[Cột mốc của Kim Yong-joo] Máy kéo pin nhiên liệu hydro, hiện trạng cạnh tranh bằng sáng chế·công nghệ trong và ngoài nước và tính cấp bách của việc 확보 công nghệ trong nước

[Cột mốc của Kim Yong-joo] Giáo sư Khoa Kỹ thuật Máy móc Hệ thống Nông nghiệp Thông minh, Trường Cao đẳng Khoa học Sự sống và Nông nghiệp, Đại học Quốc gia Chungnam
 

Mở đầu — Máy nông nghiệp cỡ lớn, nay việc chuyển đổi sang nguồn động lực thân thiện môi trường là điều tất yếu

Do dân số nông hộ liên tục giảm, diện tích gánh trên đầu người tăng lên, nên cơ giới hóa tại hiện trường nông nghiệp đã phát triển với trọng tâm là quy mô lớn hơn. Máy kéo cỡ lớn trên 100 mã lực phải thực hiện trong thời gian dài các công việc tải nặng như cày, phay đất bằng rotary và kéo các nông cụ cỡ lớn, vì vậy tính ổn định và tính liên tục của nguồn động lực quan trọng hơn hết. Tuy nhiên, gần đây trong xu thế trung hòa carbon trên toàn cầu, việc đưa vào nguồn động lực thân thiện môi trường thay thế động cơ diesel đã nổi lên như một nhiệm vụ không thể tránh khỏi ngay cả trong lĩnh vực máy nông nghiệp cỡ lớn.

Vấn đề là nguồn động lực thân thiện môi trường nào phù hợp với máy nông nghiệp cỡ lớn. Ở xe du lịch hay máy nông nghiệp cỡ nhỏ, pin điện đã trở thành một phương án thay thế đầy triển vọng, nhưng khi áp dụng nguyên trạng cho máy kéo cỡ lớn trên 100 mã lực thì những giới hạn bộc lộ rất rõ. Pin có năng lượng có thể lưu trữ trên mỗi đơn vị khối lượng, tức mật độ năng lượng, thấp nên để bảo đảm năng lượng cần thiết cho công việc tải nặng kéo dài thì bản thân bộ pin sẽ trở nên quá nặng. Ngoài ra, khi bố trí các pin trong không gian hạn chế theo kết cấu của máy kéo, các vấn đề về thiết kế sẽ phát sinh. Thêm vào đó, thời gian sạc cũng dài nên có những hạn chế thực tế đối với công việc liên tục trong mùa vụ cao điểm.

Giải pháp đang được chú ý như một phương án có thể khắc phục tận gốc những hạn chế này chính là pin nhiên liệu hydro. Pin nhiên liệu hydro tạo ra điện thông qua phản ứng điện hóa giữa hydro và oxy, là nguồn động lực không gây ô nhiễm khi chỉ thải ra nước, đồng thời có mật độ năng lượng vượt trội so với pin và thời gian nạp nhiên liệu ngắn.

                        <Hình 1> So sánh mật độ năng lượng theo khối lượng giữa pin lithium-ion và hydro nén

Như có thể thấy từ so sánh trên, pin nhiên liệu hydro có thể lưu trữ lượng năng lượng nhiều hơn khoảng 4 lần so với pin lithium-ion với cùng một khối lượng. Nói cách khác, để lưu trữ cùng một lượng năng lượng, pin phải nặng hơn rất nhiều so với pin nhiên liệu hydro. Máy kéo cần một mức khối lượng nhất định để bảo đảm lực kéo cao, nhưng việc tăng khối lượng quá mức có thể làm tăng độ nén chặt đất và lực cản khi di chuyển, đồng thời làm giảm hiệu quả năng lượng và hiệu suất làm việc.

        <Hình 2> So sánh thời gian theo từng phương thức nạp của pin và pin nhiên liệu hydro (chuẩn 100 kWh)

Ngoài ra, như hình trên cho thấy, do hydro được lưu trữ và nạp ở áp suất cao trong trạng thái khí nên có thể bổ sung năng lượng trong thời gian ngắn, vì vậy có lợi hơn phương thức dùng pin tại hiện trường nông nghiệp thực tế. Trong trường hợp bổ sung mức năng lượng khoảng 100kWh, hydro có thể được nạp trong khoảng 3~5 phút tùy theo điều kiện nạp và thông số của bình chứa. Trong khi đó, pin áp dụng bộ sạc nhanh cấp 200kW mất khoảng 30~40 phút, còn sạc chậm có thể mất khoảng 6~10 giờ hoặc hơn. Do đó, trong các công việc nông nghiệp cần thời gian làm việc bị giới hạn như mùa vụ cao điểm hoặc cần vận hành liên tục trong thời gian dài, phương thức hydro có thể có sức cạnh tranh tương đối cao hơn về tỷ lệ vận hành thiết bị và hiệu quả công việc nhờ giảm thời gian chờ nạp.

                  <Hình 3> Nguyên lý phát sinh động lực và sơ đồ dòng của máy kéo pin nhiên liệu hydro (PEMFC)

Hình trên mô tả sơ đồ nguyên lý phát sinh động lực của máy kéo pin nhiên liệu hydro. Hydro được lưu trữ trong bình chứa hydro cùng với oxy hút từ không khí sẽ gây ra phản ứng điện hóa bên trong cụm pin nhiên liệu để tạo ra điện, và lượng điện này về cơ bản được dùng để vận hành xe. Khi điện năng do pin nhiên liệu tạo ra lớn hơn công suất yêu cầu của xe, phần điện dư sẽ được lưu trữ trong nguồn điện phụ là pin điện áp cao hoặc siêu tụ điện. Ngược lại, khi công suất yêu cầu của xe lớn hơn công suất phát điện của pin nhiên liệu thì năng lượng lưu trữ trong nguồn điện phụ sẽ được sử dụng cùng nhau. Sau phản ứng, thứ được thải ra chỉ là nước và nhiệt năng, vì vậy đây là cấu trúc có thể hiện thực hóa mức phát thải bằng không (Zero-emission) đồng thời thay thế hoàn toàn động cơ diesel.

<Hình 4> Số lượng đơn đăng ký sáng chế máy kéo nông nghiệp pin nhiên liệu hydro của các doanh nghiệp chủ chốt trong và ngoài nước (theo 5 quốc gia IP và PCT, các hồ sơ công bố·đăng ký trước ngày 1 tháng 7 năm 2026)

Kubota Nhật Bản một mình bứt phá — đi trước chiếm lĩnh thị trường tương lai bằng sáng chế
Vấn đề cốt lõi là ai sẽ giành được trước công nghệ máy kéo cỡ lớn pin nhiên liệu hydro này. Đơn vị đang đi đầu trong cuộc cạnh tranh này là Kubota (KUBOTA) của Nhật Bản, doanh nghiệp máy nông nghiệp lớn thứ 3 thế giới. Kubota đã lần đầu tiên trên thế giới công bố nguyên mẫu máy kéo pin nhiên liệu hydro tự hành cấp 100 mã lực tại Expo Osaka·Kansai năm 2025. Chiếc máy kéo này có thể làm việc liên tục gần nửa ngày chỉ với một lần nạp hydro, và thời gian nạp cũng chỉ khoảng chưa đầy 10 phút, nên được đánh giá là trường hợp chứng minh hiệu quả thực tiễn của pin nhiên liệu hydro trong quá trình chuyển đổi xanh của máy nông nghiệp cỡ lớn.

Điểm cần chú ý hơn nữa là chiến lược sáng chế của Kubota. Kết quả so sánh tình trạng sở hữu sáng chế liên quan đến máy kéo nông nghiệp pin nhiên liệu hydro của các doanh nghiệp chủ chốt trong và ngoài nước trong lĩnh vực máy kéo nông nghiệp (KUBOTA, YANMAR, ISEKI, Deere & Company, CNH) cho thấy, Kubota sở hữu tổng cộng 171 bằng sáng chế, chiếm khoảng 82% toàn bộ và đứng đầu áp đảo. Trong khi đó, đơn vị duy nhất đang bám đuổi Kubota trong lĩnh vực này lại là một nhóm nghiên cứu của Hàn Quốc. Những thành quả này là kết quả được tạo ra từ nhóm nghiên cứu¹ 'Phát triển máy kéo cỡ lớn cấp 110kW dựa trên pin nhiên liệu hydro thân thiện môi trường' gồm trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp (19 vụ, khoảng 9%).

         <Hình 5> Số lượng đơn đăng ký sáng chế theo năm về máy kéo nông nghiệp pin nhiên liệu hydro của các doanh nghiệp chủ chốt trong và ngoài nước

Hiện trạng công nghệ trong nước — thách thức của liên minh phát triển trong nước và những nhiệm vụ còn lại
Như đã xem xét ở trên, từ năm 2022 trở đi, tốc độ tăng trưởng trung bình hằng năm của số đơn đăng ký sáng chế của nhóm nghiên cứu trong nước là 18,9%, chỉ bằng khoảng 1/5 so với Kubota (98,3%). Ngoài ra, trong số 19 bằng sáng chế được công bố trong nước, số đơn PCT nhằm bảo đảm quyền tại thị trường nước ngoài chỉ có 7 đơn (khoảng 37%), cho thấy năng lực ứng phó với thị trường nước ngoài cũng kém xa Kubota. Tuy nhiên, vẫn có điểm đầy hy vọng. Trong khi Kubota tập trung vào các bằng sáng chế chuyên biệt cho cấu trúc bố trí bình hydro ở phần trên cabin (mái) của nền tảng máy kéo của hãng, liên minh nghiên cứu trong nước lại tập trung vào cấu trúc lắp mô-đun hydro ở phần dưới ghế lái trong cabin và phía trên hệ truyền động. Điều này có thể được đánh giá là điểm khác biệt công nghệ ở chỗ vừa bảo đảm tính phổ dụng có thể dễ dàng áp dụng cho bất kỳ nền tảng nào của 3 nhà sản xuất máy kéo trong nước, vừa 확보 được công nghệ thiết kế có tính đến độ ổn định của xe. 

Kết luận và kiến nghị — nếu không muốn bỏ lỡ thời điểm vàng
Tóm lại, pin nhiên liệu hydro là phương án thay thế thực tế hơn pin đối với quá trình chuyển đổi xanh của máy nông nghiệp cỡ lớn, và cuộc cạnh tranh công nghệ đó đã bắt đầu. Trong khi Kubota, doanh nghiệp máy nông nghiệp lớn thứ 3 thế giới, đang tăng tốc nộp đơn sáng chế dựa trên tiềm lực vốn áp đảo, thì ở trong nước, nhóm nghiên cứu gồm trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp là thực thể gần như duy nhất đang hình thành cục diện cạnh tranh. Tuy nhiên, không thể chắc chắn rằng cục diện này sẽ còn được duy trì trong tương lai.

Cũng cần chỉ ra rõ những rào cản thực tế đang cản trở việc thương mại hóa máy kéo pin nhiên liệu hydro. Hạ tầng nạp hydro trong nước vẫn chủ yếu xoay quanh xe du lịch, hơn nữa lại được xây dựng dọc theo đô thị và các tuyến đường chính, nên ở khu vực nông thôn rất khó tìm thấy hạ tầng nạp. Dù có phát triển được máy kéo pin nhiên liệu hydro xuất sắc đến đâu, nếu không thể dễ dàng nạp hydro gần nông hộ thì việc thương mại hóa tất yếu sẽ gặp khó khăn.

Thứ nhất, chỉ với đầu tư tự thân của các cơ quan nghiên cứu và từng doanh nghiệp riêng lẻ thì khó có thể theo kịp tốc độ phát triển công nghệ của các doanh nghiệp dẫn đầu nước ngoài vốn vượt trội về tiềm lực vốn và quy mô thị trường. Dù chi phí phát triển ban đầu cao, nếu thông qua đầu tư liên tục để nâng tỷ lệ nội địa hóa linh kiện cốt lõi và quy mô sản xuất thì về dài hạn có thể ổn định giá hệ thống. Giống như xe điện và hạ tầng sạc điện đã vượt qua chi phí ban đầu cao và tính thị trường hạn chế để phát triển thành một ngành công nghiệp, máy nông nghiệp hydro cũng phải bảo đảm tính kinh tế và tính thực dụng thông qua phát triển công nghệ liên tục và đầu tư thị trường.

Thứ hai, để cung cấp hydro ổn định tại khu vực nông thôn, không chỉ cần hạ tầng nạp mà còn phải đồng thời xây dựng hệ sinh thái năng lượng nông nghiệp thân thiện môi trường liên kết hữu cơ giữa sản xuất·vận chuyển·lưu trữ·nạp hydro. Đặc biệt, máy nông nghiệp khác với xe du lịch thông thường ở chỗ được vận hành trong thời gian dài tại nông thôn và hiện trường làm việc xa, nơi khả năng tiếp cận trạm nạp thấp, nên chỉ với các trạm nạp cố định hiện có thì khó đáp ứng hiệu quả nhu cầu công việc nông nghiệp thực tế. Vì vậy, cần phát triển và kiểm chứng nhiều phương thức cung cấp phù hợp với điều kiện địa phương và điều kiện làm việc như trạm nạp hydro di động, thiết bị sản xuất·nạp hydro tại hiện trường, hệ thống nạp chuyên dụng cho máy nông nghiệp. Ngành máy nông nghiệp hydro không nên dừng lại ở việc phát triển riêng lẻ phương tiện và hạ tầng nạp, mà phải phát triển thành hệ sinh thái năng lượng nông nghiệp thân thiện môi trường bền vững bằng cách liên kết toàn bộ quá trình từ sản xuất hydro đến cung cấp và sử dụng tại hiện trường nông nghiệp thành một hệ thống công nghiệp thống nhất.

Thứ ba, trong thị trường máy nông nghiệp pin nhiên liệu hydro, quan trọng không kém việc phát triển công nghệ trước là phải 확보 quyền đối với công nghệ đó rộng đến mức nào. Kubota đang chuẩn bị cho thị trường toàn cầu trong tương lai bằng cách đồng thời nộp nhiều bằng sáng chế tại nhiều quốc gia theo hình thức yêu cầu quyền ưu tiên và bằng sáng chế họ bằng sáng chế. Hiện nay, giới nghiên cứu trong nước vẫn còn duy trì được khả năng công nghệ trong cạnh tranh với các doanh nghiệp dẫn đầu nước ngoài. Nếu không thể kết nối những thành quả nghiên cứu đã 확보 hiện nay với phát triển tiếp theo và kiểm chứng thực tế, bằng sáng chế và công nghiệp hóa, thì cục diện cạnh tranh được hình thành khó khăn có thể nhanh chóng sụp đổ. 

Máy kéo pin nhiên liệu hydro được dự báo sẽ trở thành một trụ cột then chốt cùng với máy kéo điện để dẫn dắt thị trường máy nông nghiệp thân thiện môi trường trong tương lai. Tùy thuộc vào việc quốc gia nào nắm quyền chủ đạo công nghệ đó, cục diện ngành máy nông nghiệp thế giới trong vài chục năm tới có thể thay đổi. Ở kỳ tiếp theo, chúng tôi sẽ xem xét cụ thể hơn các công nghệ linh kiện cốt lõi của máy kéo pin nhiên liệu hydro và các trường hợp kiểm chứng thực tế trong và ngoài nước.