CHƯƠNG 1.1 Tiềm năng ứng dụng của năng lượng mặt trời trong xe điện Vào năm 2012, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ và Cục An toàn Giao thông Đường cao tốc Quốc gia đã thông qua các tiêu chuẩn về lượng khí thải CO2 và cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu cho các loại xe hạng nhẹ trong giai đoạn 2017–2025. Các quy tắc khí thải mới yêu cầu mức tiết kiệm nhiên liệu trung bình là 23,2 Km/L [1] (tương đương với lượng khí thải CO2 là 100 g/Km) đối với các phương tiện này vào năm 2025. Các quy tắc tương tự đã được phát triển bởi EU, Nhật Bản và các quốc gia và khu vực khác. Theo đó, các nhà sản xuất ô tô đã và đang phát triển nhiều loại phương tiện thân thiện với môi trường (EFV) như xe hybrid (HV), xe plug-in hybrid (PHV), xe điện (EV) và xe chạy bằng pin nhiên liệu (FCV) để giúp giảm lượng khí thải CO2.
Mặc dù hơn 20 % sản lượng xe trong năm 2015 đã đạt được mục tiêu CO2 vào năm 2018, nhưng chưa đến 5 % sản lượng của năm 2015, chỉ bao gồm HV, PHV và EV, có thể đáp ứng các tiêu chuẩn đã đề ra vào năm 2025. Do đó, cần phát triển các công nghệ khác sử dụng năng lượng tái tạo làm động lực để đạt được mức giảm phát thải CO2 hơn nữa. Việc sản xuất điện bằng pin mặt trời ứng dụng trong xe điện là một ứng cử viên đầy hứa hẹn vì hầu hết các EFV đều được trang bị pin dung lượng lớn có thể được sạc bằng điện do các pin này tạo ra. Xe điện sử dụng nguồn năng lượng tái tạo được đánh giá là tương lai của ngành công nghiệp sản xuất ô tô khi giải được “bài toán” ô nhiễm môi trường.
Lượng khí thải CO2 bao gồm cả phát thải trực tiếp và phát thải gián tiếp ra môi trường từ xe điện thấp hơn khoảng 70 % so với các dòng xe truyền thống. Bằng việc sử dụng nguồn năng lượng được cung cấp từ pin, xe điện không phát thải trực tiếp ra các chất độc hại như khí CO, NOx, HC… ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người. Theo đó, xe điện làm giảm rõ rệt lượng khí thải CO2, khói bụi tại các đô thị lớn, từng bước loại bỏ sự phụ thuộc của con người vào nhiên liệu hóa thạch. Theo thống kê của EDF Energy – một công ty tổng hợp Năng lượng của Anh cho thấy, mỗi năm xe truyền thống thải trực tiếp ra môi trường gần 5.400 kg khí CO2 [1].
Con số này ở xe điện là 1.800 kg, thấp hơn 70% so với xe truyền thống. Với tốc độ phát triển công nghệ xe điện như hiện nay, các chuyên gia nhận định tới năm 2030, lượng phát thải ở xe điện còn nhỏ hơn rất nhiều lần nữa so với hiện tại.1 Xe điện giúp giảm phát thải trực tiếp ra môi trường [1] 1 Theo Hội đồng Quốc tế về Giao thông sạch (ICCT) đã thực hiện thử nghiệm trên hai chiếc xe tải nhỏ chạy bằng điện và xăng trên quãng đường 234. Kết quả cho thấy, tại Châu Âu lượng phát thải khí nhà kính của xe điện thấp, từ 66-69 %, so với xe xăng. Ngoài ra, cũng theo ICCT, xe điện đã chứng minh được ưu điểm giảm phát thải CO2 ở nhiều quốc gia khác như Mỹ (60 – 68 %), Trung Quốc (37 – 45 %), Ấn Độ (19 – 34 %).
Những con số chứng minh khả năng giảm phát thải khí CO2 của xe điện sẽ còn ấn tượng hơn trong tương lai khi các nguồn điện “sạch” từ gió, năng lượng mặt trời đang ngày càng phát triển mạnh mẽ. Nhà nghiên cứu của hội đồng ICCT Georg Bieker dự đoán đến năm 2035, Châu Âu sẽ loại bỏ hoàn toàn xe vận tải chạy bằng động cơ đốt trong để giảm thiểu tối đa lượng khí thải CO2 ra môi trường. Và năm 2050, xe điện sẽ chính thức xuất hiện trong các giải đua F1 tại đây. Bên cạnh phát thải trực tiếp thì xe điện còn phát thải gián tiếp ra môi trường thông qua quá trình sản xuất và sạc pin.
Đây được xem là lượng phát thải chủ yếu của xe điện. Nguyên liệu chế tạo pin lithium – loại pin được sử dụng phổ biến hiện nay trên xe điện được khai thác thô sơ nên vẫn thải lượng khí CO2 nhất định ra môi trường. Vì vậy, các nhà sản xuất đang bắt tay vào nghiên cứu và cải tiến để tạo ra pin thể rắn hoặc pin năng lượng mặt trời thay thế cho pin lithium. Bên cạnh đó, nhiều hãng sản xuất xe điện lớn còn yêu cầu các công ty cung cấp nguyên liệu sản xuất pin phải cam kết sử dụng công nghệ hiện đại trong việc khai thác tránh tác động xấu tới môi trường.
Có thể nói, pin xe điện đang ngày một “xanh, sạch” và thân thiện với môi trường hơn. Tuy nhiên hiện nay, năng lượng được sử dụng tại trạm sạc đều là điện dân dụng do đó việc sạc điện cho xe làm tăng nhu cầu sử dụng điện tại các thành phố lớn. Mặc dù xe điện không phát thải CO2 tuy nhiên việc tiêu thụ điện năng tăng lên tại thành phố lớn đồng nghĩa với việc gián tiếp chuyển phát thải CO2 từ thành phố lớn tới các nơi sản xuất điện năng. Phương án tốt nhất để cải thiện vấn đề này là xây dựng trạm sạc chạy bằng nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời hoặc tích hợp trực tiếp bộ thu năng lượng mặt trời trên các xe điện để sạc pin trực tiếp cho xe ngay trong quá trình vận hành hoặc trong bãi để xe ngoài trời bởi đây là những nguồn năng lượng tuyệt vời và vô tận.
Tuy vẫn có lượng phát thải gián tiếp nhưng với mức giảm 70 % so với xe truyền thống, ô tô điện thực sự đem lại những lợi ích không nhỏ cho môi trường, đặc biệt là hiệu ứng nhà kính. Trong tương lai, để giảm hoàn toàn lượng khí thải CO2, ngành công nghiệp xe điện cần có những cải tiến vượt bậc trong khâu sản xuất, khai thác nguyên liệu, xử lý và tái chế pin cũng như đổi mới công nghệ sạc. Như vậy, ta thấy rằng xe điện là giải pháp tối ưu cho các vấn đề về năng lượng và môi trường mà toàn cầu đang phải đối mặt, đó là lý do khiến nó trở thành mối quan tâm đặc biệt từ nửa sau thế kỉ 20 trở lại đây và càng ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp ô tô và các nhà khoa học trên toàn thế giới. Tuy nhiên việc sản xuất xe điện hoàn toàn xanh nghĩa là các xe điện sử dụng năng lượng tái tạo vẫn chưa phát triển tương xứng, rất nhiều các 2 công ty sản xuất xe điện cũng như các nhóm nghiên cứu đang tập trung vào vấn đề phát triển các xe điện trực tiếp sử dụng năng lượng tái tạo.2 Tình hình nghiên cứu tích hợp năng lượng mặt trời trong xe điện 1.1 Sự phát triển tại các hãng xe thương mại Một nguyên mẫu xe hơi trong đó các tấm pin năng lượng mặt trời đặt trên nóc xe sẽ hấp thụ năng lượng từ Mặt trời để sử dụng trong xe lần đầu tiên được Toyota triển khai áp dụng trên Prius 2012.
Tuy nhiên, vào thời điểm đó, những hạn chế về công nghệ trong việc sử dụng năng lượng hiệu quả khiến năng lượng từ các tấm pin này chỉ hữu ích cho các thiết bị ngoại vi như điều hòa không khí hơn là giúp tăng quãng đường lái xe một cách có ý nghĩa. Đến năm 2019, hãng xe Hyundai đã tiết lộ một mẫu xe Sonata mới của mình, trong đó một tấm pin năng lượng mặt trời hoàn chỉnh được tích hợp để sạc trực tiếp cho xe trong quá trình vận hành và họ ước tính rằng, với sáu giờ sạc dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp mỗi ngày, Sonata Hybrid có thể đạt được thêm 1.300 km lái xe điện mỗi năm, tương đương với mức tăng trung bình 3,6 km/ngày [2]. Với 70 % xe du lịch di chuyển trung bình dưới 30 km/ngày [3], tấm pin mặt trời trên xe thương mại có thể giúp xe điện giảm 10 y 12 % năng lượng tiêu thụ mỗi ngày. Các phương tiện mà sử dụng song song điện chạy bằng pin và xăng/dầu để cung cấp năng lượng cho xe vận hành kể trên được gọi là plug-in hybrid.
Cơ chế đằng sau của các tấm này rất đơn giản, khi ánh sáng mặt trời được hấp thụ bởi các tế bào trên tấm pin mặt trời, điện sẽ được sản xuất và được lưu trữ trong cả ắc quy khởi động và ắc quy lái. Điện năng này trong pin lái có chức năng kéo dài quãng đường lái xe, trong khi đó trong pin khởi động làm giảm thời gian cần thiết của máy phát điện để sạc bộ khởi động, do đó giảm gánh nặng cho động cơ và cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời trên nóc xe của Sonata Hybrid [6] 3 Trong khi đó, các tấm năng lượng mặt trời trên nóc xe của Prius tuân theo một nguyên lý hoạt động khác: nó lưu trữ năng lượng từ nóc xe vào một tấm pin riêng biệt, sau đó chuyển năng lượng này để sạc cho pin lái. Hệ thống không chỉ yêu cầu thêm pin mà còn làm mất hiệu quả năng lượng trong quá trình này. Hệ thống của Sonata hiệu quả hơn về mặt đó, vì nó sạc đồng thời cho cả pin khởi động và pin lái.3 So sánh hệ thống năng lượng mặt trời trên nóc xe của Sonata Hybrid và Toyota Prius [6] Như đã nói, hệ thống pin mặt trời của Prius chuyển năng lượng từ các tấm pin mặt trời sang một pin mặt trời riêng biệt trước khi sạc cho pin lái, trong khi hệ thống của Sonata sạc trực tiếp pin từ các tấm pin mặt trời.
Sự khác biệt này trực tiếp dẫn đến sự khác biệt đáng kể về hiệu quả sử dụng năng lượng. Hơn nữa, các tấm năng lượng mặt trời của Sonata Hybrid đã cải thiện công suất của các tế bào quang điện và làm cho bộ điều khiển hiệu quả hơn, tăng khoảng cách lái xe hàng ngày lên 20 % so với Prius. Quãng đường lái xe của Sonata cho một ngày sạc là 3,6 km, cao hơn quãng đường 2,9 km mà Toyota công bố. Ngoài ra, chi phí cho các tấm năng lượng mặt trời của Sonata Hybrid là khoảng 1.100 đô la, trong khi xe của Prius là 280.
Nhìn chung, hệ thống năng lượng mặt trời của Sonata Hybrid không chỉ hiệu quả hơn mà còn tiết kiệm hơn so với hệ thống của Toyota Prius.4 Mẫu xe điện Lightyear One [7] Bên cạnh đó, một công ty khởi nghiệp Lightyear của Hà Lan cũng đã ra mắt một chiếc ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời vào năm 2019.