Khử carbon nhiên liệu hàng hải - Tương lai của vận tải biển

Mục tiêu giảm thiểu tác động khí hậu của vận tải biển đòi hỏi nhiều giải pháp khác nhau. Để giảm phát thải khí nhà kính từ tàu biển, Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) đã chuẩn bị một số đề xuất để đáp ứng và thực hiện các yêu cầu liên quan. IMO đã đưa ra các quy định trong Phụ lục VI về ngăn ngừa ô nhiễm không khí từ tàu của Công ước Quốc tế về ngăn ngừa ô nhiễm do tàu gây ra (MARPOL) với các mục tiêu giảm phát thải trong tương lai của vận tải biển quốc tế. Mục tiêu chính là đạt được sự trung hòa về khí hậu từ vận biển vào năm 2050. Một phương pháp đưa ra là khử carbon trong nhiên liệu hàng hải. Các loại nhiên liệu dự định sử dụng trong thời gian tới là nhiên liệu chuyển tiếp tạm thời, với nhiên liệu mục tiêu cuối cùng là hydro. Lượng phát thải carbon dioxide phụ thuộc vào thành phần hóa học của nhiên liệu, nhiệt trị thấp của nó và hiệu suất động cơ. Trong tương lai gần, việc sử dụng nhiên liệu có hàm lượng carbon thấp hơn là quá trình chuyển tiếp cho phép mở ra kỷ nguyên hydro. Sự phát triển công nghệ để đảm bảo sự phù hợp của các nhiên liệu tiềm năng với các yêu cầu đốt cháy trong động cơ diesel hàng hải và tuabin khí, cùng với khả năng lưu trữ và cung ứng các loại nhiên liệu này, là những rào cản chính khiến chúng bị hạn chế sử dụng. Hiệu suất của động cơ diesel hàng hải đạt giá trị khoảng 50%, trong khi của pin nhiên liệu là gần 100%. Có vẻ như hydro sẽ là nhiên liệu của tương lai, kể cả trong vận tải biển. Công dụng cơ bản của hydro là trong pin nhiên liệu với hiệu suất gần như gấp đôi so với động cơ đốt trong nhiệt hiện nay.

Tổng quát

Vận tải hàng hóa bằng đường biển có ý nghĩa sống còn đối với nền kinh tế toàn cầu. Bên cạnh đó, phương tiện phà cung cấp các dịch vụ vận chuyển quốc tế ngắn, nội địa và nội thủy cho xe tải, xe con và xe chở khách. Có thể khi đại dịch Covid-19 qua đi, đội du thuyền viễn dương sẽ trở lại hệ thống du lịch toàn cầu. Để thực hiện các chức năng của mình, tất cả các tàu đều cần các loại năng lượng khác nhau, nhưng năng lượng cơ bản luôn đến từ nhiên liệu hàng hải. Thời đại than đá là nhiên liệu hàng hải đã kết thúc cách đây hơn 60 năm và sẽ không quay trở lại. Hiện nay, nhiên liệu hàng hải lỏng có nguồn gốc từ dầu thô được sử dụng chủ yếu. Quá trình lọc dầu tạo ra một số loại nhiên liệu hàng hải như dầu khí hàng hải (MGO), dầu diesel hàng hải (MDO) và dầu nhiên liệu nặng (HFO) (theo ISO 8217). Động cơ diesel hàng hải được điều chỉnh để đốt cháy nhiên liệu cặn có độ nhớt tại 50⁰C lên đến 700 cSt. Một số loại nhiên liệu sinh học đã được giới thiệu trong vận tải thủy, chẳng hạn như: diesel sinh học, metanol, etanol, butanol sinh học, ether sinh học, dầu cọ, dầu thực vật hoặc dầu ăn, …, nhưng tỷ lệ của chúng được giới hạn ở một số trường hợp và phạm vi nhất định (chẳng hạn như trong vận tải thủy nội địa). Đã có các tàu thủy và phà được chế tạo sử dụng năng lượng điện từ ắc quy, nhưng năng lượng điện chủ yếu lấy từ các nhà máy điện trên bờ và khả năng tích lũy năng lượng vẫn còn hạn chế trong các chuyến hành trình ngắn. Ampere là phà chở khách nội địa của Na Uy sử dụng điện đầu tiên trên thế giới được đưa vào hoạt động đầu năm 2015 với tuyến đường chỉ là 6 km.

Phà sử dụng điện đầu tiên trên thế giới Ampere

Phát thải carbon dioxide từ vận tải biển

Vận tải biển quốc tế phát thải khoảng 2,5 ÷ 3% carbon dioxide (CO₂) trong ô nhiễm trên toàn thế giới. Năm 2015, vận tải biển quốc tế tạo ra 932 triệu tấn CO₂, chiếm 2,6% lượng phát thải cả thế giới. Tất cả các phương thức vận tải chiếm 24% lượng phát thải toàn cầu. Lượng phát thải carbon dioxide phụ thuộc vào tổng mức tiêu thụ nhiên liệu và hàm lượng carbon trong nhiên liệu được sử dụng. CO₂ là một trong những loại khí nhà kính (GHG). Do sự phát thải các loại khí nhà kính khác như nitơ và ôxít lưu huỳnh từ động cơ diesel hàng hải, đôi khi lượng phát thải CO₂ tương đương (CO_2e - Equivalent CO₂ emission) được sử dụng trong tính toán và nghiên cứu. Thông tin về các loại khí nhà kính, hàm lượng và chỉ thị GWP (Tiềm năng nóng lên toàn cầu - Global Warming Potential) được nêu trong Bảng 1.

Bảng 1. Chỉ thị về tiềm năng nóng lên toàn cầu (GWP) trong giai đoạn 20 năm và 100 năm so với CO₂ của các loại khí nhà kính (GHG) khác nhau

¹      Tùy thuộc vào nguồn.

Sự khác biệt giữa phát thải CO₂ và CO_2e của nhiên liệu lỏng là khá nhỏ, nhiều hơn khoảng 7 ÷ 9% đối với CO_2e, và khá ổn định, nên không cần phải xem xét thêm.

IMO có tham vọng giảm một nửa lượng phát thải khí nhà kính từ vận tải biển vào năm 2050 và khử carbon trong vận tải biển càng sớm càng tốt trong thế kỷ này. Hiện tại, chỉ có ba yêu cầu bắt buộc đề cập đến phát thải khí nhà kính:

• Chỉ số thiết kế hiệu quả năng lượng (EEDI) cho các tàu đóng mới yêu cầu cải thiện đến 30% hiệu suất thiết kế tùy thuộc vào kiểu loại và kích cỡ tàu so với năm 2013 (năm bắt đầu yêu cầu áp dụng EEDI);

• Kế hoạch Quản lý hiệu quả năng lượng tàu (SEEMP) cho tất cả các tàu trên 400 GT đang hoạt động;

• Hệ thống thu thập dữ liệu tiêu thụ dầu nhiên liệu (DCS) yêu cầu báo cáo hàng năm về lượng phát thải carbon dioxide, dữ liệu hoạt động khác và thông tin chi tiết về tàu cho các tàu trên 5000 GT.

Các yêu cầu bắt buộc tiếp theo sẽ được áp dụng từ ngày 01/01/2023:

• Chỉ số thiết kế hiệu quả năng lượng cho tàu hiện có (EEXI);

• Chỉ thị Cường độ carfbon (CII) (được gọi là AER (Xếp hạng phát thải hàng năm - Annual Emission Rating) tính bằng số gam CO₂ trên mỗi hải lý-tấn trọng tải của tàu) với mức xếp hạng từ A đến E được tính toán hàng năm cho tất cả các tàu chở hàng và tàu khách du lịch trên 5000 GT;

• Tăng cường SEEMP với nội dung bắt buộc để đạt được các mục tiêu CII.

Các yêu cầu mới này đối với các tàu hiện có sẽ được IMO xem xét lại vào cuối năm 2025.

3. Hệ số phát thải carbon dioxide cho nhiên liệu hàng hải và nhiên liệu thay thế

Phát thải carbon dioxide đến từ quá trình đốt cháy nhiên liệu có chứa nguyên tố carbon. Đây là phản ứng tỏa nhiệt. Nhiệt được động cơ biến đổi thành cơ năng đẩy tàu.

Phản ứng đốt cháy nguyên tố carbon như sau:

C + O₂ → CO₂ + 406,92 kJ/mol

Một mol carbon cộng với một mol oxy thì thu được một mol carbon dioxide và nhiệt.

Khoảng 12 gam carbon cộng với 32 gam oxy tạo ra 44 gam carbon dioxide. Điều này có nghĩa là hệ số nhiên liệu (cF) của nguyên tố carbon là 44/12 = 3,667 (cFC = 3,667) (chính xác hơn là 3,642 nếu xét khối lượng thực của các nguyên tố). Hệ số nhiên liệu phụ thuộc vào hàm lượng carbon (CC) - tính theo khối lượng trong nhiên liệu, và bằng tích của hệ số nhiên liệu carbon với hàm lượng carbon (cFF = cFC·CC). Hệ số cho các nhiên liệu hàng hải và nhiên nhiên liệu thay thế khác nhau được nêu trong Bảng 2.

Bảng 2. Hệ số phát thải carbon dioxide đối với các loại nhiên liệu hàng hải và nhiên liệu thay thế khác nhau

¹      Đôi khi hệ số phát thải carbon dioxide được hiển thị bằng cách sử dụng đơn vị kg CO₂/MJ hoặc kg CO₂/kWh, trong đó nhiệt trị thấp được xem xét.

Tổng lượng phát thải khí nhà kính (chủ yếu là CO₂) từ nhiên liệu lớn hơn khi có tính đến lượng phát thải carbon dioxide trong quá trình sản xuất, chế biến và cung cấp nhiên liệu cho tàu thường được gọi là phát thải từ giếng dầu tới két chứa nhiên liệu của tàu (the well-to-tank emission), còn được gọi là phát thải thượng nguồn (upstream emission) hay phát thải giám tiếp (indirect emission) - đây là lượng phát thải được tính từ khi dầu mỏ được khai thác cho đến khi nhiện liệu được cấp vào két chứa của tàu. Một số nhà nghiên cứu đã sử dụng một hệ số khác - hệ số tương đương carbon dioxide từ giếng dầu đến lằn nước do tàu chạy tạo ra (the well-to-wake carbon dioxide equivalent factor), là lượng phát thải được tính từ khi dầu mỏ được khai thác cho đến khi dầu nhiên liệu được đốt cháy để tạo lực đẩy tàu, để xem xét tổng của cả hai yếu tố: well-to-tank và tank-to-wake trong đánh giá phát thải.

Quy trình khử carbon của nhiên liệu hàng hải

Việc khử carbon trong nhiên liệu hàng hải là chìa khóa để đáp ứng mục tiêu giảm thiểu khí nhà kính do IMO và các tổ chức khác đặt ra. Nhu cầu về nhiên liệu hàng hải toàn cầu cung ứng cho tàu là 370 triệu tấn/năm. Việc giảm phát thải khí nhà kính có thể thực hiện được thông qua nhiều hoạt động đa dạng: nâng cao hiệu suất động cơ, giảm sức cản của thân tàu, giảm tốc độ của tàu trong giới hạn nhất định, lập kế hoạch tốt hơn cho các chuyến đi của tàu, ... Các hoạt động này cho phép giảm tổng mức tiêu thụ nhiên liệu và cuối cùng là giảm lượng phát thải carbon dioxide tương đương. Đã có quy định về Thẩm tra báo cáo giám sát (the Monitoring Reporting Verification - MRV) đối với các tàu mang cờ quốc tịch Liên minh châu Âu cũng như các tàu đến các cảng châu Âu (có hiệu lực từ ngày 01/7/2015) và Hệ thống thu thập dữ liệu (Data Collection System - DCS) cho các tàu trên 5000 GT (có hiệu lực từ ngày 01/3/2018). Các chủ tàu đã thực hiện nhiều biện pháp để đáp ứng các yêu cầu của IMO, chẳng hạn như tối ưu hóa công suất và hệ thống đẩy, tối ưu hóa tốc độ trên diện rộng (chủ yếu là giảm tốc độ), tối ưu hóa hành trình, quản lý đội tàu, giải pháp hậu cần và các biện pháp khuyến khích trong khai thác tàu, nỗ lực sử dụng nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba và nhiều biện pháp khác.

Có một vấn đề lớn đối với các chủ tàu có tàu cũ (chủ yếu trên 20 tuổi) do quy định mới của Phụ lục VI - Công ước MARPOL được IMO thông qua tại khóa họp thứ 75 của Ủy ban Bảo vệ môi trường biển (tháng 11/2020) về bắt buộc áp dụng Chỉ số thiết kế hiệu quả năng lượng cho các tàu hiện có (EEXI). Chỉ thị cường độ carbon (CII) phải được tính toán là CII hoạt động hàng năm và phải so sánh với các giá trị được quy định từ mức A (tốt nhất) đến mức E (kém nhất). Đối với tàu ở mức D hoặc E trong hai năm liên tiếp đòi hỏi phải nỗ lực để đạt được mức độ C tối thiểu trong năm tiếp theo. Nếu không, con tàu có thể bị chính quyền cảng lưu giữ, điều này về cơ bản buộc nó phải được tháo dỡ để thu hồi phế liệu.

Nhiên liệu chuyển tiếp và tương lai trong vận tải biển

Nhiên liệu sinh học

Dầu thực vật sử dụng trực tiếp (Straight vegetable oils - SVO) được chiết xuất từ thực vật chỉ để sử dụng làm nhiên liệu. Việc sử dụng trực tiếp SVO tạo ra một số vấn đề đối với động cơ diesel hàng hải tốc độ trung bình và tốc độ chậm do độ nhớt cao hơn và nhiệt độ sôi cao của SVO, tạo ra cặn carbon bên trong động cơ và làm hỏng chất bôi trơn động cơ. SVO có thể được sử dụng để pha trộn với nhiên liệu thông thường nhằm giảm thiểu những vấn đề này.

Quá trình phản ứng trao đổi giữa rượu và este (transesterification) chuyển đổi các loại dầu khác nhau (chất béo trung tính) thành metyl este. Glycerol và nước được loại bỏ như những sản phẩm không mong muốn. Dầu diesel sinh học thu được thường được gọi là metyl este axit béo (fatty acid methyl esters - FAME). Loại diesel sinh học như vậy có điểm chớp cháy và số cetan cao hơn so với diesel thông thường và là nhiên liệu phù hợp hơn SVO, dẫn đến hiệu suất động cơ tốt hơn; tuy nhiên, do điểm mây cao (32⁰C), có thể dẫn đến dòng chảy nhiên liệu kém và tắc nghẽn bộ lọc, FAME không hoàn toàn tương thích với nhiều động cơ diesel hiện có và có thời gian lưu trữ ngắn. Các thông số cơ bản của một số nhiên liệu sinh học được trình bày trong Bảng 3.

Bảng 3. Các thông số của một số nhiên liệu sinh học

Rượu

Thách thức của việc sản xuất nhiên liệu từ sinh khối là hàm lượng oxy cao và thiếu khả năng thích hợp để chuyển đổi trực tiếp, đòi hỏi các bước xử lý bổ sung như khử oxy để thu được tỷ lệ hydro-carbon (H:C) cao. Kết quả cuối cùng là nhiên liệu thu được có hàm lượng oxy thấp, khả năng hòa tan trong nước thấp và mức độ bão hòa liên kết carbon cao. Sau bước xử lý nước, dầu thực vật có thể được chuyển hóa thành nhiên liệu là este và axit béo (HEFA) được xử lý hydro. Các sản phẩm chính của quá trình chuyển hóa sinh khối là rượu. Có nhiều loại rượu có thể được coi là một loại nhiên liệu hàng hải khả dĩ, nhưng chỉ có hai trong số chúng được sử dụng phổ biến: metanol và etanol. Metanol đã được sử dụng làm nhiên liệu cho một số thử nghiệm hàng hải thành công với khả năng sử dụng động cơ đánh lửa bằng tia lửa hoặc động cơ đánh lửa nén. Ethanol được sử dụng phổ biến làm nhiên liệu ô tô ở một số quốc gia. Các thông số cơ bản của metanol và etanol được thể hiện trong Bảng 4.

Bảng 4. Thông số của metanol và ethanol

Do methanol có nhiệt trị thấp nhỏ hơn so với dầu diesel hàng hải (MDO) (22 đến 42 MJ/kg) và tỷ trọng thấp hơn (794 đến 870 kg/m³), nên lượng dữ trữ nhiên liệu methanol phải cao gấp đôi so với dầu diesel hàng hải.

Methanol độc đối với người nếu nuốt phải hoặc hít phải và khi tiếp xúc với da. Do điểm chớp cháy thấp (nhiên liệu lỏng hàng hải truyền thống có nhiệt độ chớp cháy tối thiểu trên 60⁰C), nên nguy cơ cháy nổ đối với metanol cao hơn. Ngoài ra, các vật liệu đặc biệt cần thiết cho các đệm kín (nhựa kháng metanol, tức là loại Teflon). Cũng cần lưu ý là metanol ăn mòn đồng và niken cũng như các hợp kim của chúng.

Amoniac là một giải pháp cho quá trình khử carbon

Amoniac là một loại khí tổng hợp thu được từ nhiên liệu hóa thạch, sinh khối hoặc các nguồn tái tạo. Amoniac không chứa lưu huỳnh và carbon, không thải ra bất kỳ oxit lưu huỳnh, oxit carbon, các chất dạng hạt hoặc hydro carbon không cháy khi bị đốt. Loại nhiên liệu này sẽ giúp thực hiện các quy định về phát thải của IMO. Amoniac được coi là một ứng cử viên tiềm năng cho nhiên liệu tương lai của vận tải biển. Các đặc tính của amoniac, so với một nhiên liệu khí khác có thể dùng cho vận tải biển - propan, được trình bày trong Bảng 5.

Bảng 5. Tính chất của amoniac so với propan

Do một số vấn đề với quá trình đốt amoniac trong động cơ diesel, chẳng hạn như tốc độ đốt cháy rất thấp, nhiệt độ tự cháy rất cao và nhiệt trị thấp khá nhỏ, nên cần phải phun một lượng nhỏ nhiên liệu mồi (nhiên liệu lỏng truyền thống là dầu diesel), với mục đích đảm bảo quá trình đốt cháy amoniac có kiểm soát và đúng thời gian. Trong trường hợp đó, phát thải CO₂ ở mức độ nhỏ sẽ xảy ra.

Khái niệm amoniac hai thì là một phần bổ sung cho dòng động cơ MAN B&W ME: ME-LGIP (LPG) để phun propan lỏng và ME-LGIM để phun metanol lỏng. Nhiều vấn đề với amoniac làm nhiên liệu hàng hải đã được giải quyết và một thử nghiệm tích cực trên động cơ hai thì, tốc độ thấp trong phòng thí nghiệm đã được thực hiện. Amoniac thường được lưu trữ ở trạng thái lỏng với nhiệt độ môi trường xung quanh trong các két điều áp ở áp suất trên 8,6 bar (abs) (ở 20⁰C) hoặc ở 17 bar (abs) (ở nhiệt độ trên 20⁰C). Nguy cơ hỏa hoạn của ammoniac thấp do mức cao của giới hạn cháy thấp (LFL). Điều đáng nói là cơ sở hạ tầng để lưu trữ và phân phối amoniac đã tồn tại và có thể được áp dụng càng nhanh càng tốt cho việc cung ứng nhiên liệu cho tàu thủy.

Nhiên liệu khí hàng hải - Động cơ sử dụng hai hoặc ba loại nhiên liệu

Động cơ diesel hàng hải được chế tạo để đốt các loại nhiên liệu hàng hải truyền thống là sản phẩm dầu mỏ. Việc đốt cháy nhiên liệu hỗn hợp chứa nhiên liệu sinh học có thể được thực hiện sau khi hệ thống nhiên liệu động cơ được điều chỉnh. Động cơ sử dụng hai loại nhiên liệu (Dual fuel engine-DF) hoặc ba loại nhiên liệu (Tri fuel engine- TF) là động cơ đã được tối ưu hóa để đốt cháy các loại nhiên liệu khác, chẳng hạn như metan, etan, propan, butan và propylen có nguồn gốc từ các két chứa hàng của bản thân tàu hoặc trong một số trường hợp, trực tiếp từ các két chứa nhiên liệu đặc biệt. Động cơ DF hoặc TF cho phép sử dụng khí bay hơi (boil-off gas - BOG) có nguồn gốc từ khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) hoặc khí dầu mỏ lỏng hóa lỏng (LPG) do bản thân tàu vận chuyển làm nhiên liệu. Nghị quyết MSC.391(95) của IMO đã thông qua Bộ luật Quốc tế về an toàn cho tàu sử dụng khí hoặc nhiên liệu có điểm chớp cháy thấp khác (Bộ luật IGF) vào năm 2015.

Các chủ tàu có sự lựa chọn giữa hai giải pháp động cơ khác nhau cho động cơ hai kỳ, tốc độ thấp đối với tàu chở LNG: MEGI (phun khí áp suất cao), MAN Diesel & Turbo và X-DF (tiếp nhận khí áp suất thấp) của WinGD (trước đây là Wartsila). Hệ thống MEGI hoạt động theo chu trình diesel, còn hệ thống X-DF hoạt động theo chu trình Otto. Cả hai hệ thống đều yêu cầu phun MDO mồi vi mô đồng thời với việc tiếp nhận khí tự nhiên.

Lợi thế về môi trường của khí tự nhiên bởi hệ số nhiên liệu carbon nhỏ hơn (Bảng 1) bị mất đi do sự thoát khí mêtan (methane slip) vào khí quyển. Kết quả là phát thải CO_2e từ giếng khoan đến két chứa nhiên liệu của tàu (the well-to-tank) thường lớn hơn đối với khí tự nhiên. Động cơ diesel DF được chuẩn bị cho quá trình đốt cháy metan có thể được tối ưu hóa để đốt cháy etan. Do đó, có hai khả năng xảy ra đối với các động cơ DF như vậy: đốt cháy nhiên liệu lỏng và metan, hoặc nhiên liệu lỏng và etan trong phạm vi từ 0 đến 100% hỗn hợp bất kỳ trong quá trình động cơ hoạt động lên đến 80% công suất danh định trong quá trình thay đổi nhiên liệu.

Các nhiên liệu LPG khác (propan, butan và propylen) và hỗn hợp của chúng có thể được sử dụng trong động cơ diesel hàng hải sau khi những động cơ nay được điều chỉnh thích ứng trong quá trình chế tạo mới (chỉ dành cho các loại động cơ cụ thể, tức là động cơ ME-LGI loại MAN có bugi đánh lửa hoặc phun nhiên liệu mồi để đánh lửa, hoặc động cơ Wartsila 34SG-LPG chạy bằng khí propan cũng có thể được sử dụng với phun nhiên liệu mồi trong cấu hình DF) theo lựa chọn của chủ tàu hoặc nhà máy đóng tàu. Hệ số nhiên liệu carbon đối với nhiên liệu LPG tương tự như của nhiên liệu hàng hải điển hình và tạo ra sự khác biệt 17% trong phát thải CO₂ do nhiệt trị thấp (LHV) cao hơn so với HFO. Để duy trì biên độ kích nổ an toàn cho tất cả các nhiên liệu khí, số cetan tối thiểu của nhiên liệu được yêu cầu tùy thuộc vào loại nhiên liệu. Việc đốt cháy nhiên liệu khí trong động cơ diesel tàu thủy đáp ứng các yêu cầu của IMO về phát thải Bậc 3 (IMO Tier 3) mà không sử dụng hệ thống làm sạch khử xúc tác chọn lọc (SCR) hoặc tuần hoàn khí thải (EGR).  

Hydro - Nhiên liệu hàng hải của tương lai

Hydro dường như là nhiên liệu tốt nhất cho nhiều mục đích vì chỉ hơi nước được tạo ra do quá trình đốt cháy. Nó có nhiệt trị thấp (LHV) rất cao, lớn hơn khoảng ba lần so với nhiên liệu hàng hải truyền thống. Nhiệt trị cao (HHV) của hydro là 141,8 MJ/kg. Hydro là nhiên liệu mà quá trình đốt cháy cho phép đạt được nhiều nhiệt năng nhất trên 1 kg khối lượng. Hydro có thể được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả quá trình điện phân nước. Vấn đề chính là mật độ thấp của nó ở trạng thái khí cũng như ở trạng thái lỏng. Các tính chất của hydro so với metan được trình bày trong Bảng 6. Có thể thấy rằng nhiệt độ tới hạn rất thấp (-240⁰C, khoảng 33 K) là điều kiện của quá trình hóa lỏng hydro. Việc lưu trữ hydro trong thời gian dài gây ra một số vấn đề nghiêm trọng hơn so với các nhiên liệu khí khác.

Bảng 6. Tính chất của hydro so với metan

Hiện vẫn còn thiếu các công nghệ thích hợp để sử dụng hydro làm nhiên liệu hàng hải (chẳng hạn như về vấn đề vận tốc đốt cháy tối đa). Điều đáng nói là hàm lượng năng lượng của hydro là 8,5 MJ/dm³ (hóa lỏng, -253⁰C) và 2,46 MJ/dm³ (nén, 30 MPa) so với amoniac hóa lỏng, 12,69 MJ/dm³ (hóa lỏng, -33⁰ C). Do nhiều ưu điểm và các vấn đề đối với việc sử dụng hydro dạng khí làm nhiên liệu, người ta đã cố gắng tạo ra hỗn hợp khí có chứa phụ gia hydro với khối lượng lên đến 30%. Một lựa chọn thay thế, được Wartsila đưa ra để sử dụng LPG cho động cơ đẩy, là lắp đặt một thiết bị chuyển hóa khí để biến LPG và hơi nước thành metan trong một hỗn hợp với CO₂ và một số hydro. Loại khí cải tiến này có thể sử dụng cho động cơ khí thông thường hoặc động cơ sử hai nhiên liệu (DF) mà không cần giảm công suất động cơ.

Việc sử dụng hydro trong động cơ nhiệt là một giải pháp trung gian. Mục tiêu bao quát sẽ là việc sử dụng hydro trong pin nhiên liệu.

Các kịch bản về sử dụng nhiên liệu hàng hải

Trong 50 năm qua, các cuộc khủng hoảng nhiên liệu trên thế giới đã xảy ra một vài lần. Giá nhiên liệu hàng hải tăng đã ảnh hưởng đến chi phí kinh tế của hoạt động khai thác tàu. Hiện nay, tỷ trọng chi phí nhiên liệu chiếm khoảng 70% tổng chi phí vận hành. Các chủ tàu bắt đầu sử dụng nhiên liệu rẻ nhất có thể - dầu nhiên liệu nặng. Các quy định của IMO về môi trường đã thay đổi cách tiếp cận đối với việc sử dụng nhiên liệu. Quá trình khử carbon trong nhiên liệu hàng hải bắt đầu từ năm 2020. IMO dự kiến tổng lượng phát thải khí nhà kính từ vận tải biển sẽ giảm ít nhất một nửa vào năm 2050. Một loạt các loại nhiên liệu chuyển tiếp sẽ được sử dụng từ năm 2022 đến năm 2050. Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp vận tải biển và tổ chức đăng kiểm đưa ra các kịch bản khác nhau cho sự đóng góp của các loại nhiên liệu hàng hải khác nhau trong vận tải biển. Trong những năm tới (2022 - 2030), các quy định của IMO sẽ có tác động quyết định đến việc sử dụng các nhiên liệu hàng hải ưa thích được coi là xanh hơn. Hình dưới đây là một ví dụ mô tả dự báo về các thành phần nhiên liệu hàng hải toàn cầu năm 2050 để đáp ứng chiến lược giảm phát thải khí nhà kính của IMO.

Có thể tin tưởng sự phát triển của công nghệ hydro sẽ là bước đột phá trong nhiên liệu vận tải biển sau năm 2050.

Dự báo về các thành phần nhiên liệu hàng hải toàn cầu năm 2050

Loại nhiên liệu hàng hải nào sẽ được sử dụng trong tương lai?

Việc tìm kiếm nhiên liệu hàng hải thay thế sẽ gặp phải một số yêu cầu mâu thuẫn nhau. Hiện nay hoạt động chủ yếu được hướng vào là điều chỉnh động cơ diesel hàng hải để đốt cháy nhiên liệu được coi là sạch về mặt sinh thái, không làm giảm hiệu suất của động cơ, có sẵn với số lượng thích hợp và rẻ tiền.

Một chu trình carbon tự nhiên là cần thiết cho sự sống trên trái đất. Mục tiêu của IMO không phải là "không carbon" mà là giảm và cuối cùng là ngừng chuyển carbon từ nhiên liệu hóa thạch vào chu trình carbon tự nhiên. Hành động của IMO là giảm phát thải khí tự nhiên trong khí quyển để giảm tốc độ gia tăng nồng độ chủ yếu là carbon dioxide. Không có nguyên tử carbon "xanh" hoặc "đen". Vấn đề là sự cân bằng khối lượng của CO₂ trong khí quyển. Quá trình khử carbon không có nghĩa là loại bỏ tất cả các hợp chất carbon khỏi khí quyển mà là giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong vận tải thủy.

Việc giảm tiêu thụ nhiên liệu hàng hải có thể thông qua việc tăng hiệu suất của động cơ diesel và tuabin khí. Hiệu suất của động cơ nhiệt bị giới hạn bởi hiệu suất của chu trình Carnot (tối đa khoảng 70%). Hiệu suất của động cơ diesel dùng cho động cơ tàu thủy được các nhà sản xuất báo cáo đạt giá trị từ 50 ÷ 53%.

Biện pháp chính để khử carbon trong vận tải thủy là sử dụng nhiên liệu có ít hoặc không có hàm lượng carbon. Nhiều đánh giá đang được thực hiện về khả năng các nhiên liệu hàng hải mới tuân thủ các yêu cầu của IMO cũng như tính sẵn có của nhiên liệu, đặc tính của chúng và các công nghệ khả thi. Có vẻ như cần phải loại bỏ việc sử dụng động cơ nhiệt trên tàu thủy để chuyển sang sử dụng pin nhiên liệu và pin điện. Trong trường hợp này, loại nhiên liệu hàng hải của tương lai trong vận tải thủy ít quan trọng hơn. Việc phát triển các công nghệ dựa trên phát điện trực tiếp và lưu trữ điện lâu dài sẽ được quyết định.

Cần phải có một quá trình chuyển đổi khỏi các nhiên liệu hàng hải truyền thống để tăng tỷ trọng của nhiên liệu khí. Trong giai đoạn chuyển tiếp, khí tự nhiên và amoniac sẽ là nhiên liệu thay thế chính. Trong khoảng 20 ÷ 30 năm nữa, kỷ nguyên hydro sẽ đến.

Kết luận

Một trong những biện pháp của IMO là xác định Chỉ số thiết kế hiệu quả năng lượng (EEDI) và Chỉ số khai thác hiệu quả năng lượng (EEOI) của tàu, và sau đó giảm dần lượng phát thải carbon dioxide bằng cách đặt ra các giới hạn phải đáp ứng cho các tàu đóng mới và tàu đang hoạt động. Các nhà thiết kế tàu và chủ tàu nên thực hiện một số biện pháp để đáp ứng các yêu cầu. Đối với nhiều tàu đang hoạt động, nhìn chung sẽ không thể đáp ứng được các yêu cầu quy định, điều này đặt các chủ tàu vào tình thế rất khó khăn khi quyết định nâng cấp hay loại bỏ tàu.

Hiệu suất của pin nhiên liệu đạt 99%. Sự phát triển pin nhiên liệu hydro như một nguồn năng lượng chính là một công nghệ của tương lai. Các vấn đề về tác động tiêu cực đến môi trường sẽ được chuyển từ vận tải thủy sang các nhà máy trên bờ chế tạo pin, sản xuất và lưu trữ hydro.

Động cơ đẩy bằng pin-điện với một máy phát điện bổ sung ở dạng pin nhiên liệu dường như sử dụng hiệu quả nhất năng lượng sơ cấp (amoniac, metanol và hydro). Vận tải thủy sẽ yêu cầu khoảng 25% sản lượng điện bổ sung bắt nguồn từ các nguồn tái tạo từ các nhà máy điện trên bờ.

Các tàu chạy bằng điện thường nhỏ hơn và chủ yếu tham gia vào hoạt động vận chuyển đường biển ngắn ven bờ và thủy nội địa. Công nghệ này hy vọng sẽ sẵn có cho các tàu lớn hơn và các chuyến đi dài hơn.

Vận tải thủy kết nối thế giới bằng cách cung cấp những mặt hàng thiết yếu mà xã hội cần để phát triển mạnh mẽ. Trong khi điều này được thực hiện với lượng phát thải carbon thấp nhất so với bất kỳ phương thức vận tải nào trên mỗi tấn hàng hóa được vận chuyển, vận tải thủy vẫn tạo ra một lượng đáng kể khí nhà kính. Với lượng phát thải carbon ngày càng tăng lên và thời gian đầu tư kéo dài hàng thập kỷ, vận tải thủy không thể chờ đợi được nữa. Để thế giới khử carbon, vận tải thủy phải khử cácbon.

Để phù hợp với nhu cầu của xã hội và để duy trì sự phù hợp với vai trò là một ngành công nghiệp then chốt - bây giờ là lúc phải hành động. Ngành vận tải biển phải đạt mức  cân bằng carbon vào năm 2050 và để đạt được điều đó, tàu không phát thải phải trở thành sự lựa chọn ưu thế và cạnh tranh vào năm 2030, thời điểm mà chúng ta cần đạt được nguồn năng lượng không phát thải chiếm 5% trong vận tải biển quốc tế.