Chính phủ nhiều nước đang lên kế hoạch cấm bán xe chạy bằng xăng và dầu diesel trong thập kỷ tới nhằm định hướng người dân chọn ô tô điện, xe hybrid (kết hợp động cơ đốt trong và động cơ điện) hoặc xe đạp để bảo vệ môi trường. Nhưng liệu với những phương tiện di chuyển khác, chẳng hạn như máy bay, thì điện có giúp cắt giảm khí thải carbon hay không?
0Đây là một câu hỏi khá phức tạp có liên quan mật thiết đến kích thước và trọng lượng của phương tiện. Những năm gần đây, một số công ty đã phát triển thành công máy bay chạy bằng điện quy mô nhỏ, hứa hẹn sẽ xuất hiện trên thị trường trong vòng vài năm tới. Nhưng những loại máy bay cỡ lớn đang phổ biến trên thế giới hiện nay rất khó có thể áp dụng động cơ điện trong tương lai gần.
Trở ngại ở đây không phải về mặt công nghệ mà về phương thức dự trữ năng lượng. Mỗi kilogram nhiên liệu của máy bay phản lực chứa năng lượng gấp 30 lần so với loại pin lithium-ion tốt nhất hiện có trên thị trường.
Ví dụ như chiếc Airbus A380, máy bay chở khách lớn nhất thế giới hiện nay, mỗi lượt có thể chở 600 hành khách bay 15.000 km. Theo tính toán, nếu sử dụng pin thì Airbus A380 chỉ có thể bay được hơn 1.000 km. Ngay cả khi tất cả hàng hóa và hành khách được thay thế bằng pin, thì phạm vi bay vẫn ít hơn 2.000km so với sử dụng nhiên liệu. Để giữ phạm vi bay hiện tại, máy bay cần chở theo một lượng pin nặng hơn 30 lần so với trọng lượng nhiên liệu.
Sự đánh đổi này gần như bất khả thi vì mỗi chuyến bay dài, lượng nhiên liệu đã chiếm một nửa trọng lượng máy bay khi cất cánh. Hơn nữa, máy bay sẽ càng nhẹ hơn khi nhiên liệu được tiêu thụ bớt, nhưng với pin thì không như thế. Máy bay điện phải mang lượng pin đó suốt toàn bộ chuyến bay.
Kể cả với những loại máy bay hạng nhẹ chỉ chứa 5-10 khách, nhiên liệu chiếm từ 10-20% trọng lượng thì việc đổi nhiên liệu thành pin vẫn phi thực tế. Việc thay trọng lượng của 2-3 hành khách chỉ cho cho phạm vi bay 500-700km, trong khi sử dụng nhiên liệu có thể bay đến hơn 1.000km.
Mô hình máy bay điện thương mại đầu tiên
Công ty Eviation của Israel mới đây vừa tuyên bố đã phát triển thành công nguyên mẫu máy bay thương mại chở khách chạy bằng điện đầu tiên trên thế giới. Máy bay có tên Alice, không chỉ có thể trao đổi nhiên liệu cho pin mà còn được nâng cấp cách hệ thống động cơ tích hợp vào khung máy. Alice có khả năng chở 9 hành khách trong phạm vi 1.000km, dự kiến đi vào hoạt động từ năm 2022.
Trong tương lai, Alice có thể được áp dụng cho những chuyến bay nhỏ trong phạm vi gần, nhưng không dành cho những chuyến chở khách theo lịch theo lịch trình và cả những lượt bay ngắn. Cách duy nhất ở hiện có thể giúp điện khí hóa là cải tiến công nghệ pin.
Về lý thuyết, công nghệ pin lithium-air mới có mật độ năng lượng tương đương với nhiên liệu máy bay, nhưng vẫn còn đang trong giai đoạn thử nghiệm. Ngành hàng không yêu cầu rất khắt khe về độ an toàn nên sẽ phải mất thêm rất nhiều thời gian nghiên cứu và thử nghiệm thì công nghệ này mới được áp dụng vào thực tiễn.
Trong khoảng 20-30 năm tới, loại máy bay phổ biến nhất sẽ có động cơ hybrid. Loại động cơ này sẽ linh hoạt hơn, có thể tối ưu hóa để cung cấp lực đẩy cao cần thiết cho việc cất cánh và mật độ năng lượng đủ để thực hiện một hành trình dài.
Lĩnh vực này đang được các nhà nghiên cứu tích cực nghiên cứu trong dự án E-FanX – gồm các hãng Airbus, Rolls-Royce và Siemens cùng hợp tác để phát triển máy bay động cơ hybrid. Các nhà nghiên cứu đang dự định thay thế một trong bốn động cơ phản lực Honeywell trong máy bay BAe 146 bằng quạt đẩy được điều khiển bằng động cơ điện 2 MW.
Trong giai đoạn đầu của dự án, điện sẽ được cấp bởi tuabin khí gas Rolls-Royce AE2100 đặt trong thân máy bay. E-FanX trong tương lai sẽ là một bước tiến quan trọng trong sự phát triển của công nghệ điện hybrid. Airbus cho biết họ muốn áp dụng công nghệ này cho máy bay 100 chỗ vào những năm 2030.
Ngoài ra, cũng có thể trang bị cho máy bay nhiều động cơ điện nhỏ trong một hệ thống động cơ phân tán, như vậy sẽ hiệu quả hơn so với thiết kế truyền thống sử dụng hai động cơ phản lực lớn. Ý tưởng này có thể được thực hiện bằng cách kết hợp thân máy bay và cánh riêng biệt thành một “hệ thống hỗn hợp”. Thiết kế mới sẽ giảm 20% năng lượng mà máy bay cần.
Nhưng cả hai nhà sản xuất máy bay chính hiện nay là Boeing và Airbus đều không tập trung theo đuổi công nghệ “cánh hỗn hợp” này. Nguyên nhân vì công nghệ mới sẽ dẫn đến thay đổi lớn về thiết kế, kéo theo quá nhiều thách thức kỹ thuật và rất khó thương mại hóa. Mặt khác, hầu hết các sân bay hiện tại không thể chứa máy bay “cánh hỗn hợp”.
Chưa có phương án thay thế
Hiện tại, máy bay phản lực chạy bằng nhiên liệu là sự lựa chọn hoàn hảo nhất cho các chuyến bay dài. Chưa có sự lựa chọn thay thế nào hiệu quả hơn. Thế nên các nhà sản xuất máy bay đang tập trung đầu tư cải thiện công nghệ động cơ.
Hiệp hội Vận tải Hàng không Quốc tế ước tính mỗi dòng máy bay mới tiết kiệm nhiên liệu trung bình hơn 20% so với thế hệ cũ. Các hãng hàng không sẽ đầu tư 1,4 nghìn tỷ USD vào máy bay mới trong thập kỷ tới.
Ví dụ, động cơ gần đây nhất của Rolls-Royce, Trent XWB, cung cấp năng lượng cho Airbus A350 là “động cơ aero lớn hiệu quả nhất thế giới”. Airbus tuyên bố động cơ này sẽ giúp A350 giảm 25% chi phí vận hành, đốt cháy nhiên liệu và lượng khí thải CO₂ so với các máy bay thế hệ trước.
Phiên bản kế nhiệm của động cơ Rolls-Royce, UltraFan, sẽ giảm thêm 20% đến 25% mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải CO₂, dự kiến được đưa vào sử dụng từ năm 2025.
Điều đáng lưu ý là ngành hàng không hiện chỉ góp 2-3% lượng khí thải CO₂ toàn cầu. Con số này vẫn còn quá thấp khi so với khoảng 30-35% lượng khí thải của toàn ngành giao thông và 30-35% cho ngành điện.
Số lượng hành khách hàng không dự kiến tăng gấp đôi trong hai thập kỷ tới. Tất nhiên tổng lượng khí thải cũng sẽ tăng theo. Giảm 20% lượng khí thải hàng không mỗi thế hệ máy bay có lẽ không phải một cải tiến bền vững và lâu dài. Thế nên nếu máy bay động cơ hybrid sớm được nghiên cứu thành công thì sẽ trở thành phương án tối ưu giúp hạn chế tối đa lượng khí tải so với hiện nay.
Theo The Next Web