Sơn Hà (May.2024)
Phương tiện vận chuyển là mối bận tâm hàng đầu của con người ở bất cứ nơi nào trên thế giới. Người ta có nhu cầu vận chuyển mọi thứ từ nơi này đến nơi khác. Các phương tiện trên bộ, trên nước, hay trên không, phần lớn phương tiện chạy bằng động cơ nổ, nhiên liệu đốt là xăng (gasoline) hoặc dầu cặn (diesel). Động cơ cũng cần có dầu nhớt (lubricating oil, grease) để làm trơn các bộ phận cơ khí, từ bộ máy cho đến các cơ phận chuyển động.
Các nhiên liệu và vật liệu dùng cho động cơ đều được chế biến từ dầu mỏ lấy từ lòng đất (fossil fuel – nhiên liệu hoá thạch).
Bài viết này đề cập đến xe hơi có động cơ điện, là loại động cơ được chuyển động do điện từ pin (còn gọi là bình điện, bình ắc-quy – battery), không thải ra khí độc CO (monoxide). Khác với động cơ nổ được chuyển động bởi đốt xăng hay dầu; gọi là xe chạy bằng xăng/dầu; thải ra khí CO, làm ô nhiễm môi trường.
Xe hơi chuyển động bằng động cơ điện, gọi là xe chạy bằng điện. Tiếng Anh gọi là Electric Vehicle (EV). Bình điện (pin) sau khi dùng cạn năng lượng, phải được sạc (charge) lại cho đầy trước khi chạy tiếp.
Danh từ được dùng trong bài viết này “xe chạy bằng điện”, có khi được viết ngắn là “xe điện”, và những từ ngữ liên quan, có định nghĩa như trình bày trên đây.
Xe Điện Được Phát Minh Từ Lúc Nào?
Những thí nghiệm đầu tiên về động cơ điện bắt nguồn từ đầu thế kỷ 19. Các nhà phát minh như Robert Anderson, Thomas Davenport và Ányos Jedlik đã chế tạo một số phương tiện chạy bằng điện sớm nhất, bao gồm xe điện và đầu máy điện, sử dụng động cơ điện và pin.
Xe điện đã được các nhà khoa học phát triển mạnh mẽ hơn vào thập niên 60 nhưng lại bị kỹ nghệ xe hơi dập tắt rất nhanh vì cạnh tranh trong kỹ nghệ. Cơ quan An Toàn Trên Đường Phố (Road Safety Agency) cho rằng, xe điện quá êm khiến cho khách bộ hành không biết xe hơi đang đi tới, vì họ đã quen tiếng ồn của động cơ nổ. Thế là xe điện bị xem là “không an toàn cho bộ hành”. Oái oăm thay, xe điện lại phải chế ra một bộ phận tạo ra tiếng ồn giống như tiếng động cơ nổ. Đó là một lãng phí năng lượng, trái ngược với ưu tiên hàng đầu của xe điện là loại trừ sự lãng phí năng lượng.
Lại phải tranh đấu về chính trị chứ không phải an toàn hay tiện ích gì cả. Rồi xe điện bị đẩy vào bóng tối, xe xăng/dầu vẫn chiếm lĩnh thị trường và ngày càng lệ thuộc nhiều vào nhiên liệu hoá thạch, kéo dài thêm cả trăm năm.
Một câu chuyện đáng chú ý là “La Jamais Contente” (“The Never Satisfied”), một chiếc xe điện do một kỹ sư người Bỉ tên là Camille Jenatzy chế tạo hồi năm 1899 đã lập kỷ lục tốc độ là trên 100km/h. Điều này có thể chứng tỏ, động cơ điện có khả năng thay thế động cơ nổ (chạy bằng xăng/dầu). Vì cạnh tranh trong kỹ nghệ và thương mại nên xe chạy bằng điện không được phát triển. Đời này qua đời khác, xe xăng/dầu được dùng quá rộng khắp nơi, từ lãnh vực sản xuất cho đến nhu cầu hàng ngày.
Theo Cơ Quan Năng Lượng Quốc Tế (International Energy Agency -IEA), có hơn một tỷ chiếc xe xăng/dầu loại nhỏ được dùng để di chuyển hàng ngày và có hơn 400 triệu chiếc xe buýt, xe đò chở khách đang được lưu hành trên thế giới.
Dù sao, một cách tự nhiên, sự tiến bộ của khoa học sẽ đào thải và thay thế các phương tiện cũ kỹ của con người, không phải là chuyện vài mươi năm, có khi mất cả trăm năm. Trong khi các chính trị gia thường xuyên lợi dụng những chuyện đó để vận động cho quyền lợi phe nhóm. Lại thêm các hệ thống truyền thông vô lương tâm làm méo mó ý nghĩa các thành quả khoa học. Trong đó có số phận của xe điện.
Sau Hơn Trăm Năm Xe Điện Mới Được Chiếu Cố
Mặc dù khái niệm về xe điện (EV) đã có từ thế kỷ 19 nhưng phải mất hơn trăm năm mới được quan tâm, bởi vì:
Thứ nhất, xe xăng/dầu thống trị thị trường với hiệu xuất cao và hạ tầng cơ sở tiếp tế nhiên liệu đã có đầy đủ. Ngoài kỹ nghệ sản xuất xe hơi, kỹ nghệ xăng dầu cũng phát triển lâu năm; các trạm xăng dầu đã được xây dựng đều khắp trên thế giới. Xe điện phải đối đầu với sự cạnh tranh quá lớn.
Thứ nhì, thách thức về hạ tầng cơ sở cho xe điện, như trạm sạc pin, thay đổi pin, khả năng sạc không đủ nhanh khiến xe điện thiếu sự thuận tiện cho các cuộc di chuyển đường dài.
Thứ ba, chi phí sản xuất xe điện cao hơn xe xăng khiến người tiêu dùng không quan tâm. Giá bình điện quá đắt, góp phần vào giới hạn của xe điện; tuổi thọ của bình điện, khả năng giữ điện,… chưa đủ hấp dẫn người tiêu dùng.
Thứ tư, sở thích và nhận thức của người tiêu dùng về xe điện chưa thuận tiện bằng xe xăng, kể cả ý niệm an toàn của xe điện chưa đáng tin cậy so với xe xăng.
Thứ năm, các chính sách và quy định của chính phủ có vẻ ưu đãi đối với xe xăng, cũng như sự ưu đãi về hạ tầng cơ sở cung cấp nhiên liệu cho xe xăng/dầu, chưa thực sự tạo thuận lợi cho xe điện.
Thứ sáu, mất một thời gian rất dài để con người có nhận thức mạnh mẽ về môi trường, rồi mới công nhận sử dụng các loại động cơ nổ gây ô nhiễm môi trường, là lệ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch.
Trong những năm gần đây, những tiến bộ trong kỹ nghệ chế tạo pin, đồ phụ tùng xe điện đã giảm chi phí, các ưu đãi của chính phủ và nhu cầu của người tiêu dùng ngày càng tăng, lại thêm ý niệm trong sạch hoá môi trường và độ an toàn được nâng cao hơn, đã thúc đẩy sự ưu tiên cho xe điện.
Chính phủ các quốc gia, doanh nghiệp và tổ chức trên thế giới đang tận dụng sáng kiến nhằm thúc đẩy việc sử dụng xe điện, để giảm bớt khí thải nhà kính (CO2) và dần dần bớt lệ thuộc vào dầu mỏ. Từ đây, xe điện được bắt đầu được trọng dụng.
Cấu Trúc Của Xe Điện Theo tài liệu của hãng xe Audi của Đức trong lãnh vực xe điện, xe điện có 3 thành phần chính – 1/ pin (battery), 2/ động cơ (motor) và 3/ bộ điều khiển/bộ sạc (controller/charger). Pin là bộ phận lưu trữ năng lượng, động cơ là bộ phận sử dụng năng lượng đó để chuyển động các bánh xe. Bộ điều khiển/bộ sạc chuyển đổi năng lượng từ pin để cung cấp cho động cơ. Bằng ngôn ngữ kỹ thuật, lưới điện nhà hoặc trạm sạc cung cấp điện AC (điện xoay chiều), đi qua bộ chuyển đổi, đổi từ AC thành DC (điện một chiều), sạc vào Pin lithium-ion (lithium-ion battery – LIB) lưu trữ năng lượng điện ở dạng DC.
Về kiến trúc xe điện, xe điện cao cấp, xe thể thao (sports car), sử dụng pin 800V. Loại xe này cần tốc độ cao và lực kéo mạnh. Với hệ thống pin 800V, người sử dụng không phải lo lắng về vấn đề động cơ bị nóng vì hoạt động quá sức. Xe sử dụng pin 800V, hệ thống dây sẽ được đơn giản hơn, thời gian nạp điện vào pin 800V cũng ngắn hơn. Nhưng, giá thành của xe sẽ đắt hơn rất nhiều.
Hầu hết các xe điện thông thường đều dùng pin 400V. Xe được cấu tạo với các yếu tố an toàn, độ bền vừa đủ, giá thành phải chăng phù hợp với túi tiền của người tiêu dùng. Hệ thống pin của xe là bộ phận chính cung cấp năng lượng để chạy xe.
Bộ điều khiển (controller) và bộ sạc (charger) là một cấu trúc điện toán và nhu liệu, là bộ óc thông minh của xe điện.
Bộ sạc phụ trách việc kiểm soát năng lượng lấy ra để dùng cho động cơ hay các tiện nghi khác; hoặc nạp trở lại bình điện khi nào có cơ hội. Xe điện có thể tái dụng năng lượng thừa trong khi xe đang chuyển động. Một trạng thái thường thấy khi xe xuống dốc, động lượng của xe (trớn của xe xuống dốc) làm xe chạy nhanh hơn tốc độ cho phép. Tài xế phải hãm thắng (hoặc tự động hãm tốc độ nếu dùng cruise control) để giữ xe không chạy quá tốc độ (speeding). Đấy là lúc năng lượng bị lãng phí. Bộ sạc có thể chuyển năng lượng thừa ấy trở thành năng lượng có thể tái dụng, sạc ngược trở lại bình điện. Bộ sạc cũng có bổn phận theo dõi nhiệt độ của bình điện, số lượng điện nạp vào, lấy ra,… để bảo đảm số lượng nhiên liệu cho lộ trình, và giữ gìn tuổi thọ của bình điện.
Bộ điều khiển là bộ óc trung ương điều khiển xe điện. Từ việc kiểm soát các cửa, áp suất bánh xe, nịt an toàn, nhiệt độ bên trong xe, các bộ cảm ứng, camera chung quanh xe, đèn trước/sau và các loại đèn khác… Bộ điều khiển còn phải liên kết với hệ thống định vị từ satellite để biết toạ độ của chiếc xe, giúp tài xế vẽ lộ trình sẽ đi đến đâu, nơi nào có trạm sạc,…
Cùng với bộ sạc, bộ điều khiển cho biết xe điện sẽ chạy được bao nhiêu thì phải sạc pin; trạm nào sạc nhanh, trạm nào sạc chậm,… Bộ điều khiển sẽ lưu trữ tất cả các chi tiết trong sổ lưu hành giống như nhật ký hải hành của tàu đi biển. Lộ trình như thế nào; lúc nào xe khởi hành, khởi hành ở đâu (toạ độ, địa chỉ,…), dừng lại lúc nào ở đâu,… khi nào trở lại lộ trình,… Những data này sẽ được sử dụng như thế nào tuỳ theo người chủ xe.
Bộ điều khiển theo dõi sự an toàn cho xe và người trong xe, bằng cách giữ khoảng cách, báo động các trở ngại hoặc phản ứng nhanh những lúc khẩn cấp. Xe điện cũng có thể liên kết với điện thoại thông minh trao đổi dữ kiện về xe điện và những chi tiết của các cuộc di chuyển.
Một khả năng đặc biệt của xe điện là “lái tự động” (autopilot) còn đang trong vòng thử nghiệm. Chưa có hãng sản xuất xe điện nào công bố thiết kế “lái tự động” đã hoàn tất. Đến nay, người sử dụng có thể thử “lái tự động” nhưng phải chịu trách nhiệm về rủi ro.
Vấn đề An Toàn Của Xe Điện
Vấn đề an toàn cho giới tiêu thụ luôn luôn là mối quan tâm hàng đầu của chính phủ và các tổ chức khoa học. An toàn của xe điện được chú ý và khám phá qua các cuộc thử nghiệm. Các nhà nghiên cứu tìm thấy bình điện là vấn đề lớn của xe điện. Bình điện có thể gây ra hoả hoạn, hay phát nổ. Pin lithium-ion (LIB) là nguyên nhân hầu hết các vụ tai nạn. Có nhiều tiêu chuẩn được đặt ra nhưng vẫn thiếu những đánh giá toàn diện.
Ủy ban An Toàn Giao Thông Vận Tải Quốc Gia (National Transportation Safety Board – NTSB) đã điều tra các vụ tai nạn xe điện dẫn đến hỏa hoạn sau cuộc va chạm, tất cả đều cho thấy rủi ro đối với nhân viên cứu cấp, bị pin lithium-ion điện thế cao (voltage) của xe gây ra. NTSB cũng kiểm tra các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế được thiết lập để tối đa hóa sự an toàn của xe điện. Đặc biệt chú ý đến các tài liệu hướng dẫn khẩn cấp do các nhà sản xuất xe điện cung cấp nhằm giảm thiểu rủi ro về an toàn cho nhân viên cứu cấp và thứ đến xử lý các vụ tai nạn xe điện, các vụ phát hoả do pin lithium-ion có điện thế cao.
phòng khi bình điện phát hoả
Hỏa hoạn ở xe điện chạy bằng pin lithium-ion điện thế cao có nguy cơ bị điện giật đối với nhân viên cứu cấp do tiếp xúc với điện thế cao của pin lithium-ion bị hỏng. Một rủi ro nữa là các cục pin bị hư hỏng có thể bị tăng nhiệt độ và áp suất mất kiểm soát (sự thoát nhiệt), điều này có thể dẫn đến sự bắt lửa và phát cháy. Năng lượng còn sót lại trong pin bị hỏng có thể gây nguy cơ điện giật và phát cháy. Bộ sạc phải báo động sớm về vùng nào của bình điện bị hư và phải được thay thế trước khi được sử dụng.
Mặc dù vấn đề an toàn được quan tâm nhưng dữ kiện về hậu quả do sự trục trặc kỹ thuật còn đang được thu thập để các nhà sản xuất tiếp tục cải thiện, nâng cao mức độ an toàn cho xe điện. Mới đây, có vài tai nạn do tài xế lái xe đâm xuống hồ nước. Sự việc còn trong vòng điều tra, chưa biết khi bình điện bị ngập lâu trong nước có gây tai hoạ gì không.
Mặc dù đã cho xe điện chạy trong trời mưa lớn hoặc qua các con đường ngập nước, để thử nghiệm các bộ phận khi tiếp xúc với nước và hơi nước. Tuy nhiên, nhà sản xuất khuyến cáo nên tránh ngâm xe điện ở vùng nước sâu hoặc lái xe qua đường ngập nước vì điều này có thể gây rủi ro cho hệ thống điện và sự an toàn của xe.
Bao Giờ Người Ta Mới An Tâm Dùng Xe Điện?
Năm 1886, chiếc xe hơi chạy bằng xăng đầu tiên ra đời, với một động cơ gắn trên chiếc xe ba bánh, chỉ chạy được 16km/h. Trải qua hơn trăm năm được cải tiến, nhưng xe xăng dầu vẫn còn khuyết điểm. Người ta vẫn phải cải thiện nhiều bộ phận vì lý do an toàn cho người dùng.
Sau năm 2000, người ta bắt đầu nhìn nhận xe điện sẽ là phương tiện thay thế xe xăng/dầu. Chỉ mới 20 năm tích cực cải tiến, xe điện đã được thay đổi rất nhiều trong sản xuất và bắt đầu có khả năng cạnh tranh với xe xăng dầu. Đến khi vấn đề ô nhiễm môi trường được quan tâm đặc biệt và được các chính trị gia đưa hai tay đẩy nó lên hàng đầu, xe điện được xem là phương tiện “thần diệu” sẽ cắt giảm khí thải làm trong sạch bầu khí quyển. Nghe vậy ai cũng vui mừng!
Khi Nào Mới Có Hạ Tầng Cơ Sở Cho Xe Điện?
Hạ tầng cơ sở là vấn đề rất lớn cho kỹ nghệ xe điện. Trong tương lai, các trạm xăng dầu sẽ trở thành trạm sạc cho xe điện, nhưng phải sạc nhanh. Điện cung cấp cho trạm sạc nhanh sẽ là điện cao thế, không phải lưới điện thông thường.
Chính phủ và công ty điện lực phải thiết kế một hệ thống điện mới. Nhưng, để có điện năng, chúng ta phải dùng đến các loại năng lượng khác đến từ đập thuỷ điện, xăng dầu, than, nguyên tử, mặt trời, gió,… để tạo ra điện. Các thứ khác đó, có sản xuất đủ điện cho xe điện hay không, hay ta lại phải dùng nhiên liệu hoá thạch để sản xuất điện cho xe điện?
Pin Được Sản Xuất Ra Sao?
Vấn đề nhân đạo cũng phải được quan tâm. Để sản xuất những bình điện, những cục pin, biết bao mồ hôi nước mắt của trẻ em ở các hầm mỏ ở Phi Châu, đào lên các quặng cobalt, sắt, đồng,… để chế tạo Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Iron Phosphate (LiFePO4). Số lượng khí thải trong quá trình sản xuất pin gây ô nhiễm không khí và đất đai, có đo lường được không? Làm sao cắt giảm?
Còn Các Cục Pin Đã Cũ, Thì Đem đi Đâu?
Những cục pin thì sao? Sau thời hạn mười năm, hết tuổi thọ của những cục pin trong xe điện phải bỏ đi. Có đến hàng tỷ cục pin phế thải phải xử lý ra sao? Nó có được tái dụng cho những việc khác không, hay chỉ là chất phế thải phải đem chôn dưới lòng đất hay lòng biển? Nó có thể nhiễm độc đất đai, nước biển, nước sông hồ,… Sự quan tâm như thế nào, có ai biết không?
Xe điện đang ngày càng được ưa chuộng nhưng còn rất nhiều câu hỏi, chắc lâu lắm mới có câu trả lời.
Sơn Hà (May-2024)