Ứng dụng năng lượng sạch trong ngành đường sắt

VŨ ANH (BIÊN DỊCH)

Thứ ba, 10/03/2020 - 03:57 PM (GMT+7)
Font Size   |         Print

Tàu Coradia iLint chạy bằng năng lượng hydro tại Đức. Ảnh: BBC

Tháng 9-2018, Đức là quốc gia đầu tiên trên thế giới đưa tàu hỏa chạy bằng năng lượng hydro, ứng dụng công nghệ hiện đại, thân thiện môi trường vào hoạt động. Ngay sau đó, các quốc gia như Anh, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc… cũng lên kế hoạch phát triển đường sắt sử dụng công nghệ hydro. Đây là dấu hiệu cho thấy định hướng phát triển của đường sắt trong tương lai, đồng thời là bước tiến nhằm giảm lượng phát thải ô nhiễm từ các đoàn tàu chạy bằng dầu diesel hiện nay.

Tương lai của năng lượng sạch

Nếu thế kỷ 20 là thế kỷ của nền kinh tế năng lượng hóa thạch, chủ yếu sử dụng dầu, thì thế kỷ 21 là mở đầu kỷ nguyên của loại năng lượng tái tạo thân thiện môi trường, điển hình là hydro. Điện được cung cấp từ pin nhiên liệu hydro đã được sử dụng cho động cơ của nhiều phương tiện giao thông, tạo ra một thế hệ phương tiện giao thông mới hoàn toàn không phát thải.

Rất nhiều mẫu xe ô-tô chạy bằng pin nhiên liệu hydro đã ra đời từ năm 1990 đến nay, và đang được hoàn thiện về tính năng cũng như giá cả để có thể thương mại hóa. Thậm chí, điện năng trong các tàu con thoi và trạm nghiên cứu không gian của Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) đều được pin nhiên liệu cung cấp, vì nguồn cấp hydro và oxy được tích hợp sẵn.

Tuy nhiên đến nay trên thế giới, nhiều tuyến đường sắt vẫn đang sử dụng đầu máy xe lửa chạy bằng dầu diesel, loại nguyên liệu hóa thạch phát thải lượng lớn khí CO2 và khói bụi gây ô nhiễm môi trường. Khi mối lo ngại về biến đổi khí hậu ngày càng tăng, việc sử dụng năng lượng từ hydro là một giải pháp bền vững, khả thi. Hydro có thể được tách ra từ nước nhờ vào các nguồn năng lượng sạch như mặt trời, gió, sinh học, địa nhiệt, nước,… nên có thể tái tạo dài hạn cho con người sử dụng. Giống như các loại khí tự nhiên khác, năng lượng hydro nhiên liệu dễ khai thác, vận chuyển và đốt cháy. Khi đốt cháy hydro, sẽ không có khí CO2 thoát ra môi trường mà thay vào đó là nước sạch. Ngoài việc lượng phát thải bằng không, năng lượng hydro giúp máy móc giảm thiểu tiếng ồn, độ rung ít hơn nhiều so động cơ diesel.

Sử dụng nhiên liệu hydro được thực tế chứng minh là một công nghệ điện khí hóa sáng tạo, giúp loại bỏ hoàn toàn khí thải và đem lại hiệu quả kinh tế. Tháng 9-2018, Đức là quốc gia đầu tiên trên thế giới chính thức đưa vào hoạt động hai đoàn tàu chạy bằng hydro mang tên “Coradia iLint”, do hãng Alstom, nhà sản xuất tàu siêu tốc TGV của Pháp chế tạo, chạy trên tuyến đường dài 100 km giữa hai thị trấn Cuxhaven và Buxtehude ở miền bắc nước Đức. Tàu có khả năng chuyên chở khoảng 150 hành khách, chạy trên quãng đường 1.000 km chỉ với một bồn chứa hydro, đạt tốc độ tối đa 140 km/giờ. Thay vì sử dụng hệ thống dây dẫn trên cao, công nghệ pin nhiên liệu hydro là một cách tiếp cận khác để điện khí hóa các đoàn tàu chở khách mà vẫn tận dụng cơ sở hạ tầng đường sắt hiện có.

Sự thành công của hai đoàn tàu chạy bằng pin nhiên liệu hydro ở miền bắc nước Đức đã thu hút ngày càng nhiều sự quan tâm của các nước phát triển với công nghệ mới. Tháng 6-2019, Anh cũng đã công bố “Hydroflex”, tàu chạy bằng hydro đầu tiên của nước này tại Trung tâm Công nghệ đường sắt Quinton, một cơ sở thử nghiệm gần thị trấn Stratford-upon-Avon. Hiện tại, theo Viện Kỹ thuật cơ khí Anh, nước này đã có 42% hạ tầng đường sắt được điện khí hóa, sẵn sàng để các đoàn tàu sử dụng nguồn năng lượng sạch đi vào hoạt động. Các kỹ sư chế tạo Hydroflex từ Đại học Birmingham và Công ty đường sắt Porterbrook của Anh cho rằng, năng lượng hydro có thể là câu trả lời cho việc giảm thiểu CO2 mà không phải mất nhiều chi phí cho việc điện khí hóa cơ sở hạ tầng đường sắt (ước tính kinh phí để điện khí hóa một km đường ray có thể tiêu tốn từ 965.000 - 1,3 triệu USD). Tuy nhiên, các đoàn tàu chạy bằng hydro lại ít tốn kém vì chúng không yêu cầu kinh phí đại tu và bảo dưỡng lớn, một yếu tố đặc biệt có lợi trên các tuyến đường dài.

Cuối năm 2019, Mỹ cũng đã tham gia “cuộc đua” phát triển đường sắt công nghệ hydro. Chuyến tàu chạy bằng hydro đầu tiên của Mỹ mang tên “Flirt” được Cơ quan Giao thông vận tải hạt San Bernardino (SBCTA) đặt hàng thuộc Dự án Đường sắt chở khách Redlands, nối liền khoảng cách 14,5 km giữa TP Redlands và ga Metrolink của hạt San Bernardino. Đoàn tàu có thể chở tới 108 hành khách và chạy với tốc độ tối đa 130 km/giờ. Đây là sự kiện đánh dấu cột mốc quan trọng cho ngành đường sắt Mỹ trong việc áp dụng công nghệ không phát thải.

Nhật Bản và Hàn Quốc là hai trong số ít quốc gia đi đầu áp dụng công nghệ hydro trong giao thông đường sắt ở châu Á. Ngày 4-6-2019, Công ty đường sắt Đông Nhật Bản (JR East) cho biết, dự kiến một số đoàn tàu chạy bằng pin nhiên liệu hydro sẽ được đưa vào sử dụng từ năm 2027. Trong khi đó, Chính phủ Hàn Quốc cũng khẳng định mục tiêu tăng số lượng các phương tiện chạy bằng hydro, đặt nền móng tăng trưởng cho các động cơ năng lượng tái tạo từ nay tới năm 2022.

Từng bước hoàn thiện

Bên cạnh một số ưu điểm rõ ràng như giảm phát thải CO2 và cải thiện chất lượng không khí, tăng cường an ninh năng lượng, công nghệ ngày nay cũng đã cho phép sản xuất, lưu trữ, vận chuyển và sử dụng năng lượng hydro theo những cách khác nhau. Hydro có thể được vận chuyển dưới dạng khí bằng đường ống hoặc ở dạng lỏng, giống như khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) trong các bình nhiên liệu. Ngoài ra, đây là một lựa chọn với chi phí thấp nhất khi muốn lưu trữ điện trong nhiều ngày, vài tuần hoặc thậm chí vài tháng để vận chuyển tới những khu vực xa xôi.

Song việc sử dụng hydro sạch, rộng rãi trong các quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu vẫn phải đối mặt một số thách thức. Trước hết, tại thời điểm này, việc sản xuất hydro từ năng lượng tái tạo vẫn đòi hỏi chi phí cao. Theo phân tích của Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), chi phí sản xuất hydro từ năng lượng tái tạo có thể giảm 30% vào năm 2030 do chi phí tái tạo giảm và tăng quy mô sản xuất hydro. Pin nhiên liệu, thiết bị tiếp nhiên liệu và chất điện phân (sản xuất hydro từ điện và nước) đều có thể giảm giá nhờ được sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, sự phát triển chậm của cơ sở hạ tầng đã khiến giá thành tăng cao, kìm hãm sự ứng dụng rộng rãi loại năng lượng này. Giá nhiên liệu hydro cho người tiêu dùng phụ thuộc rất nhiều vào số lượng trạm tiếp nhiên liệu, mức độ thường xuyên sử dụng và lượng hydro được cung cấp mỗi ngày.

Bên cạnh đó, vẫn tồn tại tình trạng thiếu cơ sở pháp lý hoặc nhiều quy định hiện hành giới hạn sự phát triển của các lĩnh vực sử dụng năng lượng hydro như đường sắt. Bởi vậy, nhiều chính phủ và bộ, ngành trên thế giới đang tích cực hợp tác để bảo đảm các quy định không trở thành “rào cản” đối với đầu tư năng lượng hydro. Liên hiệp châu Âu (EU) là một trong những khu vực đi đầu về chính sách ưu đãi đối với sự phát triển của năng lượng hydro và nhiên liệu tái tạo. Theo đó, ở hầu hết các quốc gia thành viên EU, lĩnh vực sản xuất và sử dụng hydro được miễn thuế hoặc đánh thuế ở mức tương đối thấp. Thị trường khí đốt và điện được tự do hóa ở EU cũng góp phần gia tăng sự thâm nhập thị trường của năng lượng hydro, tạo điều kiện cho việc sử dụng hydro trong quá trình vận chuyển. Tại Hàn Quốc, Tổng thống Moon Jae-in cam kết sẽ hỗ trợ tài chính hơn 948 tỷ USD cho ba ngành công nghiệp chính, trong đó có lĩnh vực năng lượng hydro...

Đối với vấn đề phát triển hạ tầng cho năng lượng hydro, IEA đã xác định một số yếu tố ngắn hạn bao gồm chuyển đổi các nhà máy sản xuất, tinh chế hóa chất sử dụng nhiên liệu hóa thạch sang sử dụng hydro sạch; tận dụng và nâng cấp cơ sở hạ tầng hiện có cho phát triển năng lượng hydro; mở rộng các tuyến đường vận chuyển năng lượng hydro trong khu vực và quốc tế. Cuối cùng, việc nâng cao hợp tác quốc tế sẽ giúp thúc đẩy đầu tư vào các nhà máy và cơ sở hạ tầng, tiết kiệm chi phí và cho phép chia sẻ kiến ​​thức thực tiễn tốt nhất.