Nhu cầu mạnh mẽ đang thúc đẩy sự phát triển nhưng vấn đề phát thải vẫn còn.
Nhu cầu về amoniac (1) đang được chuyển đổi bởi quá trình chuyển đổi năng lượng. Gần đây amoniac được sử dụng làm đầu vào cho phân bón và các sản phẩm hóa chất, các thị trường mới cho amoniac xanh nước biển và amoniac xanh lá cây (2) đang nổi lên, thay thế than trong sản xuất điện, trong sản xuất thép xanh và làm nhiên liệu hàng hải.
(1) Amoniac: là một hợp chất của nitơ và hydro có công thức hóa học NH₃. Amoniac là một hóa chất có rất nhiều trong tự nhiên và được ứng dụng nhiều trong đời sống sản xuất công nghiệp. (2) Amoniac xanh nước biển (blue ammonia): được sản xuất từ khí tự nhiên có thu hồi CO2. Amoniac xanh lá cây (green ammonia): được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo.
Ngày nay, khoảng 200 triệu tấn amoniac được sản xuất mỗi năm trên toàn thế giới, với 20 triệu tấn được vận chuyển bằng tàu chở khí hóa lỏng (LPG – Liquefied Petroleum Gas) (3). Quy mô của nhu cầu mới nổi và tiềm năng sẽ khiến những con số này tăng lên; tốc độ đạt được điều này sẽ quyết định việc tiếp nhận nó trong vận chuyển. (3) Khí hóa lỏng (LPG): khí dầu mỏ hóa lỏng, là một nhóm các loại khí hydro – carbon có thành phần chính là propan C3H8 và butan C4H10.
Sự quan tâm đến amoniac xuất phát từ việc nó không phát khí thải khi được sử dụng làm nhiên liệu và vì quá trình sản xuất nó không phụ thuộc vào nguồn carbon sinh học. Khi nền kinh tế toàn cầu chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch, carbon sinh học – từ CO2 thu được, điện phân và thậm chí là các nguồn chất thải – sẽ phải chịu sự cạnh tranh ngày càng tăng từ các ngành công nghiệp khác nhau.
Carbon sinh học sẽ ngày càng thay thế carbon hóa thạch trong nhiều sản phẩm đang được sử dụng ngày nay trong công nghiệp và hàng tiêu dùng. Sự cạnh tranh từ các ngành năng lượng và hàng không chắc chắn sẽ dẫn đến giá tăng, nhưng năng lực sản xuất sẽ cần đến từ các nguồn công nghiệp thay vì sinh khối được thu hoạch cho mục đích này.
Sự gia tăng của amoniac cũng tạo ra tiềm năng cho hydro xanh làm nhiên liệu. Nhưng vì amoniac rẻ hơn đáng kể khi vận chuyển trên những quãng đường xa – và xét đến việc mất năng lượng khi hydro được chuyển thành amoniac thông qua quy trình Haber – Bosch (Haber – Bosch process) (4) – nên phần lớn hydro được sản xuất tại vị trí mà hydro được tiêu thụ. (4) Quy trình Haber – Bosch: Phương pháp Haber hay phản ứng Haber, là một phản ứng hóa học được áp dụng trong công nghiệp giữa khí nitơ và khí hydro để sản xuất ra amoniac.
Sản xuất amoniac Để hiện thực hóa sản xuất amoniac xanh quy mô lớn phục vụ cho các thị trường mới, năng lực sản xuất của nó, cùng với năng lực sản xuất điện tái tạo và hydro xanh, sẽ cần phải tăng trưởng mạnh mẽ. Công suất lắp đặt toàn cầu hiện tại của các trang trại gió và mặt trời, đặc biệt là các máy điện phân để sản xuất hydro xanh cần thiết cho việc sản xuất amoniac, ít được quan tâm so với công suất cần thiết.
Điện tái tạo cho quá trình điện phân sẽ cần được sản xuất tại các địa điểm trên thế giới có điều kiện thuận lợi để sản xuất năng lượng gió và mặt trời và có diện tích đất rộng. Những địa điểm đó thường nằm ở các vùng xa xôi; các nơi như Tây Úc, Chile, Tây Phi, Oman và Ả Rập Xê Út là những khu vực dự kiến sẽ chiếm ưu thế trong sản xuất. Amoniac cần được vận chuyển từ những địa điểm này đến các thị trường tiêu thụ, trước tiên là Bắc/ Đông Á và châu Âu.
Dự báo hiện tại về sự tăng trưởng trong sản xuất quốc tế cho thấy sẽ có đủ điện tái tạo để sản xuất khối lượng amoniac xanh cần thiết cho riêng đội tàu biển vào năm 2040. Tuy nhiên, vì ngành vận tải biển cũng sẽ cạnh tranh với nhiều ngành công nghiệp khác về cả điện tái tạo và hydro xanh cần thiết để sản xuất amoniac, cũng như với các ngành khác phụ thuộc vào việc tiêu thụ amoniac xanh như nông nghiệp và nhà máy điện chạy bằng than, nên nguồn cung dự kiến sẽ bị hạn chế.
Công nghệ đẩy Các thử nghiệm đầu tiên đã được thực hiện bằng cách sử dụng amoniac làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong bởi một số doanh nghiệp sản xuất động cơ hàng đầu. Các thử nghiệm rất hứa hẹn và không có trở ngại nào đối với việc sử dụng amoniac làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
Mặc dù lượng nhiên liệu thí điểm và mức độ khí thải NOx (5), NH3 và N2O vẫn chưa được định lượng đối với động cơ hàng hải thương mại, nhưng các nhà sản xuất động cơ hàng hải nhìn chung đều đồng ý rằng động cơ diesel phù hợp nhất để đốt cháy amoniac. (5) Khí thải NOx: là chất gây ô nhiễm chính trong khí quyển, là tác nhân của mưa axit, sương khói quang hóa và tích tụ ozone.
Nghiên cứu đang được tiến hành cho cả động cơ diesel và otto (6). Tối ưu hóa việc giảm phát khí thải được dự đoán là một thách thức và việc kiểm soát N2O và trượt amoniac đòi hỏi quá trình đốt ở nhiệt độ cao, điều này cũng tạo ra mức khí thải NOx cao. Các thử nghiệm trên động cơ hai thì đã chỉ ra rằng lượng khí thải NOx ít hơn khi sử dụng động cơ diesel để đốt amoniac. Amoniac được phun vào buồng đốt, nó sẽ giãn nở và tạo ra hiệu ứng làm mát giúp loại bỏ nhiệt độ đỉnh cao trong các vùng đốt tạo ra khí thải NOx cao. (6) Động cơ Otto: là một động cơ bốn kỳ đốt trong xi-lanh đơn cố định lớn do ông Nicolaus Otto của CHLB Đức thiết kế.
Nhiên liệu dẫn động là cần thiết để đốt cháy amoniac và cũng cần thiết để duy trì quá trình đốt cháy ổn định. Đối với động cơ bốn thì nhỏ hơn, cần 10% nhiên liệu dẫn động sau khi quá trình tối ưu hóa động cơ hoàn tất và sau khi động cơ đi vào hoạt động. Đối với động cơ hai thì lớn sử dụng chu trình diesel, chỉ cần 5% nhiên liệu dẫn động và một số nhà sản xuất động cơ mong rằng lượng này có thể giảm thêm nữa.
Đánh giá phát thải Lượng phát thải khí NH3 và N2O thực tế vẫn chưa được đánh giá chính xác, tuy nhiên, lượng phát thải dự kiến sẽ thấp, đặc biệt là đối với chu trình đốt cháy diesel. Mặc dù vậy, với N2O có tiềm năng làm nóng toàn cầu với chỉ số GWP (7) trong 20 năm là 264 và GWP trong 100 năm là 265 theo IPCC 2013-ARS, mức phát thải có thể phủ nhận phần lớn lợi ích CO2 của việc sử dụng amoniac làm nhiên liệu. Đây vẫn là rào cản tiềm tàng đáng kể đối với việc áp dụng. (7) Chỉ số GWP (Global Warming Potential): là đơn vị đo chỉ số làm nóng lên toàn cầu của các môi chất lạnh.
Tuy nhiên, các nhà thiết kế động cơ hàng hải hai thì đã phát hiện ra trong các thử nghiệm của họ rằng mức khí thải N2O thấp – trong cùng phạm vi như chúng ta thấy đối với các loại nhiên liệu khác bao gồm dầu diesel hàng hải, LNG (8) và methanol. Nhìn chung, có vẻ như nguyên lý đốt cháy dầu diesel là lý tưởng để sử dụng amoniac vì nhiệt độ trong buồng đốt đạt đến điểm tối ưu khi mức độ trượt NOX, N2O và amoniac được ghi lại ở mức rất thấp. Do đó, người ta kỳ vọng rằng những động cơ đó sẽ có thể hoạt động theo tiêu chuẩn IMO NOx Tier II (9) mà không cần bất kỳ hệ thống hỗ trợ nào. (8) LNG (Liquefied Natural Gas): là khí thiên nhiên được hóa lỏng khi làm lạnh sâu đến âm 162 độ C sau khi đã loại bỏ các tạp chất. (9) IMO NOx Tier II (International Maritime Organization): tiêu chuẩn phát thải cấp II của tổ chức Hàng hải Quốc tế, là bộ tiêu chuẩn quốc tế được thiết kế để cải thiện chất lượng không khí và bảo vệ sức khỏe cộng đồng bằng cách kiểm soát khí thải từ tàu.
Tính đến quý 1 năm 2024, các nhà sản xuất động cơ hàng hải hàng đầu đã có kế hoạch phát triển và thời gian hoàn thành sau đây cho động cơ chạy bằng amoniac: – Động cơ nhiên liệu kép amoniac hai thì có công suất từ 5 MW đến 31 MW. Các động cơ này sẽ có sẵn để giao hàng bắt đầu từ quý 4 năm 2024/ quý 1 năm 2025. – Động cơ amoniac bốn thì như động cơ máy phát điện nhiên liệu kép đang được cung cấp. Hai nhà sản xuất động cơ sẽ tung ra loại động cơ này vào cuối năm 2024 hoặc đầu năm 2025.
An toàn và xử lý khí thải Hầu hết các nhà thiết kế động cơ đều mong đợi rằng việc xử lý khí thải sau khi xả sẽ cần tuân thủ tiêu chuẩn IMO NOx Tier III, và tất cả đều mong muốn chỉ định khử xúc tác chọn lọc (SCR – selective catalytic reduction) (10) là phương tiện ưu tiên để làm sạch khí thải sau khi chúng rời khỏi buồng đốt, thay vì tuần hoàn khí thải (EGR – exhaust gas recirculation) (11) làm thay đổi các điều kiện đốt cháy do đó hạn chế sự hình thành khí thải NOX. Tuần hoàn khí thải giúp giảm lượng oxy trong không khí nạp, và người ta lo ngại rằng điều này sẽ có tác động rất tiêu cực đến hiệu suất đốt amoniac, nhưng điều này vẫn đang được nghiên cứu. (10) SCR: là một hệ thống công nghệ kiểm soát khí thải tích cực tiên tiến, đưa một chất làm giảm chất lỏng thông qua một chất xúc tác đặc biệt vào dòng xả của động cơ diesel. (11) Tuần hoàn khí thải: là một kỹ thuật làm giảm thiểu các oxide của nitơ được dùng trong phần lớn các động cơ xăng, động cơ diesel, tua-bin hơi. Việc giảm thiểu rất cần thiết, đặc biệt là tại các động cơ đốt trong nhằm giới hạn các chất độc hại này nằm trong giới hạn cho phép.
Ngoài các động cơ chính và máy phát điện chạy bằng amoniac, các thiết kế cũng đang nổi lên cho các động cơ phụ cần thiết để hoàn tất quá trình chuyển đổi sang tàu chạy bằng amoniac. Các nhà sản xuất nồi hơi đang chuẩn bị các nồi hơi nhiên liệu kép để sử dụng amoniac làm nhiên liệu để có thể tạo ra hơi nước và nhiệt từ việc đốt amoniac.
Làm việc với amoniac trên tàu hàng ngày đòi hỏi phải có giải pháp thu thập hơi amoniac theo cách an toàn. Hơi này sẽ được giải phóng trong trường hợp dừng động cơ bình thường nếu hệ thống đường ống cần được làm sạch hoặc trong trường hợp trục trặc trong hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Nhiều nhà sản xuất đang phát triển các giải pháp khác nhau để xử lý hơi, bao gồm thiết kế máy lọc nước có thể loại bỏ hơi amoniac khỏi thanh lọc không khí. Trong giải pháp này, hơi amoniac được lưu trữ trong các bể chứa chuyên dụng dưới dạng dung dịch amoniac. Tuy nhiên, cách tiếp cận này sẽ yêu cầu cơ sở hạ tầng chuyên dụng tại cảng để tiếp nhận và lưu trữ hơi amoniac.
Tất cả các hệ thống được mô tả phía trên bài viết này đang được chuẩn bị cho các dự án đóng mới cho các loại tàu khác nhau và hy vọng rằng chúng ta sẽ thấy các hệ thống đó đi vào hoạt động vào cuối năm 2025/ đầu năm 2026. Chúng tôi ước tính rằng có khoảng 50-70 tàu đang được đặt hàng tính đến tháng 4/2024.
Ông René Sejer Laursen là Giám đốc Nhiên liệu và Công nghệ tại cục Vận tải Biển Mỹ (ABS – American Bureau of Shipping).
Để xem các tin bài khác về “Amoniac”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Maritime Executive
