Nghiên Cứu Ứng Dụng Pin Nhiên Liệu Hydro Thay Thế Diesel Trong Thiết Bị Khai Thác Mỏ Lộ Thiên Nhằm Giảm Ô Nhiễm Môi Trường

 

Cao Thúy Oanh, R&D Team tổng hợp
Ngày 31 tháng 8 năm 2026

 

Đặt Vấn Đề

Ngành khai thác than tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực Quảng Ninh, đang phải đối mặt với bài toán môi trường nghiêm trọng do lượng phát thải lớn từ các thiết bị vận tải và khai thác sử dụng động cơ diesel. Theo số liệu từ Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV), khối lượng đất đá thải chỉ riêng tại vùng Quảng Ninh đã lên tới 150 triệu m³ mỗi năm. Để vận chuyển khối lượng này, TKV đang sử dụng nhiều xe tải hạng nặng, với tải trọng từ 58 đến 100 tấn, thậm chí đã có thử nghiệm xe tải trọng 130 tấn truyền động điện.

 

 

Các động cơ đốt trong trên những thiết bị này thải ra một lượng lớn khí độc hại như CO, NOx, CO₂, SO₂ và muội khói, góp phần gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường. Lượng xăng dầu tiêu thụ tại Quảng Ninh năm 2023 đạt trên 1,19 triệu m³, trong đó ngành than chiếm tới 65% (tương đương 0,7735 triệu m³). Với khối lượng riêng trung bình của dầu diesel là 0,85 kg/m³ và hệ số phát thải 0,3055 tấn khí thải/tấn nhiên liệu, tổng lượng phát thải từ thiết bị khai thác, bốc xúc tại Quảng Ninh ước tính lên tới khoảng 0,2 triệu tấn khí thải độc hại mỗi năm. Con số này cho thấy nhu cầu cấp thiết phải tìm kiếm giải pháp thay thế năng lượng sạch hơn.

 

Trong bối cảnh đó, pin nhiên liệu hydro (Hydrogen Fuel Cell) đang nổi lên như một giải pháp tiềm năng. Công nghệ này tạo ra điện năng từ phản ứng hóa học giữa hydro và oxy, với sản phẩm phụ duy nhất là nước, do đó không phát thải bất kỳ khí gây ô nhiễm nào. Bài viết này của nhóm tác giả Nguyễn Đăng Tấn (Đại học Thủy lợi) và Tạ Ngọc Hải (Hội Khoa học và Công nghệ Mỏ Việt Nam) sẽ nghiên cứu, tính toán và đánh giá khả năng ứng dụng pin nhiên liệu hydro trên thiết bị vận tải và khai thác mỏ lộ thiên, so sánh hiệu quả kinh tế và kỹ thuật giữa hai nguồn năng lượng.

 

Dữ Liệu Và Phương Pháp Nghiên Cứu

Khí Thải Của Động Cơ Đốt Trong Và Mức Tiêu Hao Nhiên Liệu

Động cơ xe tải mỏ sử dụng động cơ xăng hoặc diesel, thải ra các chất độc hại như CO, NOx, HC, CO₂ và các hạt cacbon siêu mịn (đối với động cơ diesel) có thể thẩm thấu sâu vào phổi. Lượng khí thải phụ thuộc trực tiếp vào lượng nhiên liệu tiêu thụ. Bảng 1 dưới đây thể hiện lượng khí thải khi đốt cháy 1 tấn nhiên liệu:

 

Bảng 1. Lượng khí thải khi đốt cháy 1 tấn nhiên liệu (đơn vị: tấn)

Tên sản phẩm cháy	Động cơ xăng	Động cơ Diesel
CO	0,6	0,2
HC	0,1	0,03
NOx	0,04	0,04
SO₂	0,002	0,02
Muội khói	0,00058	0,0155
Tổng cộng	0,74258	0,3055

 

Để đánh giá hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu, nghiên cứu sử dụng hai chỉ số chính:

• Suất tiêu hao nhiên liệu theo quãng đường (FC - Fuel Consumption): Đo bằng lít/100 km, phụ thuộc vào tải trọng và điều kiện vận hành.

• Suất tiêu hao nhiên liệu theo công suất (BSFC - Brake-Specific Fuel Consumption): Đơn vị g/kWh, là đặc tính kỹ thuật đánh giá hiệu năng động cơ, được tính theo công thức:

 

BSFC=mfP×3600BSFC=Pmf​​×3600

Trong đó: mfmf​ (g/s) là lưu lượng khối lượng nhiên liệu tiêu thụ; P (kW) là công suất động cơ sinh ra.

Kết quả thực nghiệm từ bảng 2 cho thấy BSFC của xe tải và máy kéo dao động từ 202-238 g/kWh, được sử dụng làm cơ sở tính toán cho xe tải mỏ.

 

Bảng 2. Suất tiêu hao nhiên liệu của xe tải, máy kéo

Thiết bị	Định mức tiêu thụ theo quãng đường (FC), l/100 km	Suất tiêu hao theo công suất (BSFC), g/kWh
Máy kéo cổ điển	32,6 - 34,3	223 - 236
Máy kéo thế hệ mới	29,9 - 31,6	202 - 210
Xe tải	21,1 - 31,1	225 - 238

 

Nguyên Lý Làm Việc Của Xe Pin Nhiên Liệu Hydro

Pin nhiên liệu (Fuel Cell) là thiết bị chuyển đổi hóa năng của nhiên liệu thành điện năng thông qua phản ứng điện hóa. Cấu tạo cơ bản của pin nhiên liệu bao gồm:

• Cực dương (Anode): Nhiên liệu hydro được đưa vào, chất xúc tác làm phân ly hydro thành proton (H⁺) và electron (e⁻).

• Chất điện phân (Electrolyte): Cho phép proton di chuyển từ cực dương sang cực âm, nhưng ngăn cản electron.

• Cực âm (Cathode): Oxy từ không khí kết hợp với proton và electron (đi qua mạch ngoài) tạo thành nước (H₂O).

 

Phản ứng tổng quát: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + Điện năng + Nhiệt

Các tế bào nhiên liệu riêng lẻ tạo ra điện áp khoảng 0,7V, do đó chúng được ghép nối tiếp thành "ngăn xếp" (stack) để đạt điện áp yêu cầu. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin nhiên liệu thường đạt 40-60%, và có thể lên tới 85% nếu thu hồi nhiệt thải.

 

Cấu trúc xe sử dụng pin nhiên liệu:

Cấu trúc của xe tải chạy pin nhiên liệu hydro (Hình 2) tương tự như xe điện thuần túy, nhưng kết hợp hai nguồn năng lượng trên xe:

1. Hệ thống pin nhiên liệu: Hydro từ bình chứa (áp suất 350-700 bar) được đưa vào pin nhiên liệu, kết hợp với oxy từ không khí để sinh ra điện.

2. Hệ thống pin lưu trữ (Ắc quy lithium-ion): Điện từ pin nhiên liệu có thể được sử dụng trực tiếp cho động cơ điện hoặc nạp vào ắc quy. Ở chế độ phanh tái tạo, động cơ điện trở thành máy phát, nạp năng lượng vào ắc quy.

 

Hệ thống điều khiển sẽ quyết định phân phối năng lượng giữa pin nhiên liệu và ắc quy để tối ưu hiệu suất. Bình chứa hydro trên xe con thường ở áp suất 700 bar (khối lượng riêng 42 kg/m³), nhưng đối với xe tải hạng nặng, việc lưu trữ hydro dạng khí nén hoặc lỏng (-253°C) đều có những thách thức riêng về thể tích, trọng lượng và chi phí.

 

Tình Hình Nghiên Cứu, Phát Triển Xe Tải Mỏ Sử Dụng Pin Nhiên Liệu Hydro

Xe ô tô thông thường sử dụng pin nhiên liệu hydro hiện có:

Các mẫu xe nổi bật đã được phát triển và thương mại hóa bao gồm: Honda FCX Clarity (2008), Hyundai ix35 FCEV (2013), Toyota Mirai (2014), Mercedes GLC F-Cell (2019), Hyundai Nexo (2018). Tuy nhiên, đến năm 2026, chỉ một số mẫu như Toyota Mirai thế hệ mới, Hyundai Nexo và Honda Clarity Fuel Cell (thị trường California) là còn được bán rộng rãi.

 

Xe tải mỏ sử dụng pin nhiên liệu hydro:

Ngành khai thác mỏ đang chứng kiến những bước tiến lớn trong ứng dụng pin nhiên liệu hydro:

• Dự án của Kuhn Schweiz (Đức): Hãng này đã cải tạo một xe tải Komatsu 111 tấn thành xe điện sử dụng bộ pin 600 kWh (lớn nhất thế giới trên xe tại thời điểm đó), thay thế động cơ diesel bằng động cơ điện 590 kW, tận dụng năng lượng tái tạo khi xe xuống dốc để sạc pin.

• Sany (Trung Quốc): Phát triển xe tải hybrid điện với tải trọng 136-220 tấn, sử dụng động cơ điện 1400-2090 kW kết hợp với pin 78,5-128 kWh.

• Hợp tác GM và Komatsu (2023): General Motors và Komatsu đang hợp tác phát triển mô-đun pin nhiên liệu hydro HYDROTEC cho xe tải khai thác 930E (tải trọng 320 tấn). Động cơ dự kiến đạt công suất hơn 2 MW và sẽ được thử nghiệm tại Arizona Proving Grounds vào giữa thập niên 2020. Đây là bước đi quan trọng của Komatsu nhằm đạt mục tiêu giảm 50% phát thải vào 2030 và trung hòa carbon vào 2050.

• Xe tải ben lớn nhất thế giới (Engie - Tractebel): Năm 2023, Tractebel (thuộc Engie) đã công bố phát triển thành công xe tải ben chạy hydro đầu tiên trên thế giới, đánh dấu một cột mốc quan trọng.

 

So sánh chi phí giữa xe buýt diesel và pin nhiên liệu hydro của Lewis County Transit (Mỹ) cho thấy: Mặc dù chi phí mua xe hydro cao hơn (1,2 triệu USD so với 0,8 triệu USD), nhưng chi phí vận hành và bảo dưỡng hàng năm thấp hơn (225.000 USD so với 300.000 USD). Qua 12 năm, tổng chi phí cho xe hydro (3,9 triệu USD) thấp hơn xe diesel (4,4 triệu USD). Tỷ lệ chi phí đầu tư ban đầu là 1,5 lần và chi phí vận hành là 0,75 lần. Đây là cơ sở để đánh giá cho xe tải mỏ.

 

Tính Toán Lượng Hydro Tiêu Thụ Và So Sánh Chi Phí Nhiên Liệu Cho Xe Tải Mỏ

Công thức tính lượng hydro tiêu thụ

Dựa trên phản ứng điện hóa: 2H₂ + O₂ → 2H₂O, các công thức tính toán lưu lượng hydro và oxy được thiết lập theo công suất điện PePe​ và điện áp trung bình mỗi tế bào VcVc​ (thường lấy 0,65V).

• Lưu lượng oxy sử dụng:

Oˆ xy=8,29×10−8×PeVc(kg/s)Oˆ xy=Vc​8,29×10−8×Pe​​(kg/s)

• Lưu lượng hydro sử dụng:

Hydro=1,05×10−8×PeVc(kg/s)Hydro=1,05×10−8×Vc​Pe​​(kg/s)

 

Kết quả tính cho xe tải mỏ tại Quảng Ninh

Nghiên cứu áp dụng các công thức trên cho năm loại xe tải mỏ điển hình được sử dụng tại các mỏ than Quảng Ninh (Bảng 5 và Bảng 6). Kết quả chỉ ra rằng:

• Lượng khí hydro tiêu thụ khi động cơ làm việc ở công suất tối đa trong 8 giờ (một ca) dao động từ 172,6 kg (xe HD 325-7) đến 408,9 kg (xe HD 785-7).

• Dung tích bình chứa hydro cần thiết để vận hành trong 8 giờ lớn hơn rất nhiều so với bình nhiên liệu diesel, từ 7,7 đến 8,6 lần. Điều này đặt ra yêu cầu phải bố trí nhiều bình chứa hydro trên xe.

 

Bảng 5. Tiêu thụ nhiên liệu diesel của một số xe tải công suất lớn tại Việt Nam

Loại xe	Tải trọng (tấn)	Công suất động cơ (kW)	Dung tích thùng nhiên liệu (lít)	Lượng dầu diesel cần thiết (lít/ca 8h)*
Cat 773E	55,5	501	700	953,90
Cat 777D	93,6	749	1.137	1.426,10
HD 325-7R	34,5	371	500	706,38
HD 465-7R	55	533	780	1.014,83
HD 785-7	91	879	1.308	1.673,62

(BSFC = 238 g/kWh)*

 

Bảng 6. Tiêu thụ nhiên liệu hydro tương ứng với từng loại xe

Loại xe	Lượng không khí (kg/h)	Lượng hydro (kg/h)	Lượng hydro cần cho 1 ca (kg)	Dung tích bình hydro (lít)	Tỷ lệ so với bình diesel
CAT 773E	993,37	29,14	233,08	5.827,02	8,3 lần
CAT 777D	1.485,09	43,56	348,48	8.711,45	7,7 lần
HD 325-7R	735,61	21,58	172,60	4.315,02	8,6 lần
HD 465-7R	1.056,82	31,00	247,97	6.199,20	7,9 lần
HD 785-7	1.742,85	51,12	408,94	10.223,45	7,8 lần

 

So sánh chi phí nhiên liệu

Hiện tại, chi phí sản xuất hydro xanh khoảng 5 USD/kg, dự kiến giảm xuống 2 USD/kg vào năm 2030 và 1 USD/kg vào năm 2040 (tương đương giá 1 lít xăng hiện nay). Nghiên cứu đã xây dựng biểu đồ so sánh chi phí nhiên liệu cho năm loại xe trong giai đoạn 2024-2040 (Hình 5). Kết luận rút ra là:

• Trong dài hạn, khi giá hydro giảm, chi phí nhiên liệu hydro sẽ trở nên cạnh tranh và có thể thấp hơn so với dầu diesel.

• Xe tải sử dụng pin nhiên liệu hydro sẽ giảm thiểu đáng kể phát thải khí độc hại (CO, NOx, HC, CO₂, muội khói), góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

 

Kết Luận Và Khuyến Nghị

Kết luận:

1. Lượng khí phát thải từ thiết bị vận tải và khai thác mỏ lộ thiên tại Việt Nam là rất lớn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường.

2. Việc sử dụng pin nhiên liệu hydro thay thế động cơ diesel là một giải pháp khả thi về mặt kỹ thuật, thể hiện qua các tính toán về lượng hydro tiêu thụ và dung tích bình chứa.

3. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho xe pin nhiên liệu cao hơn (khoảng 1,5 lần), nhưng chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp hơn (khoảng 0,75 lần). Về lâu dài, khi giá hydro giảm, xe sử dụng pin nhiên liệu sẽ đạt hiệu quả kinh tế tốt hơn xe diesel.

4. Động cơ pin nhiên liệu hydro có thể dễ dàng tích hợp với các thiết bị hiện có (xe tải, máy xúc, máy ủi) mà không ảnh hưởng đến công suất vận hành, cũng như có thể ứng dụng cho các thiết bị khoan và nổ mìn trong tương lai.

 

Khuyến nghị:

1. Cần có các nghiên cứu sâu hơn, chi tiết hơn về tính toán kinh tế - kỹ thuật và xây dựng đề án thí điểm ứng dụng pin nhiên liệu hydro trong khai thác mỏ lộ thiên tại Việt Nam.

2. Nhà nước và TKV cần có chính sách hỗ trợ, khuyến khích doanh nghiệp thử nghiệm công nghệ mới, đồng thời có lộ trình phát triển hạ tầng sản xuất và cung cấp hydro xanh (từ năng lượng tái tạo) trong tương lai gần.

3. Hợp tác quốc tế trong chuyển giao công nghệ pin nhiên liệu và sản xuất hydro là cần thiết để đẩy nhanh quá trình chuyển đổi năng lượng sạch trong ngành công nghiệp mỏ, góp phần vào cam kết giảm phát thải ròng của Việt Nam vào năm 2050.

 

Xem báo cáo nghiên cứu gốc tại link

https://mij.hoimovietnam.vn/images/paper/2025/2504/bai5.pdf