Hệ thống bôi trơn không khí của tàu: Tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải

Trong thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 21, Hãng Mitsubishi của Nhật Bản đã công bố về hệ thống bôi trơn không khí (Air Lubrication System), là một trong những công nghệ tiết kiệm năng lượng cho tàu thủy. Hệ thống bôi trơn không khí của Mitsubishi là hệ thống đầu tiên thuộc loại hình này đưa ra nhiều hứa hẹn về tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải từ tàu.

Ngành công nghiệp vận tải biển đã sớm nhận ra tiềm năng của công nghệ bôi trơn không khí, và ngay sau đó, các công ty lớn như Tập đoàn NYK và Tập đoàn đóng tàu Damen đã giới thiệu nghiên cứu và thử nghiệm của riêng họ.

Theo đánh giá của các tổ chức đăng kiểm quốc tế, hệ thống bôi trơn không khí là một trong những công nghệ đầy hứa hẹn sẽ giúp tàu nâng cao hiệu quả và giảm tổn thất năng lượng.

Phà biển Naminoue dài 145 m của Nhật Bản được trang bị hệ thống bôi trơn không khí của Mitsubishi từ năm 2012

Hệ thống bôi trơn không khí

 

Công nghệ sử dụng hệ thống bôi trơn không khí là phương pháp làm giảm lực cản giữa thân tàu và nước biển bằng bọt khí. Sự phân bố bọt khí trên bề mặt thân tàu làm giảm lực cản tác dụng lên thân tàu, tạo ra hiệu quả tiết kiệm năng lượng. Với thiết kế thân tàu phù hợp, hệ thống bôi trơn không khí dự kiến ​​sẽ giảm từ 10 - 15% lượng phát thải CO2 và cùng với đó là tiết kiệm đáng kể nhiên liệu của tàu.

Hệ thống bôi trơn không khí

Hoạt động của hệ thống bôi trơn không khí

Hệ thống bôi trơn không khí hoạt động trên nguyên tắc đơn giản là giữ một lớp bọt khí bên dưới thân tàu. Máy thổi khí hoặc hệ thống chuyên dụng được sử dụng để tạo ra các bọt khí đi qua liên tục bên dưới bề mặt thân tàu. Các cửa xả bọt khí được bố trí ở các vị trí khác nhau dọc theo đáy tàu, đối xứng hai bên đường tâm tàu.

Không khí được thổi với tốc độ không đổi tạo thành lớp bong bóng, làm giảm ma sát và lực cản giữa thân tàu và nước biển.

Hệ thống bổ sung liên tục các bọt khí bị mất đảm bảo lớp bọt khí đồng nhất được duy trì bên dưới thân tàu và tạo ra hiệu quả mong muốn.

Một số vấn đề quan tâm đối với hệ thống bôi trơn không khí

Mặc dù là một công nghệ đầy hứa hẹn, hệ thống bôi trơn không khí có một số vấn đề cần quan tâm liên quan đến việc triển khai và hoạt động của nó trên tàu, đó là:

 

• Hệ thống bôi trơn không khí cho đến nay chỉ có thể được sử dụng cho một số loại tàu có đáy phẳng. Các tàu có mặt cắt nganh hình chữ V, chẳng hạn như một số tàu chiến hoặc tàu giải trí, có thể không tận dụng được lợi ích của hệ thống bôi trơn bằng không khí.

Lớp bọt khí được liên tục duy trì dưới đáy tàu

• Để giữ lớp bọt khí bên dưới thân tàu là một nhiệm vụ rất khó khăn. Mặc dù các giải pháp như lắp dặt gờ nhô ra ở các cạnh của thân tàu có thể giúp giữ lớp bọt khí, nhưng tác dụng hút của chân vịt đối với các bọt khí là trở ngại lớn. Một giải pháp khác là thiết kế đuôi tàu hoặc thân tàu sao cho nó giữ được các bọt khí bên dưới thân tàu. Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng đáng kể giá thành đóng mới của tàu.

• Vấn đề lo ngại khác là các lỗ hổng được tạo ra để bẫy bọt khí có thể sẽ ảnh hưởng đến việc vận hành và ổn định của tàu trên biển. Nếu đúng như vậy, điều này có thể gây khó khăn cho tàu và thuyền viên, đặc biệt là khi biển động.

• Các bọt khí rời khỏi bề mặt thân tàu sẽ chảy vào chân vịt của tàu. Điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả, độ ồn và chấn động của chân vịt. Mặc dù theo các thí nghiệm do Mitsubishi thực hiện, bọt khí có ảnh hưởng không đáng kể đến chân vịt, nhưng khi biển động và sự thay đổi mật độ chất lỏng có thể tạo ra kết quả không thuận lợi.

• Để đạt được hiệu quả mong muốn, điều quan trọng là các bọt khí phải có kích thước đồng đều và được phân bố đều bên dưới bề mặt thân tàu. Hơn nữa, sự thay đổi đường kính bọt khí sẽ ảnh hưởng đáng kể đến sự phân bố bọt khí bên dưới thân tàu. Đo đó, cần thiết phải có sự bố trí để đảm bảo rằng các bọt khí có cùng đường kính (nếu có thể) và được phân bố phù hợp bên dưới thân tàu.

Theo như công bố của Mitsubishi, cùng với thân tàu hiệu suất cao, tàu container được trang bị hệ thống bôi trơn bằng không khí của hãng này có thể giảm phát thải CO2 tới 35% so với tàu container thông thường. Các phát hiện gần đây cũng đã ủng hộ tuyên bố này và khẳng định có thể tiết kiệm nhiên liệu đáng kể, đi đôi với với việc giảm lượng phát thải các-bon thông qua hệ thống bôi trơn không khi khi kết hợp với các công nghệ tàu xanh đầy hứa hẹn khác.

Hệ thống bôi trơn không khí hiện là một công nghệ đã được chứng minh là mang lại những lợi ích như giảm lượng phát thải các-bon và tiết kiệm nhiên liệu cho tàu biển. Với giá nhiên liệu tăng và áp lực ngày càng tăng để làm cho tàu xanh hơn, các công ty vận tải biển hiện đang triển khai các công nghệ đầy hứa hẹn giúp họ giảm lượng phát thải các-bon theo các quy định và chiến lược của Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) về cắt giảm khí nhà kính trong ngành hàng hải.

 

IMO đã đề cập đến hệ thống bôi trơn không khí trong Thông tư MEPC.1/Circ.815 ngày 17/6/2013 ban hành “Hướng dẫn năm 2013 về xử lý các công nghệ hiệu quả năng lượng có tính đổi mới để tính và xác minh chỉ số thiết kế hiệu quả năng lượng đạt được (EEDI)”, đưa ra phương pháp tính EEDI đối với tàu được trang bị hệ thống bôi trơn không khí theo sơ đồ dưới đây.

Sơ đồ hệ thống bôi trơn không khí theo Thông tư MEPC.1/Circ.815 của IMO

Dự án thí điểm bôi trơn không khí trên siêu tàu chở quặng

 

Siêu tàu chở quặng đầu tiên được trang bị hệ thống bôi trơn bằng không khí đã hoàn thành chuyến đi đầu tiên như một phần của chương trình thử nghiệm nhằm khám phá các lợi ích tiết kiệm nhiên liệu của công nghệ này. Đây là một phần trong dự án mới nhất mà công ty khai thác mỏ khổng lồ Vale của Brazil đang tiến hành để nâng cao hoạt động và hiệu suất môi trường cho đội tàu của mình.

Tàu Sea Victoria được trang bị hệ thống bôi trơn bằng không khí cập cảng tại Brazil ngày 18/8/2021

Hệ thống bôi trơn không khí đã được lắp đặt trên siêu tàu chở quặng trọng tải 324.268 tấn mang tên Sea Victoria vừa hoàn thành đóng mới. Tàu được hãng đóng tàu Trung Quốc New Times Shipbuilding đóng mới tại xưởng  Yiu Lian Dockyards (Thâm Quyến) cho chủ tàu Hàn Quốc Pan Ocean. Tàu Sea Victoria đã đến cảng Ponta da Madeira tại São Luís (Brazil) vào ngày 18/8/2021 và đang sẵn sàng cho chuyến hành trình chở hàng quặng đầu tiên đến Trung Quốc.

Mặc dù công nghệ bôi trơn bằng không khí đã được trang bị trên các loại tàu khác, bao gồm một số tàu du lịch lớn, nhưng đây là lần đầu tiên nó được áp dụng cho một siêu tàu tàu chở quặng (Very Large Ore Carrier - VLOC). Mười máy nén khí được lắp đặt bên dưới boong tàu đưa không khí đến 20 thiết bị bố trí bên dưới tàu, tạo ra một thảm bong bóng. Hệ thống này làm giảm ma sát giữa thân tàu và nước, giảm tiêu thụ nhiên liệu và do đó, giúp hãng Vale giảm hơn nữa khí nhà kính phát thải từ tàu.

Việc trang bị công nghệ này, do nhà sản xuất Silverstream của Vương quốc Anh cung cấp, là một phần của dự án trong lĩnh vực hàng hải do hãng Vale phát triển, với sự hợp tác của Viện Công nghệ Vale. Hãng Vale và nhà máy đóng tàu đã làm việc với Viện Nghiên cứu thiết kế tàu Thượng Hải (SDARI), Trung Quốc, là đơn vị chịu trách nhiệm thiết kế tàu và tích hợp công nghệ bôi trơn không khí. Hệ thống tạo bọt khí lắp đặt cho tàu Sea Victoria được kỳ vọng làm giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu từ 5 - 8%. Như vậy, trong một năm tàu có thể giảm phát thải tới 5600 tấn CO2.

Việc áp dụng bôi trơn không khí là một phần của vận tải biển sinh thái (Ecoshipping) - một chương trình do hãng Vale tạo ra để đáp ứng thách thức giảm lượng phát thải thải các-bon. Năm ngoái, hãng này thông báo kế hạch của họ về trung hòa lượng phát thải trực tiếp và gián tiếp vào năm 2050, với mục tiêu ban đầu giảm 15% lượng phát thải vào năm 2035.

Tàu Sea Zhoushan với trang bị buồm đang được đóng mới tại Trung Quốc

Ngoài dự án thử nghiệm bôi trơn bằng không khí, hãng Vale cũng đang trong quá trình thử nghiệm tàu ​​chở quặng đầu tiên trên thế giới được trang bị buồm với tàu Sea Zhoushan trọng tải 325.000 tấn đang được đóng mới tại Trung Quốc. Tàu có 5 buồm được phân bổ dọc theo tàu với kỳ vọng tăng tăng hiệu quả năng lượng lên tới 8%, giảm lượng phát thải CO2 mỗi năm khoảng 3.400 tấn.

ThS.Nguyễn Vũ Hải