Chuyển đổi năng lượng phương tiện giao thông - Vai trò lớn chống biến đổi khí hậu

Theo dõi KTMT trên

Mục tiêu chính của Thỏa thuận Paris về chống biến đổi khí hậu là giữ cho nhiệt độ toàn cầu tăng ở mức dưới 2 độ C so với mức tiền công nghiệp, và theo đuổi các nỗ lực để hạn chế mức tăng nhiệt độ lên 1,5 độ C. Để đạt được mục tiêu này, tất cả các lĩnh vực tiêu thụ nhiều năng lượng, bao gồm cả lĩnh vực giao thông, cần phải được cơ cấu lại. Ngành giao thông vận tải chiếm gần 20% nhu cầu năng lượng cuối cùng toàn cầu, trong đó phần lớn được cung cấp bằng nhiên liệu hóa thạch. Theo tính toán, tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch dẫn đến phát thải khí nhà kính khoảng 8.260 triệu tấn CO2 tương đương từ lĩnh vực giao thông vận tải vào năm 2015.

Bên cạnh sản xuất điện, nhiệt và các hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải là một trong những ngành đòi hỏi nhiều năng lượng. Năm 2015, lĩnh vực giao thông vận tải toàn cầu tiêu thụ khoảng 31,310 TWh năng lượng cuối cùng và chiếm khoảng 14% lượng phát thải khí nhà kính (GHG) toàn cầu. Để đáp ứng các mục tiêu của Thỏa thuận Paris, phát thải GHG này phải được thu hẹp về 0 (phát thải 0 ròng) vào giữa thế kỷ 21 đối với tất cả các ngành năng lượng. Sản phẩm dầu đóng một vai trò không thể thiếu trong tất cả các phương tiện vận tải bao gồm đường bộ, đường sắt, hàng hải và hàng không với mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng khoảng 28,840 TWh vào năm 2015. Hơn 92% năng lượng cho giao thông được cung cấp bởi dầu, 3% bằng khí tự nhiên (NG), 1% bằng điện và 4% bằng các nhiên liệu khác.

Nhu cầu vận tải đang gia tăng nhanh chóng và, với sự phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch, sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với sức khỏe con người và các vấn đề liên quan đến an ninh năng lượng, nếu xu hướng này tiếp tục. Tuy nhiên, một số thay đổi quan trọng về nguồn nhiên liệu cho giao thông vận tải đã được dự đoán. Đó là sự thâm nhập của nhiên liệu thay thế như điện, hydro và các nhiên liệu tái tạo như nhiên liệu tổng hợp và nhiên liệu sinh học để giảm bớt việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch thông thường. Hiệu quả công nghệ và các giải pháp thiết bị tiêu thụ năng lượng là những thay đổi bổ sung được mong đợi đối với ngành giao thông vận tải. Điện có thể được sử dụng ở dạng trực tiếp trong tất cả các phương thức vận tải, tuy nhiên, rõ rệt nhất và ở mức độ lớn hơn là trong các phương thức đường bộ và đường sắt và ở mức độ thấp hơn trong hàng không, hàng hải.

Giao thông vận tải dựa trên sử dụng điện trực tiếp là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất với độ tin cậy cao, an toàn và hiệu quả cho việc di chuyển. Người ta đã xác định những hạn chế chính đối với giao thông đường bộ trực tiếp dựa trên điện là cơ sở hạ tầng sạc điện chưa hoàn thiện và giới hạn phạm vi di chuyển. Điện và hydro là những nguồn năng lượng mới nổi cho giao thông vận tải, chỉ chiếm 2% nguồn cung năng lượng cuối cùng trong ngành giao thông vận tải vào năm 2015.

Giao thông đường bộ là một trong những phân khúc hấp dẫn nhất được điện khí hóa. Xe chạy pin - điện (Baterry Electric Vihicles -BEV), xe điện lai (Hybrid Electric Vehiles - HEV) và xe điện lai có phích cắm (Plug-in Hybrid Electric Vehiles PHEV) đã có tốc độ tăng trưởng cao trong thời gian gần đây. Dự kiến ​​rằng các loại phương tiện này sẽ có sự tăng trưởng đáng kể trong những thập kỷ tới.

Động cơ đốt trong (The Internal Combustion Engine - ICE) là động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã thống trị cho đến ngày nay, nhưng hiệu suất của nó hạn chế khoảng 30% làm giảm đáng kể khả năng cạnh tranh của loại động cơ này, cùng với những lo ngại gia tăng về ô nhiễm không khí.

HEV có độ phức tạp gần như ICE với động cơ điện/máy phát điện và pin để nâng cao hiệu quả của hệ thống. Sự lai ghép này làm cho việc tạo ra điện và sạc pin là khả thi, giúp cải thiện hiệu suất ở một mức độ nào đó.

PHEV cũng có các tính năng tương tự như HEV, nhưng pin của nó thường có dung lượng lớn hơn và có thể được sạc từ lưới điện. Do đó, có thể sạc điện hàng ngày để sử dụng PHEV nhằm tiết kiệm và giảm chi phí nhiên liệu tổng thể. Tuy nhiên, PHEV không phải là phương tiện không phát thải, vì nhiên liệu hóa thạch vẫn được sử dụng, tuy nhiên, nếu sử dụng điện từ nguồn năng lượng tái tạo (gió, mặt trời…) thì với PHEV có thể giảm phát thải GHG.

BEV là loại phương tiện chỉ dựa vào động cơ điện và bao gồm các thành phần tương đương với PHEV, mặc dù không có ICE và dung lượng pin lớn hơn, cũng như có thể sử dụng động cơ điện mạnh hơn. Hầu hết các BEV hiện được bán ra thị trường có phạm vi hoạt động từ 100 - 250 km cho một lần sạc và với phạm vi cao nhất lên đến 550 km. Thời gian sạc là một nhược điểm đặc biệt của BEV, tùy thuộc vào cấu hình bộ sạc, cơ sở hạ tầng của nó và mức năng lượng hoạt động.

Tương tự như BEV, xe điện có lắp pin nhiên liệu (FCEV) sử dụng hệ thống truyền động điện, trong đó xe được cung cấp năng lượng bởi pin nhiên liệu với hydrogen tạo ra dòng điện chạy tới động cơ điện để quay bánh xe. Do đó, cả BEV và FCEV đều sử dụng điện để chạy xe, trong đó cung cấp nguồn điện cho BEV là pin còn cho FCEV là hydrogen. Các FCEV có thể được tiếp nhiên liệu trong khoảng 5 phút cho xe chạy trong phạm vi 480 km.

Hiệu quả và chi phí vẫn còn gây tranh cãi đối với tương lai của BEV và FCEV để xác định công nghệ nào vượt trội hơn, nhưng có thể tìm thấy các dấu hiệu ủng hộ BEV. Có thể nói, việc thiếu cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu và không thể tính phí FCEV tại hầu hết các ngôi nhà dân cư là một yếu tố then chốt làm cho FCEV ít được ủng hộ.

Vận tải biển là yếu tố trung tâm để phân phối hàng hóa toàn cầu. Những lý do thuyết phục trước tiên là khả năng chuyên chở hàng rời trên quãng đường dài cao hơn. Thứ hai, vận chuyển hàng hóa đường biển là cách tiếp cận tiết kiệm năng lượng nhất để vận chuyển hàng hóa và do đó là một phương thức vận tải có lợi về mặt kinh tế. Biển tự nó phát ra khoảng 2,6% lượng phát thải GHG toàn cầu. Hầu hết tất cả các tàu đang hoạt động để vận chuyển hành khách và hàng hóa đều sử dụng nhiên liệu lỏng. Hydrogen dự kiến ​​sẽ đóng một vai trò quan trọng trong tương lai của vận tải biển, còn việc sử dụng LNG và điện ở mức độ thấp hơn. Các tàu biển chạy bằng năng lượng hydro có thể đóng một vai trò đáng kể trong việc giảm lượng khí thải. Tàu chạy bằng điện hoàn toàn sẽ trở thành một giải pháp hấp dẫn cho vận tải biển với khoảng cách ngắn hơn để giảm tiêu thụ năng lượng. Lợi ích đáng kể khác của tàu chạy điện là giảm thiểu phát thải GHG và giảm chi phí hơn. Tuy nhiên, câu hỏi quan trọng vẫn là ở mức độ nào các tàu và phà có thể được điện khí hóa hoàn toàn.

Máy bay hiện chỉ được vận hành bằng nhiên liệu lỏng, trong khi dự kiến ​​hệ thống động cơ đẩy đơn độc này sẽ được bổ sung bằng điện và hydro trong những thập kỷ tới để đáp ứng mục tiêu giảm phát thải. Ngành hàng không phát ra 14 - 15% lượng phát thải GHG toàn cầu, trong đó 12% liên quan đến giao thông vận tải và 2 - 3% do con người gây ra. Hydro được sử dụng ở dạng nén hoặc lỏng, có thể là một giải pháp để đạt được mục tiêu giảm phát thải trong ngành hàng không. Máy bay chạy bằng nhiên liệu hydro lỏng (Liquid Hydrogen - LH2) có trọng lượng nhẹ hơn máy bay chạy bằng xăng máy bay thông thường do mật độ năng lượng trọng trường của LH2 cao hơn, dẫn đến hiệu quả năng lượng tốt hơn. Hàng không điện là một lựa chọn khác để tăng hiệu quả và giảm lượng khí thải. Theo tính toán tổng hiệu suất năng lượng của máy bay chạy pin - điện là 73%, nhiều hơn đáng kể so với máy bay chạy pin nhiên liệu hydro là 44% và máy bay động cơ phản lực chạy bằng xăng máy bay thông thường là 39%.

TS NGUYỄN MẠNH HIẾN - HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Tài liệu tham khảo:

- International Energy Outlook 2017. International Energy Agency (IEA).

- Transportation and Environment: Electric Car plans across Europe 2019 - 2025. Brussels, Belgium, 2019.

- International Energy Agency (IEA). The Future of Rail Opportunities for Energy and The Environment. Paris, France, 2019.

- Siavash Khalili and others from School of Energy System, LUT University, Finland: Global Transportation Demand Development with Impacts on the Energy Demand and GHG in a Climate Constrained World.

Theo Tạp chí Năng lượng Việt Nam