Làm thế nào tàu có thể chuyển đổi sang hệ thống động cơ đẩy không phát thải?

Ngày nay, động cơ đẩy tàu không phát thải có thể đạt được thông qua pin-điện cho các tuyến đường ngắn và pin nhiên liệu hydro xanh để vận chuyển dưới biển sâu

Quá trình chuyển đổi không phải là sự hoán đổi công nghệ đơn lẻ mà là sự tái thiết kế mang tính hệ thống. Đối với tàu dưới 200 hải lý, cung cấp hệ thống ắc quy điện có sạc ven bờ Hiệu suất đánh thức tốt 92-96% . Đối với tàu biển, hydro lỏng (LH2) kết hợp với pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) cung cấp giải pháp không carbon duy nhất có thể mở rộng, đạt được không phát thải CO2, SOx hoặc PM . Tuy nhiên, LH2 yêu cầu thể tích thùng chứa lớn hơn 3,7 lần so với dầu khí hàng hải (MGO) để có cùng hàm lượng năng lượng, buộc phải thiết kế lại hoàn toàn hệ thống lưu trữ và xử lý nhiên liệu.

Không có nhiên liệu không phát thải "thả vào" nào tồn tại. Con đường thực tế kết hợp metanol xanh (đã được sử dụng trên các tàu 16.200 TEU của Maersk) và amoniac (được Fortescue nhắm đến vào năm 2026) làm chất mang hydro, nhưng những chất này vẫn tạo ra NOx hoặc N2O trong ống xả trừ khi kết hợp với quá trình khử xúc tác chọn lọc. Động cơ đẩy không phát thải hoàn thiện nhất dành cho các tàu gần bờ vẫn chạy hoàn toàn bằng điện, với Yara Birkeland của Na Uy thể hiện 120 hải lý mỗi lần sạc ở tốc độ 6,5 hải lý.

Thiết bị phụ trợ và công nghệ cần thiết để sản xuất hydro lỏng (LH2) làm nhiên liệu hàng hải

Việc sử dụng LH2 đòi hỏi một hệ sinh thái từ nhiên liệu đến động cơ đẩy hoàn chỉnh ngoài pin nhiên liệu. Sáu hệ thống con quan trọng là bắt buộc để vận hành an toàn và hiệu quả:

• Bể đông lạnh có vỏ bọc chân không – Duy trì LH2 ở -253°C. Tỷ lệ đun sôi phải dưới 0,2%/ngày; xe tăng IMO Type C hiện tại đạt 0,1-0,15%.
• Hệ thống thu hồi năng lượng lạnh – Sử dụng năng lượng đông lạnh của LH2 (khoảng 1,2 kWh/kg) để điều hòa không khí hoặc làm lạnh sơ bộ hàng hóa, nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống thêm 12-18%.
• Cột thông gió hai vách, kín khí – Thiết kế phát hiện và phân tán rò rỉ; Tốc độ ngọn lửa của hydro (2,7 m/s) yêu cầu vùng chống cháy nổ được xếp hạng IECEx/ATEX Vùng 1.
• Bơm đông lạnh áp suất cao (lên đến 700 bar) – Cung cấp LH2 cho máy hóa hơi; tốc độ dòng chảy 500-2000 kg/h là điển hình cho động cơ đẩy 10 MW.
• Khóa liên động an toàn và đầu báo ngọn lửa hydro – Thời gian phản hồi dưới 3 giây; yêu cầu cảm biến tia cực tím/hồng ngoại (UV/IR) theo tiêu chuẩn IEC 60079-29.
• Quản lý khí sôi (BOG) – Tái hóa lỏng (năng lượng phạt 8-10%) hoặc cấp trực tiếp vào pin nhiên liệu phụ. Đối với những chuyến đi dài, BOG phải được đốt hoặc ngưng tụ lại sau mỗi 48-72 giờ .

Nâng cấp thiết bị chạy bằng diesel hiện có để đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường: lộ trình trang bị thêm thiết thực

Động cơ diesel hiện tại không bị loại bỏ. Ba cấp trang bị thêm cho phép tuân thủ các tiêu chuẩn IMO Cấp III và EPA 2027 với mức chi phí thay thế là 30-60%. Để giảm NOx, hệ thống khử xúc tác chọn lọc (SCR) đạt mức giảm 85-95%, đưa động cơ thế hệ 2000 từ 14 g/kWh xuống < 2 g/kWh. Đối với SOx, máy lọc vòng kín loại bỏ 98% SO2, nhưng yêu cầu xử lý xút và bùn – máy lọc vòng hở bị cấm ở 80 cảng trên toàn cầu kể từ năm 2025.

Đối với chất dạng hạt (PM), bộ lọc hạt diesel (DPF) với hoạt động tái sinh tích cực chỉ hoạt động trên động cơ có nhiên liệu lưu huỳnh <0,5%; nếu không, chất xúc tác sinh ra từ nhiên liệu (FBC) kết hợp với nhũ tương nước trong nhiên liệu làm giảm PM 50-60%. Một ví dụ cụ thể: Stena Line trang bị thêm 12 tàu RoPax với SCR DPF đã giảm NOx từ 12,4 xuống 1,8 g/kWh và PM tới 92%, với chi phí 850.000 € mỗi động cơ – 38% lắp đặt động cơ nhiên liệu kép mới .

• Hệ thống điều khiển động cơ phản xạ – Điều chỉnh thời điểm phun để giảm sự hình thành NOx (thường làm chậm lại góc quay 2-4°).
• Trang bị thêm thời gian van biến thiên (VVT) – Giảm nhiệt độ đỉnh của quá trình cháy, giảm NOx từ 15-20% mà không cần xử lý sau.
• Nâng cấp đường sắt chung áp suất cao – Cho phép phun nhiều phi công, giảm 30% tiếng ồn và NOx đồng thời giảm mức tiêu thụ nhiên liệu 5-7%.

Tuy nhiên, động cơ cũ hơn 25 năm phải đối mặt với lợi nhuận giảm dần. Động cơ tốc độ trung bình năm 1995 sau khi trang bị thêm SCR vẫn có mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn 8% so với đường cơ sở năm 2020, do đó, có thể áp dụng các giới hạn vận hành (ví dụ: tải tối đa 60%) để đáp ứng giới hạn phát thải mà không tiêu thụ quá nhiều urê.

Tối ưu hóa hệ thống đẩy tàu để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu: các biện pháp can thiệp đã được chứng minh

Giảm tiêu thụ nhiên liệu là một danh mục các biện pháp thân tàu, cánh quạt, động cơ và vận hành. Hành động hiệu quả nhất là giảm tốc độ: giảm tốc độ từ 24 hải lý/giờ xuống 18 hải lý/giờ sẽ cắt giảm 58% công suất cần thiết (vì công suất ∝ tốc độ³). Đối với tàu container 14.000 TEU, điều này giúp tiết kiệm 80-100 tấn nhiên liệu mỗi ngày – trị giá 64.000 USD/ngày ở mức 800 USD/tấn VLSFO.

Ngoài tốc độ, năm trang bị thêm còn cung cấp thời gian hoàn vốn dưới 3 năm:

1. Vây nắp trùm cánh quạt (PBCF) – Giảm tổn thất xoáy trục bánh xe từ 2-4%, tiết kiệm nhiên liệu; giá ~ 20.000 USD mỗi cánh quạt.
2. Stator trước xoáy hoặc ống dẫn cân bằng dòng xoáy – Cải thiện lượng nước vào chân vịt; mức tiết kiệm thông thường là 4-7% (ví dụ: ống dẫn Mewis của Mitsubishi).
3. Hệ thống bôi trơn bằng không khí (ALS) – Bơm bọt khí vào dưới thân tàu; tiết kiệm 5-12% ở tốc độ thiết kế . Silverstream Technologies báo cáo mức trung bình 8,5% trên 25 tàu.
4. Đổi mới lớp phủ thân tàu bằng silicone chống hôi – Giảm độ nhám từ 150 µm xuống 30 µm; tiết kiệm 6-10% nhiên liệu. Nộp đơn 60 tháng một lần.
5. Phần mềm tối ưu hóa cắt – Cắt động theo thời gian thực giúp giảm lực cản từ 2-5%; hoàn vốn thường xuyên <6 tháng.

Tối ưu hóa phía động cơ bao gồm Thu hồi nhiệt thải (WHR) sử dụng chu trình Rankine hữu cơ (ORC) – thu hồi 8-12% năng lượng thải – và giảm giá trị (giới hạn công suất tối đa bằng điện tử) để vận hành động cơ ở mức tải hiệu quả nhất (thường là 75-85% mức danh định). Một nghiên cứu năm 2023 trên 50 hãng vận tải hàng rời cho thấy rằng việc kết hợp ALS, PBCF, tối ưu hóa cắt giảm và giảm định mức 15% đã mang lại hiệu quả tổng tiết kiệm nhiên liệu 24-31% mà không cần thay đổi động cơ chính .

Tiêu chuẩn khí thải đối với thiết bị xử lý hàng hóa tại cảng được quy định như thế nào

Thiết bị xử lý hàng hóa tại cảng (CHE) – máy kéo bãi, máy nâng tầm cao, giàn bánh lốp cao su (RTG) và xe nâng hàng – thuộc diện máy móc di động không đường bộ (NRMM) quy định, không phải quy định hàng hải của IMO. Ở EU, Giai đoạn V (Quy định (EU) 2016/1628) áp dụng từ năm 2019, giới hạn PM ở mức 0,015 g/kWh và NOx ở mức 0,67 g/kWh đối với động cơ >56 kW. Ở Mỹ, Chung kết cấp 4 của EPA (40 CFR Phần 1039) yêu cầu PM ≤0,02 g/kWh và NOx ≤0,67 g/kWh đối với động cơ ≥56 kW, việc thực hiện hoàn toàn có hiệu lực từ năm 2015.

Tuy nhiên, các cảng đang ngày càng áp dụng quy định về “cảng xanh” của địa phương vượt xa tiêu chuẩn quốc gia. Ví dụ, Kế hoạch hành động không khí sạch (CAAP) của Cảng Los Angeles yêu cầu CHE không phát thải 100% vào năm 2030 – buộc các nhà vận hành phải chuyển sang sử dụng các đơn vị pin nhiên liệu hydro hoặc pin điện. Tính đến năm 2025, 42% RTG tại POLA là điện, có hệ thống cần truyền điện hoặc cuộn cáp. Ban Tài nguyên Không khí California (CARB) thực thi những điều này thông qua báo cáo hoạt động hàng tháng và viễn thông trên tàu , với mức phạt lên tới 10.000 USD mỗi ngày cho mỗi đơn vị không tuân thủ.

Đối với động cơ diesel CHE hiện tại, lộ trình tuân thủ bao gồm: thay thế động cơ với đơn vị được chứng nhận Giai đoạn V/Cấp 4 (chi phí $30.000-$80.000), trang bị thêm với DOC DPF (bộ lọc hạt xúc tác oxy hóa diesel) đạt được mức giảm 90% PM, hoặc cung cấp năng lượng cho điện lithium-ion – có chi phí trả trước cao hơn ($150.000 cho chuyển đổi xe nâng) nhưng giảm chi phí vận hành xuống 70% do sử dụng điện so với dầu diesel. Chính quyền cảng thường cung cấp ưu đãi thiết bị phát thải thấp : ví dụ: chương trình A-Sub của Cảng Rotterdam cung cấp 40% đồng tài trợ cho việc trang bị thêm CHE không phát thải.