Tham luận

Hiện nay ô tô điện chưa được phổ biến là do đâu?

    Thuật ngữ ICE (Internal Combustion Engine – Động cơ đốt trong) EV (Electronic Vehicle – Ô tô điện) được sử dụng rộng rãi hiện nay khi so sánh về những ưu, nhược điểm của việc sử dụng động cơ đốt trong và động cơ điện. Xin điểm sơ lược vài nét về dòng thời gian lịch sử các cuộc cách mạng công nghiệp của nhân loại. Khi động cơ đốt trong ra đời, đó cũng chính là nền công nghiệp bắt đầu phát triển mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng xe ô tô và xe máy ngày càng phổ biến. Từ khi cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất ra đời tại Châu Âu với sự ra đời của động cơ hơi nước là phát minh của nhà bác học James Watt (1736-1819) nhà phát minh người Scottland, tiếp sau đó là cuộc cách mạng công nghiệp lần 2 với sự phát minh nhiều thiết bị dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ cùng với đó là sự xuất hiện của bóng đèn điện, trong đó không thể không kể đến đó động cơ đốt trong, sau đó là cách mạng công nghiệp 3 và cuộc cách mạng công nghiệp 4 với sự phát triển như vũ bão về các ngành công nghiệp nặng, máy móc, internet, kết nối vạn vật, máy tính… Qua 4 cuộc cách mạng này ta đề thấy rằng động cơ đốt trong ra đời rất sớm và chiếm một phần rất quan trọng trong các ngành công nghiệp nặng, trong đó phải kể đến đó là động cơ ô tô, xe máy. Lĩnh vực động cơ đốt trong và lĩnh vực về điện ra đời cùng cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 2. Nhưng vì sao động cơ điện trên ô tô chưa được phổ biến, trong khi đó động cơ đốt trong đã tồn tại hàng trăm năm nay vẫn không thay đổi kết cấu gì nhiều, trong xu thế tất yếu chung của các hãng sản xuất ô tô trên thế giới là sẽ hướng đến ô tô sạch nghĩa là ô tô phải sử dụng là ô tô điện hoặc sử dụng các công nghệ hạn chế ô nhiễm tại đường ống xả cũng như trong buồng đốt của động cơ. Trong quá trình sử dụng, con người không ngừng cải tiến theo hướng tăng công suất động cơ và giảm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường với các giải pháp tạm thời hiện nay. Hàng loạt các cải tiến có thể nhắc đến ở các hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp, hệ thống xả,… và sử dụng các công nghệ mới trên động cơ như: VVT (Variable Valve Timing – Hệ phân phối khí thông minh), VCR (Variable Control Ratio – Hệ thống thay đổi tỷ số nén, GDI ( Gasoline Direct Ignition – Động cơ phun xăng trực tiếp), Bộ xúc tác để xử lý khí xả, phun phân đạm vào pô để giảm hàm lượng NOx, xe Hybrid (vừa động cơ đốt trong vừa động cơ điện). Các nghiên cứu này phải được dựa trên các đường đặc tính của động cơ, cũng như tình trạng làm việc thực tế của động cơ nhưng chỉ đáp ứng một phần là hạn chế khí xả độc hại ra môi trường. Theo thời gian thì nguồn năng lượng hóa thạch (Fossil Fuel)   bao gồm xăng, dầu sẽ cạn kiệt, tình trạng ô nhiễm môi trường sẽ càng tăng nếu sử dụng động cơ đốt trong. Do đó cần có sự ra đời của ô tô điện, các hãng ô tô lớn trên thế giới đang chạy đua cho việc nghiên cứu sản xuất ô tô điện điển hình là hãng xe Tesla, nhưng hiện nay ô tô điện chưa được phổ biến vì những lý do sau:

1. Mức sử dụng năng lượng trên xe:

     Như ta đã biết động cơ đốt trong sử dụng năng lượng là xăng, dầu Diesel. Nếu xét việc sử dụng năng lượng này trong một thời gian thì khi bình chứa nhiên liệu giảm nhưng động cơ vẫn phát ra công suất giúp cho ô tô chuyển động. Còn đối với động cơ điện thì nếu xét việc sử dụng trong một thời gian dài thì năng lượng của bình ắc quy (điện áp) sẽ giảm, vì giảm điện áp ở bình ắc quy nên không đủ lượng điện năng cấp cho các động cơ điện ở các bánh xe. Vì thế, ô tô sẽ không lăn bánh được do lực cản tại bánh xe quá lớn không đủ thắng lực ma sát giữa bánh xe và mặt đường. Đó là nhược điểm rất lớn của ô tô điện. Để hiển thị rõ cho việc phân tích ở trên. Tác giả xin đưa ra hai sơ đồ cụ thể dưới đây.

                                    

Hình 1. Biểu đồ phân tích năng lượng và công suất của hai loại động cơ (Ảnh của tác giả)

     Nhìn vào biểu đồ a ta thấy rằng theo thời gian sử dụng năng lượng thì lượng nhiên liệu trong bình chứa giảm (đường màu đỏ) nhưng động cơ ô tô vẫn lăn bánh với công suất không đổi (đường màu xanh lá cây) nếu giữ bàn đạp ga cố định. Còn nhìn vào biểu đồ b thì ta thấy rằng theo thời gian sử dụng năng lượng thì trong khoảng thời gian đầu thì công suất của ô tô phát ra là ổn định (nếu giữ vị trí bàn đạp ga cố định), nhưng trong khoảng thời gian sau thì điện áp của ắc quy (đường màu đỏ) lại giảm. Trong khoảng thời gian từ A đến B thì ô tô không lăn bánh do điện áp cấp cho mô tơ không đủ. Do vậy khoảng thời gian từ A đến B là khoảng thời gian chết của ô tô. Do đó việc nghiên cứu, sản xuất chế tạo ắc quy để cung cấp cho mô tơ của ô tô điện là hết sức cần thiết. Làm sao thiết kế ắc quy nạp điện thì nhanh, lượng tích trữ năng lượng lớn để ô tô có thể chạy ở đường xa.

2. Cần phải có cơ sở hạ tầng tốt, có các trạm nạp điện

     Nguyên nhân thứ 2 này cũng là điều kiện quan trọng khi toàn xã hội sử dụng ô tô điện thì chính phủ phải tốn một khoản tiền lớn cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng vật chất phục vụ cho việc nạp điện. Muốn cho ô tô điện hoạt động thì cần phải có điện áp từ ắc quy cấp đến các mô tơ ở bánh xe. Nếu xe hoạt động ở hành trình dài thì khi điện áp trong bình không đủ cấp cho mô tơ thì xe phải ghé vào các trạm điện dọc ven đường để tiến hành nạp. Do vậy nếu ô tô điện sử dụng ở nước ta thì chính phủ phải bỏ ra một khoảng tiền rất lớn để xây dựng các trạm nạp điện này.

Tuy nhiên trong tương lai thì ô tô điện vẫn là xu thế chung của toàn cầu vì những ưu điểm sau:

1.  Không có tiếng ồn động cơ

     Động cơ Diesel hay động cơ xăng là tác nhân lớn gây ra tình trạng ô nhiễm tiếng ồn – một trong những tác nhân gây hại cho sức khỏe con người, động cơ đốt trong ICE thực chất là động cơ máy nổ. Theo cuộc nghiên cứu được công bố bởi Viện Khoa học Sức khỏe Môi trường Quốc gia Mỹ NIEHS, khoảng 10 triệu người dân Mỹ đang gặp phải những vấn đề về sức khỏe liên quan đến ô nhiễm tiếng ồn, ví dụ như các bệnh tim mạch hoặc khả năng thính giác bị hạn chế.

                      

Hình 2. Ô nhiễm tiếng ồn từ nguồn động cơ đốt trong là rất lớn (Ảnh Internet)

     Tiếng ồn và mức độ chấn động khi di chuyển của xe điện và nhỏ hơn các động cơ đốt trong khác. Với tốc độ thấp và chế độ nghỉ, sự thoải mái của xe điện cao hơn so với xe ô tô thông thường khi lái xe, cùng với sự gia tăng tốc độ xe chạy, âm thanh lốp và âm thanh của gió là nguyên nhân chủ yếu tạo nên tiếng ồn. Cụ thể, với tốc độ 104 km/h, trung bình xe ô tô truyền thống phát ra âm thanh khoảng 70 dB. Tuy nhiên, các loại xe điện sẽ yên tĩnh và có âm thanh nhẹ nhàng hơn. Thậm chí, các hãng xe điện phải tạo ra âm thanh giả nhằm giúp người đi bộ dễ dàng nhận biết loại xe này đang di chuyển.

2. Quy trình chế tạo, bảo dưỡng đơn giản

     Loại xe sở hữu động cơ đốt trong thường có một danh sách dài về cách thức bảo dưỡng, bao gồm: dầu, hộp số, thay má phanh, lốp, dây an toàn, ắc-quy, bộ lọc gió… Đây là nguyên nhân chính làm gia tăng chi phí của xe. Ngược lại, xe điện cần ít nhu cầu bảo dưỡng hơn, nên chi phí duy trì cũng ít hơn. Một báo cáo của Mỹ đã chỉ ra rằng. “mô tơ điện chỉ có một phần chuyển động – trục quay nên rất đáng tin cậy và không cần bảo dưỡng thường xuyên. Bên cạnh đó, bộ phận sạc và điều khiển đều bằng điện nên chúng cũng hầu như không cần bảo hành bảo trì nhiều so với các loại xe truyền thống”.

                       

Hình 3. Cấu tạo cơ bản của hai loại động cơ (Ảnh Internet)

     Nhìn vào hình 3 ta thấy rằng động cơ điện (bên trái) có cấu tạo đơn giản gồm roto và stator khi cấp điện  từ ắc quy trục động cơ điện sẽ quay nguồn năng lượng này sẽ giúp ô tô chuyển động. Còn động cơ đốt trong (tay phải) có nhiều chi tiết dẫn động (thanh truyền, trục khuỷu, piston, xúp pap) nguồn cấp năng lượng là nhiên liệu hóa thạch, động cơ hoạt động chuyển động phức tạp phải biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu, do đó xảy ra rung động, ồn, động cơ mất cân bằng. Ngoài ra, so sánh khung gầm, động lực của xe ô tô điện với xe truyền thống, chúng ta sẽ thấy rằng, kết cấu của xe ô tô điện tương đối đơn giản. Xe ô tô điện không cần những kết cấu phức tạp và không gian hệ thống khí thải lớn, trong khi đó động cơ đốt trong thì hệ thống xử lý khí xả rất đắt tiền.

3. Không gây ô nhiễm môi trường

     Xe điện thuần túy chạy trên đường không gây ô nhiễm, hoàn toàn không thải ra khí độc hại cho môi trường. Cho dù dựa vào việc tiêu thụ điện năng từ khí thải các nhà máy điện, khí ô nhiễm tạo thành cũng ít hơn khí thải của ô tô. Xe ô tô điện không thải ra bất kỳ loại khí nào gây nguy hiểm đến sức khỏe con người và môi trường xung quanh. Ngược lại, nếu so sánh, trung bình xe có động cơ xăng sản sinh 350g CO2/1,6 km. Hằng năm mức độ ô nhiễm không khí, đặc biệt là khí xả của động cơ đốt trong (CO, HC, NOx) gây ra nhiều loại bệnh về hô hấp ở người. Cũng cần chú ý rằng, tuy không trực tiếp thải ra khí thải độc hại nhưng quá trình sản xuất xe điện lại có những ảnh hưởng nhất định đến môi trường, đặc biệt là việc xử lý ắc quy khi hư hỏng phải theo tieu chuẩn an toàn môi trường. Dù vậy, những ảnh hưởng này sẽ giảm dần khi công nghệ phát triển.

                   

Hình 4. Bảo vệ môi trường trong lành là trách nhiệm của mỗi người (Ảnh internet)

4. Tiết kiệm năng lượng

     Một trăm cây số điện năng tiêu thụ xe là 15-20kwh,sau khi tính tổn thất của nhà máy điện và động cơ xe điện, điện năng tiêu thụ của 100 km là tiêu chuẩn 7 kg than. Xe truyền thống đi100 km tiêu thụ nhiên liệu 10L, tiêu thụ năng lượng khoảng 10 kg. Hơn nữa trong môi trường của thành phố, ưu thế tiết kiệm năng lượng của xe ô tô điện càng ngày được coi trọng, mở rộng. Theo tính toán của các chuyên gia thì năng lượng để sản xuất điện nạp cho các trạm điện còn rẻ hơn so với việc khai thác sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

                   

Hình 5. Tiết kiệm năng lượng là xu thế chung của toàn cầu (Ảnh Internet).

     Như vậy, tất cả những ưu điểm nổi bật của ô tô điện là nhiều, với sự phát triển của công nghệ trong tương lai thì việc sản xuất ô tô điện là rất lớn vì môi trường đang bị ô nhiễm, nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiện. Thì xu thế tất yếu là phải sản xuất ô  tô điện. Nhưng bên cạnh đó có hai thách thức lớn mà tác giả đã phân tích ở trên.

Đỗ Tấn Thích

Ô tô điện, Tham Luận