Chiếc xe của tương lai đang ở đây ngày hôm nay. Tất nhiên, bạn chưa thể mua một cái; nhưng nếu bạn sống ở California, bạn có thể cho thuê một cái. Nó không sử dụng xăng và không gây ô nhiễm không khí. Trên thực tế, nó tạo ra hơi nước thay vì khí thải. Vậy nhiên liệu bí ẩn là gì? Hydro - nguyên tố đơn giản và phong phú nhất trong vũ trụ. Và một số người nghĩ rằng trong 20 đến 30 năm nữa, tất cả chúng ta sẽ lái những phương tiện chạy bằng hydro, tiết kiệm nhiên liệu này.
Mặc dù những chiếc xe chạy bằng hydro có chất lượng khoa học viễn tưởng đối với họ, nhưng ý tưởng này không thực sự mới. Trên thực tế, công nghệ sử dụng hydro để tạo ra năng lượng đã có từ đầu thế kỷ 19 - lâu hơn cả ô tô. Điểm mới là bạn có thể thực sự nhìn thấy một chiếc ô tô chạy bằng khí hydro trên đường, với hơi nước thoát ra từ ống xả của nó thay vì khí có mùi hôi. Một số xe chạy bằng hydro hiện đang tồn tại, nhưng hầu hết chúng đều là xe ý tưởng. Những chiếc máy lái xe thân thiện với môi trường này bao gồm Chevrolet Equinox, BMW 745h và chiếc hiện đang được cho thuê ở California, Honda FCX.
Điều khiến một chiếc ô tô chạy bằng hydro trở nên khả thi là một thiết bị được gọi là pin nhiên liệu , chuyển đổi hydro thành điện năng, chỉ tỏa ra nhiệt và nước là sản phẩm phụ. Bởi vì nó không gây ô nhiễm, hydro có vẻ như là nhiên liệu lý tưởng cho thế kỷ 21. Rất nhiều người trong chính phủ và ngành công nghiệp ô tô rất hào hứng với tiềm năng của nó. Xe ô tô chạy bằng hydro có tiềm năng tiết kiệm nhiên liệu và mang đến hy vọng lái xe xanh, thân thiện với môi trường. Nhưng vẫn còn rất nhiều vấn đề cần được khắc phục và những câu hỏi cần được giải đáp trước khi hydro trở thành nhiên liệu được nhiều người lựa chọn để tạo ra nhiều khác biệt trong việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch hiện nay của chúng ta. Ví dụ, chúng ta sẽ lấy hydro ở đâu? Mua những chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu này sẽ đắt đến mức nào? Bạn sẽ có thể tìm thấy một trạm tiếp nhiên liệu hydro để nạp đầy bình của bạn? Và, có lẽ quan trọng nhất, với tư cách là một loại nhiên liệu, hydro có thực sự không gây ô nhiễm như người ta tưởng không?
Chúng tôi sẽ xem xét những câu hỏi đó trong các trang tiếp theo, nhưng chúng tôi có thể cung cấp cho bạn một câu trả lời nhanh chóng ngay bây giờ:Trừ khi bạn sống ở những vùng rất cụ thể của đất nước và có túi đầy tiền mặt, đừng mong đợi một chiếc ô tô chạy bằng hydro trên đường lái xe của bạn trong vòng một thập kỷ tới.
Nội dung
Năm 1839, nhà khoa học người xứ Wales, Sir William Robert Grove, đã sử dụng quá trình điện hóa quen thuộc của quá trình điện phân, sử dụng điện năng để sản xuất hydro từ nước và đảo ngược nó, tạo ra điện và nước từ hydro. Ông gọi phát minh của mình là pin volta khí, nhưng ngày nay chúng ta biết nó là pin nhiên liệu hydro. Mãi về sau, vào giữa thế kỷ 20, công nghệ này đã được phát triển thêm bởi nhà phát minh Francis Bacon. Công nghệ mà hai nhà phát minh này nghĩ ra rất cần thiết cho hoạt động của một chiếc ô tô chạy bằng hydro.
Hệ thống pin nhiên liệu thực tế đầu tiên được phát triển vào đầu những năm 1960 bởi General Electric để sử dụng trong các viên nang không gian quỹ đạo. Và sau đó, vào những năm 1990, pin nhiên liệu bắt đầu xuất hiện trên các xe buýt thành phố. vì vậy chúng tôi biết rằng việc cung cấp năng lượng cho xe bằng pin nhiên liệu là khả thi. Bạn có thể coi pin nhiên liệu là một loại pin, ngoại trừ việc pin tự giữ nhiên liệu bên trong thì pin nhiên liệu cần được nạp lại. Như tên gọi cho thấy, nhiên liệu cho pin nhiên liệu hydro là hydro. Như bạn có thể nhớ lại từ lớp hóa học trung học, hydro là nguyên tố đơn giản nhất trong tất cả các nguyên tố. Nguyên tử hydro bao gồm một electron và một proton. Pin nhiên liệu tạo ra điện bằng cách tách các electron khỏi proton và sử dụng các electron để tạo ra dòng điện thuần túy. Các nguyên tử hydro bị ion hóa sau đó kết hợp với oxy để tạo thành nước. Sản phẩm phụ khác của quá trình này là nhiệt, vì vậy nước này thường ở dạng hơi nước. Làm thế nào để lái xe thân thiện với môi trường?
Loại pin nhiên liệu được sử dụng trên ô tô là pin nhiên liệu màng trao đổi polyme (hay PEM). Pin nhiên liệu PEM có ưu điểm là nhẹ và nhỏ. Chúng bao gồm hai điện cực (một cực dương tích điện âm và một cực âm tích điện dương), một chất xúc tác và một lớp màng. Hydro được đưa vào pin nhiên liệu ở cực dương dưới dạng các phân tử H2, mỗi phân tử chứa hai nguyên tử hydro. Một chất xúc tác ở cực dương phá vỡ các phân tử thành các ion hydro (các proton) và một dòng điện (các electron). Các ion đi qua màng, nhưng điện phải đi xung quanh. Trong khi nó đang làm như vậy, nó có thể được khai thác để làm việc. Cũng giống như hydro bị ép vào pin nhiên liệu ở cực dương, oxy bị ép vào ở cực âm. Các proton và electron tái hợp tại cực âm và tham gia với oxy để tạo thành nước, hầu hết chúng trở thành khí thải của pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu được thiết kế phẳng và mỏng, chủ yếu để chúng có thể xếp chồng lên nhau. Càng nhiều pin nhiên liệu trong ngăn xếp, điện áp mà ngăn xếp tạo ra càng lớn.
Nhiều người nghĩ rằng các phương tiện tiết kiệm nhiên liệu như ô tô chạy bằng hydro sẽ rất quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế kỷ 21. Năm 2003, Tổng thống George W. Bush đã công bố Sáng kiến Nhiên liệu Tự do trị giá 1,2 tỷ đô la nhằm hỗ trợ sự phát triển của công nghệ pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu có hai ưu điểm chính so với nhiên liệu hóa thạch. Thứ nhất, họ không làm cạn kiệt nguồn cung cấp dầu hữu hạn của thế giới, điều này giúp chúng tôi bảo toàn nguồn cung hiện có và họ cũng có thể giảm sự phụ thuộc của chúng tôi vào dầu nước ngoài. Thứ hai, sản phẩm phụ duy nhất từ hoạt động của pin nhiên liệu là nhiệt và nước, có nghĩa là pin nhiên liệu không tạo ra ô nhiễm. Điều này cực kỳ quan trọng trong thời kỳ mà khí thải carbon từ ô tô được cho là nguyên nhân thúc đẩy sự nóng lên toàn cầu.
Trên trang tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét cách thức sản xuất ô tô và pin nhiên liệu hydro. Và có lẽ quan trọng hơn chúng ta sẽ xem xét bản thân hydro sẽ đến từ đâu.
Vậy làm thế nào để các nhà sản xuất thực sự chế tạo ra các phương tiện tiết kiệm nhiên liệu, như ô tô chạy bằng pin nhiên liệu? Chà, sản xuất ô tô chạy bằng hydro không khác nhiều so với sản xuất ô tô thông thường. Tất nhiên, ví dụ, hệ thống truyền động và hệ thống điện sẽ hơi độc đáo bởi vì pin nhiên liệu tạo ra điện. Do đó, một chiếc ô tô chạy bằng hydro và ô tô điện có rất nhiều điểm chung về mặt đó. Có lẽ một câu hỏi quan trọng hơn là bản thân hydro sẽ được sản xuất như thế nào. Cho rằng hydro là nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ, chiếm khoảng 90% nguyên tử tồn tại, bạn sẽ nghĩ rằng điều này sẽ không thành vấn đề. Vâng, hãy suy nghĩ lại. Hydro cũng là nguyên tố nhẹ nhất trong vũ trụ và bất kỳ hydro nào chưa được giải phóng trên bề mặt Trái đất sẽ ngay lập tức trôi ra ngoài không gian. Những gì hydro còn lại trên hành tinh này liên kết với các nguyên tố khác ở dạng phân tử, phổ biến nhất là trong phân tử nước (H2O). Và có rất nhiều H2O trên bề mặt Trái đất.
Nhưng làm thế nào để chúng ta tách các phân tử hydro trong nước khỏi các phân tử oxy? Và nếu chúng ta không sử dụng nước làm nguồn hydro, thì chúng ta có thể lấy hydro ở đâu khác?
Cách đơn giản nhất để lấy hydro từ nước là cách mà Sir William Grove đã biết cách đây hơn 150 năm:điện phân. Nếu bạn cho dòng điện chạy qua nước, các phân tử H2O sẽ bị phân hủy. Tương tự như hoạt động của pin nhiên liệu, quy trình này sử dụng cực dương và cực âm, thường được làm từ kim loại trơ. Khi cho dòng điện chạy vào nước, hiđro hình thành ở cực âm và ôxy tạo thành ở cực dương. Mặc dù quá trình này diễn ra chậm, nhưng nó có thể được thực hiện trên quy mô lớn.
Một nguồn thay thế cho hydro là khí tự nhiên, bao gồm các hydrocacbon có trong tự nhiên. Một quá trình được gọi là sự biến đổi hơi nước có thể được sử dụng để tách hydro trong khí khỏi carbon. Hiện tại, đây là phương pháp sản xuất hydro quy mô công nghiệp phổ biến nhất và có thể sẽ là phương pháp đầu tiên được sử dụng để sản xuất hydro cho xe chạy bằng pin nhiên liệu. Thật không may, quá trình này sử dụng nhiên liệu hóa thạch - khí tự nhiên - vì vậy nếu mục đích của việc chế tạo ô tô chạy bằng hydro là để tránh làm cạn kiệt nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch, thì khí tự nhiên sẽ là nguồn cung cấp nhiên liệu này tồi tệ nhất có thể.
Một số chuyên gia đã gợi ý rằng có thể xây dựng các nhà máy hydro nhỏ phù hợp với nhà để xe của một người bình thường, vì vậy thậm chí không cần phải lái xe đến trạm nhiên liệu địa phương để đổ đầy bình hydro của ô tô. Hình thức cực đoan nhất của ý tưởng này là gợi ý rằng quá trình điện phân có thể được thực hiện bên trong chính chiếc ô tô, điều này có thể biến ý tưởng đáng kinh ngạc về một chiếc ô tô chạy bằng nước! Tuy nhiên, năng lượng cho quá trình điện phân phải đến từ một số loại pin, vì vậy, một chiếc ô tô chạy bằng nước sẽ cần được sạc lại định kỳ.
Vì vậy, những cỗ máy lái xe xanh như xe được trang bị pin nhiên liệu có thực sự là chiếc xe của tương lai? Nhiều người hy vọng như vậy, nhưng có một số rào cản tiềm năng trên con đường đến một thế giới nơi mọi người đi xung quanh trong những chiếc xe chạy bằng hydro. Chúng ta sẽ xem xét những điều đó ở trang tiếp theo.
Nhiều người tin rằng pin nhiên liệu hydro là công nghệ nhiên liệu thay thế quan trọng nhất hiện đang được phát triển. Tuy nhiên, nó không phải là không có vấn đề và có thể mất nhiều thập kỷ trước khi công nghệ pin nhiên liệu được sử dụng rộng rãi. Chúng ta đại khái có thể nhóm các vấn đề với hydro thành ba loại:chi phí phát triển công nghệ, khó khăn và nguy hiểm với việc lưu trữ hydro và khả năng "công nghệ không gây ô nhiễm" này không phải là không gây ô nhiễm. Dưới đây là một số trở ngại đối với ô tô chạy bằng hydro mà chúng ta có thể giải quyết trong tương lai gần.
Chi phí phát triển công nghệ hydro rất cao. Chúng ta không chỉ phải thiết kế và phát triển pin nhiên liệu và ô tô, mà còn phải phát triển cơ sở hạ tầng để hỗ trợ những phương tiện tiết kiệm nhiên liệu này. Hãy tưởng tượng nếu bạn hiện đang sở hữu một chiếc ô tô chạy bằng hydro. Bạn sẽ đi đâu để đổ đầy bể của bạn? Giả sử bạn không có cơ sở sản xuất hydro trong nhà để xe của mình, bạn sẽ cần một trạm tiếp nhiên liệu hydro và nơi duy nhất có số lượng đáng kể các trạm như vậy tồn tại vào lúc này là ở bang California, nơi Thống đốc Arnold Schwarzenegger đã cam kết hỗ trợ một tương lai hydro. Một số ước tính bi quan hơn đã đặt chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng cho phép một số lượng đáng kể ô tô chạy bằng hydro lên tới 500 tỷ USD - và thời gian để sản xuất cơ sở hạ tầng kéo dài tới 4 thập kỷ!
Giá thành của những chiếc xe hơi cao. Với bạch kim là chất xúc tác được sử dụng rộng rãi nhất trong pin nhiên liệu, giá của một chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu hiện tại là hơn 100.000 đô la và thậm chí có thể cao hơn đáng kể, đó là lý do tại sao những chiếc ô tô chạy bằng hydro duy nhất hiện có để bạn lái. , không phải để bán. Rất ít người có đủ khả năng để mua một chiếc xe hơi đắt tiền như vậy. Các chất xúc tác khác đang được phát triển có thể sẽ rẻ hơn bạch kim, nhưng không ai biết chúng sẽ sớm có sẵn để sử dụng trên quy mô lớn.
Vấn đề lưu trữ cũng là một vấn đề hóc búa. Hydro là một chất khí và nó thích phát tán ra ngoài. Đặt nó trong một chiếc xe hơi có nghĩa là ép nó xuống một kích thước hợp lý, và điều đó không dễ dàng. Hơn nữa, hydro nóng lên khi nó ở trong bình của một chiếc ô tô đang đậu, làm cho khí nở ra. Điều này có nghĩa là các xe tăng phải xả hydro định kỳ ra khỏi xe. Để một chiếc ô tô chạy bằng hydro trong vài ngày và tất cả nhiên liệu sẽ hết. Hydro cũng rất dễ cháy - vụ nổ ngoạn mục của chiếc xe lửa nhỏ Hindenburg vào những năm 1930 được một số người cho rằng là kết quả của một vụ cháy hydro - vì vậy, nếu hydro thoát ra khỏi bình, nó có khả năng gây nguy hiểm. . May mắn thay, đám cháy hydro không nóng như đám cháy xăng và ít có khả năng bùng phát các đám cháy thứ cấp hơn. Và bởi vì hydro tăng lên, hầu hết hydro thoát ra sẽ trôi đi trước khi nó thực sự có thể gây hại.
Và hydro có thực sự không gây ô nhiễm không? Pin nhiên liệu chỉ tạo ra nhiệt và nước dưới dạng khí thải, nhưng các quy trình được sử dụng để tạo ra hydro không nhất thiết phải sạch. Quá trình điện phân sử dụng điện và lượng điện đó thường đến từ các nhà máy đốt than, một nguồn gây ô nhiễm nặng. Và khi hydro được chiết xuất từ khí tự nhiên, nó tạo ra khí thải carbon, đây chính là điều mà chúng ta đang cố gắng tránh bằng cách sử dụng hydro ngay từ đầu.
Nhiều người nghĩ rằng cuối cùng chúng ta sẽ vượt qua những trở ngại này, nhưng nó sẽ rất khó khăn. Những người khác tin rằng đặt cược tốt nhất của chúng tôi để tiết kiệm nhiên liệu và lái xe thân thiện với môi trường trong tương lai gần không nằm ở hydro mà ở các loại xe điện hybrid, như Toyota Prius, Ford Fusion hybrid và các xe hybrid tương tự khác. Tuy nhiên, có thể trong vài thập kỷ tới, bạn có thể sở hữu một chiếc ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hydro.
Để biết thêm thông tin về nhiên liệu thay thế, ô tô hybrid và các chủ đề liên quan khác, hãy theo các liên kết ở trang tiếp theo.
Ô tô tự lái:Chúng hoạt động như thế nào và chúng có thực sự hoạt động không?
Hệ thống lái ô tô hoạt động như thế nào?
Hệ thống nhiên liệu trên xe hoạt động như thế nào?
Trí tuệ nhân tạo hoạt động như thế nào trong ô tô?