Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường Ô nhiễm môi trường đã trở thành một vấn đề không chỉ của một quốc gia, một khu vực mà là mối quan tâm chung của toàn nhân loại. Quá trình phát triển kinh tế - xã hội của các quốc gia trên thế giới đã gây ra những ảnh hưởng nặng nề đến môi trường. Nó làm cho môi trường sống của loài người bị biến đổi và ngày càng xuống cấp.
Đó là sự biến đổi của khí hậu - nóng lên toàn cầu, sự suy giảm tầng ôzôn và mưa axít,…và đặc biệt là ô nhiễm không khí do hoạt động giao thông vận tải gây ra.1 Phương tiện tham gia giao thông tại thành phố lớn ở Việt Nam Ở Việt Nam, ô nhiễm không khí trên địa bàn các đô thị lớn đã và đang trở thành một vấn đề cấp bách. Sự ô nhiễm này xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó sự gia tăng về số lượng phương tiện tham gia giao thông tại các thành phố lớn như thể hiện trên Hình 1.1 được coi là một trong những nguyên nhân chính, bởi mức độ ô nhiễm không khí tỷ lệ thuận với số lượng phương tiện tham gia giao thông. Theo số liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam, năm 2020 toàn quốc có 41.332 phương tiện (4.854 xe mô tô, xe máy) [7,8]. Tính đến tháng 7/2020, thành phố Hồ Chí Minh có 8,94 triệu phương tiện cá nhân, tăng gần 7% so với cùng kỳ năm 2018.
Như vậy, chỉ trong khoảng 10 năm (từ năm 2010 đến nay) đã tăng thêm hơn 4 triệu phương tiện giao thông. Theo thống kê, bình quân mỗi tháng có 30.000 phương tiện giao thông đăng ký mới, tức mỗi ngày có 1.000 phương tiện đăng ký mới [7]. Còn theo phòng CSGT Hà Nội, tính đến Quý 1/2019, CSGT Hà Nội phải quản lý 6.596 phương tiện.436 xe máy và xe máy điện là 148. Đánh giá tổng hợp 2014 - 2019 cho thấy, trong năm 2017, số 4 luan an lượng phương tiện tăng 5,3%, đến năm 2018 tăng 4,2% và năm 2019 so với 2018 đã tăng 1,5%.
Theo số liệu phương tiện được phòng CSGT thống kê, xe máy đang chiếm đến 86% lượng phương tiện giao thông đang tham gia ở Hà Nội [7]. Ngoài ra, chất lượng của các phương tiện giao thông cũng là một vấn đề rất đáng bàn.2 cho thấy hầu hết những loại xe ô tô cũ và xe máy sau một thời gian lưu hành đều có mức phát thải cao ra môi trường do nhiều người tham gia giao thông tại Việt Nam còn chưa có thói quen bảo dưỡng phương tiện định kỳ theo khuyến cáo của nhà sản xuất [7]. Chính vì vậy làm giảm chất lượng quá trình cháy, tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và đồng nghĩa với đó là tăng phát thải ô nhiễm môi trường.2 Ô nhiễm môi trường trong hoạt động giao thông vận tải Đứng trước thực trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do các hoạt động giao thông vận tải, gây tác động tiêu cực đến cuộc sống sinh hoạt và sức khỏe của con người, đã có nhiều biện pháp được triển khai thực hiện. Trong đó, vào năm 2019 Thủ tướng ban hành Quyết định 16/2019 quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối với xe ô tô và xe ô tô đã qua sử dụng nhập khẩu.
Theo đó, các mức tiêu chuẩn áp dụng cho xe ô tô được nâng lên so với mức quy định tại Quyết định 249/2005 và áp dụng từ ngày 1/1/2020. Để cải thiện chất lượng khí thải thì một trong những giải pháp đem lại hiệu quả từ những phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu xăng hoặc diesel là sử dụng nhiên liệu thay thế như xăng sinh học, diesel sinh học, khí CNG, LPG, …[7] Những ưu điểm vượt trội về khía cạnh phát thải của nhiên liệu sinh học so với nhiên liệu hóa thạch là không thể phủ nhận, tuy vậy vẫn còn tồn tại những hạn chế cần phải xem xét đến như: quá trình để sản xuất nhiên liệu sinh học cũng gây phát thải khí CO2; việc phá rừng để có diện tích canh tác các loại cây trồng làm nhiên liệu 5 luan an sản xuất nhiên liệu sinh học làm giảm diện tích rừng tự nhiên, làm tăng thêm lượng phát thải khí CO2; việc canh tác các loại cây nhiên liệu cần nước để tưới tiêu hợp lý, điều này có thể tạo sức ép lên nguồn nước ngầm của địa phương và khu vực; để tinh chế nhiên liệu sinh học thành năng lượng hiệu quả hơn cần xây dựng các nhà máy sản xuất cần thiết để tăng sản lượng nhiên liệu sinh học, thường đòi hỏi một khoản đầu tư ban đầu cao, khiến giá thành của nó hiện tại còn tương đối cao; việc sử dụng các loại cây trồng biến đổi gen để tăng năng suất sản xuất nhiên liệu sinh học tạo ra nguy cơ gây biến đổi gen sẽ di truyền gây hại cho các loại cây nông nghiệp khác và sự du nhập của các loài xâm lấn thông qua trồng trọt làm thức ăn chăn nuôi cũng có thể gây hại.Vì những lí do đó thì bên cạnh việc sử dụng nhiên liệu thay thế việc hướng tới phương tiện giao thông sử dụng nguồn năng lượng điện hoặc hydro cũng là một hướng đi giàu tiềm năng [10]. Trong những năm gần đây, xu hướng sử dụng các loại xe sử dụng nhiên liệu thay thế, năng lượng điện, hydro cũng đã có những sự gia tăng đáng kể. Bên cạnh đó trên thế giới những nghiên cứu về vấn đề này cũng được chú trọng và đang rất phát triển góp phần nâng cao sự hoàn thiện về mặt kĩ thuật của những dòng xe này.
Hơn nữa, việc đầu tư cải tạo hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông cũng hết sức được chú trọng. Vì vậy ta có thể tin rằng trong tương lai chắc chắn nhu cầu sử dụng dòng xe này sẽ còn tiếp tục tăng cao. Tuy nhiên để sử dụng năng lượng điện hoặc hydro trên phương tiện giao thông cần một trong hai giải pháp đó là thay thế hoàn toàn nguồn năng lượng từ ĐCĐT (xe thuần điện (BEV) hoặc xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV)) hoặc phối hợp nguồn năng lượng từ ĐCĐT với ĐCĐ (xe hybrid) [11].3 Doanh số xe điện – hybrid toàn cầu Trên thế giới lượng xe có yếu tố “điện” (xe điện, xe hybrid và xe sử dụng pin nhiên liệu) được bán trên toàn cầu đạt 1,3 triệu xe, chiếm hơn 6% lượng xe tiêu thụ toàn cầu. Mẫu xe Tesla Model 3 chạy hoàn toàn bằng điện là mẫu xe bán chạy thứ 11 ở Mỹ năm 2018 và đặc biệt là vào thời điểm cuối năm.
Khả năng lớn Tesla sẽ còn 6 luan an đẩy được doanh số bán mạnh mẽ hơn nữa trong thời gian tới.3 cho thấy xu hướng thay đổi như vậy có thể coi là đã rõ ràng, có thể sẽ cần nhiều thời gian nữa để những thay đổi này được áp dụng ở các nước đang phát triển như Việt Nam. Lợi ích to lớn về môi trường của xe điện là không thể chối cãi. Quá trình từ sản xuất, vận hành đến loại bỏ một xe điện tạo ra lượng khí thải chỉ bằng một nửa xe chạy xăng thông thường, tính cả ô nhiễm từ việc sản xuất pin. Quãng đường di chuyển đối với xe thông thường, xe hybrid (HEV), xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV) và xe thuần điện (BEV) Quãng đường di chuyển của xe điện trên một lần sạc là thấp hơn so với xe truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Xe hybrid lại có quãng đường di chuyển tương đương với xe truyền thống như thể hiện ở Hình 1. Trong đó, xe Hyundai Tucson và xe Mercedes-Benz GLK250 là xe thông thường; xe Toyota Highlander là xe hybrid; xe Hyundai 2015 là xe fuel cell và xe RAV4 2014 là xe điện thuần. Tuy nhiên xe điện vẫn còn nhiều thách thức để trở nên thông dụng. Thời gian sạc điện lâu là một trong những hạn chế của xe điện, xe điện cần trạm sạc điện chuyên dụng mà thời gian chờ sạc lại lâu, điều này được thể hiện rõ ràng trên Hình 1.
Chi phí để lắp đặt trạm sạc điện cao. Bên cạnh đó, hiện nay giá thành xe điện cao do sử dụng công nghệ cao và quy mô thị trường chưa đủ lớn. Khối pin sau nhiều năm sử dụng cần thay mới chi phí cao có thể chiếm đến 20% giá trị chiếc xe lúc mua vào. Việc sửa chữa, thay thế, bảo dưỡng xe điện cũng gặp khó khăn do chưa phổ biến.
Ngoài ra, người dùng còn chịu hạn chế trong việc sử dụng các ứng dụng trên xe do yếu tố khấu hao pin. Đó là những thách thức cơ bản, khiến xe điện còn chưa được sử dụng rộng rãi trên thế giới đặc biệt là một quốc gia còn đang phát triển như Việt Nam. Chính vì vậy để phù hợp với mục tiêu giảm ô nhiễm môi trường mà không làm ảnh hưởng nhiều đến thói quen sử dụng cũng như đòi hỏi một sự thay đổi đồng bộ về cơ sở hạ tầng giao thông thì việc phát triển xe hybrid ở Việt Nam là một hướng đi phù hợp trong 7 luan an giai đoạn hiện nay, nhất là đối với các phương tiện cá nhân thì xu hướng này hoàn toàn phù hợp với chiến lược phát triển phương tiện giao thông “sạch” được thể hiện trên Hình 1. Do đó, việc ưu tiên nghiên cứu phát triển về xe hybrid cũng là một hướng đi cần được chú trọng trong thời gian tới.
Thời gian cung cấp nhiên liệu cho xe thông thường và xe sử dụng pin nhiên liệu (FCV) và thời gian sạc điện cho xe Hình 1. Chiến lược phát triển xe sử dụng năng lượng điện và hydro 8 luan an 1. Nguồn động lực thay thế ĐCĐT Sử dụng nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường đang là hướng đi mà các nhà khoa học đã và đang thực hiện nhằm giải quyết các vấn đề như giảm sự phụ thuộc nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch ngày càng cạn kiệt, giảm ô nhiễm môi trường do ĐCĐT gây ra. Cùng xu hướng phát triển chung của các ngành khoa học, ngành cơ khí động lực cũng có những bước phát triển đáng kể, nhiều công nghệ thân thiện với môi trường đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng, trong đó phải kể đến xu hướng dùng động cơ điện, động cơ sử dụng pin nhiên liệu, động cơ khí nén để thay thế một phần ĐCĐT trên các trang bị động lực [10,13,14].
Các vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết trong các nội dung nghiên cứu dưới đây.1 Động cơ điện Với đặc tính được thể hiện trên Hình 1. Có thể thấy rằng mô-tơ điện có đặc tính gần sát với đặc tính kéo lý tưởng của ô tô. Thông thường mô-tơ điện khởi động từ tốc độ bằng 0.