Thách thức lớn nhất là không thể tìm ra biện pháp hạn chế mọi tác động của việc giảm phát thải khí nhà kính có tính thực tiễn cao. Thay vào đó, các cơ hội có sẵn và các xu hướng hiện tại bao gồm: Thay thế nhiện liệu truyền thống quy mô lớn, tăng cường chuyển đổi số và sử dụng năng lượng tái tạo cho tàu biển. Các phương tiện truyền thông đang quảng bá ứng dụng của pin năng lượng mặt trời, nhiên liệu Hydro sử dụng cho tàu biển. Tuy nhiên, giá cả và khả năng ứng dụng thương mại cho dạng năng lượng thay thế này đang là thách thức lớn.

Theo các nhà sản xuất động cơ tàu thủy, việc cân nhắc tính cấp bách và khả năng ứng dụng thực tế thì việc sử dụng khí đốt tự nhiên hóa lỏng – LNG thay thế cho các nhiên liệu truyền thống sẽ là sự lựa chọn tối ưn đối với mục tiêu giảm phát thải GHG đặt ra tới năm 2050.

Công nghệ chế tạo động cơ tàu thủy sẽ quyết định lộ trình thực tế cho mục tiêu giảm phát thải GHG. Lưu đồ thứ tự phát triển công nghệ chế tạo động cơ tàu thủy trong tương lai đáp ứng yêu cầu giảm phát thải GHG vào năm 2050 chủ yếu là công nghệ sử dụng nhiên liệu thay thế loại truyền thống: LNG → bio – LNG (LNG sinh học) → LNG tổng hợp. Phát triển công nghệ chế tạo động cơ theo thứ tự và lưu đồ trên sẽ cho phép sử dụng tối đa các hạ tầng kỹ thuật hiện có, cũng như các hạ tầng kỹ thuật đầu tư trong tương lai.

Chi phí ước tính cho LNG tổng hợp vào năm 2030 sẽ ngang bằng hoặc thấp hơn các loại nhiên liệu thay thế khác. Đến thập niên 30 của thế kỷ 21, tổng hợp kinh nghiệm hơn một thập kỷ sử dụng LNG thì nhiên liệu này sẽ trở nên phổ biến, an toàn và tin cậy hơn nhiều so với hiện nay. Thông thường các loại nhiên liệu hàng hải sẽ mất khoảng 10 – 20 năm để phát triển mạng lưới hạ tầng cơ sở sản xuất, tồn trữ và phân phối.

Bất kể tính năng ưu việt của loại nhiên liệu thay thế trong tương lai, động cơ đốt trong vẫn duy trì khả năng linh hoạt để đốt cháy hầu hết các chất dễ cháy. Trường hợp thay thế LNG cho động cơ đốt trong tàu thủy sẽ giảm 20 – 25% lượng khí thải GHG so với động cơ Diesel. Nguy cơ rò rỉ khí Mê tal trong quá trình sản xuất và sử dụng LNG là một trở ngại ảnh hưởng tới mục tiêu giảm khí nhà kính – GHG. Để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực này, các nhà chế tạo động cơ đã cam kết và ứng dụng nhiều tiến bộ kỹ thuật trong quá trình chế tạo, lắp đặt và vận hành an toàn động cơ tàu thủy sử dụng LNG.

Xu thế tương lai

Những nỗ lực gần đây của ngành hàng hải đã giảm thành công Nox, Sox và bụi khói từ động cơ tàu thủy trên khắp toàn cầu. Đây chính là kết quả tuân thủ các quy định về giảm phát thải liên tục và ngày càng nghiêm ngặt của Tổ chức Hàng hải thế giới bắt đầu từ những năm 1990.

Chúng ta đều biết, khí nhà kính – GHG là nguồn gốc của hiện tượng nóng lên toàn cầu có ảnh hưởng tiêu cực đến sinh quyển sống trên trái đất. Cho đến nay chưa có giải pháp công nghiệp quy mô lớn để giải quyết vấn đề khí thải. Tuy nhiên trong tiềm năng dài hạn có bốn xu hướng công nghệ có thể giúp giảm thiểu biến đối khí hậu, như sau:

• Nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống dùng cho động cơ đốt trong.
• Động cơ điện sử dụng pin áp dụng cho các lại tàu nhỏ, tuyến ngắn.
• Động cơ sử dụng Hydro và pin năng lượng Hydro.
• Tối ưu hóa hoạt động của tàu thông qua chuyển đổi số.

Sau đây chúng ta sẽ phân tích kỹ hơn về bốn xu hướng công nghệ nói trên.

Thay thế nhiên liệu cho động cơ đốt trong

Chúng ta đều biết hầu hết các động cơ đốt trong trên thế giới hiện nay đang sử dụng các sản phẩm sau chế biến từ nguồn hóa thạch làm nhiên liệu, như xăng, diesel, FO…

Đối với nhiên liệu sinh học điều quan trong nhất là khả năng cung cấp bền vững và khả năng sinh nhiệt. Vì khi phát triển một loại nhiên liệu thay thế trên quy mô lớn kéo theo đầu tư hoàn chỉnh chuỗi cung ứng đáp ứng nhu cầu trong tương lai.

Nhiên liệu Bio – LNG có lợi thế lớn vì có thể sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu thô khác nhau, từ chất thải của ngành chăn nuôi, từ nước thải, từ phụ phẩm lâm nghiệp và nhiều chất thải khác.

Động cơ điện – pin năng lượng

Hiện nay, có rất nhiều thách thức trong phát triển công nghệ pin. Thứ nhất, năng lực và chi phí chưa ở mức khả thi áp dụng cho ngành hàng hải. Vào năm 2018, con tàu hàng chạy điện hoàn toàn đầu tiên trên thế giới đã đưa vào sử dụng tại Trung Quốc. Nó có tầm hoạt động 80 km sau 2 giờ sạc pin. Ví dụ này chứng minh việc dùng pin cung cấp năng lượng cho các tàu lớn hiện nay chưa phù hợp và chỉ hạn chế ứng dụng cho các tàu kéo cảng và phà tuyến ngắn. Chúng tôi tin rằng điều này sẽ vẫn đúng trong tương lai gần, có nghĩa là hoạt động vận tải biển viễn dương sẽ chiếm phần lớn dư địa giảm phát thải khí GHG đối với ngành hàng hải.

Thứ hai, công tác sạc pin tốn thời gian, nguồn năng lượng cung cấp cao và hạn chế hạ tầng kỹ thuật sẵn sàng cho việc sạc pin đối với hoạt động hàng hải. Mặt khác, khí thải trong quá trình sản xuất năng lượng để sạc pin phải được ghi nhận vào lượng khí thải do vận hành tàu. Do vậy, chỉ có lượng điện dùng sạc pin sản xuất từ nguồn năng lượng tái tạo mới được ghi nhận giảm phát thải theo đúng thực chất.

Cuối cùng, những vật liệu được sử dụng để sản xuất pin là kim loại quý – hiếm. Trong đó kim loại Cô ban là thành phần không thể thiếu của pin Lithium – ion đang được coi là “vàng mới”. Cô ban là loại nguyên liệu hiếm nên có thể xảy ra rủi ro, khủng hoảng thiếu nguồn cung trong chuỗi cung ứng. Chưa kể đến, các loại pin thông thường khác khi hết khả năng sử dụng sẽ trở thành rác thải nguy hạn, đòi hỏi quy trình và chi phí xử lý chất thải.

Pin nhiên liệu – Hydro

Pin nhiên liệu Hydro là ứng cử tốt cho loại nhiên liệu không gây phát thải đang thu hút sự chú ý của cả thế giới. Xu hướng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo ngày càng rẻ để sản xuất pin năng lượng Hydro sẽ là giải pháp mang tính bền vững.

Tuy nhiên, tiềm năng to lớn của pin nhiên liệu Hydro cũng bị thách thức. Cũng như các loại nhiên liệu khác, vấn đề chính liên quan đến sứ phát triển pin năng lượng Hydro là chi phí. Những tiến bộ ứng dụng sử dụng pin Hydro trong ngành ô tô cũng được nghiên cứu để áp dụng cho ngành hàng hải. Nhưng đối với vấn đề dùng pin có dung lượng lớn, chi phí đầu tư tăng cao hơn đang làm ảnh hưởng tới hiệu quả đầu tư đối với ngành hàng hải.

Chúng ta đều biết, khó tìm ra Hydro đơn chất trong tự nhiên. Khí Hydro chủ yếu sản xuất bằng phương pháp điện phân cần nguồn năng lượng lớn và hiệu suất thấp. Đây chính là trở ngại lớn nhất cho giải pháp dùng hydro làm nhiên liệu. Một vấn đế khác có vai trò quan trọng nữa là chi phí đầu tư mạng lưới hạ tầng kỹ thuật để tồn trữ, vận chuyển và cung cấp hydro cho lĩnh vực hàng hải.

Chính vì vậy, các loại nhiên liệu tổng hợp khác có lợi thế so sánh và triển vọng ứng dụng tốt hơn hydro chính là khí mê tal (CH4) và khí Amoniac (NH3).

Các giải pháp tồn trữ hydro trên tàu sẽ là vấn đề rất phức tạp. Khí hydro có thể được lưu trữ ở thể khí hoặc thể lỏng. Khi tồn trữ ở thể khí, hydro được chứa trong bình áp xuất cao. Khi tồn trữ hydro ở thể lỏng đòi hỏi nhiệt độ rất thấp vì nhiệt độ sôi của hydro trong điều kiện khí quyển là -253 độ C. Chính vì vậy để tồn trữ khí hydro cần đầu tư kỹ thuật lớn.

Như vậy, có thể đánh giá việc sử dụng pin năng lượng hydro quy mô lớn, là nguồn nhiên liệu chính trong tương lai không phải giải pháp thực tiễn đáp ứng mục tiêu của IMO cho mục tiêu giảm GHG tới năm 2050.

Tối ưu hóa hoạt động khai thác tàu thông qua chuyển đổi số

Đến nay phương thức vận tải hàng hóa bằng đường biển vẫn phổ biến và hiệu quả so với các phương thức vận tải khác. Tuy nhiên phương thức vận tải bằng đường biển vẫn tồn tại hệ lụy là nguồn phát thải và lãng phí tài nguyên vận tải. Một nguyên nhân chính cho sự lãng phí này là sự thiếu chia sẽ thông tin khai thác hàng hải của các hãng vận tải biển. Thực tế ngành vận tải biển có nhiều sự phức tạp, tắc nghẽn chuỗi vận chuyển, giao nhận hàng, logistic… dẫn đến kéo dài thời gian vận chuyển, tăng chi phí vận hành và làm tăng lượng phát thải.

Kịch bản lý tưởng nhất là ngành vận tải biển thương mại trên thế giới cùng nhau xây dựng một Hệ sinh thái vận tải biển thông minh (môi trường vận tải biển) tập trung vào sự kết nối tất cả các đại lý hàng hải và các công ty vận tải biển để tạo ra hệ thống thông tin rõ ràng, tạo cơ sở - động lực cần thiết để tối ưu hóa chuỗi logistic tổng thể thay vì tối ưu hóa các bước vận chuyển riêng lẻ. Công việc này liên quan đến vấn đề mang tính pháp quy để các chủ thể cùng chung trách nhiệm xây dựng, quản lý và phân quyền khai thác cơ sở dữ liệu khổng lồ của ngành vận tải biển. Trong khi vận hành, khai thác Hệ sinh thái vận tải biển thông minh con tàu chỉ là một trong các yếu tố của chuỗi logistic tổng thể. Các con tàu thông minh sẽ tương tác với lẫn nhau, tương tác với hệ thống liên lạc, căn cứ hậu cần trên bờ và sẽ tương tác với các phương thức vận tải khác trên đất liền để giao hàng đến địa điểm khách hàng chỉ định. Động lực chính cho xu thế phát triển này là đáp ứng nhu cầu về tính minh bạch, giao hàng đúng thời hạn và chi phí vận tải thấp. Kết quả tối ưu hóa kết nối giữa các yếu tố liên quan quá trình vận tải sẽ làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu cũng như giảm phát thải khí nhà kính – GHG tương ứng với mức độ giảm thiểu những lãng phí trong chuỗi vận tải, giảm thiểu sự chậm trễ giao hàng. Tối ưu hóa quá trình vận tải hàng hóa sẽ làm giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ.

Đến khi Hệ sinh thái vận tải thông minh được thực tế hóa, vượt qua các trở ngại về chính sách nó sẽ phát huy tính ưu việt của ngành vận tải hàng hải thông qua cải thiện tỉ lệ khai thác tàu và giảm chi phí vận tải. Khai thác, sử dụng và phân tích cơ sở dữ liệu lớn của ngành hàng hải sẽ cho khả năng tối ưu hóa vận hành tàu, giảm thiểu sự lãng phí tài nguyên, giảm thiểu sự chồng chéo, bất cập của chuỗi cũng ứng vận tải và nâng cao hiệu quả khai thác hạ tầng cơ sở của ngành hàng hải khu vực và thế giới.

Kết luận

Bất chấp nhiều thách thức phía trước, xu hướng vận chuyển giảm thiểu phát thải các bon đang định hình và từng bước lan tỏa. Ngày nay, các động cơ tàu thủy tuân thủ Tier III, giảm phát thải lưu huỳnh, khói bụi đen, khí Nox đã phổ biến trong đội tàu thương mại trên thế giới. Nhưng để đạt mục tiêu giảm pháp thải 50% khí nhà kính – GHG từ hoạt động vận tải biển so với mức năm 2008 do IMO đặt ra, ngành hàng hải toàn cầu phải tập trung tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, gia tăng sử dụng nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, năng lượng gió), tăng đầu tư vào hệ thống năng lượng từ LNG, chế tạo các động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt, mở rộng đầu tư sản xuất nhiên liệu sinh học và nhiên liệu tổng hợp có thể sử dụng pha trộn với LNG.

Để mục tiêu của Thỏa thuận khí hậu Pari và chiến lược giảm phát thải IMO 2050, các quốc gia hàng hải cần nhận thức và hành động càng nhanh càng tốt. Đánh giá loại nhiên liệu tiềm năng phù hợp nhất thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống là LNG. Nguồn cung LNG sinh học được sản xuất – tổng hợp từ các phụ phẩm ngành nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, xử lý chất thải sẽ là nguồn cung chủ yếu thay thế nguồn khai thác tự nhiên.

Trong tương lai sẽ có nhiều ứng dụng nhiên liệu thay thế cho nguồn nhiên liệu truyền thống như Amoniac, khí Metal, pin nhiên liệu…,Tuy nhiên, nhiên liệu LNG sử dụng cho động cơ tàu thủy sẽ đáp ứng mục tiêu chiến lược giảm phát thải GHG của IMO 2050. Quốc gia hàng hải nào chưa đặt ra mục tiêu chiến lược và kế hoạch thực hiện mục tiêu chiến lược liên quan đến đến xu thế này thì thử thách chờ đợi phía trước sẽ càng lớn.

Nhằm tuân thủ các mục tiêu giảm phát thải GHG của IMO, các quốc gia hàng hải triển khai sự thay đổi căn bản về thiết kế tàu thủy và sản xuất điện năng đáp ứng yêu cầu giảm phát thải với thách thức phía trước cần giải quyết là đầu tư và hạ tầng sản xuất, tồn trữ và phân phối loại nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống hiện nay. Đây là khoản đầu tư rất lớn, là động lực tạo dựng hệ sinh thái vận tải giảm thiểu phát thải các bon trong tương lai.

Vũ Minh Phú

Nguồn: Tổng hợp từ Wartsila