[비즈한국] Khi ngành vận tải biển quốc tế đối mặt với các quy định về môi trường ngày càng khắt khe, mô hình nhiên liệu cho tàu thủy đang nhanh chóng chuyển dịch từ dầu nhiên liệu nặng (dầu Bunker C) sang khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG). Trong quá trình này, hệ thống động lực của tàu cũng đang dần tái cơ cấu. Ngành đóng tàu Hàn Quốc đang tận dụng sự thay đổi này để thoát khỏi cấu trúc độc quyền về công nghệ gốc của động cơ tàu lớn vốn do châu Âu nắm giữ, đồng thời tìm kiếm sự đa dạng hóa. Trong lĩnh vực tàu tiếp nhiên liệu LNG (bunkering) trên biển, Hàn Quốc cũng đang củng cố các thành tựu kỹ thuật để xây dựng vị thế vững chắc trong thị trường đóng tàu thế hệ mới.
Quy định môi trường siết chặt, công nghệ pin gặp giới hạn
Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) đang thực hiện lộ trình quy định theo từng giai đoạn để cắt giảm lượng khí thải nhà kính trong ngành vận tải biển quốc tế. Các tàu mới được áp dụng Chỉ số thiết kế hiệu quả năng lượng (EEDI), trong khi các tàu hiện hữu áp dụng Chỉ số vận hành hiệu quả năng lượng (EEOI) để tăng cường kiểm soát phát thải carbon. Đặc biệt, với việc áp dụng Chỉ số cường độ carbon (CII) - đánh giá hiệu quả carbon dựa trên dữ liệu vận hành hàng năm, các tàu liên tục nhận xếp hạng thấp sẽ bị hạn chế hoạt động thương mại. Ngoài ra, các yêu cầu quản trị ESG từ các công ty quản lý tài sản toàn cầu cũng đang tạo áp lực buộc các hãng vận tải phải chuyển đổi nhiên liệu.
Dầu Bunker C, loại nhiên liệu chính của các tàu hiện tại, phát thải nhiều chất ô nhiễm không khí như oxit lưu huỳnh (SOx) và bụi mịn. Dầu có hàm lượng lưu huỳnh thấp (MGO) được nhắc đến như một giải pháp thay thế, nhưng giá thành cao do chi phí tinh chế trở thành rủi ro biến động lớn. Việc lắp đặt thiết bị làm sạch khí thải (scrubber) cũng tồn tại những điểm yếu như vấn đề xử lý bùn thải độc hại và hạn chế trong việc giảm trực tiếp lượng khí CO2.
Phương thức đẩy điện thuần túy sử dụng pin - một giải pháp khác, tuy có thể áp dụng cho tàu cỡ nhỏ hoặc chạy quãng đường ngắn nhưng lại bộc lộ rõ hạn chế đối với tàu thương mại cỡ lớn. Do mật độ năng lượng thấp hơn so với nhiên liệu hóa thạch, việc chạy đường dài trên đại dương đòi hỏi tàu phải dành một không gian đáng kể để chứa pin, điều này dẫn đến việc thu hẹp không gian chở hàng và làm giảm hiệu quả kinh tế.
Ngược lại, khi được làm lạnh xuống âm 163 độ để hóa lỏng, thể tích LNG giảm xuống còn 1/600 so với trạng thái khí, giúp nâng cao hiệu quả vận chuyển. So với nhiên liệu truyền thống, LNG có thể ngăn chặn hầu hết lượng phát thải SOx và bụi mịn, đồng thời giảm lượng khí thải CO2 xuống khoảng 23%. Đây chính là lý do LNG được đánh giá là nhiên liệu cầu nối hiệu quả nhất ở thời điểm hiện tại.
Hệ thống 'DFDE' tối ưu hóa không gian và tiết kiệm nhiên liệu
Khi phương thức đẩy bằng LNG trở nên phổ biến, thị trường tàu thương mại cỡ lớn ngày càng ưa chuộng việc áp dụng hệ thống 'Đẩy điện-diesel nhiên liệu kép (DFDE)', kết hợp ưu điểm của động cơ đốt trong và hệ thống đẩy điện. Động cơ nhiên liệu kép là loại động cơ đốt trong sử dụng chọn lọc hoặc đồng thời hai loại nhiên liệu trở lên (diesel và LNG, methanol, amoniac, v.v.). Trong hệ thống DFDE, nhiều động cơ nhiên liệu kép được lắp đặt trên tàu sẽ chạy máy phát điện để tạo ra điện năng, và nguồn điện này vận hành mô tơ đẩy điện để di chuyển tàu.
Trước đây, phương thức đẩy cơ học yêu cầu động cơ chính cỡ lớn và chân vịt phải kết nối trực tiếp qua trục, do đó vị trí buồng máy bị giới hạn ở phần đuôi tàu. Trái lại, hệ thống DFDE có động cơ và mô tơ kết nối bằng cáp điện, giúp việc bố trí không gian trong thân tàu linh hoạt hơn rất nhiều. Nhờ đó, không gian buồng máy được thu gọn và có thêm diện tích chở hàng, giúp nâng cao hiệu quả vận tải.
Hệ thống này cũng có thể giảm tải tùy theo điều kiện vận hành. Trong các tình huống tải thấp như chạy chậm, tàu có thể chỉ vận hành các động cơ cần thiết để duy trì hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Với cấu trúc đa động cơ, ngay cả khi một động cơ cần bảo trì trong quá trình vận hành, các động cơ còn lại vẫn có thể duy trì hoạt động. Đối với tàu phá băng, việc sử dụng động cơ cơ học sẽ gây tải lớn lên trục khuỷu, làm tăng nguy cơ hỏng hóc. Ngược lại, với phương thức DFDE sử dụng mô tơ điện, động cơ tách biệt hoàn toàn về mặt cơ học với tải của mô tơ, cho phép tạo ra điện năng ổn định và an toàn, trong khi mô tơ có thể sử dụng mô-men xoắn mạnh để phá băng, từ đó nâng cao tính ổn định cơ học của toàn bộ hệ thống tàu.
Về hiệu quả vận hành, hệ thống DFDE cũng có lợi thế: khi tải vận hành thấp, hệ thống chỉ vận hành số lượng động cơ cần thiết và dừng hoàn toàn các động cơ còn lại để duy trì mức tiêu thụ nhiên liệu tối ưu.
Liệu cấu trúc bản quyền công nghệ gốc cho động cơ tàu có thay đổi?
Sự trỗi dậy của các hệ thống đẩy điện và đa động cơ nhiên liệu kép không chỉ mang lại lợi ích về kỹ thuật cơ khí như tiết kiệm không gian và cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu, mà còn liên quan trực tiếp đến vấn đề "quyền tự chủ về động cơ tàu" vốn đã bám rễ sâu trong thị trường đóng tàu. Mặc dù Hàn Quốc là cường quốc đóng tàu số 1 thế giới, nhưng trong lĩnh vực "động cơ 2 kỳ (2-stroke) cỡ lớn" - trái tim chiếm tỷ trọng lớn nhất trong giá thành tàu, Hàn Quốc vẫn mang "gót chân Achilles" là sự phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài.
Hiện nay, việc thiết kế gốc và công nghệ cốt lõi của động cơ chính cho tàu cỡ lớn đang bị độc quyền bởi hai ông lớn là MAN Energy Solutions (MAN-ES) của Đức và WinGD (Winterthur Gas & Diesel) của Thụy Sĩ. Các công ty đóng tàu lớn của Hàn Quốc như HD Hyundai Heavy Industries, Hanwha Ocean, Samsung Heavy Industries cùng các nhà sản xuất động cơ trực thuộc do không sở hữu thiết kế gốc nên phải chế tạo động cơ dưới hình thức "hợp tác kỹ thuật (bên nhận quyền - Licensee)", tức là mua bản quyền và nhận bản vẽ từ hai công ty châu Âu này để lắp ráp. Điều này đồng nghĩa với việc họ phải trả một khoản phí bản quyền khổng lồ mỗi khi sản xuất động cơ.
Tuy nhiên, với sự gia tăng của hệ thống DFDE, vị thế của các công ty trong nước sở hữu công nghệ độc lập về động cơ cỡ trung đã được mở rộng. Các dòng động cơ nhiên liệu kép cỡ trung do chính HD Hyundai Heavy Industries phát triển, chẳng hạn như "động cơ HiMSEN", đang gia tăng tỷ trọng trên thị trường, giúp bổ sung cho hệ sinh thái vốn chỉ xoay quanh các động cơ lớn của nước ngoài.
Cùng với sự phổ biến của tàu chạy bằng LNG, thị trường "tiếp nhiên liệu LNG" cũng đang cho thấy đà tăng trưởng bền vững. Theo thống kê liên quan, nhu cầu tiếp nhiên liệu LNG toàn cầu dự kiến đạt khoảng 16 triệu tấn vào năm 2030, và gần đây, quy mô đặt hàng tàu tiếp nhiên liệu LNG trong thị trường đã vượt qua cả tàu chở LNG thông thường.
Các phương thức tiếp nhiên liệu bao gồm TTS (Tank-to-ship) sử dụng xe bồn, PTS (Pipe-to-Ship) thông qua trạm tiếp nhiên liệu trên bờ, nhưng các phương thức này gặp hạn chế về dung lượng và vị trí để đáp ứng nhu cầu cho tàu thương mại cỡ lớn. Do đó, phương thức STS (Ship-to-Ship), nơi tàu tiếp nhiên liệu chuyên dụng tiếp cận trực tiếp tàu cần tiếp nhiên liệu, đang trở thành giải pháp thay thế.
Ưu điểm của phương thức tiếp nhiên liệu STS là khả năng "tác nghiệp đồng thời", cho phép vừa bốc dỡ hàng hóa vừa nạp nhiên liệu. Trong khi tàu neo đậu tại cảng để bốc dỡ hàng, tàu tiếp nhiên liệu có thể tiếp cận từ phía đối diện để bơm nhiên liệu, loại bỏ thời gian neo đậu riêng biệt chỉ để tiếp nhiên liệu. Điều này giúp rút ngắn thời gian lưu lại cảng của tàu, từ đó cải thiện hiệu quả kinh tế vận hành.
Một người làm trong ngành đóng tàu cho biết: "Với việc tàu tiếp nhiên liệu LNG được đặt hàng sôi nổi gần đây, đây đang trở thành miếng bánh tiềm năng cho các công ty đóng tàu vừa và nhỏ. Khi nhiều hãng vận tải yêu cầu thiết kế tàu có khả năng giảm phát thải nhà kính, nhu cầu liên quan đến LNG đang ngày càng tăng cao".