1. Đặt vấn đề
Hội nghị lần thứ 26 Các bên tham gia Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (COP26) bế mạc tại Glasgow, Scotland đã đặt ra mục tiêu đòi hỏi phải cắt giảm lớn lượng khí thải CO2 một cách nhanh chóng và bền vững, bao gồm giảm 45% lượng phát thải CO2 vào năm 2030 so với mức năm 2010 và về mức “Phát thải ròng 0” vào năm 2050, cũng như giảm sâu phát thải các khí nhà kính khác. Cũng tại COP 26 đã có 40 quốc gia, bao gồm Việt Nam cam kết loại bỏ điện than - chiếm khoảng 37% tổng điện năng trên thế giới trong năm 2019 - và là nhiên liệu ảnh hưởng lớn nhất đến biến đổi khí hậu.
Phát triển vận tải biển theo hướng thân thiện với môi trường đang được các chủ tàu trên thế giới hướng đến nhằm thực hiện Công ước quốc tế về ngăn ngừa ô nhiễm do tàu gây ra (Công ước MARPOL 73/78). Phụ lục VI của Công ước MARPOL được bổ sung Quy định 28 đưa ra yêu cầu về Chỉ thị cường độ Carbon (Carbon Intensity Indicator - CII) của tàu.
Công nghệ Pin nhiên liệu Hydro hiện tại đang được một số hãng động cơ, như Yanmar nghiên cứu và thử nghiệm hướng tới sự trung hoà Cacbon. Không giống như động cơ đốt trong truyền thống, pin nhiên liệu Hydro chỉ thải ra nước và không thải ra bất kỳ khí nhà kính nào như Carbon dioxit (CO2) hay các chất gây ô nhiễm không khí như Nitơ oxit (NOx)…
Tuy nhiên, phát triển công nghệ mới cần tuân thủ những quy định an toàn môi trường hoạt động của tàu biển. Ngoài ra, để thương mại hóa công nghệ cần phát triển các phương pháp tiếp nhiên liệu Hydro tại các cảng biển.
2. Pin Nhiên Liệu Hydro ứng dụng trên tàu thủy.
Hiện nay các nhà khoa học đã nghiên cứu ra loại Pin Nhiên Liệu (FC – Fuel cell) có triển vọng nhất cho thiết bị hàng hải là: PEMFC (The proton exchange membrane fuel cell) - Pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc.
Thực tế PEMFC được chia làm 2 loại chính là LT – PEMFC (pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc nhiệt độ thấp) và HT – PEMFC (pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc nhiệt độ cao), với nhiều ưu điểm nên số lượng PEM FC được sử dụng rất nhiều và tổng công suất được vận hành cao nhất.
2.1 Nguyên lý hoạt động của Pin Nhiên Liệu Hydro
Pin Nhiên Liệu Hydro PEM hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ 60ºC đến 80°C đối với LT-PEMFC nhiệt độ thấp (LT) hoặc từ 130⁰C đến 200°C đối với HT-PEMFC nhiệt độ cao (HT). Một màng dẫn Proton polyme rắn được sử dụng như một môi chất điện phân nhưng lợi thế của PEM là hoạt động ở nhiệt độ thấp và có hiệu quả cao. Cực âm được cung cấp Oxy và có thể lấy từ không khí và cực dương được cung cấp Hydro.
Ở một bên của pin nhiên liệu (cực âm) khí Hydro (H2) được tách thành proton và electron bởi chất xúc tác. Chỉ có proton có thể vượt qua màng nhựa (PEM) để sang phía bên kia của pin (cực dương). Các Electron (điện tử) không thể vượt qua màng nhựa được. Khi nói cực âm và cực dương, các Electron mang điện tích âm di chuyển về phía tích điện dương và hình thành một dòng điện. Dòng điện này có thể vận hành một thiết bị tiêu thụ điện, ví dụ một động cơ điện lai chân vịt hoặc nạp cho pin. Ở cực dương các Proton, Electron và Oxy kết hợp để tạo ra nước.
Nếu Hydro được sản xuất có nguồn gốc từ than, thì phải đảm bảo rằng Carbon monoxide (CO) cần lọc sạch trước khi cấp cho Pin Nhiên Liệu Hydro, vì khí CO sẽ phản ứng tạo ra chất xúc tác mạnh đối với PEMFC ở nhiệt độ thấp, còn HT- PEMFC nhiệt độ cao không nhạy cảm với Carbon monoxide. Với PEMFC nhiệt độ thấp, hệ thống làm mát không yêu cầu phức tạp.
Nhược điểm của Pin Nhiên Liệu Hydro PEM là sử dụng vật liệu xúc tác đắt tiền như bạch kim làm tăng giá thành sản phẩm.
Phản ứng ở cực dương: 2H2 = 4H+ + 4e-
Phản ứng cực âm: O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O
Tổng phản ứng: 2H2 + O2 = 2H2O
Tóm tắt nguyên lý hoạt động, Hydro từ két chứa được đưa vào "động cơ Pin Nhiên Liệu Hydro" để kết hợp với Oxy trong một phản ứng hóa học tạo nhiệt và nước. Tuy nhiên, phản ứng giữa Hydro và Oxy cũng còn là một phản ứng sinh ra điện, và điện này được nạp vào hệ thống Pin lưu trữ. Sau đó thông qua bộ biến tần truyền chuyển đổi điện một chiều sang xoay chiều năng lượng từ bảng điện chính đưa đến động cơ điện lai trực tiếp chân vịt.
Sơ đồ của một hệ động lực sử dụng công nghệ Pin nhiên liệu Hydro
2.2 Ứng dụng của công nghệ Pin Nhiên Liệu Hydro trong lĩnh vực hàng hải
Thực tế trong lĩnh vực giao thông đường bộ hiện tại đã có một số hãng xe hơi lớn của Nhật Bản đã đưa ra sản phẩm thương mại sử dụng động cơ pin nhiên liệu Hydro như sản phẩm Toyota Mirai và Honda Clarity.
Công nghệ Pin Nhiên Liệu Hydro trong lĩnh vực hàng hải dân sự hiện nay đã được hãng động cơ Yanmar tiến hành đưa vào thử nghiệm trên thực tế ở một số tàu cỡ nhỏ.
Tàu thử nghiệm công nghệ Pin Nhiên Liệu Hydro của hãng Yanmar
Hiện nay một số quốc gia như Trung Quốc, Hoa Kỳ cũng đã có những con tàu đầu tiên hoạt động bằng công nghệ Pin Nhiên Liệu Hydro. Một trong số đó là Phà biển Sea Change hoạt động trên vịnh San Francisco; mới đây trong tháng 3 năm 2023 tại Zhongshan, Guangdong, Trung Quốc đã hạ thuỷ con tàu với công suất động cơ lên đến 500 kW.
Phà Sea Change hoạt động trên vịnh San Francisco
Một giải pháp khác được coi như một bước đệm để hướng tới cắt giảm nhiên liệu hoá thạch thông qua động cơ pin nhiên liệu Hydro đó là sử dụng Hệ động lực sử dụng Pin Nhiên Liệu Hydro kết hợp với động cơ Diesel (hệ động lực Hybrid)
Hệ động lực tàu thủy sử dụng kết hợp Pin Nhiên Liệu Hydro kết hợp động cơ Diesel. Do ưu điểm của động cơ Diesel và nhược điểm hạn chế không gian lưu trữ Hydro trên tàu của Pin Nhiên Liệu Hydro nên hệ động lực tàu trên có thể sử dụng kết hợp tùy thuộc vào người vận hành nhằm mục đích giảm thiểu phát thải khí nhà kính ít nhất có thể mà vẫn đáp ứng được quãng đường di chuyển dài của con tàu. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng tàu mà hệ động lực có thể được sử dụng ở chế độ khai thác kết hợp (Hybrid) ở các dạng kết cấu khác nhau và các chế độ khác nhau. Một chân vịt có thể được dẫn động bằng năng lượng do động cơ đốt trong hoặc điện do Pin Nhiên Liệu Hydro sinh ra. Hệ động lực có thể sử dụng nhiều động cơ Diesel điện kết hợp nhiều Pin Nhiên Liệu Hydro hoặc một động cơ Diesel điện với Pin Nhiên Liệu Hydro. Các hệ đông lực chân vịt này có thể được phát triển cho các tàu dịch vụ, tàu kéo, tàu dịch vụ, tàu hàng. mục đích nhằm giảm thiểu mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính và các chất gây ô nhiễm khác ra môi trường.
3. Công nghệ vận chuyển Hydro lỏng
Việc vận chuyển và lưu trữ Hydro đòi hỏi công nghệ phức tạp do Hydro là khí với nhiệt độ hóa lỏng rất thấp, tới -253ºC (lạnh hơn so với -162°C của LNG) ở nhiệt độ này thể tích giảm còn 1/800 so với ban đầu, chính vì vậy nên việc vận chuyển quy mô lớn rất khó khăn.
Hiện nay tập đoàn đóng tàu Kawasaki Heavy Industries (KHI) – Nhật Bản đã đóng và vận hành thương mại thành công tàu Suiso Frontier đây là tàu chở khí Hydro hoá lỏng đầu tiên trên thế giới mở ra kỷ nguyên mới trong thương mại năng lượng toàn cầu. Để hình thành thị trường năng lượng Hydro, cần phải có một công nghệ cho phép vận chuyển Hydro lớn từ các nước sản xuất Hydro đến các quốc gia có nhu cầu năng lượng cao.
Tàu có tổng trọng tải 7.849 DWT Đăng kiểm NK – Nhật Bản, Dài 116 m - Rộng 19 m - Chiều cao mạn 10,6 m - Mớn nước 4,5 m cấu trúc vỏ kép, cách nhiệt chân không. Hệ động lực chính Diesel – Điện. Hệ két hàng trên tàu tàu có sức chứa 1.250 m3 (1m3 Hydro hoá lỏng tương đương với 70 Kgs)
Hiện nay hải trình của tàu Suiso Frontier chuyên tuyến từ cảng Hastings, Victoria, Australia nhận Hydro hoá lỏng về cảng Kobe, Nhật Bản.
Tàu Suiso Frontier
Thủ tướng Phạm Minh Chính thăm tàu Suiso Frontier tại Nhật Bản
4. Kết luận
Ngành vận tải biển là một ngành luôn chịu sự tác động bởi các yếu tố về môi trường. Trong tương lai, trong hoạt động vận tải hàng hóa chủ tàu và khách hàng sẽ đặt mối quan tâm lớn đến môi trường biển để hoạt động vận tải sẽ không bị ảnh hưởng bởi phát thải trong quá trình vận tải hàng hải của con người. Thực tế như cam kết của Chính phủ Việt Nam đưa ra tại hội nghị COP 26 là mục tiêu đến năm 2050 đưa phát thải ròng về 0%.
Công nghệ Pin nhiên liệu Hydro là một công nghệ mới với rất nhiều thách thức đặt ra về mặt công nghệ cũng như hiệu quả vận hành. Tuy nhiên, với hiệu quả gần như không tác động đến môi trường, Hydro còn là một nguồn nhiên liệu sạch vô tận thì đây luôn được đánh giá là nguồn năng lượng của thế giới trong tương lai.
Tài liệu tham khảo:
https://www.yanmar.com/global/about/technology/vision1/fuel_cell_s
https://global.kawasaki.com/en/corp
https://www.hydrogenenergysupplychain.com/supply-chain/the-suiso-frontier/
https://www.marineinsight.com/shipping-news/chinas-first-ever-500kw-hydrogen-powered-vessel-hits-water/
https://www.marinelog.com/news/sea-change-ferry-arrives-in-san-francisco/
http://www.vr.org.vn/contents/notice/Lists/Notice/Attachments/1670/12TI_21TB_MEPC328-76-Amendments%20to%20MARPOL%20Annex%20VI-EEXI_CII.pdf
