Nhật Bản và hành trình đơn độc phát triển xe năng lượng hydro

Xe chạy bằng năng lượng hydro không chỉ là canh bạc của Toyota mà còn là canh bạc của cả Nhật Bản.

Trong tiếng Nhật, “Mirai” có nghĩa là tương lai.

Và Mirai cũng là tên của mẫu xe sản xuất hàng loạt sử dụng năng lượng hydro được Toyota tung ra thị trường vào cuối năm 2014. Đây được coi là sản phẩm chính để kế nhiệm Prius, mẫu xe lai (hybrid) thành công nhất của Toyota. Vì xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro chỉ xả nước trong quá trình lái xe nên chúng cũng được coi là "giải pháp cuối cùng" cho xe năng lượng mới.

Tuy nhiên, ở bên kia địa cầu, Elon Musk của Tesla rõ ràng không đồng ý với điều này. Sau khi Mirai được công bố, ông đã châm biếm công nghệ hydro và nói rằng: "Nhiên liệu hydro phù hợp với tên lửa, nhưng không phù hợp với ô tô."

Nhưng vào năm 2014, Mirai thực sự là một kiệt tác công nghệ, khi nó không chỉ vượt Model S vào thời điểm đó về phạm vi hành trình (500 km so với 470km) mà mức giá 58.000 USD cũng thấp hơn nhiều so với 91.000 USD. Nó cũng sạc nhanh hơn rất nhiều so với các đối thủ khác trên thị trường. Tesla thậm chí đã bị nghi ngờ vào thời điểm đó, bởi các phương tiện chạy bằng năng lượng hydro cho thấy chúng dường như là một giải pháp rất cạnh tranh.

Ngày 21/10/2015, Mirai được bán ra tại California, Mỹ. Nhưng thực tế sau đó đã chứng minh hướng đi của Mirai và toàn bộ phương tiện chạy bằng năng lượng hydro vẫn còn xa mới đáp ứng được kỳ vọng của Toyota.

Năm 2018, Công ty TNHH Tesla (Thượng Hải) được thành lập và Model 3 sản xuất tại Trung Quốc đã xuất xưởng vào một năm sau đó. Trong suốt năm 2019, Tesla đã giao 34.000 chiếc Model 3 tại Trung Quốc và 1,4 triệu xe thuần điện đã được bán ra trên toàn cầu.

Trong khi đó, tính đến năm 2019, chỉ có hơn 19.000 xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro và 340 trạm tiếp nhiên liệu hydro được phân phối trên toàn thế giới. Và cho đến tận ngày nay, doanh số bán tất cả các phương tiện chở khách sử dụng năng lượng hydro trên thế giới vẫn dưới con số 50.000.

Cái bẫy của công nghệ

Xe chạy bằng năng lượng hydro không chỉ là canh bạc của Toyota mà còn là canh bạc của Nhật Bản.

Việc thăm dò một cách có hệ thống các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu hydro của Nhật Bản bắt đầu vào khoảng năm 2008 và các kế hoạch dài hạn thậm chí đã được thiết lập thông qua "Chiến lược phục hồi Nhật Bản" vào năm 2013.

Một loạt các chính sách tiếp theo cho thấy Nhật Bản coi phương tiện sử dụng năng lượng hydro là phương tiện thay thế duy nhất cho phương tiện sử dụng nhiên liệu, cũng như cố gắng đạt được sự phổ biến hoàn toàn của phương tiện sử dụng năng lượng hydro vào năm 2050.

Vào thời điểm đó, hydro là con đường kỹ thuật phù hợp nhất cho Nhật Bản. Bởi các nguồn tài nguyên trong nước của Nhật Bản cực kỳ khan hiếm, bao gồm lithium, niken và coban, những nguyên liệu chính để sản xuất pin lithium. Các phương tiện sử dụng năng lượng hydro mặc dù cũng cần kim loại hiếm nhưng chủ yếu tiêu thụ nhiều điện năng, và sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân của Nhật Bản vào thời điểm đó có thể giải quyết vấn đề này. Trong tầm nhìn của chính phủ Nhật Bản, hydro sẽ giúp Nhật Bản đạt được sự độc lập về năng lượng.

Xe năng lượng hydro lúc này chính là đòn bẩy để đạt tới mục tiêu và Toyota là người tiên phong. Mirai là một vụ cá cược đắt giá rằng nó sẽ là tương lai của ngành công nghiệp ô tô, nhưng hóa ra đây lại là một cái bẫy công nghệ sau đó đã quay lại “cắn trả” ngành công nghiệp ô tô của Nhật Bản.

Cuối năm 2014, Mirai chính thức được bán ra thị trường và số lượng đơn đặt hàng đạt khoảng 1.500 chỉ sau một tháng. Chính sách trợ cấp của chính phủ Nhật Bản rất triệt để, lên tới gần 15.000 USD mỗi xe. Tuy nhiên, thị trường lớn nhất của Mirai thực sự là ở Mỹ. Sau khi gia nhập thị trường này vào năm 2015, Mirai đã có giai đoạn "làm ăn phát đạt". Sau đó vào năm 2019, chiếc xe năng lượng hydro mang nhãn hiệu Nexo của Hyundai (Hàn Quốc) cũng được ra mắt tại Mỹ, với doanh số hàng năm là hàng trăm chiếc.

Nhưng so với Tesla Model S, dù đắt hơn nhiều nhưng đã bán được hơn 25.000 chiếc trong năm 2015, kết quả của Mirai có phần ít ỏi.

So với xe điện thuần túy, Mirai sử dụng hydro với mật độ năng lượng cao hơn và việc nạp nhiên liệu hydro rất nhanh. Đáng tiếc là xe chạy bằng năng lượng hydro vẫn còn nhiều vấn đề kỹ thuật.

Đầu tiên chính là hiệu suất chuyển đổi của hydro. Từ quá trình điện phân nước sang sản xuất hydro, nén, lưu trữ và vận chuyển hydro, sau đó chuyển đổi thành năng lượng điện để chạy các phương tiện, tổn thất trong quá trình này cao tới 72%. Trong khi đó mức hao hụt của pin lithium chỉ là 20%. Theo BMW, hiệu suất sử dụng năng lượng của xe sử dụng năng lượng hydro chỉ bằng một nửa so với xe điện thuần túy.

Thứ hai là trong thực tế vận hành, dù việc nạp đầy hydro chỉ mất 3-5 phút nhưng việc xây dựng các trạm tiếp nhiên liệu hydro ở khắp nơi như cắm cọc sạc hay xây trạm xăng chỉ là tưởng tượng, vì chi phí quá đắt đỏ.

Nhật Bản có kế hoạch xây dựng 1.000 trạm tiếp nhiên liệu hydro vào năm 2030. Đến cuối năm 2021, 160 trạm tiếp nhiên liệu hydro đã được xây dựng, tập trung ở các thành phố lớn như Tokyo, Osaka và Nagoya. Chi phí xây dựng một trạm tiếp nhiên liệu hydro ở Nhật Bản là khoảng 3 trieuj USD. Trước năm 2020, chính phủ Nhật Bản sẽ hỗ trợ một nửa chi phí xây dựng, nhưng chi phí còn lại vẫn còn quá cao.

Bởi trước đây, hydro chủ yếu được sử dụng làm khí công nghiệp và các tiêu chuẩn quy định của nó gần như được thiết kế riêng cho các nhà máy hóa chất quy mô lớn. Ví dụ, phải có đủ không gian mở xung quanh trạm tiếp nhiên liệu hydro, điều này sẽ làm tăng thêm chi phí đất đai. Do tính chất vật lý của hydro, các trạm tiếp nhiên liệu hydro phải sử dụng một loại thép riêng đặc biệt. Người giám sát địa điểm cũng phải có kinh nghiệm xử lý hydro hoặc các loại khí áp suất cao khác và chịu trách nhiệm lưu giữ hồ sơ mua nhiên liệu, tất cả những điều này khác xa so với các trạm xăng.

Theo ước tính, tại Nhật Bản, mỗi trạm tiếp nhiên liệu hydro cần phục vụ 900 xe mỗi năm mới có lãi. Theo kế hoạch ban đầu của chính phủ Nhật Bản, số lượng phương tiện sử dụng năng lượng hydro ở Nhật Bản sẽ đạt 40.000 vào năm 2020, nhưng thực tế chỉ có hơn 4.000 và các trạm tiếp nhiên liệu hydro có rất ít hy vọng kiếm được lợi nhuận.

Tại Mỹ, các phương tiện chạy bằng hydro cũng gặp phải vấn đề tương tự, dù việc thăm dò chuẩn bị cho năng lượng hydro ở Mỹ đã có từ rất sớm. Năm 2004, Schwarzenegger, thống đốc bang California khi đó đã thúc đẩy việc xây dựng các trạm tiếp nhiên liệu hydro trong nhiệm kỳ của mình, nhưng tiến trình mọi thứ bắt đầu giảm xuống dưới thời chính quyền Obama. Vào năm 2015, Mirai đã gia nhập thị trường Mỹ và việc xây dựng các trạm tiếp nhiên liệu hydro lại bắt đầu. Nhưng cho đến nay, vẫn chưa có hơn 100 trạm tiếp nhiên liệu hydro ở Mỹ và hầu hết tất cả chúng đều ở bang California.

Jerry Brown, người nhậm chức thống đốc California vào năm 2013, đã đặt mục tiêu vượt 100 trạm vào năm 2020, điều mà cho đến nay vẫn chưa đạt được.

Theo một báo cáo chính thức của BMW, đây là vấn đề "con gà và quả trứng" đối với nhiên liệu hydro. Bởi nếu mật độ mạng lưới các trạm tiếp nhiên liệu hydro không đủ, nó sẽ không thể thúc đẩy sản xuất và bán các phương tiện sử dụng năng lượng hydro trên quy mô lớn. Nhưng nếu không sản xuất và bán hàng, các nhà khai thác trạm tiếp nhiên liệu hydro không có động lực để mở rộng.

Xe thuần điện dường như cũng gặp phải vấn đề mật độ cọc sạc, nhưng ngay cả ở Mỹ, nơi tỷ lệ thâm nhập của xe điện rất thấp khi đó, tốc độ xây dựng các trạm sạc cũng vượt xa tốc độ xây dựng các trạm tiếp nhiên liệu hydro.

Cuộc phiêu lưu đơn độc

Cho dù bản thân phương tiện sử dụng năng lượng hydro có thân thiện với môi trường đến đâu thì chuỗi cung ứng năng lượng hydro bao gồm lưu trữ và vận chuyển vẫn rất mong manh.

Năm 2005, chính quyền tổng thống Bush, vốn có mối quan hệ chặt chẽ với ngành dầu mỏ, đã đưa ra một kế hoạch cơ sở hạ tầng cung cấp năng lượng hydro đầy tham vọng. Nó bao gồm một mạng lưới các nhà máy sản xuất hydro, trung tâm vận chuyển và trạm tiếp nhiên liệu hydro trên khắp nước này. Nhưng ngày nay, việc hoàn thành kế hoạch này thậm chí còn chưa tới 10%.

Do tính chất vật lý, hydro phải được lưu trữ ở áp suất cao, nhưng ngay cả khi đó, số lượng mỗi lần cung cấp là rất hạn chế. Với nhiệt độ hóa lỏng của hydro là -252,87 độ C, rõ ràng không thể vận chuyển hydro hóa lỏng trên quy mô lớn. So với việc có thể thu tiền điện tại chỗ của các cọc sạc, việc lưu trữ và vận chuyển vẫn là những vấn đề lớn nhất trong quá trình công nghiệp hóa các phương tiện sử dụng năng lượng hydro từ trước cho đến nay.

Nhiều yếu tố khác nhau đã dẫn đến thực tế là mặc dù các phương tiện chạy bằng năng lượng hydro và trạm tiếp nhiên liệu hydro có thể dựa vào trợ cấp tài chính để giảm chi phí, nhưng chuỗi cung ứng mong manh vẫn khiến chi phí chung ở mức cao.

Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) được sử dụng trong các phương tiện chạy bằng năng lượng hydro phụ thuộc rất nhiều vào bạch kim - một kim loại quý hiếm - và một lần nữa điều này làm tăng thêm các chi phí. Cho đến tận ngày nay, nhiều công ty đang tìm cách khám phá các lựa chọn thay thế về vật liệu và quy trình, nhưng rất ít tiến triển được ghi nhận.

Năm 2009, Steven Chu, người đoạt giải Nobel, đảm nhiệm việc phụ trách Bộ Năng lượng Mỹ. Khi đó ông vô cùng bi quan về các phương tiện chạy bằng năng lượng hydro, nên đã giảm mạnh sự hỗ trợ cho lĩnh vực công nghiệp hóa năng lượng hydro và tập trung nguồn lực vào việc cạnh tranh về quang điện với Trung Quốc.

Sau khi Mirai gia nhập thị trường Mỹ năm 2015, một lần nữa nó làm sống lại hy vọng về phương tiện chạy bằng năng lượng hydro, nhưng bài toán chi phí khi đó vẫn chưa được giải quyết. Mỹ đã là thị trường lớn nhất của Mirai, nhưng với doanh số bán chưa đến 10.000 xe cho đến nay. Năm 2019, một vụ nổ nhiên liệu hydro đã xảy ra tại một nhà máy hóa chất có tên Air Product ở bang California, khiến nguồn cung cấp hydro ở đây tạm thời bị thiếu hụt. Trong cùng năm đó, những vụ tai nạn tương tự xảy ra ở Na Uy và Hàn Quốc, càng khiến doanh số bán hàng của Mirai giảm mạnh.

Đồng thời, lúc này xe thuần điện đang thâm nhập nhanh chóng vào thị trường. Vào tháng 6 năm 2014, Tesla đã chính thức thông báo rằng họ sẽ phát hành mở một số lượng lớn bằng sáng chế, cho phép các công ty khác tiếp cận công nghệ phát triển xe điện nhanh hơn.

Nhưng trên thực tế, việc công khái bằng sáng chế này chỉ ngăn các công ty khác không bị kiện bản quyền chứ bản thân nó không tiết lộ bí quyết của một công nghệ nào đó. Năm 2015, Toyota cũng công khai 5.680 bằng sáng chế liên quan đến xe chạy pin nhiên liệu, nhưng động thái này không gây nhiều xáo trộn.

Bởi bấn đề với Mirai là chuỗi cung ứng của nó quá khép kín.

Các nhà cung cấp linh kiện hệ thống pin nhiên liệu của Mirai gần như hoàn toàn đến từ Nhật Bản, thậm chí nhiều công ty còn là công ty con của Toyota. Ngành ô tô thường có quy trình chứng nhận khách hàng phức tạp và về cơ bản phải mất từ 2 đến 3 năm để trở thành nhà cung cấp được chứng nhận. Chính vì quy trình rườm rà mà các công ty ô tô sau khi đã chọn xong sẽ không dễ dàng thay đổi nhà cung cấp, và chi phí gia nhập của các công ty mới rất cao.

So với sự cởi mở của Tesla đối với chuỗi cung ứng, Toyota giống như chỉ đơn giản là kêu gọi mọi người cùng nhau xây dựng đường cao tốc, trong khi bản thân đã xây dựng trước tới 10 trạm thu phí.

Trong hoàn cảnh như vậy, ngoài một số hãng xe hơi như Honda, Nissan, Huyndai, hầu như không ai sẵn sàng đánh cược với Toyota. Các công ty ôtô Mỹ đã đình chỉ hoạt động nghiên cứu và phát triển quy mô lớn khi Steven Chu nắm quyền lãnh đạo Bộ Năng lượng, còn các công ty châu Âu đã thử nghiên cứu hợp tác quy mô nhỏ nhưng không có nhiều sản phẩm đưa ra thị trường. Thiếu các sản phẩm cuối cùng khiến việc đầu tư vào chuỗi cung ứng năng lượng hydro chỉ dừng lại ở các dự án trên giấy tờ.

Còn với Tesla, như chính bản thân hãng đã mô tả trong phần công bố bằng sáng chế, thì đối thủ thực sự của họ không phải là những chiếc xe điện khác, mà là xe chạy bằng nhiên liệu từ các nhà máy trên khắp thế giới. Tesla không thể dựa vào tốc độ sản xuất của chính mình để giải quyết vấn đề phát thải carbon một mình. Cách tiếp cận này rõ ràng khác với Toyota.

Vào tháng 6 năm 2021, người đồng đội thân cận của Toyota là Honda đã thông báo ngừng sản xuất xe chạy năng lượng hydro Clarity. Chiếc xe này được ra mắt vào năm 2016 và doanh số bán hàng toàn cầu tích lũy chưa đến 2.000 chiếc. Với việc ngừng phát triển Clarity, Honda sẽ chuyển sang xe thuần điện một cách toàn diện.

Trong tuyên bố, Honda cho biết: “Chúng tôi đã nghiên cứu mọi khả năng tồn tại và chúng tôi tin rằng năng lượng hydro có một số thách thức kỹ thuật khó khăn và phương tiện sử dụng năng lượng hydro sẽ không trở thành xu hướng chủ đạo trong khoảng 10 năm tới”.

Một công ty khác đạt tiêu chuẩn về xe chạy bằng năng lượng hydro là Hyundai của Hàn Quốc. Mẫu xe Nexo của Hyundai đã giành được thành công về doanh số bán hàng xe chạy năng lượng hydro trong ba năm liên tiếp, nhưng tổng cộng số xe bán ra vẫn dưới 15.000 xe.

Vấn đề mà các phương tiện chạy bằng năng lượng hydro ở Hàn Quốc gặp phải cũng không mới. Mặc dù chi phí xây dựng các trạm tiếp nhiên liệu hydro rẻ hơn ở Nhật Bản, nhưng chúng vẫn còn quá cao. Hàn Quốc đã đặt mục tiêu có 114 trạm tiếp nhiên liệu hydro vào năm 2020, nhưng cho đến nay vẫn chưa đến 100 trạm.

Năm 2021, Toyota ra mắt mẫu Mirai mới và một lần nữa nhấn mạnh tham vọng của mình trong lĩnh vực xe chạy bằng năng lượng hydro. Nhưng trên thực tế, Toyota đã âm thầm chuyển hướng sang dòng xe thuần điện.

Vào tháng 4 năm 2019, Toyota thông báo rằng họ sẽ tiết lộ hơn 20.000 bằng sáng chế, bao gồm cả xe hybrid và xe chạy bằng pin nhiên liệu, nhưng không có xe thuần điện. Toyota Prius cho đến nay vẫn là mẫu xe hybrid bán chạy nhất, nhưng vì xe hybrid có hai bộ hệ thống điện, cấu trúc phức tạp, giá thành cao và sự kiểm soát chặt chẽ của Toyota đối với bằng sáng chế nên hầu hết các công ty ô tô chỉ coi đây là công nghệ chuyển tiếp.

Nhiên liệu hydro mới chỉ ở giai đoạn đầu

Trên thực tế, nhiên liệu hydro chưa chết và nó vẫn đang đạt được tiến bộ trong lĩnh vực vận chuyển đường dài và hạng nặng, nhưng lĩnh vực này không liên quan nhiều đến Toyota.

Đối với xe tải, năng lượng hydro có nhiều lợi thế hơn so với xe điện. Chẳng hạn như tuổi thọ pin dài hơn, khả năng chịu tải cao hơn và độ nhạy cảm với chi phí thấp hơn. Xe tải cũng có thể được thuê trong một thời gian dài mà không cần mua. Đó là lý do hãng Daimler AG đã chuyển trọng tâm sang phát triển xe hạng nặng khi chấm dứt phát triển xe du lịch chạy bằng hydro với Honda.

Trong khi đó ở Trung Quốc, sau khi loại bỏ dần các khoản trợ cấp xe điện, dòng vốn đang chuyển sang năng lượng hydro. Tại Mỹ, định hướng chiến lược về năng lượng cũng đưa ra mục tiêu rõ ràng là đến năm 2030, giá năng lượng tái tạo, năng lượng hạt nhân và chuyển đổi nhiệt năng để sản xuất hydro sạch sẽ giảm 80% xuống còn 1 USD/kg từ 5 USD/kg ở hiện tại. Điều này sẽ giúp tăng sản lượng sản xuất năng lượng hydro sạch lên gấp 5 lần.

Cả Trung Quốc và Mỹ đều có quy mô thị trường chung đủ lớn, đồng thời có đủ năng lực tài chính và vốn tư nhân để hỗ trợ các đơn vị đổi mới và giúp chuỗi cung ứng trưởng thành.

Tuy nhiên, đối với những nền kinh tế như Nhật Bản, các chính sách công nghiệp thường gặp khó khăn trong việc lựa chọn cái này hay cái khác, và mỗi lần đặt cược đều có rủi ro chứ chưa nói đến việc nhiều lần đặt cược vào nhiều hướng khác nhau.

Năng lượng hydro vẫn là một con đường công nghệ đầy lý tưởng. Vấn đề của nó không phải là đã thất bại, mà là nó mới chỉ ở giai đoạn thành công bước đầu. Liệu Nhật Bản có đủ kiên trì để theo đuổi và thành công, hãy để thời gian trả lời.

Tổng hợp