thế giới
1. Xu thế phát triển
Sự phát triển của nguồn điện hóa học trong t−ơng lai gần (đến 2010) và chuẩn bị cho một giai đoạn dài hạn hơn (2010 - 2020) dựa trên những thị tr−ờng tiêu thụ chính sau đây:
1.1. Thị tr−ờng thiết bị điện tử [5c]
Thị tr−ờng thiết bị điện tử bao gồm thiết bị b−u chính viễn thông không dây; máy tính xách tay; điện tử dân dụng đa dạng; các máy y tế cấy ghép; đồ chơi v.v... có thể xem là một thị tr−ờng tiêu thụ với tốc độ tăng tr−ởng cao và ổn định. Xu thế của sản xuất các ăcquy kích th−ớc nhỏ (AA hoặc R6) sẽ mạnh hơn pin cùng loại, đặc biệt phục vụ các đối t−ợng kỹ thuật cao đòi hỏi về mặt công suất.
Thật vậy, xu thế "hội tụ kỹ thuật số" triệt để trong một điện thoại di động hôm nay và trong t−ơng lai sẽ tạo cho ng−ời tiêu dùng nhiều tiện nghi, đồng nghĩa với nhu cầu sử dụng battery công suất cao nh−ăcquy ion Li, ăcquy Ni-Mh... thậm chí phải tính đến pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp DMFC. Pin kiềm Zn - MnO2 vẫn còn chỗ đứng trong thiết bị điện tử thông th−ờng, nh−ng sự phát triển của pin kiềm nạp lại đ−ợc RAM-Cell, tên RENEWAL ngay ở Mỹ cũng đã thuyết phụ đ−ợc ng−ời tiêu dùng không chỉ là giá rẻ mà còn là ý nghĩa tiết kiệm nguyên liệu, bảo vệ môi tr−ờng.
Vấn đề thu hồi và tái sinh các nguồn điện sau sử dụng cũng phải đ−ợc đặt ra nghiêm trọng giống nh− khắc phục các "rác thải điện tử". Vấn đề nan giải hiện nay
công nghệ tái sinh pin sau sử dụng có giá thành đắt bằng chế tạo mới. Ăcquy Ni-Cd sẽ ngừng sản xuất sau 2008 tại EU hoặc phải giảm sản xuất với tốc độ 5,5% năm ở nhiều n−ớc khác. Doanh số của ăcquy ion Li và Ni-MH loại nhỏ xấp xỉ bằng nhau vào năm 1996, thì hiện nay doanh số của ăcquy ion Li đã gấp đôi. Tr−ớc thị tr−ờng gần nh− bão hòa, các nhà sản xuất hàng đầu trên thế giới không có lựa chọn nào khác ngoài sự phát triển chất l−ợng (nâng các chỉ số Wh/kg, Wh/l) và hạ giá thành nh− đồ thị VI.1 của ăcquy ion Li, kích th−ớc 18650 phổ cập d−ới đây là ví dụ:
Hình VI.1 Biến thiên về chất l−ợng (Wh/l và Wh/kg) và giá thành chế tạo ($/Wh)
1.2. Thị tr−ờng ăcquy SLi (khởi động chiếu sáng) và chất l−ợng cao [2], [7e-d]
Ăcquy axit chì vẫn là thống soái của đối t−ợng ứng dụng này. Tốc độ tăng tr−ởng của ăcquy ôtô t−ơng ứng với số xe ôtô sản xuất của một quốc gia. Do tiện nghi ôtô ngày càng cao, nên đòi hỏi về ăcquy đặc chủng có những chất l−ợng cao nhất về mật độ năng l−ợng tính bằng [Wh/kg] hoặc [Wh/l]. Điện áp thiết kế cần thiết ∼36ữ42V, hoàn toàn không bảo d−ỡng loại VRLA (sealed and valve regulated), công suất thiết kế
∼ 9 kW là yêu cầu của các nhà thiết kế ôtô đời mới.
Vấn đề thu hồi và tái sinh ăcquy axit chì là một ví dụ điển hình về sự thành công của bảo vệ môi tr−ờng (95% ữ 98% đ−ợc tái sinh) - Công nghệ tinh luyện nhiệt phân đ−ợc thay thế bằng điện phân đã giảm hẳn phát tán Pb ra môi tr−ờng. Vì vậy ăcquy axit chì đ−ợc xem là một hệ battery "xanh" nhất hiện nay.
1.3. Về lĩnh vực xe chạy bằng điện ăcquy (HEV, EV) [2], [7]
Thị tr−ờng xe máy điện, ôtô lai điện HEV (chạy bằng tổ hợp động cơ đốt trong ghép với động cơ điện chạy bằng ăcquy) và ôtô điện EV (hay còn gọi là thế hệ ôtô không khí thải - ZEV) sẽ là một thị tr−ờng sôi động sau 2010 vì nhiều lý do:
- Vấn đề khủng hoảng dầu mỏ trong những năm gần đây buộc nhiều quốc gia phải thay đổi chiến l−ợc về năng l−ợng và sử dụng nhiên liệu.
- Luật môi tr−ờng của các n−ớc phát triển về hạn chế xe chạy bằng động cơ đốt trong sẽ bắt đầu có hiệu lực (ở Mỹ bắt đầu từ năm 2003).
- Công nghệ ăcquy cho xe ôtô điện đã có đủ độ chín sau những đột phá kỹ thuật quan trọng, chẳng hạn lấy chỉ số mật độ tích trữ năng l−ợng của các ăcquy tiên tiến đạt con số E = 100 Wh/kg, thì đoạn đ−ờng chạy đ−ợc L của xe ôtô điện sẽ đ−ợc tính nh− sau:
VB B m m E . k L= Trong đó k là hệ số = 6,7 km kg/Wh; V B m m
là tỷ số khối l−ợng của ăcquy (mB) trên khối l−ợng của xe ôtô (mV). Nếu thiết kế 0,1
m m V B = thì L = 70km, còn chấp nhận 3 , 0 m m V B
= thì đoạn đ−ờng L = 230 km. Sử dụng pin nhiên liệu có thể đạt đ−ợc quãng đ−ờng di chuyển ∼450 km, và nh− vậy không thua kém so với xe chạy động cơ đốt trong. Vấn đề chủ yếu vẫn là giá thành chế tạo ăcquy tiên tiến hiện còn đang rất cao, thêm nữa là dịch vụ bảo d−ỡng, độ ổn định và an toàn, còn về mặt cơ khí xe HEV có thể giảm đ−ợc nhiều chi tiết chế tạo hơn xe ôtô hiện nay.
Ba ứng cử viên của nguồn điện điện hóa lần l−ợt là ăcquy chì axit VRLA, ăcquy Ni-MH và ăcquy Li-ion ghép lại với siêu tụ điện, sẽ là những ứng cử viên có triển vọng. Tr−ớc mắt là sự ra đời của thế hệ xe lai điện HEV trên thị tr−ờng (xem bảng VI.1) do Toyota và Honda sản xuất.
Bảng VI.1. Xe HEV của Nhật
Hãng Kiểu Ăcquy Công suất điện [kW] Điện áp thiết kế [V] Năng l−ợng ăcquy [kWh] Năm sản xuất
Toyota Prius NiMH 25 288 1,75 1997
Honda Insight NiMH 10 144 0,8 1999
Toyota Estima NiMH 20 216 1,4 2001
Toyota Crown VRLA 4 42 0,8 2001
Honda Civic NiMH 12 144 0,8 2002
Ôtô lai điện chạy bằng pin nhiên liệu sẽ bùng nổ vào giai đoạn 2010 - 2020 với tốc độ tăng tr−ởng 20 - 25% năm, tuy nhiên các nhà sản xuất ôtô hàng đầu thế giới (nh− Daimler - Chrysler; Ford; General Motors; Honda; Nissan; Toyota và (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Volkswagen) đã bắt đầu bán sản phẩm vào năm 2007 trở đi với động cơ hybrid chạy bằng Pin nhiên liệu/Battery hoặc Pin nhiên liệu/Siêu tụ điện; nhiên liệu là hydro nén hoặc hóa lỏng.
Giá điện năng trên 1kWh dự kiến vào năm 2008 của ăcquy axit chì VRLA là 180 USD, còn của ăcquy Ni-MH là 750 USD; còn của pin nhiên liệu SOFC vào năm 2010 dự kiến là 400USD.
Trong điều kiện xe HEV, tuổi thọ của ăcquy Ni-MH có thể đạt từ 5 ữ 8, còn ăcquy axit chì VRLA đạt ∼ 2 năm. Về lâu dài phải trông chờ vào tuổi thọ "kinh tế" của pin nhiên liệu ( ∼ sau 2010).
Pin nhiên liệu nhiệt độ thấp AFC, PEMFC chạy bằng khí H2 nén hoặc hóa lỏng; còn pin nhiên liệu nhiệt độ cao MCFC, SOFC có thể chạy bằng khí tự nhiên nh− CH4, các hydrocacbua. Pin nhiên liệu DMFC sử dụng r−ợu methanol lỏng làm nhiên liệu, làm việc ở nhiệt độ thấp mở ra một triển vọng mới trong lĩnh vực dân dụng.
1.4. Ăcquy cố định để tích trữ năng l−ợng mặt trời [2]
Tích trữ năng l−ợng tản mạn nh− mặt trời, gió ngày càng đóng vai trò quan trọng khi mà các hệ thống chuyển đổi nh− pin mặt trời photovoltaic hoặc động cơ gió nhờ thành tựu của vật liệu mới cho hiệu suất chuyển đổi ngày càng cao. Còn ăcquy điện hóa vẫn là ph−ơng tiện duy nhất để tích trữ điện năng. Các trạm điện ăcquy axit chì có công suất thiết kế lên tới hàng MWh. Tiềm năng này phụ thuộc vào cơ cấu năng l−ợng của mỗi quốc gia. Tuy nhiên mạng l−ới điện quốc gia luôn luôn cần có các trạm điện ăcquy để làm nhiệm vụ san bằng tải (load-levelling). Khi có điện hạt nhân, thì những hệ thống tổ hợp "Điện hạt nhân - Điện phân điều chế hydro- Xa lộ hydro - Pin nhiên liệu" là một trong những giải pháp cung cấp điện hữu hiệu.
2. Dự báo mục tiêu và lộ trình phát triển
Khác với ý nghĩa sơ khai ban đầu, nguồn điện hóa học ngày nay đ−ợc xếp vào nhóm các kỹ thuật cao. Vì vậy vấn đề dự báo mục tiêu và lộ trình phát triển có tầm quan trọng đặc biệt, chẳng hạn:
- Việc nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu chỉ đạt đ−ợc những đột phá quan trọng vào những năm 1960 sau khi đ−ợc xác định là nguồn điện điện hóa duy nhất dùng để tích trữ năng l−ợng mặt trời và tái tạo H2O trên các con tàu vũ trụ. Đến năm 1973 bắt đầu có khủng hoảng dầu lửa và tần suất các cuộc khủng hoảng nhiên liệu ngày càng tăng, thì việc phát triển giao thông ôtô chạy điện ngày càng bức thiết trong đó vai trò của pin nhiên liệu dân dụng là nguồn điện thân thiện với môi tr−ờng đ−ợc xác định là ứng cử viên số một tr−ớc 2010.
- Không có những xúc tiến nghiên cứu về nguồn điện mới có mật độ năng l−ợng cao dựa trên cơ sở vật liệu mới vào những năm 1970, thì sẽ không có những nguồn điện
tiên tiến nh− ăcquy Li, ăcquy ion Li, ăcquy Ni-MH... kịp đón đầu sự phát triển nh− vũ bão của điện tử không dây và kỹ thuật số ngày nay.
Các n−ớc đi đầu trong lĩnh vực KHKT đã đề ra những lộ trình dài hạn để phát triển nguồn điện tiên tiến, đầu t− hàng trăm triệu USD nh− Mỹ có "Mid - and Long Term Goals of US Advanced Battery Consortium (1976 - 2000)"; cộng đồng châu Âu có "R&D Objectives Set of Commission of European Communities of Battery(1978)" và bổ xung "Objectives of past programme (1978 ữ 1988)".
Để phát triển nguồn điện Ni-MH, Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu với 2 dự án lớn cấp quốc gia WE - NET và PROTIUM vào năm 1970 và đến năm 1990 mới bắt đầu th−ơng mại hóa nguồn điện Ni-MH và năm 2000 lần đầu tiên hãng HONDA xuất x−ởng xe HEV, kiểu PRIUS chạy bằng ăcquy Ni-MH.
Còn Trung Quốc, bắt đầu nghiên cứu về nguồn điện Ni-MH trong ch−ơng trình R&D về công nghệ cao quốc gia "863" vào năm 1986. Đến năm 1991 đã có thể th−ơng mại hóa hàng loạt chủng loại ăcquy Ni-MH dân dụng cho đến các môđun Ni- MH cho ôtô điện. Dự kiến đến thế vận hội Olympia Bắc Kinh 2008 sẽ phấn đấu đ−a xe ôtô chạy điện ăcquy vào vận hành, để biểu t−ợng cho một thành phố xanh - sạch - đẹp. Đại thể thời gian cần thiết để phát triển một nguồn điện mới đi từ nghiên cứu đến th−ơng mại hóa mất khoảng 20 - 30 năm. Đối với các n−ớc đi sau và công nghệ lạc hậu, để chủ động hội nhập và đổi mới công nghệ, không có kế sách "phép thần" nào để có đ−ợc các sản phẩm công nghệ cao mà không tính đến liên doanh. Hình thức liên doanh sản xuất phổ biến là giữ nguyên thiết kế gốc của chính hãng để đ−ợc h−ởng uy tín của th−ơng hiệu (ph−ơng thức OEM) nhằm sớm có sản phẩm đ−a ra thị tr−ờng.