Siêu nhà máy Gigafactory của Tesla có ý nghĩa như thế nào đối với phương tiện chạy điện?
Năng Lượng Tái TạoTin Tức Năng LượngỨng Dụng Năng Lượng Mặt Trời Tháng mười một 9, 2016 Năng Lượng News
Nangluong.news – Tesla sẽ sản xuất khoảng 500.000 chiếc Model 3 mỗi năm và nguồn cung cấp pin Li-ion cho những chiếc xe này đến từGigafactory – một siêu nhà máy được Elon Musk xây dựng trên diện tích đến 400 ha tại bang Nevada.
Hiện tại chỉ mới 14% cấu trúc được hoàn thành, phần còn lại sẽ tiếp tục được xây dựng từ đây đến năm 2020 và Elon Musk thậm chí còn có kế hoạch mở rộng quy mô nhà máy trong tương lai gần. Với tầm nhìn về một tương lai toàn xe điện, việc xây dựng một nhà máy như Gigafactory là điều cực kỳ cần thiết đối với Tesla bởi nó mang lại nhiều cái lợi, đặc biệt là giảm thiểu chi phí mua pin Li-ion nhờ nguồn tự cung. Thế nhưng câu chuyện không dừng lại tại đây!
Gigafactory là lời khẳng định của Elon Musk rằng thế giới này đã sẵn sàng cho một tương lai toàn xe điện!
Gigafactory là một siêu nhà máy hiện đại theo kiểu “máy tạo ra máy”, Elon Musk mô tả. Không chỉ được trang bị nhiều công nghệ tiên tiến, dùng năng lượng mặt trời, nhà máy này còn mang lại giá trị kinh tế về quy mô sản xuất pin Li-ion, giúp giảm giá thành sản xuất từ $190 cho mỗi kWh vào thời điểm tháng 4 năm 2016 xuống còn khoảng $130 một khi nó đi vào hoạt động, dự kiến là vào năm 2017. Quy mô sản xuất lớn cùng với việc giảm thiểu rác thải và đặc biệt là cắt giảm mạnh chuỗi cung ứng sẽ giúp Tesla tiết kiệm đáng kể và sau cùng là giảm đến 30% chi phí sản xuất pin.
Gigafactory là lời khẳng định của Elon Musk về một thế giới đã sẵn sàng cho tương lai toàn phương tiện chạy điện. Tuy nhiên, ý kiến này liệu có được tán thành? Pin Li-ion liệu sẽ thay thế nhiên liệu hóa thạch? Chúng ta hãy cùng nhìn qua những con số và phân tích.
Vào năm 2015, có tổng số 72,37 triệu chiếc xe được bán ra trên toàn cầu và phương tiện chạy điện chiếm khoảng 0,8% hay 540.000 chiếc. Đây là một bước nhảy vọt đáng kể so với con số 376.000 chiếc được bán ra năm 2014 nhưng vẫn về tỉ lệ thì vẫn chưa đến 1%.
Elon Musk bên cạnh chiếc Model S cùng hệ thống trạm sạc Supercharger.
Tính đến năm ngoái, Tesla đã bán được 50.580 chiếc xe điện, chiếm 0,07% trên tổng số xe được bán ra toàn cầu và chưa đến 10% trên doanh số xe điện. Tesla đang chiến thắng trên mặt trận truyền thông, giành được sự quan tâm của cộng đồng nhưng về doanh số thì các nhà sản xuất xe hơi truyền thống như Renault – Nissan mới đang chiếm ưu thế trên mặt trận phương tiện không khí thải. Liên minh Nhật – Pháp này hiện đang nắm giữ doanh số xe EV cao nhất với chiếc Nissan LEAF và một cơ số các phương tiện chạy điện khác. Từ giữa tháng 8 năm ngoái và tháng 8 năm nay, Nissan – Renault đã bán được 100.000 chiếc xe điện.
Hiện tại Tesla chỉ làm xe chạy điện thuần, dùng pin Li-ion 100%. Vậy có những tùy chọn nào khác trên thị trường EV? Các thương hiệu như Ford, BMW, Mercedes-Benz, Audi, Toyota đều là những ông lớn trên thị trường và họ đa phần phát triển các phương tiện hybrid bên cạnh dòng xe chạy xăng hay diesel truyền thống. Để hiểu thêm về ưu/nhược điểm của mỗi loại xe, chúng ta hãy xem lại chi tiết hơn thị trường xe điện và hybrid.
Từ Prius đến Model X: xe chạy điện và hybrid lợi hại ra sao?
Tesla Model X.
Xe điện và hybrid có thể được chia thành 4 nhóm chính gồm: phương tiện chạy điện dùng pin sạc hay xe điện thuần (Battery Electric Vehicle – BEV), phương tiện hybrid sạc bằng lưới điện thông thường (Plug-in Hybrid Electric Vehicle – PHEV), phương tiện hybrid dùng năng lượng tái tạo (Hybrid Electric Vehicle – HEV) và phương tiện chạy điện dùng pin nhiên liệu (Fuel-Cell Electric Vehicle – FCEV). Mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng nhưng điểm chung là tất cả đều thân thiện với môi trường hơn so với xe dùng động cơ đốt trong truyền thống.
Phương tiện chạy điện dùng pin sạc (BEV):
Những chiếc xe BEV chỉ dùng nguồn năng lượng từ pin cho động cơ điện và điều này có nghĩa phạm vi hoạt động của nó khá giới hạn. Một ngoại lệ hiện tại là Tesla, chiếc Model S có thể đạt phạm vi hoạt động hoảng 430 km với mỗi lần sạc đầy. Đây là con số được Tesla công bố, trên thực tế thì phạm vi hoạt động tùy thuộc vào độ lớn của gói pin, cách bạn lái xe, thời tiết nóng hay lạnh và các thiết bị trên xe như hệ thống điều hòa …
Như đã nói ở trên, ngoài Tesla với danh mục sản phẩm toàn xe chạy điện thuần thì các hãng sản xuất khác thường cung cấp những mẫu xe BEV bên cạnh xe hybrid hay chạy bằng xăng, diesel thông thường. Ngoài Tesla thì những cái tên nổi bật trong làng xe điện thuần BEV còn có BMW i3, Chevrolet Spark EV, Mitsubishi i-MiEV và Nissan LEAF.
Nissan LEAF.
Vấn đề lớn nhất của BEV là thiếu hạ tầng sạc điện và thời gian sạc đầy pin lâu. Tesla hiện đang phát triển mạng lưới trạm sạc Supercharger nhằm giải quyết vấn đề này nhưng những hãng làm xe điện khác vẫn chưa thể sử dụng Supercharger. Dĩ nhiên, việc thiếu các trạm sạc và hạn chế về phạm vi hoạt động sẽ khiến nhiều người băn khoăn khi mua xe BEV. Nó có thể đáp ứng tốt nhu cầu đi lại hàng ngày trong thành phố, chẳng hạn như đi làm và về nhà nhưng khó có thể mang lại cho bạn những chuyến đi xa.
Một vấn đề lớn nữa là BEV có giá bán cao và một lần nữa vấn đề này phản ánh tham vọng của Tesla khi xây dựng Gigafactory. Rất nhiều người dùng tiềm năng đang chờ đợi phiên bản Model 3 – chiếc xe điện rẻ nhất của Tesla với mức giá khởi điểm từ $35.000 – một mức giá không quá đắt đối với một chiếc xe hơi, chưa nói là xe BEV.
Phương tiện hybrid sạc pin bằng lưới điện thông thường (PHEV):
BMW i8.
Loại xe này thì chúng thấy phổ biến hơn, nó thường được trang bị một động cơ chạy xăng hoặc diesel và một gói pin dùng cho động cơ điện. PHEV phổ biến bởi nó mang lại phạm vi hoạt động dài hơn và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn. PHEV có thể được sạc bằng ổ điện ở nhà và pin sẽ được dùng cho cự ly ngắn. Một khi hết pin, nó có thể được sạc lại hoặc tài xế sẽ chuyển sang sử dụng động cơ đốt trong để tiếp tục chạy. PHEV dĩ nhiên không thân thiện với môi trường như các loại xe chạy điện thuần BEV hay xe chạy pin nhiên liệu FCEV nhưng mức khí thải ít hơn nhiều so với xe thông thường. Những ví dụ điển hình của PHEV là BMW i8, Chevy Volt, Toyota Prius Plug-in và Mitsubishi Outlander PHEV.
Phương tiện hybrid dùng năng lượng tái tạo (HEV):
Toyota Prius.
Đây có lẽ là loại xe thường bị nhầm lẫn với PHEV, nó cũng được trang bị động cơ đốt trong và mô-tơ điện nhưng về bản chất, nó không được xem là một phương tiện chạy điện. Nó vẫn được trang bị một gói pin nhỏ nhưng pin được sạc lại từ hoạt động thắng (phanh) chuyển đổi động năng thành điện năng sạc cho pin thay vì bỏ phí dưới dạng nhiệt năng như các hệ thống thắng (phanh) thông thường.
Vai trò của mô-tơ điện trên xe cũng khác hẳn so với các loại BEV hay PHEV bởi nó không phải là một nguồn truyền động riêng mà chỉ đơn thuần là giúp chiếc xe tiết kiệm nhiên liệu hơn hoặc mang lại hiệu năng tốt hơn. Chẳng hạn như nhiều mẫu xe HEV giảm thiểu khí thải khi dừng bằng cách tắt động cơ đốt trong và khởi động lại khi cần (start-stop system). Những mẫu xe HEV phổ biến là Toyota Prius – chiếc xe hybrid đầu tiên thật sự thành công trên thị trường, Honda Civic Hybrid, Toyota Camry Hybrid và Ford Escape Hybrid.
Phương tiện chạy pin nhiên liệu (FCEV):
FCEV luôn luôn hoạt động bằng cách chuyển đổi khí hydro thành điện để cung cấp cho một động cơ điện. Quá trình chuyển đổi hydro thành điện chỉ sản sinh ra “chất thải” là nước và nhiệt. Như vậy FCEV và BEV là 2 dòng xe điện duy nhất có thể được phân loại vào lớp các phương tiện không khí thải.
Nếu như BEV bị hạn chế về phạm vi hoạt động thì FCEV lại khắc phục được điều này nhờ sử dụng động cơ khí. Việc tiếp lại nhiên liệu – ở đây là khí hydro dễ hơn và mất ít thời gian hơn nhiều so với sạc pin.
Toyota Mirai.
Vậy tại sao FCEV vẫn chưa xuất hiện nhiều trên đường? Công nghệ pin nhiên liệu vẫn còn mới mẻ và vấn đề của FCEV cũng tương tự BEV đó là chưa có hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro bởi số lượng phương tiện sản xuất ra hiện tại rất thấp và giá cao. Một trong số ít những chiếc xe FCEV hiện có trên thị trường là Hyundai Tucson FCEV nhưng chỉ được cho thuê không bán. Trong khi đó mẫu Toyota Mirai có giá khởi điểm đến $58.000. Ngoài ra còn nhiều vấn đề với khâu sản xuất và lưu trữ hydro.
Vậy điều gì ngăn cản phương tiện chạy điện? Mật độ năng lượng của nhiên liệu hóa thạch vẫn bỏ xa pin!
Thử đưa ra một ví dụ về mốc thời gian phát triển một mẫu xe điện trong ngành công nghiệp ô-tô, bạn có biết Toyota bắt đầu phát triển công nghệ FCEV từ năm 1992 và chỉ mới bắt đầu bán chiếc Mirai vào năm 2015? Mất tới 23 năm để một sản phẩm được tung ra thị trường! Nhiều mẫu xe cũng thường có tuổi đời đến 8 năm trước khi được làm mới – có thể là thay đổi về thiết kế và cũng có thể được nâng cấp về động cơ, công nghệ.
Tesla Roadster 2008.
Thử so sánh với Tesla, công ty được Elon Musk thành lập vào năm 2003 và chiếc xe đầu tiên hãng tung ra thị trường là Tesla Roadster năm 2008. Sau này Musk đã thừa nhận rằng Roadster là một mẫu xe “không an toàn, thường hỏng vặt và không thật sự hoạt động như mong muốn.” Tuy nhiên, để đưa một mẫu xe mới vào thị trường 5 năm sau đó, Tesla đã nổ lực rất nhiều. 8 năm sau kể từ khi Roadster được bán ra, Tesla hiện đã có Model S, Model X và Model 3 trong tương lai gần.
Trong khi hầu hết các nhà sản xuất xe hơi chủ yếu chăm chút vào ngoại hình của những dòng xe hiện có dựa trên những công nghệ cũ, đã được chứng minh qua thời gian thì Tesla lại đem vào thị trường những mẫu xe hoàn toàn mới với những công nghệ phức tạp, ít được kiểm chứng. Nếu không có sự khơi mào của Tesla, khiến các công ty sản xuất xe hơi truyền thống không thể ngồi yên thì nhiều khả năng, xe điện vẫn là một thứ xa xỉ, chậm xuất hiện trên thị trường.
Tuy nhiên, các kỹ sư của Tesla không thể tự giải quyết hết tất cả các vấn đề của ngành công nghiệp xe điện. Giờ hãy chuyển sang lĩnh vực lưu trữ năng lượng – một ngành công nghiệp chưa được đánh giá đúng mực. Chúng ta đã được nghe nhiều về hoạt động sản xuất năng lượng tái tạo nhưng các công nghệ lưu trữ năng lượng lại không được nhắc đến thường xuyên. Nếu bạn từng thắc mắc tại sao năng lượng tái tạo lại không thịnh hành trong khi chúng ta vẫn cải tiến công nghệ để khai thác chúng thì lý do nằm ở các hệ thống lưu trữ.
Gió và ánh sáng là 2 nguồn năng lượng vốn không ổn định bởi trời không bao giờ nắng suốt 24 giờ mỗi ngày và gió cũng không bao giờ thổi mãi. Các thiết bị lưu trữ năng lượng cần phải cân bằng khoảng thời gian giữa các mức năng lượng cao và thấp trong ngày. Những cải tiến nhỏ nhưng mang tính cách mạng nhất về pin đã được thực hiện cách đây … 267 năm – thời điểm mà Benjamin Franklin lần đầu tiên dùng khái niệm “pin (battery)” để mô tả một bộ các tụ điện kết nối với nhau (hình trên). Hiển nhiên những cải tiến sau này vẫn chưa đủ để đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng ngày một tăng trên toàn cầu.
Tương tự áp dụng cho nhà ở, công ty, nhà máy, trung tâm mua sắm và cả ô-tô. Nhiên liệu hóa thạch đem lại mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với pin và điều này có nghĩa bất chấp những hạn chế về khí thải, môi trường và những vụ lùm xùm thì ô-tô chạy bằng xăng vẫn sẽ không biến mất cho đến khi công nghệ lưu trữ năng lượng bắt kịp.
Hệ thống pin Li-ion trên Tesla Model S.
Đối với người tiêu dùng thông thường thì sự thay đổi từ động cơ đốt trong sang động cơ chạy điện hoàn toàn hay thậm chí là hybrid là một bước tiến lớn. Thậm chí với những cải tiến và nâng cấp liên tục về công nghệ pin thì pin Li-ion vẫn nặng và mất dung lượng dần qua thời gian. Điều này khiến cho những người sở hữu xe điện phải thay pin trên xe cứ mỗi từ 5 đến 10 năm. Tesla khẳng định rằng gói pin trên xe của hãng sẽ bắt đầu hao mòn sau 4 – 5 năm sử dụng và đến năm thứ 8, dung lượng pin sẽ giảm khoảng 30%. Như vậy người mua không chỉ lo ngại về phạm vi hoạt động giới hạn mà còn phải lo về tuổi thọ của pin, đặc biệt là khi giá thay pin cho những chiếc xe Tesla không hề rẻ, từ $12.000 theo Tesla. Trong khi một số người dùng trên Tesla Motors Club cho rằng giá cao hơn nhiều, từ $25.000 đến $45.000.
Cứ cho là giá xe điện sẽ giảm khi các công nghệ liên quan trở nên phổ biến và quy mô sản xuất lớn hơn thì vấn đề còn lại vẫn là phạm vi hoạt động của xe. Để mở rộng phạm vi hoạt động, nhà sản xuất phải chọn 1 trong 2 cách: bổ sung pin khiến xe nặng hơn hoặc phải đẩy nhanh phát triển công nghệ lưu trữ để mở rộng dung lượng cho pin Li-ion.
Việc bổ sung thêm pin khó có thể trở thành một giải pháp lý tưởng, vậy chúng ta có nên chờ đợi những cải tiến lớn về dung lượng pin? Hiện tại pin Li-ion có thể lưu trữ được lượng năng lượng gấp đôi so với thỏi pin Li-ion đầu tiên được Sony giới thiệu vào năm 1991. Dưới bàn tay và khối óc của những con người giỏi nhất hành tinh, sau 25 năm dung lượng pin chỉ gấp đôi thì sẽ hơi phi thực tế nếu chúng ta nghĩ đến một sự cải tiến mang tính cách mạng. Trên thực tế, cộng đồng nghiên cứu trên thế giới cho rằng dung lượng pin Li-ion sẽ có thể tăng thêm 30% với cùng trọng lượng. Điều này có nghĩa pin Li-ion sẽ không bao giờ trở thành một giải pháp cho xe điện và có thể thay thế cho động cơ đốt trong.
Chúng ta biết như vậy nhưng tại sao vẫn kỳ vọng vào Tesla với nhà máy Gigafactory? Lý do là pin Li-ion hiện đang là giải pháp hiệu quả về mặt chi phí nhưng chỉ là “hiện tại”, còn về tương lai theo phần thứ 3 của bảng kế hoạch lớn của Elon Musk thì ông hướng đến loại hình vận tải công cộng.
Do đó, Tesla xây Gigafactory một không chỉ để đáp ứng nhu cầu pin Li-ion trên những chiếc xe điện của hãng mà còn hướng đến một công nghệ lưu trữ năng lượng cho xe điện trong tương lai. Tesla luôn là một trong những công ty chịu tiếp nhận công nghệ sớm nhất mà thậm chí còn phát minh ra nhiều công nghệ mới. Thế nên chắc chắn rằng Tesla sẽ tiếp nhận mọi ưu điểm về công nghệ lưu trữ năng lượng mà họ thấy đủ khả thi để cải tiến thiết kế hiện có mà không cần biết đã đổ bao nhiêu tiền đầu tư vào công nghệ pin. Bản thân Musk cũng từng dự đoán rằng những siêu tụ điện mới chính là bước đột phá trong công nghệ năng lượng cho xe điện.
Vậy điều gì khiến Tesla vẫn chưa sử dụng siêu tụ điện? Siêu tụ điện như đã biết có nhiều ưu điểm so với pin. Chẳng hạn như chúng có thể sạc và xả trong chỉ vài giây, tuổi thọ cao hơn gấp 500 lần so với pin Li-ion và có độ tin cậy cao hơn. Nghe đã thật nhưng không gì hoàn hảo. Mật độ năng lượng thấp khiến các siêu tụ điện chưa thể được chọn để thay thế cho pin Li-ion. Chúng rất lý tưởng để sử dụng cho chức năng start-stop động cơ nhờ khả năng phóng điện nhanh và mạnh hoặc dùng cho các hệ thống phục hồi năng lượng từ động năng nhưng chưa thể được dùng để lưu trữ năng lượng.
Tương lai của phương tiện chạy điện:
Dù sớm hay muộn thì sự thống trị của pin Li-ion sẽ chấm dứt bởi những hạn chế của loại pin này đòi hỏi phải sớm có giải pháp thay thế. Nếu chúng ta quay trở lại với 4 loại xe điện như trên, chỉ một loại không phụ thuộc vào công nghệ pin đó là phương tiện chạy pin nhiên liệu FCEV.
Honda Clarity chạy hydro.
Hydro – loại nhiên liệu sử dụng trên FCEV là một nguyên tố cực kỳ dư thừa trên Trái Đất và khi hydro tinh khiết được chuyển hóa từ các nguồn năng lượng tái tạo thì toàn bộ chuỗi sản xuất năng lượng và tiêu thụ năng lượng sẽ không thải ra khí thải carbon. Một nhóm các nhà ủng hộ xe FCEV tin rằng ngay bên trong ngành công nghiệp ô-tô thì Toyota có lẽ là nhà sản xuất tỏ ra nhiệt huyết nhất với xe chạy pin nhiên liệu. Toyota và Honda đều đang rất sốt sắng phát triển các mẫu xe FCEV với Toyota Mirai và Honda Clarity đều đã xuất hiện trên thị trường, đi trước các đối thủ khác nhưng dĩ nhiên sự cạnh tranh là điều không thể tránh khỏi. Lexus và Audi đều đã công bố các phiên bản xe concept chạy hydro với Lexus LF-LC và Audi h-tron quattro tại triển lãm xe hơi Destroy hồi tháng 1.
Hydro có vẻ là một giải pháp thay thế hứa hẹn trong tương lai nhưng Elon Musk không nghĩ vậy. Khi được hỏi về FCEV tại hội nghị Automotive World News tại Detroit vào năm ngoái, Musk đã thẳng thừng nói rằng FCEV “thật ngu xuẩn.” Musk không phải là người duy nhất chỉ trích, Robert Zubin – tác giả của cuốn sách Energy Victory đã từng nói rằng hydro “chỉ là thứ nhiên liệu dành cho xe hơi tồi tệ nhất.”
Phản ứng của Musk cũng như Zubin có thể hiểu được nếu chúng ta nhìn vào 2 vấn đề lớn nhất mà xe FCEV phải đối mặt: sản xuất và phân phối một số lượng lớn hydro. Hiện tại hoạt động sản xuất hydro có chi phí rất cao, đặc biệt là quy trình sản xuất không sản sinh carbon và việc vận chuyển nó cũng đắt đỏ. Chưa kể đến điện năng cần để sản xuất hydro có thể được sử dụng trực tiếp cho các phương tiện chạy điện trên thị trường. Như vậy, FCEV dù không dùng pin nhưng vẫn chưa thể là giải pháp thay thế cho xe hơi truyền thống.
Vậy chúng ta phải hướng đến loại phương tiện gì dùng năng lượng gì? Liệu chúng ta có thể tạo ra một chiếc xe điện lý tưởng sử dụng kết hợp giữa siêu tụ điện và pin. Pin mang lại phạm vi hoạt động trong khi siêu tụ điện sẽ vận hành và tái tạo năng lượng – đây là một sự kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ lưu trữ năng lượng nhanh (siêu tụ điện) và chậm (pin). Như vậy đã đủ hoàn hảo cho một chiếc xe? Câu trả lời là chưa hẳn. Giá thành sẽ đắt, muốn tăng phạm vi hoạt động thì phải lắp pin lớn khiến xe nặng hơn, muốn chỉ nhẹ hơn một chiếc xe thông thường thì phạm vi sẽ bị giới hạn. Trong vài năm tới, pin Li-ion sẽ đạt đến giới hạn của nó và chúng ta sẽ cần đến một công nghệ lưu trữ năng lượng thay thế. Là siêu tụ điện, hydro, methanol, một sự kết hợp giữa các công nghệ hiện có hay một thứ gì đó hoàn toàn khác biệt thì chúng ta phải đợi.
Tesla Model 3.
Có thể nói rằng Tesla hiện tại là nhà sản xuất xe hơi duy nhất mạnh dạn vượt qua giới hạn và hiện thực hóa nhiều thứ trong khi các nhà sản xuất khác dường như vẫn đang quá tập trung phát triển các phương tiện hybrid và thực hiện các thử nghiệm quy mô nhỏ nhằm tìm kiếm một phép màu. Và kỳ lạ hơn là mặc dù đang đầu tư lớn vào nhà máy Gigafactory cũng như dây chuyền sản xuất pin Li-ion nhưng qua thời gian, khi có một công nghệ nào đó thay thế cho pin Li-ion thì Elon Musk sẽ sẵn sàng đón nhận. Cho đến khi điều đó xảy ra, nếu dùng xe điện thì chúng ta vẫn phải phụ thuộc vào Tesla.