Với những ưu điểm vượt trội so với pin truyền thống về thời gian nạp và lượng điện lưu trữ, cũng như khả năng ứng dụng rộng rãi, thị trường pin nhiên liệu có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Tại Việt Nam, bước đầu đã có những nghiên cứu mang tính đột phá, đặt nền tảng vững chắc cho khả năng làm chủ công nghệ sản xuất pin nhiên liệu trong nước.
Nguồn năng lượng sạch của tương lai
Năng lượng hóa thạch đang suy giảm dần do trữ lượng có hạn, trong khi nhu cầu sử dụng ngày càng lớn. Bên cạnh đó, việc tiêu thụ nguồn năng lượng này đang gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, tác động tiêu cực đến khí hậu. Xu hướng chung là cần tìm những nguồn năng lượng mới thay thế, ít phụ thuộc vào dầu mỏ và hạn chế phát thải. Một trong số đó, có thể kể đến là pin nhiên liệu.
Được ứng dụng ngày càng phổ biến trong nhiều mặt của đời sống, trong những năm gần đây, pin nhiên liệu không còn là khái niệm xa lạ. Tại một số nền kinh tế phát triển, như Đức và Nhật Bản, pin nhiên liệu đã được đưa vào phục vụ hoạt động vận tải công cộng.
Pin nhiên liệu (fuel cell) biến đổi trực tiếp năng lượng hóa học của nhiên liệu (ví dụ như H2) thành năng lượng điện. Không giống như pin hoặc ắc-quy, pin nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện. Pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (H2) và chất oxy hóa (O2) được đưa từ ngoài vào.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu. (Nguồn: vjst.vn)
Một pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau. Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực dương), lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion và lớp thứ ba là điện cực khí oxy (cực âm). Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì,…). Chất điện phân được sử dụng là nhiều chất khác nhau, tùy theo loại pin nhiên liệu (có thể ở thể rắn hoặc thể lỏng và có cấu trúc màng). Vì một pin nhiên liệu riêng lẻ chỉ tạo được một điện thế rất thấp, nên tùy theo điện thế cần thiết, sẽ cần liên kết nhiều pin nhiên liệu riêng lẻ lại với nhau.
Ưu điểm của pin nhiên liệu là có khả năng tạo ra dòng điện liên tục, nếu được cấp nhiên liệu, mà không mất thời gian sạc. Đây là ưu điểm vượt trội so với pin truyền thống. Ngoài ra, sử dụng pin nhiên liệu giúp giảm phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm lượng oxit của lưu huỳnh và nitơ, CO2 - tác nhân gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường. Với khả năng chuyển hóa trực tiếp hóa năng thành điện năng, phát thải của pin nhiên liệu gần như bằng không. Hơn nữa, những ưu điểm nhờ trọng lượng nhẹ (chỉ bằng 30% tải trọng pin truyền thống), hiệu suất cao (cung cấp năng suất năng lượng điện tăng từ 40-70% điện, có thể hơn 85% khi tận dụng cả điện và nhiệt) giúp pin nhiên liệu sớm được ứng dụng trong các lĩnh vực chuyên biệt như du hành vũ trụ hay quân sự.
Tiềm năng vô cùng lớn
Từ nhiều năm nay, các hãng sản xuất đã nghiên cứu về xe sử dụng nhiên liệu là H2, sử dụng pin nhiên liệu để chuyển hóa năng lượng và dùng động cơ điện để vận hành xe buýt, xe du lịch, xe tải nhẹ. Từ năm 2003, hai hãng đóng tàu của Đức đã cung cấp loại tàu ngầm vận hành bằng điện được cung cấp từ hệ thống pin nhiên liệu H2.
Trong giời gian gần đây, do nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng cao, cùng với các tiến bộ công nghệ giúp giảm chi phí sản xuất, đã tạo động lực phát triển mạnh mẽ cho thị trường pin nhiên liệu. Theo số liệu của MarketsandMarkets (một nền tảng nghiên cứu thị trường nghiên cứu B2B, với hơn 10.000 khách hàng trên toàn thế giới), thị trường pin nhiên liệu ước tính đạt 2,9 tỷ USD vào năm 2022 và dự kiến đạt 9,1 tỷ USD vào năm 2027, tốc độ tăng trưởng kép đạt 26,0%/năm trong giai đoạn 2022-2027. Nhu cầu pin nhiên liệu toàn cầu được dự báo sẽ bùng nổ trong thời gian tới, với sự tham gia của nhiều ông lớn. Các hãng sản xuất danh tiếng như DaimlerChrysler, Renault, Honda đã xác định việc phát triển động cơ sử dụng pin nhiên liệu là một trong những mũi nhọn trong cạnh tranh công nghệ của doanh nghiệp.
Xu hướng sử dụng pin nhiên liệu toàn cầu (Nguồn: marketsandmarkets.com)
Nhiều quốc gia châu Á cũng bắt đầu tập trung phát triển pin nhiên liệu để làm nguồn năng lượng xanh. Năm 2020, chính phủ Hàn Quốc công bố Chiến lược kinh tế trị giá 144 tỷ USD cho phát triển kinh tế xanh, kèm mục tiêu đưa 200.000 xe chạy bằng pin nhiên liệu và 450 trạm sạc vào vận hành trước năm 2026. Đầu năm 2021, tập đoàn SK của Hàn Quốc quyết định đầu tư 1,6 tỷ USD cho Plug Power để thành lập liên doanh sản xuất pin nhiên liệu phục vụ thị trường Hàn Quốc, Trung Quốc và Việt Nam. Theo đại diện Plug Power, thị trường châu Á sẽ là "khu vực quan trọng với mục tiêu đạt doanh thu 1,7 tỷ USD vào năm 2024".
Vào tháng 03/2022, Trung Quốc cũng công bố kế hoạch triển khai phát triển công nghệ pin nhiên liệu. Trung Quốc là thị trường ô tô lớn nhất thế giới, với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ xe chạy bằng pin nhiên liệu. Theo Ủy ban Cải cách và Phát triển Quốc gia Trung Quốc, sẽ có khoảng 50.000 xe chạy bằng pin nhiên liệu H2 vào năm 2025 ở Trung Quốc.
Nghiên cứu pin nhiên liệu ở Việt Nam
Hiện nay, Việt Nam chưa có cơ chế hỗ trợ phát triển lĩnh vực công nghệ pin nhiên liệu một cách tổng thể. Gần đây, để khuyến khích sản xuất, lắp ráp các loại xe thân thiện môi trường, Chính phủ đã bổ sung các loại xe ô tô chạy điện, xe ô tô sử dụng pin nhiên liệu, xe ô tô hybrid,... vào đối tượng áp dụng chương trình ưu đãi thuế theo Nghị định số 57/2020/NĐ-CP (ban ngày 25/5/2020).
Vì giá thành khá cao và chưa phù hợp trong điều kiện thiếu cơ sở hạ tầng hỗ trợ nên pin nhiên liệu chưa được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn nhận định đây là nguồn năng lượng vô tận, có thể tái sinh được, giữ vai trò chủ đạo thay thế nhiên liệu hóa thạch, không gây ô nhiễm môi trường. Nhiều đề tài nghiên cứu về pin nhiên liệu từ các viện nghiên cứu, trường đại học bước đầu đã có những kết quả khả quan. Có thể kể đến như nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nhiên liệu H2 của Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) hay công trình nghiên cứu “Chất xúc tác có cấu trúc nano mới để sản xuất pin nhiên liệu hiệu quả, tiết kiệm chi phí và sản xuất năng lượng H2 xanh" của PGS.TS. Hồ Thị Thanh Vân (Trưởng Phòng Khoa học công nghệ và Quan hệ đối ngoại, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM).
Các sản phẩm từ nghiên cứu pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nhiên liệu hyđrô (Nguồn: vast.gov.vn)
Nghiên cứu pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nhiên liệu hyđrô của Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã điều chế thành công vật liệu xúc tác; đưa ra được 4 quy trình tổng hợp điều chế vật liệu xúc tác Pt/C, Pt3Ni/C, Pt3Co/C và Pt3Fe/C20%Wt ở mức độ phòng thí nghiệm (>200mg/mẻ). Qua quá trình đánh giá và thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn xúc tác Pt/C 20%Wt làm xúc tác anot và Pt3Ni/C 20%Wt làm xúc tác catot cho pin nhiên liệu. Xúc tác Pt/C 20%Wt điều chế được có kích thước hạt trung bình ~ 2,45 nm và diện tích bề mặt điện hóa ESA là 78,88 m2/g. Xúc tác catot Pt3Ni/C 20%Wt có kích thước hạt trung bình ~ 2,79 nm và diện tích bề mặt điện hóa ESA là 76,14 m2/g. Bên cạnh việc nghiên cứu các vật liệu xúc tác, đề tài cũng đã thành công trong nghiên cứu các kỹ thuật chế tạo điện cực màng MEA (thành phần chính của pin nhiên liệu) và đưa ra quy trình chế tạo điện cực màng MEA có chất lượng cao, thiết kế chế tạo và vận hành thành công bộ pin nhiên liệu nhỏ 16W, chế tạo các phụ kiện của pin như bipolar, bộ thu, mặt ghép,… Việc điều chế thành công vật liệu xúc tác để sản xuất PEMFC đã giúp Việt Nam có cơ hội chủ động được vật liệu cốt lõi trong nghiên cứu PEMFC, loại vật liệu vốn chỉ được nhập khẩu với chi phí tương đối cao.
Công trình của PGS.TS. Hồ Thị Thanh Vân là tổng hợp chất xúc tác nano hợp kim Pt-Mo trên vật liệu nano Ti0, 8W0, 202 để nâng cao khả năng chịu độc CO và giảm giá thành cho loại pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp methanol. Như đã biết, trong các loại pin nhiên liệu thông thường, thành phần bao gồm khí H2, methanol, ethanol, chất oxy hóa và hai điện cực được làm bằng bạch kim (Pt) và than chì (Pb). Sử dụng bạch kim khiến giá thành pin nhiên liệu bị đẩy lên cao, còn than chì có độ bền kém và độc hại cho môi trường. Chính vì vậy, PGS.TS. Hồ Thị Thanh Vân và cộng sự đã nghiên cứu, phát triển loại vật liệu mới, vừa nâng cao khả năng chịu độc CO, vừa thay thế 25% lượng bạch kim cho sản phẩm. Thử nghiệm thực tế cho thấy, vật liệu mới giúp cải thiện hiệu suất của hợp kim so với bạch kim nguyên chất, nâng cao hoạt tính và thời gian hoạt động của xúc tác điện hóa bạch kim. Việc thay thế bạch kim còn giúp giảm chi phí chế tạo, nâng cao khả năng hoạt động và tăng độ bền của pin nhiên liệu. Nghiên cứu thành công vật liệu nano mới này mở ra cơ hội và lợi ích thiết thực trong việc sử dụng rộng rãi pin nhiên liệu, thay thế các loại nhiên liệu hóa thạch và giảm quá trình nóng lên toàn cầu do khí thải nhà kính. Ngày 22/06/2022, tại Paris (Pháp), PGS.TS. Hồ Thị Thanh Vân đã được Hội đồng Giám khảo thế giới trao giải thưởng "Nhà khoa học nữ trẻ tài năng thế giới 2022". Đây là giải thưởng danh giá trong khuôn khổ Chương trình "Vì sự phát triển của phụ nữ trong khoa học" do Quỹ L'Oréal và Tổ chức Khoa học, Giáo dục và Văn hóa của Liên Hiệp Quốc (UNESCO) khởi xướng.
Đại diện UNESCO trao giải thưởng cho PGS.TS. Hồ Thị Thanh Vân (Nguồn: vtv.vn)
Có thể thấy, pin nhiên liệu là nguồn năng lượng sạch góp phần giải quyết bài toán cạn kiệt nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, tiềm năng phát triển của công nghệ pin nhiên liệu vẫn còn rất lớn. Các nghiên cứu về pin nhiên liệu gần đây ở Việt Nam đã mở ra một hướng mới trong sử dụng năng lượng và vận hành các sản phẩm điện tử theo hướng thân thiện với môi trường, an toàn và tiết kiệm.
Như Hà
--------------------------------------------------------------------------------
Tài liệu tham khảo chính
[1] Lithaco. Pin nhiên liệu là gì? https://lithaco.vn/pin-nhien-lieu-la-gi/
[2] Hà Giang. Cơ hội đưa Việt Nam làm chủ công nghệ sản xuất pin nhiên liệu. https://khcncongthuong.vn/tin-tuc/t10453/co-hoi-dua-viet-nam-lam-chu-cong-nghe-san-xuat-pin-nhien-lieu.html
[3] Hồng Lê - Trung tâm Thông tin sở hữu công nghiệp. Công nghệ Pin nhiên liệu: Phân tích qua biểu đồ sáng chế. https://ipvietnam.gov.vn/sach-tap-chi-va-tai-lieu-tham-khao/-/asset_publisher/5hGA1SMJFnhf/content/xu-huong-bao-ho-sang-che-trong-linh-vuc-pin-nhien-lieu?inheritRedirect=false
[4] Fuel Cell Market. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/fuel-cell-market-348.html
[5] UNESCO trao giải thưởng cho nữ tiến sĩ Việt Nam. https://baochinhphu.vn/unesco-trao-giai-thuong-cho-nu-tien-si-viet-nam-102220623092043854.htm
[6] Nhà khoa học nghiên cứu vật liệu mới được vinh danh tài năng thế giới. http://www.baohoabinh.com.vn/PrintPreview/167657/
[7] TS. Phạm Thi San. Nghiên cứu phát triển Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nhiên liệu hyđrô. https://vast.gov.vn/tin-chi-tiet/-/chi-tiet/nghien-cuu-phat-trien-pin-nhien-lieu-mang-trao-%C4%91oi-proton-pemfc-su-dung-nhien-lieu-hy%C4%91ro-4711-463.html