Thay đổi công nghệ trên thiết bị tàu biển hiện tại và tương lai

1. Động cơ phun nhiên liệu điện tử lai chân vịt

Động cơ diesel phun nhiên liệu điện tử đã và đang được sử dụng trên các phương tiện giao thông của nhiều hãng ô tô, hay trên các động cơ trung, cao tốc trên các tàu dịch vụ, tàu chuyên dụng.

Trong thời gian khoảng trên 10 năm gần đây các động cơ phun nhiên liệu điện tử bắt đầu được sử dụng cho động cơ hai kỳ thấp tốc lai chân vịt và ngày càng khẳng định được ưu thế so với các động cơ truyền thống, sử dụng tiến bộ về các kỹ thuật cảm biến góc, cảm biến chiều quay, cảm biến vị trí, cảm biến khoảng cách, cảm biến áp suất, nhiệt độ, cảm biến mức để đưa các tín hiệu đầu vào, tín hiệu phản hồi cho hệ thống điều khiển và giám sát.

Với bốn quá trình cơ bản: cấp nhiên liệu, điều khiển xu páp, điều khiển khởi động và cấp dầu bôi trơn xy lanh, các động cơ “thông minh” sử dụng điện – điện tử điều khiển, dầu thủy lực áp suất cao sinh công tạo ra nhiều lợi thế và linh hoạt đáp ứng được yêu cầu của thị trường vận tải biển và các quy định tiêu chuẩn kiểm soát ô nhiễm ngày càng khắt khe của IMO

Một số ưu điểm của các động cơ phun nhiên liệu điện tử:

• Vẫn giữ nguyên các thành phần cấu tạo và nguyên lý từ các thế hệ động cơ trước
• Áp suất phun nhiên liệu không phụ thuộc vòng quay, động cơ có thể hoạt động ổn định ở tải thấp
• Điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu, xu páp dễ dàng
• Tối ưu lượng tiêu thụ dầu bôi trơn
• Tăng công suất động cơ (không dùng trục cam lớn để lai bơm cao áp hay xu páp xả như trước)
• Người khai thác thuận tiện khi theo dõi, điều chỉnh, đánh giá trạng thái kỹ thuật động cơ.
• Giảm chi phí, nhân công bảo quản (TBO tăng)

Ở mặt ngược lại, các động cơ thông minh yêu cầu người vận hành cần được cập nhật những kiến thức mới, có hiểu biết cơ bản về kỹ thuật cảm biến, điện điều khiển, các phương pháp kiểm tra, chẩn đoán, thay thế các thiết bị điện- điện tử khi cần thiết, đồng thời cũng cần có các kiến thức xử lý tình huống với các thiết bị lần đầu khai thác như bơm cao áp, xu páp xả hay các bơm thủy lực, van điều khiển.

Các dòng động cơ thông minh phổ biến trên thị trường hiện nay và trên các tàu đóng mới gồm có dẫn đầu với động cơ ME-B/C của MAN B&W, tiếp đó có thể kể đến dòng RT-Flex của WinGD (tiền thân là Sulzer), hay Misui – Eco của Mitsubishi.

2. Động cơ sử dụng nhiên liệu khí

Với những yêu cầu khắt khe hơn và mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm không khí đến năm 2050, nhiên liệu khí hóa lỏng hiện đang là một lựa chọn hàng đầu thay thế các loại nhiên liệu lỏng trước đây trong lĩnh vực vận tải biển.

Khả năng giảm thiểu ô nhiễm của các loại nhiên liệu khí hóa lỏng bao gồm LNG và LPG là rất đáng kể so với nhiên liệu lỏng trước đây:

Những con tàu với hệ động lực sử dụng nhiên liệu khí đầu tiên đã và đang tiếp tục được đóng mới tại các nhà máy đóng tàu. Trên các trang tin tức, các thông tin về tàu container đóng mới 23000 TEU, dài 400 mét và rộng 61 mét, mang tên “CMA CGM Jacques Saade” bàn giao tháng 9/2020, con tàu thứ hai bàn giao cuối tháng 10/2020 của CMA-CGM, sử dụng động cơ 12X92DF, công suất và tốc độ thiết kế 63,840 kW x 80 rpm của WinGD là một minh chứng rõ ràng rằng công nghệ cho động cơ lai chân vịt đã chuyển sang giai đoạn mới, động cơ hai kỳ quét thẳng cỡ siêu lớn hoạt động với nhiên liệu khí.

Một điều đáng lưu ý là toàn bộ hệ động lực bao gồm động cơ lai chân vịt, động cơ lai máy phát đều sử dụng nhiên liệu khí. Loại khí hóa lỏng được dùng làm nhiên liệu trên tàu hiện nay là Methanol, tuy nhiên nhiều loại khí hóa lỏng khác có nhiều khả năng sẽ trở thành nhiên liệu hàng hải trong thời gian sắp tới như Ethanol, Ammonia.

Các nhà chế tạo đang cung cấp các thiết kế mới này có thể kể đến MAN B&W với dòng động cơ gọi tắt là ME-GI, phát triển từ động cơ ME trước đó, tên gọi chi tiết có thể thay đổi đôi chút theo loại nhiên liệu sử dụng, ví dụ động cơ 6G50 ME-C9.5-LGIM (Liquid Gas Injection Methanol).

Bên cạnh đó có thể thấy sự cạnh tranh của hãng WinGD với dòng động cơ X-DF (dual fuel). Các động cơ này hoàn toàn sử dụng nguyên lý động cơ hai kỳ thấp tốc, quét thẳng và có thể hoạt động với cả hai loại nhiên liệu (duel fuel).

Khi nhiên liệu khí hóa lỏng như Methanol được sử dụng, nhiều câu hỏi được đặt ra và đã từng bước được giải đáp:

• Nguồn cung cấp nhiên liệu và khả năng sẵn có của thị trường, các quốc gia.
• Yêu cầu an toàn và phòng chống cháy nổ
• Không gian và yêu cầu thiết kế về dự trữ trên tàu
• Quá trình chuyển đổi nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng
• Khả năng cải tiến từ các động cơ hiện có
• Giá thành nhiên liệu so với nhiên liệu truyền thống

3. Nhiên liệu thay thế

Với mục tiêu đến 2050 và tầm nhìn đến 2100 về cắt giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính (CO2) của IMO, nhiên liệu sạch đang được nghiên cứu và một số triển vọng có thể trở thành hiện thực trong thời gian tới, một số đã được sử dụng trên một số phương tiện như ô tô (hãng Audi, nhiên liệu e-gasoline).

Ở điều kiện hiện tại, khí hóa lỏng LNG đang được sử dụng và trở thành xu thế trong những thập niên tiếp theo, cùng với kỹ thuật tận thu nguồn khí LNG từ các chế phẩm sinh học (bio-LNG). Tuy nhiên, LNG vẫn chưa phải là giải pháp toàn diện để giảm thiểu ô nhiễm khi lượng khí CO2 phát thải chỉ giảm khoảng 15-20% so với nhiên liệu truyền thống, nhiên liệu điện đang được coi là một triển vọng đáp ứng yêu cầu trên.

Nhiên liệu điện (e-fuel) là loại nhiên liệu thay thế được nghiên cứu trong thời gian gần đây và đang được kỳ vọng là giải pháp ưu việt cắt giảm ô nhiễm khí nhà kính, đặc biệt là CO2 tầm nhìn đến năm 2100, được tạo ra bằng cách lưu trữ năng lương điện lấy từ các nguồn tái tạo (gió, năng lượng mặt trời) trong các liên kết hóa học của nhiên liệu lỏng hay khí, vì vậy có thể tạo ra nhiều loại e-fuel khác nhau, dựa theo loại nhiên liệu được liên kết, ví dụ e-gasoline, e-diesel, e-LNG, … Hay nói một cách khác e-fuel là loại nhiên liệu tương tự như nhiên liệu truyền thống (LNG, diesel, gasoline, …) nhưng không phải lấy từ nguồn năng lượng hóa thạch mà bằng quá trình tổng hợp.

Về bản chất các quá trình hóa học, quá trình điện phân (sử dụng năng lượng điện từ các nguồn điện tái tạo như mặt trời, gió) sẽ tách khí hydro khỏi nước. Khí hydro này sau đó sẽ đưa vào các lò phản ứng có xúc tác với khí CO2 (tách hoặc thu được từ khí thải hay các nguồn khác) để tạo ra các hydro cacbon chính là thành phần của các loại nhiên liệu như methanol/ diesel/ LNG.

Tuy nhiên, rất nhiều câu hỏi được đặt ra với nhiên liệu e-fuel:

• Năng lượng điện được sử dụng trong quá trình điện phân lấy từ đâu? Nếu như lấy từ nguồn điện sạch như mặt trời, gió thì hoàn toàn khả quan, tuy nhiên hiện tại tỷ lệ đóng góp của loại năng lượng này còn rất hạn chế. Nếu lấy điện từ các nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên) thì không khác gì như trước, vẫn có một lượng lớn khí nhà kính thải ra môi trường.
• Giá thành của sản phẩm? Bởi quy trình xử lý phức tạp nên giá thành đến tay người sử dụng không hề thấp. Hy vọng với sự phát triển về công nghệ và phổ biến hơn trong sản xuất sẽ giảm giá thành e-fuel.
• Đáp ứng về cơ sở hạ tầng? Bản chất các loại e-fuel không khác gì nhiên liệu hiện nay đang sử dụng, chỉ khác ở chỗ không phải lấy từ nguồn hóa thạch mà do quá trình tổng hợp tạo thành, do đó hệ thống dự trữ, trung chuyển, cung cấp hoàn toàn không cần thay đổi gì. Các động cơ, phương tiện vì vậy cũng không cần phải hoán cải hay thay đổi gì về thiết kế so với hiện nay.

4. Một số thay đổi công nghệ quan trọng khác

• Công nghệ biến tần

Điều chỉnh tốc độ mô tơ điện dùng biến tần (Frequecy Converter/ Variable Frequency Device) được sử dụng vào các ứng dụng như điều khiển tốc độ tời, neo, điều khiển nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ dầu đốt, …

• Công nghệ và thiết bị xử lý nước ballast

Khi tiêu chuẩn D2 về quản lý nước ballast đang dần trở thành yêu cầu bắt buộc đối với các tàu biển thì hệ thống xử lý nước ballast sẽ trở nên quen thuộc với thuyền viên. Sử dụng công nghệ tia UV, điện phân hoặc hóa chất để khử trùng, kết hợp với phin lọc làm sạch nước ballast, rất nhiều hãng cung cấp thiết bị này trên thị trường, ngay cả Việt Nam cũng có nhà sản xuất với thương hiệu Việt Nam.

• Công nghệ xử lý khí thải từ động cơ

Khi tiêu chuẩn về kiểm soát phát thải SOx từ tàu bước sang mức độ nghiêm ngặt hơn từ 2020, có hai lựa chọn đối với các chủ tàu. Một là chuyển sang sử dụng nhiên liệu VLSFO có thành phần lưu huỳnh dưới 0.5%, hoặc là vẫn sử dụng nhiên liệu có thành phần lưu huỳnh cao như trước đó nhưng dùng phương pháp xử lý khí xả - scrubber system. Thiết bị Scrubber hầu hết được sử dụng trên các tàu hàng rời cỡ lớn Cape size có tuyến hoạt động và thời gian chạy biển, lượng tiêu thụ nhiên liệu tính cho chuyến đi lớn, so với lựa chọn dùng VLSFO thì tàu dùng scrubber chỉ chiếm tỷ lệ rất nhỏ. Hai loại Scrubber đang được sử dụng là loại hở sử dụng nước biển, thải trực tiếp ra ngoài và loại kín dùng nước ngọt.

Một thiết bị khác cũng được sử dụng để thỏa mãn yêu cầu về giảm phát thải ô nhiễm NOx, tiêu chuẩn Tier III áp dụng cho các vùng NECA (NOx Emission Control Areas), thiết bị SCR. Các tàu đóng mới hiện nay chỉ thỏa mãn Tier II, không thể đảm bảo Tier III nếu không có phương pháp xử lý khí thải phù hợp hoặc giải pháp thiết kế hay loại nhiên liệu phù hợp. Sử dụng thiết bị xử lý khí thải SCR hiện đang là giải pháp thỏa mãn tiêu chuẩn Tier III. SCR là bầu phản ứng lắp đặt trên đường lưu thông của khí xả có thể trước tua bin (HPSCR) hoặc sau tua bin khí xả (LPSCR) nơi diễn ra phản ứng trung hòa NOx bằng xúc tác đạm (urea) hoặc ammonia (NH3).

• Internet và thiết bị thông minh

Màn hình cảm ứng (Touch screen) đã quá quen thuộc trên các dòng điện thoại smart phone, tương tự, trên các thiết bị tàu biển, các màn hình điều khiển, hiển thị cho các hệ thống, thiết bị cũng đang được hiện đại hóa, sử dụng, trích xuất dữ liệu dễ dàng.

Internet ngày nay không còn gì lạ đối với các tàu biển hoạt động trên khắp các đại dương. Cũng vì thế mà yêu cầu về an ninh, an toàn thông tin (Cyber Security) đã trở thành bắt buộc. Thuyền viên có thể sử dụng Internet để kết nối với thế giới 24/7, các dữ liệu khai thác tàu, dữ liệu kỹ thuật của thiết bị vì thế có thể được kiếm soát online từ bờ một cách liên tục, thậm chí có thể điều khiển từ trạm bờ, trao đổi thư từ, hỗ trợ kỹ thuật vì thế nhanh chóng và thuận tiện hơn.

Cao V. Binh