụng nhiên liệu Hydro là một giải pháp thay thế mới, thân thiện với môi trường, đặc biệt là âm thanh từ đoàn tàu phát ra thấp hơn nhiều so với tàu diesel truyền thống.
	(iii) Dự trữ hành trình có thể duy trì ở mức 600 – 800km
	(iv) Khả năng chuyên chở lên tới 300 hành khách (trong đó có 150 ghế ngồi)
	(v) Tốc độ của đoàn tàu duy trì ở mức 140 km/h

2. Cách thức vận hành và hoạt động

Hướng tới hoạt động du lịch bằng đường sắt, các đoàn tàu sử dụng năng lượng thân thiện với môi trường hứa hẹn sẽ đón đầu những lựa chọn vận tải trước khi những chiếc ôtô năng lượng hydro có thể triển khai ngoài thực tiễn. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là iLint vận hành và hoạt động như thế nào?

(i) Các toa tàu của iLint đều được bố trí các thùng chứa năng lượng sạch (H2 và O2) ở trên nóc.

(ii) Dưới mỗi toa xe đều bố trí các hệ thống lưu trữ năng lượng linh hoạt (flexible energy storage) cho phép thu nhận năng lượng từ quá trình phản ứng và trở thành điểm cung cấp năng lượng cho hoạt động vận hành.

(iii) Một hệ thống quản lý năng lượng thông minh (Smart energy management) sẽ điều tiết quá trình vận hành năng lượng của toàn hệ thống, đảm bảo vận hành ổn định.

(iv) Trên các bình chứa năng lượng sạch, Hydro từ các khoang riêng biệt được bơm vào các khu vực chứa Oxy lỏng (hoặc Oxy được lấy trực tiếp từ không khí) thông qua hệ thống quản lý năng lượng.

(v) Phản ứng giữa H2 và O2 sẽ tạo ra giải phóng năng lượng điện.

(vi) Nguồn năng lượng này sau đó được lưu trữ tại các pin nhiên liệu dưới gầm toa xe. Đồng thời, có thể cung cấp trực tiếp cho động cơ điện của tàu một cách trực tiếp thông qua hệ thống quản lý năng lượng.

Và tại mỗi ga tàu, các hệ thống lưu trữ bên ngoài có thể nạp nhiên liệu nhằm đảm bảo hệ thống vận hành được đảm bảo. Sản phẩm phụ cuối cùng của quá trình sản xuất này chỉ thải ra nước.

3. Hiệu quả kinh tế và môi trường của phương tiện này

Về hiệu quả kinh tế, những đoàn tàu sử dụng năng lượng Hydro cho phép tận dụng các nguồn khí thải từ hoạt động sản xuất của ngành công nghiệp hóa chất. Nếu như trước đây, Hydro chỉ có thể được xử lý bằng cách đốt cháy thì ngày nay, Hydrail giúp sản xuất nguồn năng lượng thân thiện với môi trường, và giá thành đảm bảo tính cạnh tranh so với năng lượng diesel truyền thống. Nguồn năng lượng này còn có ưu điểm cắt giảm được các hệ thống truyền tải, phát điện hay cơ cấu truyền động của tàu hỏa truyền thống.

Về hiệu quả môi trường, năng lượng được tạo thành từ Hydro được gọi là nhiên liệu sạch lý tưởng là do trong phân tử của Hydro không chứa bất cứ nguyên tố hóa học nào khác như Cacbon (C), lưu huỳnh (S), Nitơ (N),…; nên sản phẩm cháy chỉ là nước (H2O). Đây là một nguồn nhiên liệu an toàn, không gây ô nhiễm và không thể gây bất cứ sự cố môi trường nào cho con người. Quá trình sản xuất năng lượng chủ yếu diễn ra trong các pin nhiên liệu; tại đây Hydro và Oxy kết hợp lại trong điều kiện nhất định sẽ thu được nước và một năng lượng tương ứng, đó là điện năng. Khi các pin nhiên liệu được duy trì Hydro và Oxy một cách liên tục, nguồn điện sinh ra sẽ có cường độ không đổi, kéo dài tùy thuộc vào khả năng chứa của hệ thống. Nhờ đó, từ các sản phẩm Oxy và Hydro, một quá trình sản xuất điện năng được vận hành, và chất thải ra chỉ là nước. Đồng thời, quá trình vận hành không tạo ra tiếng ồn của động cơ, không tạo ra khói xả.

4. Những vấn đề còn tồn tại khi phát triển và ứng dụng công nghệ này vào thực tiễn

Trong một số nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, hiệu quả kinh tế từ năng lượng Hydro có sự lãng phí khá cao. Từ kết quả phân tích hiệu quả năng lượng của Bossel (2016), nếu cùng tiếp nhận một nguồn năng lượng 100kWh thì các pin năng lượng Hydro (fuel cell) chỉ có thể nhận được 19-23kWh; trong khi con số này của động cơ điện là 69kWh.

Hình: Quá trình so sánh hiệu quả giữa động cơ sử dụng năng lượng điện và động cơ sử dụng năng lượng hydro

Năng lượng Hydro cần một lượng lớn năng lượng để cô lập Hydro trong các hợp chất tự nhiên (nước, khí tự nhiên hay sinh khối). Chúng được hóa lỏng hoặc được nén lại để truyền tải tới người sử dụng. Trong quá trình chuyển đổi thành điện trên các tấm pin nhiên liệu (fuel cell), mức độ hiệu quả tối đa chỉ đạt 25% so với thực tế. Đây là một giá trị khó có thể chấp nhận được đối với một nền kinh tế tương lai coi trọng tính bền vững. Trên khía cạnh về kinh tế, tổn thất năng lượng cao sẽ khiến công nghệ năng lượng Hydro trở nên không có ý nghĩa trong thực tiễn.

Nhiều ưu điểm của năng lượng Hydro được ca ngợi một cách quá mức (không gây độc hại, tận dụng sự phổ biến, sinh ra nước, v.v…) rất dễ gây hiểu nhầm. Bởi đa phần hoạt động sản xuất Hydro phụ thuộc vào hiệu quả năng lượng và nước. Hai yếu tố này trong tương lai, khi nhu cầu sử dụng ngày càng gia tăng sẽ thúc đẩy tình trạng “khan hiếm”. Điều này dễ dẫn đến trở thành vấn đề chính trị; giống với tình trạng của dầu mỏ và khí đốt tự nhiên hiện nay. Cho đến giờ, phần lớn Hydro được sản xuất ra nhờ phản ứng điện phân nước; năng lượng điện được lưu trữ trong các pin nhiên liệu thông qua quá trình phản ứng với Oxy để tạo thành nước. Hiệu quả giảm vì quá trình điện phân cũng đòi hỏi một nguồn năng lượng và lượng nước đáng kể.

Mặc dù trên thực tế, nguồn Hydro trên các tàu tại Đức được sử dụng là các sản phẩm thải từ ngành công nghiệp hóa chất (khí đốt tự nhiên). Tuy nhiên, về mặt bản chất, quá trình tận dụng này song hành với quá trình khai thác nhiên liệu hóa thạch. Cụ thể là để có được nguồn Hydro này, nhiên liệu hóa thạch bắt buộc phải được khai thác. Từ đây, các đoàn tàu Hydrail ở khía cạnh nào đó đang gia tăng lợi ích của nhiên liệu hóa thạch; giảm chính sách chuyển đổi năng lượng phi hóa thạch (năng lượng gió, mặt trời, thủy điện) của Liên minh Châu Âu (EU). Nhận định phát thải bằng không được khẳng định thiếu chính xác, bởi công nghệ này chưa xem xét đầy đủ lượng khí thải từ quá trình sản xuất khí tự nhiên – đầu vào của quá trình khai thác hydro.

Quá trình vận hành các đoàn tàu có thể khuyến khích quá trình tiêu thụ khí tự nhiên gây phát thải CO2 gia tăng. Và về bản chất, công nghệ này không làm giảm hoạt động phát thải khí nhà kính gây biến đổi khí hậu. Đáng ra, các hoạt động liên quan tới sử dụng nhiên liệu hóa thạch cần được thay thế bằng các hoạt động sử dụng nguồn năng lượng tái tạo.

Ngoài ra, quá trình lưu trữ Hydro lỏng cũng gây ra tổn thất năng lượng. Vì lý do an toàn, Hydro phải được bốc hơi trong một số trường hợp; và do đó con tàu có thể mất một nửa nhiên liệu sau hai tuần dù không chạy. Chi phí đầu tư lưu trữ và chi phí năng lượng để hóa lỏng khí là cản trở lớn đối với quá trình nâng cao hiệu quả. Như vậy, khả năng thay đổi hiệu suất dựa trên cải tiến công nghệ của năng lượng Hydro là không khả thi.

Ngoài ra, hiện nay các đoàn tàu sử dụng công nghệ Hydro đang chịu sự cạnh tranh khốc liệt từ các hệ thống vận tải năng lượng thân thiện với môi trường khác. Chẳng hạn như tại Anh, hệ thống các xe chạy bằng năng lượng điện giúp tiết giảm không gian cho thùng chứa Hydro, không cần sử dụng các pin nhiên liệu, không sử dụng pin dự trữ, hạn chế tiếp nhiên liệu và giảm quá trình bảo dưỡng. Quá trình sử dụng năng lượng trực tiếp (năng lượng gió, năng lượng mặt trời) sẽ tiết giảm nhiều chi phí lưu trữ nhiên liệu tốn kém.

Như vậy, có thể thấy giải pháp đoàn tàu sử dụng năng lượng Hydro ở góc độ nào đó có hiệu quả tận dụng ở mức cao. Tuy nhiên, về khía cạnh kinh tế và môi trường của công nghệ vẫn là một dấu hỏi lớn với khả năng cải thiện hiệu suất gần như bằng không. Trong khi, năng lượng hydro thực tế đang phải đối diện với sự cạnh tranh khốc liệt từ nhiều nguồn năng lượng khác. Thực tiễn ra sao, tất cả hãy cùng nhau chờ đợi và đánh giá sản phẩm thực tế vào tháng 12 này nhé!

Tham khảo:

1. Die Welt (2016). The report about “Ende der Bahn-Stinker”. Access:

https://www.welt.de/print/welt_kompakt/print_wirtschaft/article158263397/Ende-der-Bahn-Stinker.html

2. Independent (2016). Germany unveils zero-emissions train that only emits steam. Access:

http://www.independent.co.uk/news/world/europe/germany-unveils-zero-emissions-train-only-emits-steam-lower-saxony-hydrogen-powered-a7391581.html?cmpid=facebook-post

3. Bossel, Ulf. (2016). “Does a Hydrogen Economy Make Sense?”. Proceedings of the IEEE. Vol. 94, No. 10, October 2006.

4. Phys.org (2016). Why a hydrogen economy doesn't make sense. Access:

https://phys.org/news/2006-12-hydrogen-economy-doesnt.html#jCp