SMM

I. Định nghĩa về Xe điện Methanol-Hydrogen

Xe điện methanol-hydrogen (MHEV) là một loại xe năng lượng mới (NEV) sử dụng methanol (CH₃OH) làm chất mang hydrogen. Thông qua hệ thống cải tạo methanol trên xe, methanol được chuyển hóa thành hydrogen, sau đó được sử dụng để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu để tạo ra điện. Không giống như xe động cơ đốt trong truyền thống (ICEV), MHEV loại bỏ việc sử dụng nhiên liệu dầu mỏ. So với xe điện chạy pin (BEV), chúng giải quyết hiệu quả vấn đề lo lắng về phạm vi hoạt động và thách thức về sạc. So với xe pin nhiên liệu hydrogen (HFCV) dựa vào lưu trữ hydrogen áp suất cao, MHEV giảm bớt sự phức tạp của việc phát triển cơ sở hạ tầng. Phương pháp công nghệ này kết hợp sự dễ dàng trong việc lưu trữ và vận chuyển methanol với hiệu quả và tính sạch sẽ của pin nhiên liệu hydrogen, mở ra những khả năng mới trong lĩnh vực sử dụng năng lượng hydrogen.

II. Nguyên tắc kỹ thuật

1. Cải tạo methanol để sản xuất hydrogen
   Methanol trải qua phản ứng hóa học trong một bộ cải tạo, với công thức phản ứng điển hình là:
   CH₃OH + H₂O → 3H₂ + CO₂
   Thông qua việc sử dụng chất xúc tác chọn lọc (như chất xúc tác đồng hoặc chất xúc tác kim loại quý), methanol phản ứng hiệu quả với hơi nước ở nhiệt độ thấp (200-300°C) để tạo ra khí giàu hydrogen. Thách thức trong quá trình này nằm ở việc cân bằng hoạt động, độ bền và chi phí của chất xúc tác trong khi tránh tác dụng độc của các sản phẩm phụ (như carbon monoxide) lên pin nhiên liệu.

2. Sản xuất điện bằng pin nhiên liệu hydrogen
   Hydrogen được tạo ra đi vào pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC), nơi nó trải qua phản ứng điện hóa với oxy:
   2H₂ + O₂ → 2H₂O + Năng lượng điện
   Tại cực dương, hydrogen phân hủy thành proton (H⁺) và electron. Electron chảy qua một mạch ngoài để tạo thành dòng điện, trong khi proton thâm nhập vào màng điện phân và kết hợp với oxy tại cực âm để tạo ra nước. Hiệu quả cốt lõi của hệ thống này phụ thuộc vào việc tối ưu hóa hiệu suất của bộ ghép điện cực màng (MEA). Hiện nay, ngành công nghiệp đang đạt được những đột phá công nghệ bằng cách giảm lượng sử dụng bạch kim (lượng bạch kim trên mỗi tế bào đơn đã giảm xuống còn 0,2-0,3 g/kW) và cải thiện độ bền của vật liệu màng.

III. Chi phí sản xuất

(1) Tình hình hiện tại của chi phí sản xuất
Lấy xe tải hạng nặng methanol-hydrogen Yuancheng Xinghan H của Geely làm ví dụ, chi phí trên mỗi đơn vị cao hơn khoảng 8%-12% so với một chiếc ICEV tương đương, chủ yếu tập trung vào các lĩnh vực sau:
• Hệ thống cải tạo và pin nhiên liệu: Giá bán lẻ hiện tại của các đơn vị cải tạo methanol trong nước là khoảng 150.000-200.000 nhân dân tệ. Chi phí của các stack pin nhiên liệu hydrogen đã giảm xuống còn 3.000-4.000 nhân dân tệ/kW do các lần lặp lại công nghệ (dữ liệu năm 2023), nhưng chúng vẫn chiếm 25%-30% tổng chi phí.

• Quy mô sản xuất chưa đủ: Công suất sản xuất hàng năm của các hệ thống cải tạo methanol để sản xuất hydrogen trên toàn quốc là ít hơn 50.000 đơn vị, và quy mô sản xuất chưa đạt được, dẫn đến chi phí mua sắm các bộ phận cao.

• Phụ thuộc vào nhập khẩu vật liệu: Chất xúc tác hiệu suất cao (như chất xúc tác dựa trên ruthenium) và các bộ ghép điện cực màng cao cấp phụ thuộc vào nhập khẩu, làm tăng tổng chi phí.

(2) Triển vọng giảm chi phí
• Tăng tốc nội địa hóa chất xúc tác: Dự kiến chi phí của chất xúc tác đồng sản xuất trong nước sẽ giảm 40% vào năm 2025.

• Sản xuất theo mô-đun để giảm chi phí tích hợp hệ thống: Giá bán lẻ của một thiết bị cải tạo đơn lẻ dự kiến sẽ giảm xuống dưới 100.000 nhân dân tệ.

• Sản xuất quy mô lớn và tiến bộ công nghệ trong pin nhiên liệu hydrogen: Chi phí có thể giảm xuống còn 1.500 nhân dân tệ/kW vào năm 2025.

IV. Chi phí sử dụng

(1) So sánh chi phí nhiên liệu
Giá thị trường trung bình của methanol là khoảng 3.000 nhân dân tệ/tấn (2024), trong khi dầu diesel là khoảng 7.500 nhân dân tệ/tấn. Chi phí năng lượng tương đương của methanol là 40%-50% so với dầu diesel.
• Kịch bản xe tải hạng nặng: Mức tiêu thụ methanol trên 100 km là khoảng 15-20 kg, trong khi mức tiêu thụ dầu diesel là khoảng 35 lít, dẫn đến sự khác biệt hơn 1 nhân dân tệ trên mỗi km về chi phí nhiên liệu.

• Kinh tế xe thương mại: Giả sử quãng đường di chuyển hàng ngày là 300 km, sự khác biệt về chi phí nhiên liệu hàng năm có thể đạt 80.000-100.000 nhân dân tệ.

(2) Lợi thế về chi phí bảo trì
Hệ thống cải tạo methanol có cấu trúc tương đối đơn giản, không có bình chứa hydrogen áp suất cao và hệ thống quản lý nhiệt phức tạp, kéo dài chu kỳ bảo trì lên 30%. Tuy nhiên, stack pin nhiên liệu cần được thay thế định kỳ, với chi phí ước tính là 50.000-80.000 nhân dân tệ trong vòng 5 năm vòng đời.

V. Phân tích thách thức kỹ thuật

1. Thách thức khởi động ở nhiệt độ thấp
   Các hệ thống cải tạo methanol hiện có trải qua sự sụt giảm hiệu quả đáng kể khi nhiệt độ môi trường giảm xuống dưới -20°C, đòi hỏi phải lắp đặt thêm các mô-đun sưởi PTC, làm tăng mức tiêu thụ năng lượng khoảng 15%. Geely đã rút ngắn thời gian khởi động ở nhiệt độ thấp xuống còn 10 phút bằng cách tối ưu hóa cách nhiệt đường ống cải tạo và các chiến lược kiểm soát nhiệt độ thông minh, nhưng nút thắt cổ chai của hoạt động đáng tin cậy ở -30°C vẫn cần được khắc phục.

2. Vấn đề độ bền của hệ thống
   Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, các chất xúc tác cải tạo dễ bị nung chảy và tạo than, dẫn đến sự suy giảm hoạt động. Dữ liệu thử nghiệm cho thấy sau 8.000 giờ hoạt động liên tục, hoạt động của chất xúc tác giảm khoảng 18%, đòi hỏi phải kéo dài tuổi thọ của chất xúc tác thông qua công nghệ phủ và kiểm soát chính xác điều kiện phản ứng.

3. Đảm bảo độ tinh khiết của hydrogen
   Hydrogen được sản xuất từ phân hủy methanol chứa 30%-40% nước, đòi hỏi một mô-đun sấy khô hiệu quả để đảm bảo độ tinh khiết của hydrogen đi vào pin nhiên liệu vượt quá 99,95%. Nếu không, nó có thể gây ra đóng băng điện cực màng hoặc suy giảm hiệu suất. Các công nghệ loại bỏ nước hiện tại dẫn đến tổn thất năng lượng khoảng 8% trong hệ thống, cho thấy có nhiều dư địa để tối ưu hóa công nghệ.

VI. Thực tiễn hoạt động của Geely Yuancheng

(1) Tiến bộ trong thương mại hóa
Xe điện methanol-hydrogen của Geely Yuancheng đã hình thành một ma trận sản phẩm "xe tải hạng nặng + xe tải hạng nhẹ + xe buýt", với gần 1.000 đơn vị được triển khai trên thị trường. Trong đó, xe tải hạng nặng Yuancheng Xinghan H đã đạt được hoạt động quy mô lớn tại khu vực khai thác mỏ Ordos và hành lang logistics Hà Bắc, tích lũy hơn 20 triệu km quãng đường vận hành và xác minh độ tin cậy kỹ thuật.

(2) Xây dựng mạng lưới cung cấp năng lượng
Thông qua hợp tác với Tập đoàn Đầu tư Năng lượng Trung Quốc và Tập đoàn Baosteel, 27 trạm tiếp nhiên liệu methanol đã được thành lập tại các khu vực giàu methanol như Nội Mông và Sơn Tây. Một giải pháp thay thế mô-đun methanol nhanh cũng đã được phát triển, giảm thời gian tiếp nhiên liệu đơn lẻ xuống dưới 10 phút và giải quyết điểm đau về hiệu quả tiếp nhiên liệu.

(3) Điểm nổi bật của dữ liệu hoạt động
Dữ liệu thử nghiệm thực tế cho thấy hiệu suất chuyển hóa methanol của xe tải hạng nặng của Geely Yuancheng đạt 78%, với trọng lượng không tải nhẹ hơn 300 kg so với phiên bản dầu diesel. Quãng đường vận hành hàng năm đạt 150.000 km, và lượng phát thải carbon trên mỗi đơn vị doanh thu giảm 65%, vượt qua chứng nhận "Giới hạn tiêu thụ nhiên liệu cho xe thương mại hạng nặng".

VII. Triển vọng cho các kịch bản ứng dụng

1. Hành lang vận tải logistics
   Thích hợp cho các tuyến đường logistics với khối lượng vận chuyển hàng năm vượt quá 100.000 tấn, một động mạch vận tải xanh khu vực có thể được xây dựng thông qua một mạng lưới các trạm tiếp nhiên liệu methanol và một hệ thống điều phối thông minh. Ví dụ, tuyến đường vận chuyển container từ Sơn Đông đến Đồng bằng sông Dương Tử có thể giảm chi phí nhiên liệu hàng năm 90.000 nhân dân tệ cho mỗi chuyến đi.

2. Kịch bản xây dựng khai thác mỏ
   Ở các khu vực khai thác mỏ như Sơn Tây và Nội Mông, xe tải hạng nặng methanol-hydrogen có thể đạt được "chuyển đổi dầu sang điện". Sau các hoạt động ban ngày, chúng có thể sử dụng giá điện thấp để điện phân nước để sản xuất và lưu trữ hydrogen, hoạt động trong một vòng kín vào ban đêm. Ước tính lượng giảm phát thải carbon hàng năm là 1.500 tấn.

3. Vận tải hành khách liên tỉnh
   Xe buýt liên tỉnh 35 chỗ ngồi được thiết kế theo mô-đun có thể đáp ứng nhu cầu hành trình dài của các vùng ngoại ô trong khi linh hoạt chuyển đổi giữa các chế độ năng lượng hydrogen/methanol thông qua các trạm tiếp nhiên liệu methanol, giải quyết thách thức của việc xây dựng tuyến kép cho năng lượng điện/hydrogen thuần túy.

4. Cung cấp điện khẩn cấp
   Hệ thống cải tạo methanol + pin nhiên liệu trên xe có thể được triển khai nhanh chóng để cung cấp hỗ trợ phát điện di động cấp 50-200 kW cho các hoạt động cứu trợ thiên tai và thực địa. Nó đã đạt được xác minh ứng dụng cấp điện khẩn cấp 1 MW tại khu vực khai thác mỏ Lvliang của Sơn Tây.

Kết luận
Xe điện methanol-hydrogen đang thúc đẩy phát triển với cách tiếp cận "động cơ kép" của "chất mang hydrogen linh hoạt + thương mại hóa chi phí thấp". Thực tiễn của Geely Yuancheng chứng minh rằng thông qua đổi mới công nghệ và khám phá kịch bản sâu sắc, tuyến đường công nghệ này có tiềm năng vượt qua nút thắt cổ chai của việc thúc đẩy năng lượng hydrogen và đạt được sự đóng cửa thương mại trong các lĩnh vực như vận tải logistics hạng nặng và vận tải khai thác mỏ. Với nội địa hóa chất xúc tác, đổi mới vật liệu lưu trữ hydrogen và tăng cường hỗ trợ chính sách, xe điện methanol-hydrogen dự kiến sẽ trở thành một trong những phương tiện chủ chốt để Trung Quốc đạt được mục tiêu trung hòa carbon, định hình lại hệ sinh thái ngành công nghiệp năng lượng hydrogen.