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