Amoniac là ‘chìa khoá’ để cắt giảm CO2 ở động cơ đốt trong?

Năm 2023, GAC và Toyota đưa ra thông báo rằng họ đã vận hành thành công một động cơ xe hơi sử dụng amoniac và không phát thải carbon. Thoạt nghe thì điều này có vẻ rất khó hiểu bởi một chất dùng để chế tạo phân bón thì có liên quan gì đến việc cắt giảm CO2 trong động cơ xe hơi?

Và chúng có thực sự giúp cắt giảm CO2 hay không? Để đi tìm câu lời giải cho những câu hỏi trên, Otoman sẽ đưa các bạn ngược dòng lịch sử trở về thời điểm các kỹ sư xe hơi trên thế giới bắt đầu tiếp cận phương pháp sử dụng amoniac trên xe hơi.

Qua đó, chúng ta có thể thấy được một bước tiến vượt bậc mà GAC và Toyota đã tạo ra khi họ đưa ra thông báo trên.

Các nghiên cứu về việc sử dụng amoniac như một chất thay thế nhiên liệu hóa thạch đã được tiến hành từ những năm 40 của thế kỷ trước. Tại thời điểm đó các kỹ sư xe hơi đã dùng chúng để cung cấp năng lượng cho xe buýt ở Bỉ trong chiến tranh thế giới thứ II.

Đến những 60, quân đội Hoa Kỳ đã xem xét việc sử dụng chất này vào những khí tài của họ. Vậy tại sao nó có thể thay thế cho xăng dầu truyền thống?

Mọi người đều biết rằng công thức hóa học của amoniac là NH3. Mỗi phân tử amoniac được cấu tạo bởi một nguyên tử nitơ và ba nguyên tử hydro. Và chính 3 vì có nguyên tử hydro này nên amoniac được coi là chất có mật độ hydro “dày đặc”.

Cũng vì lý do trên mà các nhà khoa học cho rằng khi đốt cháy amoniac, động cơ sẽ chạy bằng hydro và nó sẽ không khác gì những chiếc xe sử dụng nhiên liệu hydro hiện nay. Điều này biến chúng trở thành nguồn nguyên liệu gần như không phát thải CO2.

Tuy nhiên, khó khăn bắt đầu xuất hiện khi họ nhận ra rằng các bình chứa amoniac sẽ chứa được ít hơn xăng hoặc dầu diesel. Bên cạnh đó, việc đốt cháy amoniac cũng khó khăn và quá trình cháy của chúng diễn ra chậm hơn nhiên liệu hóa thạch.

Để giải quyết hai vấn đề này, các nhà khoa học đã đề xuất các giải pháp tách amoniac thành hydro và nitơ, sau đó đốt cháy khí hydro hoặc sử dụng một số nhiên liệu hóa thạch để khởi động động cơ.

Tuy nhiên, xét về tính thực tiễn thì cả hai giải pháp trên đều không đạt. Ở giải pháp đầu tiên, việc tách acmoniac ra sẽ khiến quá trình làm việc trở nên vô cùng phức tạp và vô tình tăng thêm chi phí.

Giải pháp còn lại thì vô hình chung lại biến việc vận hành xe trở nên khó khăn khi vừa phải đổ xăng vừa phải bổ sung amoniac. Vậy nên, dẫu đã nhận ra từ lâu nhưng đến nay, nhưng xe hơi chạy NH3 vẫn chưa thể xuất hiện trên đường.

Tuy vậy tình thế đang dần thay đổi khi một số hãng đã bắt đầu có những thành quả với hướng đi này. Như GAC, hãng đã giới thiệu động cơ 2.0L đặc biệt của mình tại buổi giới thiệu công nghệ hàng năm. Động cơ này được cho là sản sinh công suất 161 hp, trong khi thải ra lượng khí carbon dioxide ít hơn 90% so với động cơ chạy bằng xăng.

Kỹ sư Qi Hongzhong của trung tâm R&D; GAC nói với giới truyền thông: “Chúng tôi đã khắc phục điểm khó khăn là khó đốt cháy nhanh amoniac và đưa nhiên liệu này vào sử dụng trong ngành công nghiệp xe hơi chở khách. Giá trị xã hội và thương mại của nó rất đáng để kỳ vọng.”

Vào năm 2022, Mahle Powertrain, một công ty nghiên cứu về động cơ đốt trong, đã công bố nghiên cứu phát triển quá trình đốt cháy amoniac để thay thế dầu diesel trong động cơ hạng nặng được sử dụng trong xe tải, xe buýt, máy móc địa hình và các ứng dụng hàng hải.

Công ty đã thử nghiệm hai phương pháp khác nhau và đều đạt được những kết quả vô cùng khả quan. Đầu tiên là cách tiếp cận nhiên liệu kép, họ trang bị thêm một động cơ diesel tăng áp hạng nặng với bộ kim phun thứ hai để bơm khí amoniac làm nguồn năng lượng chính. Nó hoạt động không khác gì những động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch thông thường.

Ở thử nghiệm thứ hai, Mahle Powertrain còn gây ấn tượng hơn khi đã vận hành thành công động cơ sử dụng khí amoniac tinh khiết bằng cách sử dụng hệ thống Mahle Jet Ignition (MJI) cải tiến mà không cần dùng nhiên liệu hóa thạch làm nguồn đánh lửa. Hệ thống MJI tạo ra quá trình đốt cháy siêu sạch với ít hoặc không có chất gây ô nhiễm có hại như NOx.

Nguyên lý hoạt động của MJI là sử dụng một buồng đốt phụ ở phía trên của mỗi buồng đốt. Sau khi nhiên liệu được đốt cháy tại buồng đốt phụ, khí nóng sẽ được đẩy vào buồng đốt chính thông qua một vòi phun ở đáy buồng đốt phụ được thông với buồng đốt chính. Cả bugi và kim phun nhiên liệu được lắp đặt vào buồng trước để tăng tốc quá trình đốt cháy nhiên liệu.

Đó là tất cả những thành tựu mà con người đã đạt được trong quá trình biến amoniac trở thành nguồn nguyên liệu thay thế cho xăng dầu. Với những ưu điểm nổi bật như: nguồn nguyên liệu dồi dào hay gần như không phải ra khí độc hại…, amoniac sẽ là giải pháp hoàn hảo để trung hòa carbon đối với các phương tiện giao thông.

Bên cạnh đó, nó còn giúp những người yêu quý động cơ đốt trong tiếp tục hy vọng về một tương lai vẫn còn những chiếc xe sử dụng động cơ đốt trong xuất hiện trên đường phố.