Gặp gỡ những người mở đường cho công nghệ hydro của châu Âu trong hành trình tìm kiếm không khí không phát thải

Máy bay chạy bằng hydro cơ bản thực sự không phải là điều mới. Liên Xô đã thử nghiệm chiếc Tupolev Tu-155 chạy bằng hydro (và khí tự nhiên lỏng) hơn 35 năm trước.

Tuy nhiên, những thách thức liên quan đến công nghệ này đã khiến cho nó bị đặt vào kho cho các hoạt động của máy bay thương mại (nhiên liệu rocket là một vấn đề khác) - cho đến nay. Với tương lai của hành tinh đang đứng trước nguy cơ, hầu hết mọi người trong ngành vận tải hàng không muốn nói về động cơ hydro.

Từ các startup đến các nhà sản xuất thiết bị gốc đa quốc gia (OEMs), nhiều người trong ngành khăng khăng rằng hydro có thể biến những chuyến bay không phát thải thành hiện thực.

Điều quan trọng chỉ là việc xây dựng động cơ và máy bay thực sự, đảm bảo nguồn cung cấp nhiên liệu và cơ sở hạ tầng đủ và kinh tế, mở rộng công nghệ - và, tất nhiên, thuyết phục các cơ quan quản lý rằng nó đủ an toàn cho các chuyến bay thương mại vận chuyển hành khách.

“Hầu hết các công nghệ cần thiết cho máy bay chạy bằng hydro đã nổi lên từ các ngành công nghiệp khác và chúng tôi đã làm việc trên điều này từ một thời gian dài”, ông lớn trong ngành hàng không và người ủng hộ động cơ hydro Airbus chia sẻ với TNW. “Chúng tôi không bắt đầu từ đầu. Thách thức chính sẽ là chứng nhận chúng theo các tiêu chuẩn đảm bảo an toàn hàng không.”

Nghiên cứu đã nỗ lực từ nhiều năm nay để nghiên cứu cả đốt trực tiếp và chuyển đổi hydro thành năng lượng điện qua tế bào nhiên liệu. (Cả hai đều áp dụng cho hàng không và chúng ta sẽ xem xét chúng cẩn thận hơn ở phần tiếp theo.)

Công nghệ này, nhìn chung, đã được chứng minh là hoạt động. Nhưng để làm cho việc du lịch hàng không trở nên "không tội lỗi" mất công cái gì?

Những năm gần đây đã chứng kiến sự "đột ngột" trong việc xác nhận tác động của hydro trong hàng không.

Hàng không chiếm khoảng 2.5% lượng khí CO2 thải ra toàn cầu. Tuy nhiên, tỷ lệ này đang tăng nhanh chóng. Ngành công nghiệp đang mở rộng với tốc độ đáng kể, với flot toàn cầu dự kiến sẽ tăng 80% vào năm 2041, so với mức trước đại dịch năm 2019. Hơn nữa, hàng không có ảnh hưởng đến khí hậu vượt xa CO2.

“Bền vững trong hàng không trước đây chỉ là việc mua các điểm làm giảm thiểu ngẫu nhiên ở nhiều nơi,” Val Miftakhov, người sáng lập công ty phát triển động cơ hydrogen fuel-cell ZeroAvia, cho biết với TNW. “Trong năm năm qua, chúng ta đã thấy sự xác nhận đột ngột của hydro trong hàng không.”

Miftakhov là một người có kinh nghiệm trong ngành vận tải không phát thải, sau khi thành lập eMotorWerks, phát triển các công nghệ sạc SmartGrid tích hợp cho ô tô điện vào năm 2010. Sau khi bán công ty vào năm 2017, Miftakhov, một phi công lâu dài đến từ một dòng dõi gia đình kỹ sư hàng không, hướng sự chú ý của mình vào việc giảm khí nhà kính cho một trong những lĩnh vực khó giảm nhất trên thế giới.

Không khí không phát thải từ Vương quốc Anh đến Hà Lan vào năm 2025

ZeroAvia có một trong những kế hoạch thời gian táo bạo nhất trong ngành hàng không hydro. Công ty dự định sẽ có một động cơ tế bào nhiên liệu có khả năng cung cấp năng lượng cho máy bay 19 chỗ chạy giữa Hà Lan và Vương quốc Anh sẵn sàng thương mại ngay từ năm 2025.

Trong tháng 1 năm nay, ZeroAvia đã thử nghiệm một chiếc máy bay thử nghiệm Dornier 228 19 chỗ, vào thời điểm đó là máy bay thương mại lớn nhất được trang bị động cơ tế bào nhiên liệu hydro lần đầu tiên. (Danh hiệu đó đã bị — tạm thời — lấy đi bởi Universal Hydrogen của Mỹ và chiếc ATR 72 40 chỗ được đặt tên là ‘Lightning McClean’. ZeroAvia có kế hoạch để đoạt lại nó bằng chiếc Bombardier Dash 8 Q400.)

Chiếc máy bay thử nghiệm cất cánh từ Sân bay Cotswold ở Gloucester, Vương quốc Anh, được trang bị động cơ thông thường trên cánh phải và động cơ hydrogen điện ZA600 600 kW của ZeroAvia trên cánh trái.

Công ty cũng đang phát triển động cơ cho máy bay 40 đến 80 chỗ với tầm hoạt động 1.000NM (1.852km), ZA2000, dự kiến sẽ sẵn sàng sử dụng thương mại vào năm 2027. Đến nay, công ty đã đảm bảo được 10 tỷ euro đơn đặt hàng trước từ một số hãng hàng không và người cho thuê lớn trên thế giới, kế hoạch sử dụng nó để nâng cấp đội tàu khu vực của họ.

ZeroAvia vẫn đang cân nhắc về danh sách ngắn của các địa điểm sản xuất tiềm năng. “Chúng tôi đang tìm kiếm lô hàng động cơ của chúng tôi bắt đầu từ năm 2025. Vì vậy, chúng tôi phải có khả năng sản xuất vào năm tới, điều này có nghĩa là chúng tôi phải hoàn thành địa điểm vào năm nay”, Miftakhov cho biết với TNW, thêm vào đó rằng quyết định có lẽ sẽ được đưa ra vào cuối mùa hè.

Dự đoán thời gian đưa vào hoạt động có vẻ hợp lý?

Không phải ai trong lĩnh vực này cũng chia sẻ thời gian hứng thú của ZeroAvia. Josef Kallo, người sáng lập và CEO của H2FLY, một startup có trụ sở tại Stuttgart cũng đang phát triển hệ thống động cơ tạo động điện tế bào nhiên liệu hydro, cho biết rằng 40 ghế với tầm hoạt động khoảng 2,000km có vẻ có thể xảy ra vào năm 2029.

“Tôi lo lắng một chút về việc chúng ta phải kể một con đường thực tế để thực hiện, ngay cả khi nó có chút rủi ro về tài chính,” Kallo nói với TNW, thêm vào đó rằng ông tin rằng đồng nghiệp của mình trong lĩnh vực có thể đang đánh giá thấp mức độ nỗ lực và thời gian cần để phát triển thành phần.

Không phải là H2FLY chưa đi xa. Công ty này, được thành lập từ Đại học Ulm và Trung tâm Hàng không Đức (DLR) vào năm 2015, thực hiện chuyến bay đầu tiên của chiếc máy bay chạy bằng tế bào nhiên liệu hydro 4 chỗ, HY4, vào năm 2016. Kể từ đó, nó đã đạt được một số cột mốc quan trọng, bao gồm kỷ lục độ cao thế giới cho máy bay chạy bằng hydro, điều hành ở độ cao 7,230 feet.

Hơn nữa, H2FLY đã hoàn thành việc tích hợp thành công hệ thống lưu trữ hydro lỏng mới vào tháng 4 năm nay. Các thử nghiệm nhiên liệu trên mặt đất là một phần của dự án được EU tài trợ mang tên Project Heaven (viết tắt của High powEr density FC System for Aerial Passenger VEhicle fueled by liquid HydrogeN), và chiếc máy bay đã được chuyển đến Slovenia để thực hiện một chiến dịch thử nghiệm bay mùa hè.

Công ty cũng vừa công bố chương trình H175 cho hệ thống động cơ thế hệ tiếp theo của mình, có khả năng cung cấp năng lượng cho máy bay ở dải công suất megawatt, cho 20 đến 80 ghế. H2FLY hy vọng sẽ có chứng nhận “đến cuối thập kỷ này.”

So sánh việc nâng cấp kết cấu hiện tại với việc thiết kế từ đầu

Nếu ai đó nghĩ rằng các cơ quan quản lý hàng không dân dụ sẽ cho phép các nhà điều hành đeo thậm chí một cấu hình ống và cánh thông thường lên một số bình hydro và bắt đầu hành trình vào tương lai không phát thải, họ sẽ, tất nhiên, nhầm lẫn.

Theo Airbus, máy bay chạy bằng hydro sẽ “cần đạt được hoặc vượt qua mức độ an toàn tương đương [với máy bay chạy bằng dầu hỏa] trước khi máy bay chạy bằng hydro có thể cất cánh.”

Thường mất từ năm đến chín năm để chứng nhận một máy bay mới. Các OEM đã thành lập sẽ có lợi thế hơn so với các startup khi chứng nhận thiết kế từ đầu, do có kinh nghiệm quy trình.

Đây là lý do tại sao các nhà phát triển động cơ khởi động đã quyết định chọn con đường nâng cấp cấu trúc hiện tại với hệ thống tạo động của họ. Tuy nhiên, việc chuyển đổi cấu trúc cũ sẽ không kéo dài mãi mãi.

“Thực sự tầm nhìn là có một chiếc máy bay mới được thiết kế cho động cơ [hydro] và sau đó sử dụng nó với tất cả những lợi ích để thực sự có hàng không có tầm xa, hiệu quả cao, êm ái,” Kallo nói.

Những người muốn thiết kế máy bay lớn chạy bằng hydro sẽ cần một cách tiếp cận mới cho mọi thứ từ khí động học, củng cố kết cấu, quản lý nhiệt độ, và tích hợp hệ thống.

Giải quyết vấn đề lưu trữ

Hydro có năng lượng trọng lượng cao hơn so với nhiên liệu máy bay. Tuy nhiên, nó có mật độ năng lượng thấp hơn theo thể tích. Điều này có nghĩa là việc đặt bình hydro trên máy bay đòi hỏi phải bỏ ghế hoặc dung tích hàng hóa, tức là khách hàng hoặc hàng hóa có thể chở, hoặc thay đổi thiết kế của máy bay.

Ngoài ra, việc lưu trữ hydro dưới dạng khí đòi hỏi bình hydro áp suất cao (áp suất bình từ 350–700 bar), trong khi hydro dưới dạng chất lỏng, mặc dù chiếm ít không gian hơn, nhưng yêu cầu nhiệt độ cryogenic -252.87°C.

Ví dụ, thiết kế thân cánh kết hợp (BWB) có thể mang lại lợi ích tiềm năng cho việc lưu trữ hydro trên máy bay do có thể tích nội bộ lớn hơn so với thiết kế ống và cánh truyền thống.

Một số công ty dũng cảm đã dự định xây dựng máy bay mới được thiết kế đặc biệt cho động cơ hydro. Một trong số đó là startup Thụy Sĩ Destinus, đang phát triển một chiếc máy bay jet hydro siêu âm có thể điều hành ở Mach 5 trở lên.

Một khái niệm khác là thân cánh kết hợp Kona, được thiết kế để “cách mạng hóa tình trạng hiện tại của vận chuyển hàng hóa,” từ startup hàng không vũ trụ Natilus. Công ty mới hoàn thành thử nghiệm bay của mô hình thu nhỏ một phần, sau ba năm thử nghiệm gió toàn diện.

Trong khi ZeroAvia đã quyết định theo đuổi các loại máy bay hiện tại cho mục đích chứng nhận, công ty có tất cả các công nghệ quan trọng, như tế bào nhiệt độ cao, phát triển động cơ và điện tử, tự sản xuất, và với lý do rất thực tế.

“Hiện vẫn chưa có chuỗi cung ứng cho điều này, vì nó quá mới,” Miftakhov nói.

Có thể hiện vẫn chưa có chuỗi cung ứng cho các bộ phận, nhưng các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEMs) cũng đang nỗ lực phát triển các công nghệ động cơ mới. Ví dụ, nhà sản xuất động cơ Anh Rolls-Royce cũng đang phát triển loạt sản phẩm dựa trên tế bào nhiên liệu hydro.

Hydrogen-electric vs. đốt cháy trực tiếp

Tế bào nhiên liệu hydro là một ô nhiễm hóa học chuyển đổi năng lượng hóa học của hydro thành điện. Các tế bào nhiên liệu cho phép máy bay sản xuất điện tự động mà không cần pin tích hợp yêu cầu sạc từ nguồn điện bên ngoài.

Chúng không có bất kỳ bộ phận chuyển động nào và, do đó, hoạt động trong im lặng gần như hoàn toàn. Như đã đề cập trước đó, điều này đòi hỏi phát triển thành phần mạnh mẽ.

Tuy nhiên, đây không phải là con đường công nghệ duy nhất để lái máy bay bằng hydro. Một phương tiện ngay lập tức sử dụng công nghệ turbine khí hiện tại sẽ thông qua đốt cháy hydro trực tiếp.

Đốt cháy hydro hoạt động theo cùng cách như động cơ đốt cháy nội bộ thông thường. Nó có thể hoạt động hiệu quả trong cả động cơ turboprop và turbofan và có thể tự do điều chỉnh cho các loại cấu hình và phạm vi máy bay khác nhau. Tuy nhiên, nó đến với một bộ xét nghiệm khác nhau.

Công nghệ loại bỏ hầu hết các loại khí thải và giảm một số khí thải còn lại như oxit nitrous (NOx). Tuy nhiên, nó tạo ra hơi nước, tạo ra vệt mây. Nghiên cứu cho thấy vệt mây có thể gây ra lên đến 50% của tác động làm ấm toàn diện của hàng không.

Tuy nhiên, vệt mây được tạo ra bởi đốt cháy hydro khác biệt từ những vệt mây được tạo ra từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Tháng 7 năm ngoái, Airbus thông báo một dự án mang tên Blue Condor, sẽ sử dụng hai chiếc glider — một được trang bị động cơ đốt cháy H₂ và một được trang bị động cơ dầu hỏa thông thường — để nghiên cứu quá trình hình thành vệt mây hydro.

ZEROe

Airbus đang tìm hiểu cả hai con đường công nghệ. Hơn hai năm trước, ông lớn hàng không châu Âu giới thiệu bốn khái niệm máy bay hydrogen khả thi — được biết đến chung là ZEROe — với hứa hẹn đưa một trong số chúng vào sử dụng thương mại vào năm 2035. Ba thiết kế trong dự án ZEROe sử dụng đốt cháy hydro. 

Một trong số đó là BWB. Tuy nhiên, Airbus đã nói rằng nó sẽ không phải là chiếc máy bay hydro đầu tiên, vì việc thiết kế cùng một hệ thống động cơ mới và một bộ khung máy bay mới cùng một lúc sẽ là vô cùng phức tạp. 

Máy bay khái niệm thứ tư, đại diện cho máy bay vận tải khu vực có sức chứa 100 chỗ ngồi, có sáu cánh quạt tám lá được gắn vào các thùng động cơ cell nhiên liệu có thể tháo rời. Đơn giản, mỗi thùng là một hệ thống động cơ quạt độc lập. 

Chúng bao gồm các quạt, động cơ điện, cell nhiên liệu, điện tử công suất, thùng hydro lỏng, hệ thống làm mát và một bộ thiết bị phụ trợ. Nhờ các thiết bị có thể tháo rời, các thùng có thể nhanh chóng tháo rời và lắp lại, có khả năng tạo ra giải pháp nhanh chóng cho việc nạp nhiên liệu tại sân bay. 

Để thử nghiệm các công nghệ liên quan, Airbus sẽ sử dụng một A380 làm máy bay thử nghiệm bay được trang bị thùng hydro lỏng và động cơ hydro được lắp trên thân máy bay. Bộ khung máy bay hai tầng được sử dụng cho nhiệm vụ chính là không ai khác ngoại trừ MSN 001 — chiếc A380 đầu tiên được đưa ra khỏi nhà máy. Airbus nói rằng máy bay thử nghiệm sẽ cất cánh vào chuyến bay đầu tiên của mình trong vòng năm năm tới. 

Không phải ai cũng tin vào những nỗ lực của Airbus cho đến nay. William Todts của Transport & Environment nói rằng công ty đang chi tiêu thời gian và tiền xây dựng sự hứng thú hơn là máy bay. 

Trong khi đó, có một yếu tố quan trọng khác đang thiếu — nhiên liệu thực sự để làm cho mọi đổi mới này hoạt động. Không ai sẽ mua một chiếc máy bay mà họ không thể vận hành. Không chỉ đất hứa của hàng không không phát thải cần có quyền truy cập vào một lượng lớn hydro; nó cần phải là hydro xanh. 

Hydro xanh

Hydro xanh được sản xuất bằng cách chia nước thành hydro và ôxy thông qua phương pháp điện phân sử dụng điện tái tạo. Hiện nay, nó chiếm ít hơn 1% trong sản xuất hydro toàn cầu, với 99% còn lại được tạo ra từ nguồn không tái tạo tạo ra khí thải nhà kính. Vậy để mở rộng, điều gì sẽ cần thiết?

Carol Xiao, một chuyên gia về hydro tại Viện Công nghệ Quy trình Bền vững (ISPT) ở Hà Lan, nói rằng, trái ngược với những gì cô nghĩ khi tìm hiểu về ngành công nghiệp, tiền bạc không phải là vấn đề. 

“Tiền đang ở đó”, Xiao nói với TNW. Tuy nhiên, cô thêm, các nhà đầu tư sẽ không cam kết nếu chuỗi cung ứng và chuỗi cung đang không an toàn. 

Theo Xiao, hàng không có thể có tác động đáng kể khi tạo ra một thị trường cho hydro xanh. “Nếu họ nói ‘chúng tôi sẽ sử dụng hydro’, đặc biệt là hydro xanh, họ sẽ là một thị trường mà mọi người có thể cung cấp”, cô tiếp tục. “Nó sẽ giúp chuỗi cung ứng đưa ra quyết định về thiết bị, và cũng sẽ giúp chuẩn bị cơ sở hạ tầng.”

Công nghệ mà không có trường kinh doanh?

Ngoài ra, ngành công nghiệp cũng sẽ cạnh tranh vật liệu để xây dựng nhà máy sản xuất điện phân hydro — và năng lượng tái tạo để vận hành chúng. 

“Tôi nghĩ nếu chúng ta thất bại, chúng ta sẽ thất bại ở việc cung cấp năng lượng tái tạo, chứ không phải ở công nghệ,” Josef Kallo nói. “Và điều này phải đi đôi với nhau. Nếu không, chúng ta đang làm việc trên công nghệ nhưng không có trường kinh doanh vì không có cơ sở hạ tầng và nhiên liệu.”

Guillaume Faury, giám đốc điều hành của Airbus, dường như chia sẻ những lo ngại này. Tại một sự kiện của công ty năm ngoái, Faury nói rằng sự có sẵn hoặc không có sẵn của hydro xanh sạch đúng lượng đúng nơi đúng giá trong nửa sau thập kỷ là một “lo ngại lớn.” Anh thậm chí thêm rằng thiếu hydro xanh có thể là lý do làm trì hoãn việc ra mắt máy bay của chương trình ZEROe. 

Phương trình năng lượng tái tạo

Việc sử dụng năng lượng tái tạo để sản xuất hydro có thể giúp giải quyết vấn đề xung đột — tính không dự đoán và biến động của một số nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. 

“Bạn có thể sử dụng sản xuất hydro và lưu trữ hydro như một cơ chế lưu trữ lưới; bạn có thể tạo ra nó khi năng lượng tái tạo đủ dồn trên lưới và sau đó sử dụng khi bạn cần trên máy bay,” Miftakhov nói.

“Điều đó cho phép bạn thực sự tăng sức thâm nhập tái tạo của lưới. Chúng tôi biết rằng chúng tôi có thể làm cho nó có hiệu quả kinh tế và chúng tôi có thể mở rộng nó.” 

Đạt được quy mô sẽ giảm giá hydro tái tạo, với dự đoán rằng giá sẽ giảm từ chi phí năm 2020 là 5–7 $/kg, xuống còn ~3 $/kg vào năm 2030 và ~2 $/kg vào năm 2050. Một nghiên cứu gần đây cho thấy, tính đến một khoản thuế tiềm ẩn trên nhiên liệu máy bay hóa thạch và giá carbon, có thể trở nên rẻ hơn khi vận hành một máy bay hydro so với đối thủ chạy bằng dầu hỏa bởi năm 2035. 

Làm thế nào hàng không có thể đảm bảo rằng nó sẽ được ưu tiên khi tiếp cận một nguồn cung hạn chế — hoặc toàn bộ năng lượng tái tạo mà nó sẽ cần — là một vấn đề khác. 

Hành trình giảm carbon của ngành hàng không không hề dễ dàng. Cũng không diễn ra đủ nhanh chóng. Với số đơn đặt hàng máy bay kỷ lục đang diễn ra khi chúng ta đang nói, rõ ràng là cả các hãng hàng không lẫn nhà sản xuất máy bay đều không có ý định làm chậm sự phát triển của ngành công nghiệp. 

Với tất cả những thách thức mà hàng không chạy bằng hydro vẫn phải đối mặt, có vẻ như là một cơ hội xa xỉ. Nhưng với sự nỗ lực nhất quán và tiềm năng được sử dụng rộng rãi, nó có thể có thể, chẳng hạn như, biến ước mơ về đi lại không gây khí thải thành hiện thực.