Khoa học công nghệ ngành Công Thương

Thứ bảy, 19/09/2020 | 03:55

Thứ bảy, 19/09/2020 | 03:55

Tin KHCN

Cập nhật lúc 23:00 ngày 05/02/2020

Thập kỷ phát triển mạnh mẽ của công nghệ xe điện và đề xuất lộ trình phát triển ô tô điện tại Việt Nam

Mở đầu
Trong thời gian gần đây, vấn đề ô nhiễm không khí ở các thành phố lớn, đặc biệt là Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đã trở nên rất đáng lo ngại. Đồng loạt nhiều trạm quan trắc phủ màu tím với chỉ số AQI vượt trên 200, tương đương mức rất xấu. Cá biệt, nhiều điểm đã chạm mốc nâu, có ngày lên tới 405. Nguy hại nhất là bụi mịn gồm những hạt nhỏ bay lơ lửng trong không trung như PM2.5 (dưới 2.5 micromet), PM1.0 hay PM0.1, khi thẩm thấu qua đường hô hấp sẽ là nguyên nhân tiềm ẩn của hàng loạt các căn bệnh, đe dọa sức khỏe của cả cộng đồng. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra một trong những thủ phạm chính của vấn đề này là khí thải của các phương tiện giao thông dùng xăng dầu. Hạn chế sử dụng xe dùng động cơ đốt trong và dịch chuyển sang dùng xe chạy điện là giải pháp của rất nhiều quốc gia từ hơn hai thập kỷ qua, nhằm hạn chế ô nhiễm không khí, và giải quyết vấn đề năng lượng, khi mà trữ lượng nhiên liệu hóa thạch của địa cầu ngày càng cạn kiệt.
Bài viết sẽ tóm tắt lịch sử phát triển của xe điện, những lợi ích vượt trội của xe điện so với xe xăng, cập nhật các thông tin mới nhất cả về công nghệ lẫn xu hướng toàn cầu. Sau cùng, một số đề xuất, kiến nghị cho lộ trình phát triển ô tô điện tại Việt Nam sẽ được đưa ra.
Lịch sử phát triển và xu thế tất yếu của ô tô điện
Ô tô điện đã có lịch sử phát triển gần 150 năm và có nhiều giai đoạn thăng trầm. Chiếc ô tô điện mang dáng vẻ hiện đại được chế tạo bởi Thomas Parker vào năm 1895. Ô tô điện nhanh chóng bước vào thời đại hoàng kim trong những năm đầu thế kỷ 20. Mặc dù tốc độ chưa cao (khoảng 30~40 km/h) nhưng ô tô điện nhanh chóng được con người đương thời ưa thích. Vào những năm 1900s, ô tô điện cá nhân và taxi điện xuất hiện nhiều trên các con đường tại các thành phố lớn ở Mỹ và châu Âu. Nhưng thời đại hoàng kim ấy không kéo dài lâu. Ô tô dùng động cơ đốt trong tuy rất ồn và thải ra khí quyển nhiều chất độc hại, nhưng lại có ưu thế vượt trội về tốc độ và độ dài của hành trình. Ô tô điện rơi vào lãng quên trong những năm 1920s đến 1980s.
Vào thập kỷ cuối cùng của thế kỷ 20, thời đại phục hưng của ô tô điện bắt đầu với hai lý do chủ yếu. Thứ nhất, nhiên liệu hóa thạch không phải là nguồn năng lượng vĩnh cửu. Thứ hai, theo các bản báo cáo của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), loài người chịu trách nhiệm chính cho sự nóng lên toàn cầu. So với thời kỳ tiền cách mạng công nghiệp, nhiệt độ Trái đất đã tăng 0.8oC vào năm 1980s. Để không vượt ngưỡng nguy hiểm 2oC, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng đến năm 2050, loài người phải giảm lượng khí thải carbon xuống 50% mức hiện tại, và tiếp tục giảm lượng khí thải carbon về con số 0. Theo báo cáo năm 2018 của Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), giao thông vận tải chịu trách nhiệm cho 24.34% lượng khí thải carbon mỗi năm. Xét riêng lĩnh vực giao thông vận tải, các loại ô tô hạng nhẹ, ô tô tải và ô tô bus lần lượt chiếm 44%, 27%, và 6% lượng khí thải carbon mỗi năm.
Các con số nói trên đủ tính thuyết phục để ô tô điện trở thành mối quan tâm của các tổ chức quốc tế, các chính phủ, các công ty ô tô, các nhà nghiên cứu và người tiêu dùng. Xe hybrid (xe điện lai, dùng cả xăng và điện) được coi là “giải pháp tình thế” trong giai đoạn quá độ, khi mà công nghệ ắc quy chưa đáp ứng kịp yêu cầu của phát triển của ngành ô tô điện. Một số hãng đã cho ra đời sản phẩm vào những năm 1990s, thành công nhất phải kể đến Toyota Prius và Honda Insight. Đầu thế kỷ 21, ô tô thuần điện đã trở thành hiện thực. Một số mẫu ô tô điện tiêu biểu đã ra mắt và chiếm lĩnh thị trường Nhật, Mỹ, châu Âu như Mitsubishi iMiEV năm 2009, Nissan Leaf năm 2010, Tesla Model S năm 2012. Cho đến nay, mỗi tập đoàn ô tô lớn trên thế giới đều đã phát triển một mẫu ô tô điện gắn với thương hiệu của riêng mình, như BMW i3, Mercedes B-Class Electric Drive, Volkswagen E-Golf, Mitsubishi i-MiEV,… Cho đến tháng 12 năm 2018, ô tô điện đã đạt tới con số 5.1 triệu đơn vị trên thị trường ô tô con thế giới. Từ cuối những năm 1990s, các trung tâm nghiên cứu ô tô điện đã được hình thành và phát triển tại nhiều trường đại học ở Mỹ, châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc. Các hội nghị quốc tế lớn như EVS và IEEE-VPPC đã trở thành diễn đàn để các nhà nghiên cứu trao đổi và giới thiệu những công nghệ mới trong lĩnh vực ô tô điện.
Đứng ở góc nhìn kỹ thuật, có hai vấn đề quan trọng cần phải được giải quyết để đưa ô tô điện trở lại thời đại hoàng kim. Thứ nhất, quãng đường di chuyển của ô tô điện sau mỗi lần sạc đầy còn rất hạn chế khi so sánh với ô tô xăng. Các loại ắc-quy cho ô tô điện hiện nay vẫn có giá thành cao, khối lượng lớn, và tuổi thọ chưa đủ dài. Thứ hai, làm thế nào để tận dụng các ưu điểm của động cơ điện và biến ô tô điện trở thành một phương tiện giao thông có tính năng vượt trội so với ô tô xăng truyền thống? Ô tô điện tương lai không còn là một phương tiện giao thông cá nhân nữa, mà thực sự là một tài sản chung của xã hội, được kết nối thường xuyên và chặt chẽ với hệ thống năng lượng của loài người.
Tính năng kỹ thuật vượt trội và khác biệt của ô tô điện so với ô tô xăng
Ô tô điện tận dụng được các ưu thế vượt trội của động cơ điện so với động cơ đốt trong như nhỏ gọn, tốc độ đáp ứng nhanh cỡ ms, điều khiển trực tiếp được mô men, cho phép hãm tái sinh trả năng lượng về cho ắc quy. Điều này giúp cho ô tô điện hoạt động an toàn, tin cậy và tiết kiệm hơn nhiều so với xe ô tô chạy bằng động cơ đốt trong. Chính sự khác biệt này đặt ra những vấn đề thực tế cần nghiên cứu để khai thác triệt để sự ưu việt kể trên.
- Khả năng đáp ứng mô-men nhanh và chính xác. Đáp ứng mô-men của động cơ điện nhanh gấp hơn 100 lần so với động cơ đốt trong. Nếu như mô-men của động cơ điện có thể được thay đổi sau từng chu kỳ 1 ms, thì mô-men của động cơ đốt trong chỉ có thể thay đổi sau từng chu kỳ 100~500 ms. Thông qua việc tận dụng đặc tính này, hệ thống ABS không còn cần thiết phải trang bị cho ô tô điện nữa. Khi ô tô điện chuyển động trên mặt đường trơn trượt, bộ điều khiển trên xe có thể phát tín hiệu điều khiển giảm mô-men một cách nhanh chóng, tăng tính an toàn cho xe.
- Khả năng hãm tái sinh trong quá trình phanh và xuống dốc. Động năng của xe có thể chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua bộ biến đổi công suất (biến tần) để nạp lại trở lại vào hệ thống lưu trữ năng lượng trên xe (ắc quy hoặc siêu tụ điện).
- Khả năng trao đổi năng lượng với lưới. Tổ hợp “Động cơ điện - Biến tần” cho phép dòng năng lượng đi theo 2 chiều. Chính điều này cho phép ô tô điện có một chức năng nữa là cân bằng lưới điện sạc điện vào ban đêm, còn ban ngày có thể nạp trở lại vào lưới điện. Điều này thực sự hữu dụng khi hàng chục ngàn xe điện đỗ tại parking ban ngày, khi các chủ nhân đang làm tại công sở. Nếu các chủ nhân bán điện (nạp lại vào lưới) thì có thể giúp cung cấp năng lượng cho các thời điểm nhu cầu công suất đỉnh (peak demand), mà không cần phải xây mới thêm nhà máy điện. Đây là Công nghệ V2G (Vehicles to Grid) mà các nước phát triển đã nghiên cứu khoảng 5 - 7 năm nay, và đã có sản phẩm (là các thiết bị nạp/xả điện 2 chiều) từ 2018.
Ô tô điện và Việt Nam
Tại Việt Nam, Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng và Sáng tạo công nghệ (CTI), Đại học Bách khoa Hà Nội) đã đi đầu trong việc triển khai nghiên cứu ô tô điện với đề tài cấp Nhà nước KC.03.08/11-15, được thực hiện trong 4 năm 2012 - 2015. Tập đoàn FPT đã tập trung phát triển phần mềm điều khiển ô tô điện, và từ năm 2018 tập đoàn Vingroup đã triển khai sản xuất ô tô (chạy xăng), và đã có lộ trình sản xuất xe buýt điện trong tương lai
Hội nghi Quốc tế về ô tô điện, IEEE-VPPC'2019 tại Melia, Hà Nội từ ngày 14-17/10 năm 2019
Chúng ta có thể khẳng định ô tô điện là đích đến của mọi xã hội, mọi quốc gia trên thế giới trong thế kỷ 21 này. Ô tô điện không chỉ là một phương tiện an toàn, tiện lợi, thân thiện với mọi người, mà còn là một giải pháp bắt buộc phải thực hiện để bảo vệ môi trường và giải quyết vấn đề an ninh năng lượng. Việt Nam không thể và không nên là người ngoài cuộc trong hành trình xây dựng xã hội xe điện tương lai. Bằng việc phát triển ô tô điện, Việt Nam sẽ có cơ hội tham gia vào chuỗi cung ô tô điện toàn cầu, góp phần phát triển kinh tế đất nước. Mặt khác, ô tô điện là một sản phẩm tích hợp nhiều công nghệ khác nhau. Nghiên cứu ô tô điện, do đó sẽ mang lại nhiều tri thức khoa học mới, vừa kích thích sự phát triển của các nghiên cứu liên ngành, vừa góp phần vào sự phát triển của mỗi ngành khoa học như Điện, Điện tử, Hóa học, Công nghệ thông tin, Vật liệu, Cơ khí.
Tuy nhiên, kể từ khi một số mẫu xe điện được giới thiệu tại Việt Nam: Mitsubishi iMiEV tại triển lãm ô tô Viêt Nam 2010 và Nissan Leaf trong triển lãm năm 2012, đã hơn 9 năm trôi qua, nhưng chúng ta chưa có một lộ trình quốc gia và chính sách của nhà nước để phát triển ô tô điện cho Việt Nam một cách bền vững.
Lộ trình phát triển (LTPT) trả lời cho những câu hỏi hết sức cơ bản: Định hướng của Nhà nước như thế nào? Khả năng tiếp nhận cuả thị trường Việt Nam như thế nào? Chúng ta cần những công nghệ gì? Đến năm 20xx bao nhiêu % số xe bán ra phải là ô-tô điện,… LTPT cũng đưa ra những “luật chơi” mà các nhà đầu tư phải tuân thủ khi muốn tham gia vào sân chơi ô tô điện. LTPT là việc mà các quốc gia như Canada, Mỹ, Pháp, Nhật đã tiến hành từ nhiều năm trước khi có sản phẩm ô tô điện bán ra thị trường. Để đưa ra LTPT, cần có sự hợp tác của một nhóm các chuyên gia hàng đầu từ nhiều lĩnh vực khác nhau với các nhà hoạch định chính sách. Chúng tôi đề xuất các bước xây dựng LTPT cho ô tô điện Việt Nam như sau.
Đề xuất lộ trình phát triển cho ô tô điện tại Việt Nam
Bước 1 (Khảo sát): Chúng ta cần khảo sát về nhu cầu của người dân, kỳ vọng của Nhà nước về các cột mốc phát triển của ô tô điện. Bên cạnh đó, chúng ta phải khảo sát về cơ sở hạ tầng của Việt Nam và tiềm năng phát triển của cơ sở hạ tầng nhằm phục vụ xã hội ô tô điện, trong đó có hệ thống năng lượng và hệ thống giao thông.
Bước 2 (Lựa chọn): Lựa chọn tức là trả lời cho câu hỏi “phải làm gì?” để đưa ra khái niệm về ô tô điện Việt Nam. Chúng ta sẽ tập trung vào ô tô cỡ điện cỡ nhỏ hay ô tô bus điện? Chúng ta có sản xuất xe lai (HEV) hay không, hay chỉ làm xe điện thuần túy (EV)? Chúng ta đặt niềm tin vào ắc quy hay siêu tụ? Chúng ta có phát triển công nghệ TNLKD hay không, nếu có thì chọn sạc tĩnh hay sạc động? Chúng ta lựa chọn loại động cơ nào cho ô tô điện? Động cơ không đồng bộ như mẫu xe Tesla, hay động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như xe điện Mitsubishi? Lựa chọn động cơ nam châm vĩnh cửu có an toàn hay không nếu như chúng ta biết rằng việc sản xuất loại động cơ này cần sử dụng đất hiếm. Mà nguồn cung đất hiếm chủ yếu lại từ Trung Quốc. Nếu Trung Quốc thắt chặt nguồn cung đất hiếm, chúng ta có chiến lược gì để đối phó? Chúng ta cần quan tâm đến việc nghiên cứu sản xuất các loại động cơ không dùng đất hiếm như động cơ từ trở biến đổi (SRM) hay không?
Bước 3 (Đánh giá tổng hợp về kinh tế, môi trường, và kỹ thuật): Các lựa chọn khác nhau lại dẫn đến các bài toán và các vấn đề khác nhau về cả kinh tế, môi trường, và kỹ thuật. Ví dụ như nếu chúng ta chọn ắc-quy làm thiết bị lưu trữ năng lượng thì ảnh hưởng đối với môi trường như thế nào? Hệ thống điện Việt Nam có thể chịu được tải gồm hàng triệu chiếc ô tô điện cùng sạc một lúc được không? Cần bao nhiêu năm và bao nhiêu kinh phí tích hợp công nghệ TNLKD vào hệ thống giao thông?
Bước 4 (Khuyến nghị tới Nhà nước): Sau Bước 3, các chuyên gia đã có một cái nhìn đa chiều và cẩn trọng về ô tô điện cho Việt Nam. Các ý kiến chuyên gia sẽ được tổng hợp thành một Bản khuyến nghị cho Nhà nước. Bản khuyến nghị bao gồm các nội dung về chính sách, quy chuẩn, luật, cơ sở hạ tầng, kỹ thuật công nghệ để Nhà nước có thể đưa ra chiến lược phát triển ô tô điện cho Việt Nam.
Bước 5 (Triển khai): Việc triển khai thực hiện các chiến lược đề ra ở Bước 4 sẽ được thực hiện một cách đồng bộ với sự phối hợp của Nhà nước, Nhà nghiên cứu, và Nhà sản xuất. Nhà nước có vai trò điều phối, giám sát, bảo đảm sản xuất đúng quy chuẩn, kết nối nhà đầu tư và nhà nghiên cứu trong trường đại học, thành lập các quỹ tài trợ nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực ô tô điện,… Nhà khoa học có vai trò nghiên cứu, đề xuất những giải pháp mới cho công nghiệp ô tô điện, tư vấn cho Nhà nước và Nhà sản xuất, đào tạo những kỹ sư và chuyên gia về ô tô điện,… Nhà sản xuất không chỉ làm ra sản phẩm, mà còn có trách nhiệm xã hội trong việc góp phần nâng cao nhận thức của người dân về ô tô điện, trao học bổng cho sinh viên trong các lĩnh vực liên quan, thực hiện hợp tác nghiên cứu với trường đại học.
Bước 6 (Phản hồi và Điều chỉnh): Không có một kế hoạch hay một LTPT nào hoàn hảo ngay từ đầu. Giống như một hệ thống điều khiển muốn bền vững phải có hồi tiếp tín hiệu, LTPT phải được thường xuyên đánh giá. Căn cứ vào những gì đã làm được, so sánh với mục tiêu, dựa trên tình hình cụ thể, Nhà nước và các chuyên gia sẽ đưa ra những điều chỉnh thích hợp để đảm bảo sự bền vững của ngành công nghiệp ô tô điện.
Kết luận
Thập kỷ 2010s chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ thông tin. Sự ra đời của Ipad, Iphone, công nghệ kế nối vạn vật IoT,… Theo dự báo, nhiều công nghệ đột phá trong thập kỷ tới sẽ tập trung vào giải quyết vấn đề năng lượng và ô nhiễm/nóng lên toàn cầu. Nhân loại sẽ chuyển dịch sang sử dụng các phương tiện chạy điện (ô tô điện, xe máy điện, xe buýt điện,…), như một xu thế tất yếu để giải quyết cùng một lúc nhiều vấn đề: môi trường, năng lượng, giao thông. Trong tương lai gần, ô tô điện sẽ không chỉ đơn thuần là phương tiện di chuyển nữa, mà còn là phần tử tương tác trong hệ sinh thái Năng lượng thông minh và Kết nối vạn vật. Thập kỷ 2020s sẽ là thời kỳ phát triển mạnh mẽ của xe điện, một xu thế tất yếu để thay thế cho các phương tiện chạy xăng, được dự báo là sẽ dần dần kết thúc từ thập kỷ sau, 2030s.
Tài liệu tham khảo:
1. Nguyễn Bảo Huy, Tạ Cao Minh, loạt 4 bài viết về ô tô điện, Tự động hóa ngày nay, 2011.
2. Tạ Cao Minh, Tổng quan các nghiên cứu về ô tô điện và các xu hướng phát triển, Tự động hóa ngày nay, 2016.
3. Nguyễn Bình Minh, Tạ Cao Minh, Kiến tạo tương lai của ô tô với kỹ thuật điều khiển và một số khuyến nghị về lộ trình phát triển ô tô điện ở Việt Nam, 2019, đăng trên trang VANJ - Hội các nhà khoa học Việt Nam tại Nhật Bản
PGS.TS. Tạ Cao Minh - Chủ nhiệm Bộ môn Tự động hóa công nghiệp - Đại học Bách khoa Hà Nội
(Tự động hóa ngày nay, số tháng 1+2/2020)

lên đầu trang