Bốn trở ngại lớn với kỷ nguyên ô tô điện

Ngày càng phổ biến hình ảnh một chiếc xe điện (EV) lặng lẽ chạy qua các con phố. Doanh số bán xe điện đã tăng lên, ngay cả trong thị trường xe sang sinh thái, với việc ô tô điện trở thành một lựa chọn khả thi cho ngày càng nhiều người. Ngày nay, hầu hết các nhà sản xuất ô tô đều đầu tư vào tương lai của xe điện. Hơn nữa, các phương tiện này được các chính phủ quảng bá như một cách để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu và hạn chế ô nhiễm thành phố. Liên minh châu Âu muốn có ít nhất 30 triệu ô tô điện chạy trên đường vào năm 2030. Cùng thời điểm đó, Mỹ đang đặt mục tiêu một nửa số ô tô chở khách bán ra ở nước này là ô tô điện, trong khi Trung Quốc đặt mục tiêu 40%.

Tuy nhiên, một sự chấp nhận đại trà dành cho xe điện vẫn gặp phải những trở ngại lớn. Giá xe điện cao, thiếu cơ sở hạ tầng sạc và quyền tự chủ hạn chế của ô tô – thường được coi là trở ngại lớn nhất, nhưng còn có những thách thức khác khiến ô tô điện khó tiếp cận những con đường.

Than chì

Trong pin lithium-ion của ô tô điện, cực âm được làm bằng than chì – một trong những dạng carbon được tìm thấy trong tự nhiên. Nó là vật liệu duy nhất được sử dụng cho mục đích này. “Carbon là một vật liệu có vẻ không quan trọng lắm. Nó có rất nhiều trong lớp vỏ Trái đất”, Belén Sotillo, nhà nghiên cứu người Tây Ban Nha tại Đại học Complutense Madrid thuộc Khoa Vật lý Vật liệu, giải thích. “Vấn đề với pin là than chì được kết hợp phải được xử lý. Và hầu hết các nhà máy chế biến đều ở Trung Quốc”. Đó là lý do tại sao Liên minh Châu Âu đã đưa than chì vào danh sách các vật liệu quan trọng, cùng với lithium, coban, niken và mangan – cũng là thành phần của pin EV.

Than chì cũng là vật liệu nặng nhất trong pin lithium-ion. Theo công ty tư vấn Kearney, trọng lượng của nó dao động trong khoảng từ 100 đến 220 pound. Điều này có nghĩa là cứ 10 triệu ô tô điện được sản xuất thì cần từ 500.000 đến một triệu tấn than chì. Và hiện tại, hoạt động sản xuất than chì trên toàn cầu – cho tất cả các mục đích sử dụng – chỉ có khả năng xử lý một triệu tấn.

Ông Sotillo chỉ ra rằng việc tìm kiếm các cách để mở rộng quy mô sản xuất đang được tiến hành, nhưng để đạt được thành tích như vậy là rất khó. Một lựa chọn khác là thay thế than chì, nhưng điều đó cũng không dễ dàng. Nhà nghiên cứu giải thích: “Một khi chúng tôi đã xác minh rằng có một giải pháp thay thế và nó hoạt động tốt, chúng tôi sẽ phải xây dựng ngành công nghiệp này. Và điều đó thường khó khăn. Bạn phải chuyển toàn bộ ngành công nghiệp [EV] sang vật liệu mới.”

Lithium

Pin EV được làm bằng lithium, không giống như than chì, chúng được tìm thấy với số lượng rất nhỏ. Chuyên gia Sotillo cho biết: “Lithium là một nguyên tố không có nhiều trong vỏ Trái đất, vì vậy số lượng vật liệu có thể thu được để chế tạo ô tô điện là có hạn”.

Nhà địa chất học Hannah Ritchie, từ Đại học Oxford, Anh, đã tính toán các con số. Người ta ước tính rằng có 88 triệu tấn lithium trên Trái đất, nhưng chỉ có 22 triệu trong số đó có thể chiết xuất được. Theo ông Ritchie, với trữ lượng này, có thể sản xuất 2,8 tỷ bộ pin điện. Rất khó để biết có bao nhiêu chiếc EV trên thế giới, nhưng một số ước tính chỉ ra con số khoảng 1,4 tỷ chiếc. Có nghĩa là dư địa không còn nhiều nữa. Hơn nữa, lithium còn có những công dụng khác, nghĩa là lượng dự trữ sẽ không chỉ được sử dụng cho xe điện.

“Một vấn đề khác với lithium là nó là một nguyên tố có xu hướng phản ứng mạnh. Một khi bạn đã sử dụng hết pin, rất khó để phục hồi nó”, chuyên gia Sotillo giải thích, đồng thời cho biết nghiên cứu cũng đang được tiến hành để tìm ra các loại pin có thể thay thế. “Natri hoặc kali, trong công nghệ pin tương tự như lithium, là những nguyên tố có khả năng lưu trữ năng lượng thấp hơn, nhưng có thể phục hồi dễ dàng hơn và dồi dào hơn.”

Tái chế pin

Cũng cần lưu ý rằng pin EV chiếm toàn bộ khung xe. Và nó có tuổi thọ chỉ khoảng 10 năm. Khi đến lúc phải thay pin, cuộc “phiêu lưu” tái chế bắt đầu. Félix Antonio López, một nhà nghiên cứu tại Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Tây Ban Nha (CSIC), chỉ ra một thực tế quan trọng: trong nhà máy tái chế, việc tháo dỡ pin được thực hiện thủ công vì vẫn chưa có quy trình tự động.

Ông López nói: “Vấn đề nằm ở việc tái chế pin. Bên trong viên pin đó, có các mô-đun, được tạo thành từ các cell pin. “Những viên pin đó bị nghiền nát. Và sau đó các hoạt động phân tách được thực hiện, về cơ bản nhằm mục đích tách nhựa và đồng. Nhưng quá trình này không hoàn hảo, và cho ra cái mà chúng ta gọi là khối đen”.

Vật liệu này được đặt tên như vậy do thành phần chủ yếu là than chì màu đen, nhưng nó cũng chứa niken, coban, mangan (từ cực âm), cũng như lithium, phốt pho và flo (có trong chất điện phân của pin). Việc khôi phục những nguyên tố đó không hề dễ dàng và đó cũng là một quá trình tốn kém do thiếu tự động hóa. Hiện tại, tất cả khối đen đều được gửi đến Trung Quốc để tái chế.

Chuyên gia López cho biết việc mở rộng quy mô tái chế là rất khó. Nhà nghiên cứu tính toán rằng có thể có một công nghệ hiệu quả trong vòng 5-6 năm. Từ đó, nó sẽ phải được đẩy lên quy mô công nghiệp, điều này cũng cần có thời gian.

Cung cấp năng lượng

Việc đưa vào sử dụng hàng loạt ô tô điện cũng sẽ đặt ra yêu cầu lớn hơn đối với lưới điện. Trong kịch bản này, Antonio Gómez Expósito, giáo sư Khoa Kỹ thuật Điện tại Đại học Seville, Tây Ban Nha, cho biết điều quan trọng là phải phân biệt giữa hai yếu tố: năng lượng – được sản xuất trong các nhà máy điện, và công suất – tức là tốc độ mà điện được cung cấp.

Ông Gómez nói: “Ở Tây Ban Nha, không có vấn đề nghiêm trọng nào về sản xuất điện. Vào ban đêm, năng suất của một số nhà máy nhiệt điện và điện hạt nhân bị giảm vì không cần thiết. Nói cách khác, có cơ sở hạ tầng để sản xuất nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ của đất nước”.

Khó khăn nằm ở sức mạnh của mạng lưới điện. Ông Gómez cho biết: “Nếu tất cả mọi người đều sạc ô tô của họ vào lúc cao điểm tiêu thụ buổi chiều, thì sẽ có một vấn đề lớn, cả về mạng lưới truyền tải và phân phối”, ông Gómez nói. “Để tránh điều này, ý tưởng là khuyến khích ô tô sạc qua đêm.”

Mặc dù vậy, trong một kịch bản với hàng triệu ô tô điện, có thể sẽ xảy ra các vấn đề về mạng lưới phân phối, liên quan đến điện áp trung bình và hạ thế. Điện được sản xuất từ một nhà máy điện, sẽ được truyền đến trạm biến áp ở điện áp cao và từ đó đi đến các trung tâm chuyển đổi năng lượng ở điện áp trung bình, nơi phân phối điện qua hệ thống dây điện áp thấp đến các hộ gia đình và doanh nghiệp.

Một trung tâm chuyển đổi thường có thể phục vụ từ 100 đến 300 khách hàng. Nếu trong số 300 khách hàng đó, tất cả những người có EV sạc xe cùng một lúc — ngay cả khi họ làm như vậy vào ban đêm — thì mạng lưới phân phối điện áp thấp đến các khu chung cư đó sẽ phải được củng cố”, ông Gómez giải thích. Và đây sẽ là công việc phải được thực hiện ở cấp địa phương, ở các thành phố và vùng lân cận.

Phối hợp sạc xe điện quy mô lớn và nâng cấp một phần lưới điện là hai trở ngại khác đối với việc sử dụng đại trà ô tô điện. Tất cả những khó khăn này sẽ trở nên rõ ràng hơn theo thời gian, khi việc sử dung xe điện trở nên phổ biến hơn.