Chỉ số Thiết kế hiệu quả năng lượng và Kế hoạch Quản lý hiệu quả năng lượng của tàu nhằm mục đích tối ưu hóa hiệu quả của bất kỳ loại nhiên liệu nào, trong khi các công ty vận tải biển đang tìm kiếm các loại nhiên liệu thay thế để vừa có hiệu quả năng lượng tốt hơn vừa giảm lượng phát thải, đáp ứng chiến lược ban đầu của Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) về khí nhà kính trong vận tải biển.

Cân nhắc về nhiên liệu thay thế

Một số yếu tố được cân nhắc kỹ lưỡng khi lựa chọn nhiên liệu hàng hải thay thế. Đối với tàu có người vận hành, an toàn là yếu tố quan trọng hàng đầu. Nhiên liệu cần phải an toàn trong sản xuất, vận chuyển, lưu trữ và sử dụng. Các loại nhiên liệu đòi hỏi phải đầu tư lớn về cơ sở hạ tầng để đảm bảo an toàn, phòng ngừa độc hại đối với con người có thể sẽ bị bỏ qua để chuyển sang sử dụng nhiên liệu an toàn hơn.

Tác động môi trường là một vấn đề cần xem xét trong bối cảnh chống biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay. Ngành hàng hải cần giảm thiểu phát thải khí nhà kính và các chất ô nhiễm bao gồm carbon dioxide (CO₂), oxit lưu huỳnh (SOx), oxit nitơ (NOx), mêtan (CH₄) và chất dạng hạt (PM) thường được gọi là bụi mịn. Có những loại nhiên liệu hàng hải giảm thiểu phát thải khi sử dụng trên tàu, nhưng phát thải nhiều ở giai đoạn khác trong vòng đời (ví dụ như trong quá trình sản xuất hoặc lưu trữ, vận chuyển) sẽ không giải quyết được vấn đề chung của toàn thế giới. Nhiên liệu hóa thạch truyền thống tạo ra lượng phát thải lớn khi bị đốt cháy; ngược lại, nhiều loại nhiên liệu thay thế tạo ra lượng phát thải chủ yếu trong quá trình sản xuất hoặc vận chuyển.

Phương pháp sản xuất và tính sẵn có cũng là những vấn đề chính cần được cân nhắc. Nếu nhiên liệu thay thế không kinh tế, khó sản xuất hoặc khó mở rộng quy mô thì chúng khó có thể được áp dụng rộng rãi trong vận tải biển.

Mật độ năng lượng và khối lượng lưu trữ là rất quan trọng liên quan đến hoạt động vận chuyển và bảo quản nhiên liệu. Rất ít loại nhiên liệu có mật độ năng lượng cao, an toàn và dễ bảo quản như dầu diesel; điều này có thể khiến việc giao nhận, vận chuyển và lưu trữ nhiên liệu thay thế trở thành một thách thức lớn cho ngành hàng hải.

Yếu tố quan trọng cuối cùng cần xem xét là liệu các động cơ tàu thủy hiện tại có thể chạy bằng nhiên liệu thay thế hay không. Sửa đổi đối với động cơ là có thể, nhưng thay thế mọi động cơ là không thực tế. Những nhiên liệu thay thế có thể sử dụng cho các động cơ hiện tại có lợi thế rõ ràng so với các loại nhiên liệu yêu cầu phải thiết kế lại động cơ.

Nhiên liệu thay thế có sẵn

Hiện tại có ba nhóm nhiên liệu thay thế: nhiên liệu hóa thạch, nhiên liệu sinh học và nhiên liệu không carbon.

Nhiên liệu hóa thạch

Nhiên liệu hóa thạch là nhiên liệu có nguồn gốc carbon tự nhiên, bao gồm các loại nhiên liệu hàng hải phổ biến nhất đang được sử dụng ngày nay: dầu nhiên liệu nặng (HFO), dầu diesel hàng hải (MDO) và dầu khí hàng hải (MGO). Tuy nhiên, khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) và khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) có lợi thế hơn so với nhiên liệu hàng hải truyền thống.

LNG và LPG không loại bỏ phát thải CO₂, nhưng làm giảm phát thải khá nhiều. Tính sẵn có và cơ sở hạ tầng hiện có mang lại lợi thế cho LNG và LPG so với các giải pháp nhiên liệu khác cho tàu thủy.

Khí tự nhiên hóa lỏng (LNG)

Thành phần chủ yếu của LNG là mêtan (CH₄) với hàm lượng carbon thấp nhất. Điều này có nghĩa là LNG không loại bỏ phát thải CO₂, nhưng có thể làm giảm nhiều khi so sánh với nhiên liệu truyền thống. LNG tạo ra ít carbon dioxide hơn khoảng 25% so với nhiên liệu hàng hải truyền thống, cũng như rất ít SOx và NOx.

Những thách thức chính đối với LNG là vận chuyển, bảo quản và sửa đổi (hoán cải) đối với động cơ cũng như tàu. Ở áp suất khí quyển (1 atmosphere), LNG sôi ở -160°C, vì vậy nó phải được làm lạnh để duy trì ở dạng lỏng. Ngay cả khi không cần sửa đổi hoặc thay thế động cơ, điều này gây ra một vấn đề lớn đối với việc lưu trữ nhiên liệu LNG trên tàu thông thường.

Theo hãng sản xuất máy Wärtsilä, việc chuyển đổi động cơ hiện có để sử dụng LNG khả thi hơn về mặt kinh tế so với việc lắp đặt động cơ mới và trên thực tế, tất cả các tàu đều có thể được chuyển đổi nếu chúng có chỗ cho bồn chứa LNG làm nhiên liệu.

Rò lọt mêtan là vấn đề thứ hai. Khí mêtan gây hại cho môi trường hơn CO₂. Nếu không được ngăn chặn hiệu quả, rò rỉ loại khí này sẽ góp phần vào việc phát thải khí nhà kính. Ngoài ra, LNG có thể đi qua động cơ mà không được đốt cháy - thường được gọi là hiện tượng “trượt” mêtan (methane slip). Đây là  nguồn phát thải khí mêtan đáng kể từ các động cơ sử dụng LNG.

Trong khi các tàu vận chuyển LNG đã sử dụng hàng bay hơi (cargo boil-off) làm nhiên liệu cho chính bản thân tàu từ khá lâu, việc sử dụng LNG làm nhiên liệu hàng hải cho các loại tàu thủy khác đang gia tăng, đặc biệt là trên các tàu du lịch. Các khoản tài trợ gần đây của EU để thúc đẩy việc sử dụng LNG làm nhiên liệu vận tải có thể khiến LNG trở thành một lựa chọn hấp dẫn đối với các chủ tàu và người quản lý tàu. Tuy nhiên, trong một báo mới đây, Ngân hàng Thế giới khuyến nghị các chính phủ cần xem xét lại chính sách hỗ trợ cho việc sử dụng LNG làm nhiên liệu hàng hải, xuất phát từ vấn đề rò lọt và“trượt” mêtan nêu trên.
Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

LPG là hỗn hợp hóa lỏng bất kỳ nào của propan (C₃H₈) và butan (C₄H₁₀) ở dạng lỏng. Bình tích áp duy trì trạng thái lỏng của LPG, đặc điểm này làm cho LPG dễ xử lý hơn LNG. Vì lý do đó, LPG đã được những người tiêu dùng có ý thức về môi trường sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho xe ô tô trong trong nhiều năm.

Trong khi LPG thải ra nhiều CO₂ hơn LNG và yêu cầu phải sửa đổi hoặc thay thế động cơ, nhưng đã có sẵn các cảng cung ứng loại nhiên liệu này trên toàn thế giới. Nếu có thêm cơ sở hạ tầng cung cấp cho tàu thủy làm nhiên liệu, thì LPG có thể là một phần của giải pháp lớn hơn.

Vào tháng 8/2018, Công ty BW LPG đã công bố kế hoạch chuyển đổi 12 tàu vận chuyển LPG của họ sang hệ thống đẩy chạy bằng nhiên liệu LPG.

Nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học là sinh khối được chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng hoặc khí. Nhiên liệu sinh học có thể được sản xuất từ nhiều nguồn và quy trình khác nhau, và chúng thường bắt chước nhiên liệu hóa thạch tự nhiên.

Thách thức với nhiên liệu sinh học là phải đảm bảo rằng chúng không gây ra nhiều vấn đề hơn mức chúng giải quyết. Nhiều nhiên liệu sinh học dựa vào cây lương thực làm nguyên liệu nguồn, điều này có thể dẫn đến các vấn đề về thay đổi sử dụng đất một cách gián tiếp. Nếu cây nhiên liệu sinh học có lợi hơn cây lương thực, thì tình trạng thiếu lương thực có thể xảy ra. Nếu những diện tích đất nông nghiệp rộng lớn chuyển sang trồng một loại cây duy nhất để sản xuất nhiên liệu sinh học, thì việc mất đa dạng sinh học là khó tránh khỏi. Sử dụng các nguồn sinh khối thay thế, chẳng hạn như các sản phẩm phụ của quá trình sản xuất thực phẩm hoặc sinh khối từ biển, có thể tránh được vấn đề này nếu chúng có đủ số lượng. Tuy nhiên, cách tiếp cận này có thể khó mở rộng quy mô.

Trong khi nhiên liệu sinh học có thể cải thiện lượng phát thải carbon và khí nhà kính so với nhiên liệu truyền thống, nhiều loại nhiên liệu sinh học được sản xuất từ ​​cây trồng chủ yếu dựa vào phân bón tổng hợp, thuốc diệt cỏ và thuốc trừ sâu. Điều này có thể dẫn đến ô nhiễm chất dinh dưỡng và trầm tích.

Khí sinh học

Mêtan có thể tạo ra từ hai thành phần là hyđrô và CO₂. Khí tự nhiên mêtan tổng hợp (synthetic methane natural gas - SNG), mêtan sinh học (bio-methane) và khí sinh học lỏng (liquid biogas - LBG) thuộc vào nhóm khí sinh học (biogas). Khí tổng hợp trung tính carbon hoặc mêtan sinh học được sản xuất bằng năng lượng tái tạo là khí trung tính carbon, nhưng giá thành sản xuất đắt hơn.

Vào tháng 6/2020, tàu chở quặng sắt MS Viikki của Hãng ESL đã trở thành tàu đầu tiên ở Phần Lan được cấp nhiên liệu 100% là khí sinh học tái tạo. Khí sinh học được cung cấp bởi Gasum - một công ty đi đầu trong các giải pháp năng lượng bền vững và kinh tế tuần hoàn của Bắc Âu.

Diesel sinh học

Diesel sinh học bao gồm một số sản phẩm có thể được thay thế cho dầu diesel hàng hải (MDO) hoặc dầu khí hàng hải (MGO). Dầu thực vật đã qua xử lý hyđrô (HVO), sinh khối thành chất lỏng (BTL), metyl este của axit béo  (FAME), khí sinh học lỏng (LBG) và dầu thực vật sử dụng trực tiếp (SVO) đều là các dạng diesel sinh học. Dầu thực vật sử dụng trực tiếp (SVO) có thể thay thế HFO mà chỉ cần sửa đổi tối thiểu, thậm chí là không cần sửa đổi đối với động cơ.

Diesel sinh học từ nhiều nguồn khác nhau đang trở nên phổ biến hơn với vai trò là một loại nhiên liệu hàng hải có thể được sử dụng cho các động cơ diesel tiêu chuẩn. Vấn đề ở chỗ việc sản xuất quy mô lớn loại nhiên liệu này là không bền vững bằng các phương pháp hiện tại.

Ngay từ năm 2012, Hãng Maersk và Hải quân Hoa Kỳ đã thử nghiệm  diesel sinh học từ tảo. Những cuộc thử nghiệm gần đây hơn bao gồm tàu chở ô tô Autosky của Hãng UECC và tàu chở dầu Nord Highlander của Hãng Norden. Để tuân thủ quy định ngưỡng lưu huỳnh 0,5% trong dầu nhiên liệu hàng hải của Tổ chức Hàng hải quốc tế từ ngày 01/10/2020 (thường được gọi tắt là IMO 2020), việc pha trộn diesel sinh học với MGO hoặc MDO để giảm hàm lượng lưu huỳnh đang ngày càng phổ biến. Điều này tạo cơ hội cho ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học mở rộng quy mô sản xuất, trong khi các công ty vận tải biển biết được các lựa chọn nhiên liệu sinh học có sẵn.

Rượu (Metanol và Ethanol)

Rượu đã có từ rất lâu trước khi chúng ta bắt đầu sử dụng nó làm nhiên liệu hàng hải. Hai loại rượu hữu ích làm nhiên liệu là metanol (CH₃OH) và etanol (C₂H₅OH). Metanol có hàm lượng carbon thấp nhất và hàm lượng hyđrô cao nhất so với bất kỳ loại nhiên liệu lỏng nào.

Metanol và etanol được sản xuất đơn giản từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm than đá, khí tự nhiên, sinh khối, hoặc thậm chí trực tiếp từ CO₂ và hyđrô. Chúng có các đặc tính tương tự như LNG nhưng dễ xử lý hơn. Việc sửa đổi các động cơ, cơ sở hạ tầng cung ứng nhiên liệu và kho chứa hiện có để có thể sử dụng metanol và etanol làm nhiên liệu cho tàu thủy có chi phí thấp hơn so với việc chuyển đổi động cơ và cơ sở hạ tầng để sử dụng LNG và LPG.

Nhược điểm là rượu có giá thành sản xuất cao hơn LNG và LPG, các cơ sở cung ứng loại nhiên liệu này cho tàu thủy khá hạn chế, đồng thời chúng dễ cháy và độc hại. Do không có cơ sở hạ tầng hiện có để lưu trữ và xử lý nên việc sử dụng rượu nguyên chất làm nhiên liệu tàu thủy sẽ đòi hỏi đầu tư cơ sở hạ tầng rộng lớn.

Năm 2016, Hãng Waterfront Shipping Company Ltd., Mitsui O.S.K. Lines, Ltd., Marinvest/Skagerack Invest và Westfal-Larsen Management đã đặt hàng 7 tàu nhiên liệu kép trọng tải 50.000 tấn có thể chạy bằng metanol, HFO, MDO và MGO. Vào năm 2018, một số công ty trong số đó, cùng với Hãng IINO Kaiun Kaisha, Ltd. và Tập đoàn NYK đã đặt hàng 4 tàu tương tự khác.

Nhiên liệu không carbon

Hyđrô

Hyđrô có thể được sản xuất theo nhiều cách, bao gồm từ khí tự nhiên, điện phân nước và phân hủy amoni. Hiện tại, gần như tất cả hyđrô đều được sản xuất từ khí tự nhiên, điều này đòi hỏi năng lượng điện. Các hình thức phát điện phổ biến giải phóng CO₂. Mặc dù có thể sử dụng năng lượng tái tạo để làm ra điện, nhưng đó là điều cần cân nhắc trong bất kỳ kế hoạch sử dụng hyđrô làm nhiên liệu nào. Ngoài ra, khi phá vỡ khí tự nhiên để tạo ra hyđrô, nó sẽ giải phóng nhiều CO₂ hơn nữa.

Hyđrô có thể được sử dụng trực tiếp dưới dạng khí hóa lỏng, hoặc kết hợp với CO₂ để tạo ra mêtan - được gọi là biến điện thành khí (power-to-gas (PtG)), hoặc kết hợp với CO₂ để tạo ra nhiên liệu lỏng tương tự như diese - được gọi là biến điện thành chất lỏng (power-to-liquid (PtL)). Việc biến điện thành chất lỏng (PtL) và điện thành khí (PtG) được gọi chung là biến điện thành nhiên liệu (power-to-fuel (PtF))

Hyđrô là nhiên liệu không phát thải CO₂. Vấn đề ở chỗ, tùy thuộc vào trạng thái của nó, mật độ năng lượng của hyđrô thấp hơn 4-8 lần so với nhiên liệu truyền thống. Để hóa lỏng hyđrô, nó phải được giữ tại nhiệt độ -253°C ở áp suất khí quyển. Hyđrô rất dễ bắt lửa và bốc cháy với hàm lượng ôxy chỉ là 4% , gây khó khăn cho việc vận chuyển an toàn.

Nếu có thể lưu trữ và vận chuyển hyđrô ở dạng khác, ví dụ như trong khí tự nhiên, nước hoặc amoni, thì sẽ dễ dàng hơn so với vận chuyển hyđrô thô; rồi sau đó nó được chuyển trở lại thành hyđrô trên tàu, thì chúng ta có thể tránh hoặc giảm thiểu một số vấn đề của loại khí này.

Amoniac

Là một loại nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong, amoniac không phát thải CO₂ khi sử dụng. Nó có thể được sử dụng cho cả động cơ đốt trong và pin nhiên liệu, đồng thời dễ bảo quản và vận chuyển hơn so với hyđrô. Amoniac là một trong những loại hóa chất công nghiệp phổ biến nhất, luôn sẵn có; mặc dù hiện tại không có cơ sở hạ tầng cung cấp loại nhiên liệu này cho tàu thủy.

Giống như hầu hết các loại nhiên liệu thay thế, amoniac có mật độ năng lượng thấp hơn nhiều so với các loại dầu nhiên liệu truyền thống. Nó nặng gấp đôi và cần không gian gấp ba lần cho cùng một lượng năng lượng. Amoniac cũng là chất ăn da và độc hại, vì vậy các phương tiện xử lý, vận chuyển và bảo quản cần được điều chỉnh để đảm bảo an toàn. Mặc dù vậy, amoniac không nguy hiểm hơn xăng.

Từ góc độ môi trường, còn một rào cản cần vượt qua: sản xuất amoniac công nghiệp thải ra nhiều CO₂ hơn bất kỳ phản ứng hóa học nào khác. Hiện tại các nhà khoa học đang đạt được tiến bộ đối với các phương pháp sản xuất amoniac sạch hơn.

Các nguồn năng lượng hàng hải thay thế khác

Năng lượng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân là sạch, đáng tin cậy, và tàu có khả năng hoạt động trong thời gian dài mà không cần tiếp nhiên liệu. Điều này rất hữu ích ở các vùng  xa xôi. Các tàu phá băng chạy bằng năng lượng hạt nhân của Nga được hưởng lợi từ những lợi thế đó, mang lại cho họ ưu thế rõ ràng ở  Bắc Cực. Để bù đắp điều này, Lực lượng Bảo vệ bờ biển Hoa Kỳ đang lên kế hoạch cho một thế hệ tàu phá băng chạy bằng năng lượng hạt nhân mới.

Những thách thức trong việc xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng và yêu cầu đào tạo thuyền viên, nên chỉ có các chính phủ đang theo đuổi năng lượng hạt nhân như một giải pháp thay thế nhiên liệu khả thi cho tàu thủy.

Hệ thống pin nhiên liệu

Trong pin nhiên liệu, nguồn cung cấp nhiên liệu liên tục và chất oxy hóa gặp nhau, tạo phản ứng và sản xuất ra điện và nhiệt. Tùy thuộc vào loại pin nhiên liệu, chúng có thể có hiệu suất khoảng 60%. So với động cơ đốt trong, chúng hoạt động êm, mát và không rung động.

Các tàu ngầm của Đức, Hy Lạp và Mỹ sử dụng pin nhiên liệu hyđrô, đã được chứng minh là đáng tin cậy. Tuy nhiên, pin nhiên liệu amoniac đang ngày càng phổ biến. Đầu năm 2020, Hãng Equinor công bố kế hoạch chuyển đổi tàu cung ứng ngoài khơi sử dụng nhiên liệu LNG mang tên Viking Energy sang chạy bằng pin nhiên liệu amoniac. Dự án do Liên minh châu Âu (EU) tài trợ này sẽ được hoàn thành vào năm 2024, với kế hoạch thử nghiệm pin nhiên liệu trên các hành trình dài của tàu, và hy vọng  amoniac sẽ đáp ứng được 60 đến 70% nhu cầu năng lượng trên tàu. Phần năng lượng điện còn lại sẽ do LNG cung cấp.

Năng lượng gió

Năng lượng gió đang nổi lên như một đối thủ tiềm năng trong cuộc đua phát triển các giải pháp bền vững mới nhằm giải quyết các mối quan tâm về môi trường và giảm phát thải từ ngành vận tải biển. Đầu năm 2021, 3 chương trình năng lượng gió sử dụng cho tàu biển đã được xúc tiến, trong khi Hiệp hội Tàu chạy bằng gió quốc tế (IWSA) công bố sáng kiến ​​mới nhằm đẩy nhanh việc áp dụng các phương pháp đẩy tàu thay thế hỗn hợp. Hiệp hội này đang tìm kiếm các giải pháp kết hợp sức gió, nhiên liệu thay thế và các biện pháp hiệu quả năng lượng để đạt được sự khử carbon có thể đo lường của ngành vận tải biển toàn cầu.

Theo IWSA, hiện có 11 tàu viễn dương lớn  đã được lắp đặt hệ thống hỗ trợ đẩy bằng gió. Ngoài ra, có hơn 20 tàu chở hàng nhỏ hơn sử dụng công nghệ đẩy bằng sức gió và các du thuyền được hỗ trợ bằng buồm. Đến năm 2023, IWSA dự kiến ​​sẽ có hơn 40 tàu lớn được trang bị hệ thống đẩy bằng gió đi vào hoạt động.

Hệ thống đẩy tàu được hỗ trợ bằng sức gió Oceanwings 3.6.3 do Công ty AYRO của Pháp phát triển là một trong số các công nghệ mới đang được xúc tiến. Hệ thống Oceanwings 3.6.3 cho phép tận dụng năng lượng gió để cải thiện sự cân bằng năng lượng của các tàu riêng lẻ và cả đội tàu, do đó giảm đáng kể lượng phát thải carbon. Hệ thống đẩy gió là bao gồm cánh buồm hai phần rộng 363 mét vuông, được lắp đặt trên tàu để hỗ trợ việc đẩy tàu. Công ty AYRO hiện đang sản xuất 4 hệ thống Oceanwing 3.6.3 để lắp trên tàu Canopée chở roro đang được đóng mới tại Nhà máy đóng tàu biển Neptune. Tàu này sẽ được đưa vào hoạt động vào cuối năm 2022 để vận chuyển các cấu kiện của chương trình tên lửa Ariane 6 đang được phát triển cho Cơ quan Vũ trụ châu Âu.

Nhìn về phía trước

Cho đến nay, không có loại nhiên liệu thay thế nào sẵn sàng thay thế tất cả các loại nhiên liệu hàng hải truyền thống trong toàn ngành hàng hải. Mặc dù vậy, ngành hàng hải thế giới đang tập hợp một số giải pháp. Các  tàu có thể sử dụng từ hai loại nhiên liệu trở lên đang ngày càng phổ biến. Những tàu này có thể chạy bằng dầu nhiên liệu truyền thống, nhiên liệu sinh học và một hoặc nhiều lựa chọn nhiên liệu khác.

Vì chúng ta chưa biết giải pháp nhiên liệu thay thế nào sẽ mang lại lợi ích hơn, nên các tàu sử dụng đa nhiên liệu mang lại sự linh hoạt để tận dụng những chuyển dịch kinh tế và công nghệ trong tương lai.

ThS. Nguyễn Vũ Hải