'Tàu chạy bằng pin' có thực tế không?
 

Các nhà quản lý và khoa học đang tìm lời giải cho câu hỏi liệu chúng ta có thể sử dụng các hệ thống pin lớn để cung cấp năng lượng cho những thiết bị vận tải như tàu hỏa được hay không.

Với tốc độ phát triển nhanh chóng của xe điện, chúng ta có thể sẽ tiến đến một thế giới nơi có thể loại bỏ hoàn toàn khí thải carbon từ các hình thức vận tải. Nhưng, không đơn giản như xe đạp điện, xe máy điện hay ô tô điện, việc thay thế các phương tiện vận tải cỡ lớn như máy bay, tàu hỏa và tàu thủy dường như là một nhiệm vụ khó khăn hơn đáng kể.

Tuy nhiên, một phân tích mới cho thấy chúng ta đã có một ý tưởng hay về cách cải thiện và tìm ra hướng đi cho vấn đề này. Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học có trụ sở tại California, khi xem xét khả năng điện khí hóa của vận chuyển hàng hóa bằng đường sắt. Nó phát hiện ra rằng các công nghệ cần thiết đã sẵn sàng khá nhiều, và trong những hoàn cảnh thích hợp, bài toán đang trên đà tìm thấy hướng giải. Thêm vào đó, việc lắp những bộ pin khổng lồ trên các toa tàu chở hàng có khả năng tạo ra một số lợi ích phụ thú vị.


Hiện nay, hầu hết hàng hóa ở Mỹ được di chuyển bằng đầu máy chạy bằng động cơ diesel. Trung bình trong một năm, những đầu máy xe lửa này tạo ra khoảng 35 triệu tấn carbon dioxide, và phần còn lại của chất ô nhiễm mà chúng tạo ra ước tính gây ra khoảng 1.000 ca tử vong sớm và thiệt hại về sức khỏe lên tới 6,5 tỷ USD.

Các nhà nghiên cứu đã cân nhắc một số phương án để cắt giảm lượng khí thải của các đoàn tàu này. Một trong số đó liên quan đến việc điện khí hóa toàn bộ hệ thống bằng cách lắp hệ thống dây điện phía trên đường ray, nhưng điều đó đòi hỏi một khoản chi phí trả trước đáng kể và chi phí bảo trì liên tục.

Một giải pháp thay thế khác là cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu bằng hydro. Giải pháp này có tiềm năng là tương đối rẻ, nhưng nó đòi hỏi sự phát triển về năng lực sản xuất hydro đáng kể, với hướng đi lý tưởng liên quan đến việc tách nước bằng cách sử dụng điện tái tạo. Do đó, giải pháp này có lẽ còn nhiều năm nữa mới trở thành hiện thực.

Tùy chọn cuối cùng là sử dụng pin, có thể được tích hợp với các hệ thống hiện có. Hầu hết các đầu máy diesel sử dụng động cơ diesel để cung cấp năng lượng cho máy phát điện, sau đó cung cấp năng lượng cho các động cơ. Một sự thay đổi trong hệ thống dây điện có thể cho phép đầu máy xe lửa chấp nhận nguồn điện bên ngoài, chẳng hạn như từ pin.


Các nhà khoa học đã xem xét khả năng này từ vài năm trước, nhưng nó đã bị bác bỏ trên cả cơ sở công nghệ và kinh tế. Kể từ thời điểm đó tới nay, dung lượng những viên pin đã lớn hơn đáng kể và chúng đã giảm giá tới 87% trong cả thập kỷ qua. Các nhà nghiên cứu đằng sau nghiên cứu mới quyết định rằng hướng đi này đáng để xem xét lại.

Dựa trên giả định rằng một đoàn tàu chở hàng điển hình ở Mỹ có thể đi trung bình 241 km một ngày, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một phép tính thử. Kết quả là họ tìm ra được pin lithium làm từ phốt phát sắt có thể cung cấp đủ năng lượng cho đoàn tàu gồm 4 đầu máy, 100 toa chở hàng và khoảng 7.000 tấn trọng tải. Và nếu đoàn tàu chở hàng lớn này được điều khiển bằng pin lithium làm từ phốt phát sắt, thì kích thước của hệ thống pin sẽ bằng khoảng 40% kích thước của một toa chở hàng thông thường.

Và do hiệu quả của năng lượng điện trực tiếp, đoàn tàu sẽ chỉ sử dụng một nửa năng lượng tiêu thụ của động cơ đốt trong việc điều khiển máy phát điện trên tàu. Và trong khi một chuyến tàu thông thường sẽ đòi hỏi việc thường xuyên dừng nhiều lần trong ngày để thay đổi đội ngũ lái tàu và tiếp nhiên liệu, điều này cũng tạo cơ hội để đoàn tàu tăng phạm vi với một hệ thống sạc nhanh. Và nếu muốn tiết kiệm thời gian hơn, phương pháp thay thế pin có thể áp dụng.


Mặc dù hệ thống sẽ không yêu cầu các đầu máy mới, nhưng pin và cơ sở hạ tầng sạc mà nó cần sẽ vẫn đòi hỏi một số chi phí trả trước đáng kể. Các nhà nghiên cứu đã cộng tất cả các chi phí này và sau đó tính toán giá điện cần thiết để làm cho toàn bộ hệ thống có mức giá cạnh tranh với dầu diesel.

Tuy nhiên, vẫn chưa thể có đáp án như mong đợi, bởi giá dầu diesel đang ở mức rất thấp so với lịch sử. Bên cạnh đó, chi phí tổng thể của cơ sở hạ tầng sạc lại phụ thuộc nhiều vào tần suất nó được sử dụng. Nếu các công ty vận tải hàng hóa có thể điều chỉnh lịch trình của họ để các bộ sạc được sử dụng chỉ còn một nửa thời gian, tính kinh tế tổng thể của quá trình điện khí hóa sẽ được cải thiện. Đồng thời, năng lượng tái tạo cũng có thể làm giảm giá sạc đáng kể.

Trong khi đó, sử dụng một biện pháp kinh tế gọi là "giá trị hiện tại ròng", các nhà nghiên cứu xác định rằng việc chuyển sang dùng pin sẽ có chi phí ước tính 15 tỷ USD. Nhưng nếu tính đến những thiệt hại do ô nhiễm thì con số này thành khoản tiết kiệm 44 tỷ USD. Xem xét các thiệt hại về khí hậu sẽ tăng khoản tiền tiết kiệm được lên 94 tỷ USD. Ngay cả khi những thiệt hại này được bỏ qua, việc giá dầu diesel tăng trong tương lai cùng với việc giá điện giảm cũng sẽ khiến chi phí chuyển đổi trở nên cân bằng.


Và một hướng phân tích khác cho thấy ngay cả khi không di chuyển đoàn tàu, các công ty vận tải hàng hóa vẫn có thể sử dụng năng lực của mình để cung cấp dịch vụ ổn định lưới điện hoặc bán điện trở lại khi giá tăng cao. Trong những trường hợp cực đoan, hệ thống này thực sự có thể trả tiền cho toàn bộ cơ sở hạ tầng.

Chưa kể, hệ thống pin khổng lồ này cũng có thể được chuyển đến các địa điểm bị mất điện hoặc thiên tai, khi dễ dàng kéo đến đó bằng các đầu máy chạy bằng dầu diesel thay vì tiêu hao pin.

Tất nhiên, tất cả những điều này sẽ làm tăng thêm mức độ phức tạp đáng kể cho nhiệm vụ cung cấp năng lượng cần thiết cho các công ty vận tải hàng hóa để thực hiện công việc chính của họ là di chuyển mọi thứ đi khắp nơi. Nhưng nếu được thực hiện đúng, ý tưởng này có khả năng mang lại một tương lai an toàn hơn cho một hình thức vận chuyển không phát thải cacbon.