Cơn sốt chạy đua nghiên cứu, chế tạo pin nhiên liệu

Lợi ích củapin nhiên liệulà giảm sự phụ thuộc của con người vào dầu mỏ - nguồn nhiên liệu hoá thạch sắp cạn kiệt và hay biến động về giá. Theo ước tính của Bộ Năng lượng Mỹ, nếu 10.000 xe ôtô sử dụng pin nhiên liệu  thì lượng dầu mỏ tiêu thụ sẽ giảm 32 triệu lít mỗi năm. Nếu 10% ôtô trên toàn nước Mỹ sử dụng pin nhiên liệu, mỗi năm sẽ giảm được 1 triệu tấn chất gây ô nhiễm không khí và 60 triệu tấn CO ₂gây hiệu ứng nhà kính.

Không phụ thuộc dầu mỏ

Kết quả khảo sát được công bố tháng 12/2004 của Fuel Cells Today cho thấy số hệ thống pin nhiên liệu hoàn chỉnh (có khả năng sản xuất điện độc lập) trên toàn thế giới đã vượt qua con số 11.000 đơn vị. Pin nhiên liệu được sản xuất dưới nhiều kích cỡ, tạo ra lượng điện vừa phải để chạy các thiết bị xách tay, ôtô hoặc lượng điện lớn để phục vụ sản xuất, sinh hoạt gia đình và quân sự (hệ thống pin nhiên liệu dưới dạng nhà máy điện).

Trong lĩnh vực vận tải, phải kể tới Câu lạc bộ xe buýt nhiên liệu. Câu lạc bộ này có tổng cộng 33 xe buýt hiệu DaimlerChrysler Citaro dùng pin nhiên liệu hiệu và đang chạy ở 11 thành phố trên thế giới. Mỗi thành phố có một trạm hydro. Tính tới cuối tháng 4/2005, đội xe trên đã hoạt động được 50.000 giờ và các báo cáo cho thấy công nghệ xe buýt này đang hoạt động tốt. Tuy nhiên, công nghệ nạp nhiên liệu vẫn chưa đáng tin cậy và cần nghiên cứu, phát triển hơn nữa trước khi thương mại hoá.

Cho tới cuối tháng 12/2004, trên thế giới có tổng cộng gần 80 xe buýt pin nhiên liệu đã được sản xuất và 65 trong số đó đang hoạt động. Số ôtô con dùng pin nhiên liệu là 500 chiếc và dự báo có thể đạt 600 vào cuối năm 2005.

Trong khi đó, có khoảng 700 hệ thống pin nhiên liệu công suất lớn hơn 10kW và gần 3.000 hệ thống có công suất 1-10kW đã được lắp đặt trên toàn thế giới. Chúng cung cấp điện cho hộ gia đình, bệnh viện, nhà máy... Ngoài ra, các công ty cũng đã sản xuất khoảng 7.000 pin nhiên liệu dành cho thiết bị cầm tay.

Chạy đua đưa pin nhiên liệu vào cuộc sống

Theo các tin tức đã công bố trên báo chí,  vào tháng 3/2003, Bộ Năng lượng Mỹ đã khởi động các công trình theo chương trình "Sáng kiến về hydro - nguyên tử" nhằm tạo ra trước năm 2015 tổ hợp hydro - nguyên tử về sản xuất hydro bằng lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao. Tháng 6/2003, tại kỳ họp của Cơ quan năng lượng quốc tế, Bộ trưởng năng lượng Mỹ Spencer Abraham đã tuyên bố rằng sau 20 năm nữa toàn thế giới (các nước phát triển sẽ sớm hơn) sẽ chuyển sang loại nhiên liệu mới là hydro. Tháng 7/2003, Thượng Viện Mỹ đã cấp ngân sách cho sáng kiến về hydro - nguyên tử gấp 2 lần so với đề nghị của chính quyền Tổng thống Mỹ. .Hoa Kỳ đã cam kết chi 1,7 tỉ đô-la để phát triển các công nghệ sử dụng khí hydro và pin nhiên liệu dùng cho ô tô và những ứng dụng tĩnh. Trong khi đó, có tin Liên minh châu Âu cũng đã dành 2 tỷ USD cho những nghiên cứu tương tự...

Các loại pin nhiên liệu chính hiện nay là Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton exchange membrane fuel cell - PEMFC), Pin nhiên liệu ô-xýt rắn (Solid oxide fuel cell - SOFC), Pin nhiên liệu carbonate nấu chảy (Molten carbonate fuel cell - MCFC), pin nhiên liệu axít phosphoric (Phosphoric-acid fuel cell - PAFC). PEMFC là loại pin nhiên liệu phổ biến và hứa hẹn nhất, chiếm 65% tổng số đơn vị. Hiện có khoảng 80 công ty trên toàn thế giới đang phát triển PEMFC, chủ yếu sử dụng cho ôtô, xe buýt và thậm chí là cung cấp điện cho hộ gia đình. PEMFC hoạt động ở nhiệt độ tương đối thấp (chừng 80 độ C) nên chúng ấm lên nhanh chóng và không cần bình chứa đắt tiền.

Lọai pin nhiên liệu ô-xýt rắn (SOFC) phù hợp nhất đối với các nhà máy điện quy mô lớn, cung cấp điện cho nhà máy hoặc thành phố. SOFC hoạt động ở nhiệt độ rất cao (chừng 1.000 độ C). Nhiệt độ cao này làm giảm độ tin cậy song lại có lợi thế: hơi nước mà pin nhiên liệu tạo ra có thể được dẫn vào tuốc-bin để sản xuất nhiều điện hơn, cải thiện tính hiệu quả của toàn hệ thống. Riêng trong lĩnh vực này, Bộ Năng lượng Mỹ đang thực hiện 11 dự án với tổng giá trị gần 4,2 triệu USD, tập trung vào giải quyết những vướng mắc trong việc phát triển các hệ thống SOFC dùng trong thương mại. Một trong những mục tiêu là giảm chi phí đầu tư ban đầu của SOFC xuống còn 400 USD/kWh. Với mức này, pin nhiên liệu sẽ có khả năng cạnh tranh mạnh mẽ với điện thông thường. Thị trường SOFC toàn cầu năm 2003 là 123 triệu USD, trong đó Bắc Mỹ chiếm ít nhất 67 triệu USD. Dự đoán trong năm 2005, con số này sẽ tăng lên 360 triệu USD.

Về pin nhiên liệu để chạy xe hơi, theo một chuyên gia Mỹ,  hydro giá khoảng 2 USD/kg, và 1 kg hydro sản xuất được một khối năng lượng gần tương đương với khoảng 3,8 lít xăng thường. Nghe có vẻ hấp dẩn, thế nhưng một chiếc xe hơi Opel Zafira có động cơ để chạy pin nhiên liệu hydro hiện có giá tới ...chừng 1 triệu USD! Người ta hy vọng, khi xe được sản xuất với số lượng lớn hơn thì giá cả sẽ giảm xuống.

Riêng đối với các loại thiết bị xách tay dùng pin nhiên liệu, tình hình xem chừng có khả quan hơn... Các hãng Casio, Hitachi , Motorola, NEC, Smart Fuel Cell và Toshiba đang phát triển pin nhiên liệu chạy bằng methanol (DMFC) dùng cho máy tính xách tay. Dự kiến, pin sẽ được thương mại hoá trong năm 2005.

Trở ngại đang khắc phục

Tế bào nhiên liệu vẫn còn là một công nghệ non trẻ. Việc phát triển nó vẫn còn gặp nhiều thách thức về mặt kỹ thuật và vấn đề lớn nhất là giá thành quá cao. Tuy nhiên, với sự tiến bộ về công nghệ, trong tương lai, pin nhiên liệu sẽ cạnh tranh với nhiều loại thiết bị chuyển đổi năng lượng khác, trong đó có tuốc-bin khí của một số nhà máy điện, động cơ xăng trong ôtô và pin trong máy tính xách tay.

Hydro và oxy là những nguyên tố dồi dào nhất trên trái đất. Oxy cần cho tế bào nhiên liệu được lấy từ không khí. Tuy nhiên, nguồn hydro thì vẫn còn hạn chế: không giống dầu hoặc than, trước khi được sử dụng trong các pin nhiên liệu, con người phải sản xuất hydrogen từ nước, hoặc các hydrocarbon chẳng hạn như xăng, propane, khí tự nhiên, methanol và ethanol bởi không có mỏ hydrogen tự nhiên dưới lòng đất. Ngoài ra, rất khó chứa và phân phối hydro. Chẳng hạn như chưa có đường ống dẫn hydro tới các ngôi nhà và rất ít các trạm tiếp hydro dọc đường (trên thế giới mới chỉ có 150 trạm hydro và trong năm nay sẽ có thêm 15 trạm nữa). Chính sự hạn chế đó đã làm cho pin nhiên liệu trở nên không thực tiễn trong hầu hết các ứng dụng.

Các nhà khoa học đã chế tạo một thiết bị có tên là bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi này biến hydrocacbon hoặc cồn nhiên liệu thành hydro, rồi cung cấp cho pin nhiên liệu. Tuy nhiên, các bộ chuyển đối không hoàn hảo, tạo ra nhiệt và các loại khí khác ngoài hydro. Hydro không tinh khiết sẽ hạ thấp hiệu suất của pin nhiên liệu. Do vậy, sẽ thuận tiện hơn nếupin nhiên liệu trực tiếp sử dụng các loại nhiên liệu sẵn có hơn, chẳng hạn như khí tự nhiên, propane và methanol. Nhiều người có đường ống khí tự nhiên hoặc bình propane trong nhà của họ, do vậy nhiên liệu này có thể được sử dụng cho pin nhiên liệu gia đình. Methanol là một loại rượu có quy trình sản xuất đơn giản, giá thành rất thấp, có tính chất tương tự xăng, dễ vận chuyển và phân phối nên có thể là một ứng cử viên hứa hẹn để sử dụng cho pin nhiên liệu chạy ôtô, xe máy, điện thoại di động, máy tính xách tay.