Sử dụng khí tự nhiên làm nhiên liệu động cơ tàu thủy và vấn đề với môi trường

1. Giới thiệu
LNG đã được sử dụng làm nhiên liệu trên các phương tiện giao thông ở nhiều nước, ngoài ra còn được sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện, trong gia đình như đun nấu, sưởi ấm, trong công nghiệp sản xuất sơn, hóa chất.
Trong lĩnh vực tàu thủy, LNG từ lâu đã được sử dụng làm nhiên liệu trên các tàu chở LNG, tận dụng lượng khí hóa hơi tự nhiên từ các bồn chứa hàng, làm nhiên liệu cho động cơ lai máy phát điện, nồi hơi cho tua bin hơi lai chân vịt. Trong những năm gần đây, trước những yêu cầu khắt khe hơn về kiểm soát ô nhiễm không khí, LNG được chú ý nhiều hơn và bắt đầu được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ hai kỳ cỡ lớn lai chân vịt tàu thủy, nổi bật có các động cơ ME-GI của MAN  và X-DF của WinGD. Riêng ME-GI có nhiều kiểu tương thích với các loại nhiên liệu khác nhau, từ LNG, LPG đến Methanol, Ethanol, Ammonia.
So với nhiên liệu FO/DO thì LNG có hệ số phát thải các bon thấp hơn. Tuy chưa phải là đáng kể nhưng xét trên nhiều khía cạnh về môi trường, kinh tế thì sử dụng LNG là bước tiến mới trong tiến trình chuyển đổi năng lượng nhằm cắt giảm phát thải các bon, tạo đà cho kế hoạch tiếp theo là sử dụng nhiên liệu tổng hợp (không lấy từ nguồn nhiên liệu hóa thạch) theo kế hoạch dài hạn giảm phát thải ô nhiễm không khí của IMO, tầm nhìn đến năm 2050 (giảm 50% phát thải các bon so với năm 2008).
Dự đoán nhu cầu LNG trên thị trường năm 2021 khoảng 130 – 420 triệu tấn. Cơ quan năng lượng quốc tế IEA dự đoán tỷ trọng khí tự nhiên trong cơ cấu năng lượng toàn cầu sẽ tăng từ 25% hiện nay lên 30% năm 2040.

Hình 1 Sử dụng nhiên liệu thay thế là xu hương và yêu cầu để cắt giảm phát thải các bon

2. Nhiên liệu LNG cho động cơ tàu thủy
Tại hội nghị của ủy ban môi trường IMO tháng 6 năm 2021, quy định về chỉ số EEXI quy đổi tương đương lượng khí thải CO2 theo tấn – hải lý (Energy Efficiency Existing Ship Index), một tên gọi khác của EEDI (EEDI chỉ áp dụng với tàu đóng sau 2013) đã được chấp thuận và sẽ có hiệu lực từ 2023.
Theo đó, quy định sẽ áp dụng EEXI cho tất cả các tàu, kể cả các tàu đóng trước 2013 với công thức tính tương tự như EEDI, nhưng giới hạn đặt ra khắt khe hơn. Theo quy định này, các động cơ diesel lai chân vịt sử dụng nhiên liệu FO/DO hiện nay rất khó để thỏa mãn yêu cầu về EEXI nếu như không áp dụng một trong các giải pháp sau:
- Giới hạn công suất của động cơ EPL
- Giới hạn công suất của chân vịt SHaPoLi
- Lắp đặt thiết bị tận dụng năng lượng (nồi hơi, tua bin khí)
- Chuyển đổi sang nhiên liệu có thành phần các bon thấp (LNG, LPG, Methanol, Ethanol, dầu thực vật, hydrogen, ammonia, nhiên liệu tổng hợp)
Theo hướng dẫn của IMO, các tàu sử dụng nhiên liệu LNG thỏa mãn giới hạn EEXI hiện hành mà không cần giới hạn công suất động cơ (EPL) hay các biện pháp hỗ trợ khác, ngược lại đối với các tàu sử dụng FO/DO thì động cơ lai chân vịt buộc phải giảm công suất được khai thác để phù hợp với yêu cầu mới về EEXI (EPL hiện là giải pháp đơn giản được các hãng động cơ khuyến nghị cho các chủ tàu nhằm thỏa mãn EEXI).
Bảng 1 Hướng dẫn của IMO về tính chất của các loại nhiên liệu àu thủy hiện nay

LNG khi được sử dụng làm nhiên liệu dưới hai dạng chính:
- Khí hóa hơi tự nhiên (natural boil -off gas NBOG) từ bồn chứa LNG: chiếm phần lớn là mê tan và phần nhỏ khí trơ tồn dư (ni tơ), lấy từ phần khí hóa hơi tự nhiên trên bề mặt thoáng chất lỏng trong két. Loại nhiên liệu này không gây nguy cơ cháy không kiểm soát (cháy kích nổ). Về đặc điểm, chỉ số mê tan 100 (chỉ số mê tan là thước đo khả năng chống kích nổ của khí tự nhiên khi làm nhiên liệu động cơ, nếu thành phần chỉ có mê tan tinh khiết thì MN được coi bằng 100, chỉ số MN của hydrogen bằng không), LCV từ 33-35 MJ/m3. Loại nhiên liệu này được sử dụng trên các tàu chở LNG khi có hàng, lấy chính từ khí hóa hơi tự nhiên trong các két hàng. Lượng LNG bay hơi tự nhiên chiếm từ 0.1-0.25% tổng lượng hàng trong két, tính theo ngày. Giải pháp thu gom thường được sử dụng là thu gom lượng khí hóa hơi này lại rồi nén lại qua máy nén, làm lạnh để đưa về trạng thái lỏng, tuy nhiên việc này không kinh tế do lượng khí hóa hơi khá lớn (tầm 200-300 m3- lấy ví dụ tàu LNG dung tích két chứa 180.000 m3).

Hình 2 Sử dụng NBOG làm nhiên liệu trên tàu chở LNG
- Khí hóa hơi cưỡng bức (forced boil -off gas FBOG), là LNG dạng lỏng ở đáy két chuyển sang trạng thái khí thông qua các thiết bị bên ngoài như bơm chuyển, bầu hâm/ bầu bay hơi. Thành phần loại khí này bao gồm hỗn hợp nhiều loại hydrocacbon khác nhau (ethane, butan, propane,…) mà khả năng xảy ra hiện tượng cháy mất kiểm soát trước điểm chết trên – cháy kích nổ “knocking” cao hơn so với mê tan tinh khiết khi động cơ hoạt động, ảnh hưởng này cũng thay đổi theo tải động cơ, chỉ số mê tan MN từ 70-80 thấp hơn so với NBOG, LCV từ 38-39 MJ/nm3. Đây là dạng nhiên liệu đang được sử dụng cho các tàu hàng khác, và trên tàu chở LNG khi lượng khí hóa hơi tự nhiên không đủ, ví dụ như khi tàu chạy không hàng, khi tàu chuẩn bị lên dock hay khi hệ thống cung cấp NBOG bị sự cố. Các động cơ khi thiết kế cần phù hợp để làm việc với FBOG vì tính chất lý, hóa học có nhiều khác biệt so với NBOG.

Hình 3 Sử dụng FBOG làm nhiên liệu tàu chở LNG
Thách thức đối với FBOG là chỉ số mê tan (Methane Number – MN) thấp hơn nên FBOG có khả năng gây ra cháy không kiểm soát trong xy lanh, gây ra hiện tượng cháy kích nổ “knocking”. Bên cạnh đó, kích thước, thiết kế bầu bay hơi phải đảm bảo sản lượng khí cho động cơ, cũng như ngăn ngừa nhiên liệu còn ở dạng lỏng đi vào động cơ.
Xét về tỷ lệ hỗn hợp không khí/ nhiên liệu khí thì động cơ được chia ra:
• Động cơ làm việc với tỷ lệ không khí/ nhiên liệu thấp (rich burn): Do nhiều nhiên liệu, ít không khí nên sản phẩm cháy chứa nhiều nhiên liệu dư, hiệu suất thấp, thành phần ô xy trong khí xả rất thấp, khoảng 0.5%. Ưu điểm của phương pháp này là cháy dễ dàng, không cần tỷ số nén cao, dùng đánh lửa bằng bu gi, nhiệt độ buồng đốt và khí xả thấp nên khả năng hình thành NOx thấp hơn.

• Động cơ làm việc với tỷ lệ không khí/ nhiên liệu cao (lean burn): Ngược lại với động cơ làm việc ở chế độ “rich burn”, động cơ “lean burn” cần tỷ số nén cao để tạo ra hỗn hợp cháy nhiều không khí, gấp rất nhiều lần so với nhiên liệu. Thành phần khí xả vì thế có lượng ô xy cao hơn, trên 8% và nhiên liệu cháy gần như hoàn toàn nên khả năng nhiên liệu thừa thoát ra môi trường theo đường khí xả rất thấp. Phương pháp “lean burn” được sử dụng trên các động cơ tàu thủy hiện nay.
Ưu điểm khi LNG được sử dụng làm nhiên liệu động cơ tàu thủy:
- Tốc độ cháy nhanh, sinh nhiệt lớn hơn, thành phần các bon thấp hơn so với cùng khối lượng nhiên liệu lỏng truyền thống.
- Giảm đáng kể các khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí xả động cơ.
- Không chứa lưu huỳnh nên hoàn toàn loại bỏ phát thải SOx nếu sử dụng LNG, tuy nhiên vẫn có một lượng nhỏ SOx phát sinh do sử dụng nhiên liệu mồi FO/DO
- Cháy tốt hơn nên thành phần muội PM giảm đáng kể.
- Động cơ làm việc ổn định với nhiên liệu khí, kể cả trong điều kiện thời tiết xấu.
- Động cơ có thể làm việc với nhiên liệu khí ở tải rất thấp, nên tiêu thụ nhiên liệu lỏng không đáng kể (ngoại trừ khi khởi động và dùng làm nhiên liệu mồi).
- Giá thành cạnh tranh so với nhiên liệu FO/DO.
- Các động cơ sử dụng LNG hiện nay có thể tiếp tục sử dụng với các loại nhiên liệu LNG xanh-sạch, LNG tổng hợp (không lấy từ nguồn nhiên liệu hóa thạch) trong tương lai.
Bảng 2 Mức giảm phát thải ô nhiễm của LNG/LPG so với nhiên liệu lỏng HFO (ME-GI)

Bảng 3 Mức giảm phát thải ô nhiễm của LNG so với nhiên liệu lỏng HFO (X-DF)

Bên cạnh những mặt tích cực thì LNG cũng có những nhược điểm, cụ thể:
• Trong tương lai xa hơn, LNG có thể không còn thỏa mãn với yêu cầu về quy định EEXI với mức độ khắt khe hơn, bởi xét về lượng CO2 thải ra không khí thì động cơ sử dụng LNG vẫn ở mức cao.
• Methane Slip là một mặt trái của các động cơ LNG, nếu không kiểm soát thì sẽ thải ra một lượng lớn khí nhà kính mê tan.
• Với các động cơ làm việc theo nguyên lý Otto, nguy cơ xảy ra cháy không kiểm soát và hiện tượng “knocking” có thể xảy ra, ảnh hưởng đến tính ổn định của động cơ.
• Yêu cầu thể tích két chứa lớn hơn, bên cạnh đó số cảng, tàu cấp thuận tiện cho nhận LNG chưa phổ biến.
• Yêu cầu cao về an toàn cháy nổ, an toàn lạnh, ngăn ngừa rò lọt.

Nhiên liệu LNG có tỷ trọng năng lượng thay đổi nên không thể dựa theo khối lượng để tính ra giá thành sản phẩm. Phương pháp đang được sử dụng hiện nay là quy đổi năng lượng, theo đó giá thành một lượng LNG có năng lượng được quy đổi bằng với một tấn nhiên liệu FO380 hoặc MGO, ký hiệu là LNG-380e hoặc LNG-MGOe. Ví dụ giá thành LNG-380e là 100 USD/ tấn có nghĩa là giá của một lượng xx tấn LNG nào đó có năng lương ngang bằng 1 tấn IFO380 (max 3.5%S).
Bảng 4 Bảng so sánh lượng tiêu thụ nhiên liệu LNG quy đổi tương đương tấn nhiên liệu FO trên đội tàu của công ty FLEX LNG với các loại hệ động lực khác nhau.

ME-GI động cơ phun áp suất cao  TFDF – Máy phát - Mô tơ điện – Chân vịt
X-DF động cơ nạp nhiên liệu áp suất thấp ST – Tua bin hơi x chân vịt

3. Các vấn đề với môi trường
Khí tự nhiên có thành phần chủ yếu là mê tan (CH4) chiếm 85-95%, là một khí nhà kính tương tự CO2. Một nghiên cứu về khả năng giữ nhiệt của mê tan so với cùng khối lượng CO2 (lấy CO2 làm chuẩn) thì chỉ số gây hiệu ứng nhà kính của mê tan có GWP từ 84-86 cho khoảng thời gian 20 năm và từ 28-34 cho khoảng thời gian 100 năm, cao hơn rất nhiều so với CO2 (được lấy làm chuẩn).
Bản thân khí mê tan đóng góp đên 15% tác động gây hiệu ứng nhà kính (CO2 đóng góp 77%, N2O đóng góp 7%, các khí khác HFC, PFC chiếm 1%) – theo kết quả nghiên cứu về ô nhiễm khí nhà kính 2005. Trước đây, phát thải mê tan trong môi trường chủ yểu từ nông nghiệp và các hoạt động đời sống. Tuy nhiên, với sự gia tăng các tàu sử dụng nhiên liệu LNG, tính theo tỷ lệ khí mê tan xót lại từ buồng đốt động cơ như trên thì lượng mê tan thải ra môi trường là con số đáng kể.
Do đó, nếu việc sử dụng LNG làm nhiên liệu không được kiểm soát, lượng mê tan thoát ra môi trường sẽ làm lu mờ các ưu điểm của nó, không những vậy còn gây hại nhiều hơn. Đó chính là vấn đề đặt ra đối với các nhà sản xuất động cơ, lợi ích kinh tế phải gắn liền với lợi ích về môi trường: ngăn ngừa và giảm thiểu tối đa phát thải mê tan từ nhiên liệu ra không khí trong quá trình động cơ hoạt động, hay còn gọi là “Methane Slip”.
Với các động cơ diesel hiện nay, dù là động cơ hai kỳ hay bốn kỳ, kể cả đối với động cơ làm việc theo chu trình Otto (động cơ Otto) hay động cơ làm việc theo chu trình diesel, có nhiều lý do nhiên liệu khí cấp vào động cơ không cháy hết hoàn toàn, mà lượng nhiên liệu còn xót lại này sẽ theo khí xả hoặc theo thông hơi các te ra ngoài môi trường (quá trình được gọi dưới tên “methane slip”). Nếu LNG được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ nói trên, tương tự đó, khí mê tan sẽ thoát ra môi trường theo đường khí xả động cơ. Nếu xét cho một chu trình hoạt động thì lượng mê tan thải ra không nhiều, tuy nhiên nếu tính cho toàn bộ lượng nhiên liệu LNG tiêu thụ thì sẽ là rất lớn. Theo nghiên cứu của MAN trên động cơ hai kỳ quét thẳng của hãng, lượng mê tan thải ra từ 0.2-0.3 g/kWh thay đổi theo tải của động cơ. Đối với động cơ X-DF của hãng WinGD thì lượng nhiên liệu dư thải ra ngoài chiếm 1.5% tổng lượng nhiên liệu khí tiêu thụ (2-3.5 g/kWh).
Bên cạnh đó, một vấn đề cũng cần quan tâm là LNG được duy trì trạng thái lỏng với nhiệt độ rất thấp, nên vật liệu cách nhiệt cho két chứa, đường ống và an toàn lạnh cho người khai thác cũng rất cần được chú ý.
Tất cả các động cơ sử dụng LNG có một đặc điểm chung là không thể thiếu nhiên liệu mồi (pilot  fuel) hoặc đánh lửa (spark ignited). Với các động cơ tàu thủy, sử dụng nhiên liệu mồi phổ biến hơn. Nhiên liệu mồi là nhiên liệu lỏng truyền thống FO/DO, chiếm tỷ lệ dưới 5% tổng lượng tiêu thụ. Như vậy động cơ vẫn sử dụng đến nhiên liệu FO/DO, vẫn tạo ra các thành phần khí thải hiện đang được kiểm soát như SOx, hay NOx,… Chính vì vậy động cơ vẫn cần được xử lý các thành phần khí thải này nếu tàu hoạt động trong các khu vực đặc biệt về kiểm soát ô nhiễm không khí ECA. Các hãng sản xuất động cơ đang cố gắng giảm lượng nhiên liệu mồi xuống mức thấp nhất có thể, do đó có thể không cần đến các thiết bị xử lý khí thải.
Hiện nay chưa có quy định cụ thể nào về kiểm soát phát thải mê tan từ nhiên liệu tàu thủy, nhưng đây là một vấn đề rõ ràng có ảnh hưởng đến mục tiêu bảo vệ môi trường của IMO, vì vậy các hãng sản xuất động cơ đều có những nghiên cứu và biện pháp để cải thiện vấn đề này, trong tương lai gần IMO sẽ sớm có quy định cụ thể khi động cơ sử dung LNG phổ biến hơn.
Động cơ 4 kỳ lượng nhiên liệu dư “Methane Slip” nhiều hơn so với động cơ 2 kỳ, chủ yếu xảy ra ở thời gian trùng lặp khi su páp xả và hút cùng mở.

Hình 4 So sánh “methane slip” giữa các động cơ X-DF và động cơ 4 kỳ
4. Biện pháp cải thiện và kiểm soát phát thải mê tan từ hoạt động của động cơ
Trước khi tìm biện pháp xử lý, cần xác định nguyên nhân nào khiến nhiên liệu còn xót lại mà không cháy hết, tiếp theo là lượng còn xót lại này thoát ra ngoài môi trường bằng cách nào, từ đó sẽ có các giải pháp phù hợp:
- Ở động cơ 4 kỳ có một giai đoạn mà su páp hút và su páp xả cùng mở - giai đoạn trùng lặp gây tổn thất nạp (overlap), đây là giai đoạn khí mê tan nếu còn trong buồng đốt, hay trên cửa hút, hoặc hỗn hợp nhiên liệu –không khí nạp trên đường hút dễ dàng thoát ra theo đường khí xả. Đặc điểm thiết kế này thường thấy đối với động cơ diesel 4 kỳ để tăng chất lượng quá trình xả, giảm tối đa lượng khí xả xót lại trong buồng đốt.
- Trên động cơ 4 kỳ, khí cháy trong đó có bao gồm nhiên liệu có thể rò lọt xuống các te, từ đó thoát ra ngoài môi trường qua ống thông hơi các te.
- Nhiên liệu khí có thể lẩn khuất trong không gian giữa các xéc măng, hay khe hở đỉnh piston và vách sơ mi (piston top land) mà không cháy hết, đặc biệt đối với động cơ sử dụng chu trình Otto với hỗn hợp nhiên liệu – không khí được nạp trước vào trong xy lanh.

Các biện pháp để cải thiện, giảm thiểu lượng mê tan dư trong buồng đốt sau khi kết thúc quá trình cháy:

Tối ưu thiết kế và các quá trình làm việc của động cơ
- Sử dụng nguyên lý “lean burning” với tỷ lệ không khí/ nhiên liệu rất cao thay vì “rich burning”, phù hợp với các động cơ hai kỳ quét thẳng lai chân vịt hiện nay. Đối với động cơ sử dụng “lean burning”, nhiên liệu khí được đảm bảo cháy hoàn toàn trong buồng đốt.
- Cấp nhiên liệu khí trực tiếp tại cuối kỳ nén theo nguyên lý động cơ diesel, phương pháp này cho phép nhiên liệu khí cấp vào xy lanh khi mà toàn bộ các cửa quét, su páp đã đóng nên không có cơ hội rò lọt ra bên ngoài.
- Sử dụng buồng đốt phụ (đốt mồi) để giảm nhiệt độ buồng đốt cục bộ, đồng thời giúp quá trình cháy diễn ra đồng đều, ổn định, bên cạnh đó còn giúp giảm lượng nhiên liệu mồi trên mỗi chu trình làm việc.
- Tối ưu các quá trình làm việc của động cơ: Sử dụng các công cụ, thuật toán điện tử thông minh để kiểm soát và điều chỉnh các thông số hoạt động của động cơ, kết hợp với cảm biến áp suất xy lanh để liên tục theo dõi và điều chỉnh theo tín hiệu này.
- Giảm không gian khe hở đỉnh piston với sơ mi (piston top land) bằng cách thay đổi thiết kế, điều chỉnh vị trí của xéc măng thứ nhất lên cao hơn.
Xử lý khí thải: Xử lý khí xả bằng xúc tác ô xy hóa
Bộ xử lý được chia làm rất nhiều ngăn nhỏ được ngăn cách bởi các tấm kim được phủ một lớp platinum (bạch kim) hoặc palladium làm chất xúc tác cho phản ứng ô xy hóa. Các thành phần CO, hydrocacbon của khí xả khi đi qua bầu xử lý được chia nhỏ vào từng ngăn, phản ứng với ô xy sẵn có tạo thành CO2 và hơi nước, dưới tác dụng của xúc tác bị ô xy hóa theo phản ứng dưới đây:

2CO + O2 = 2 CO2
CnH2m + (n+m/2)O2 = nCO2 + mH2O
CxH2x+2 + [(3x+1)/2]O2 = xCO2 + (x+1)H2O

Hình 5 Mô hình xúc tác ô xy hóa xử lý khí thải
Phương pháp ô xy hóa có xúc tác phù hợp áp dụng đối với các động cơ 4 kỳ lai máy phát do nhiệt độ khí xả cao, bộ xử lý đặt trước tua bin khí xả, hiệu quả có thể làm giảm 70-99% CO, các hydrocacbon  từ 40 – 90%, ngoài ra còn hiệu quả cao đối với các thành phần khí xả khác như VOCs, formaldehyde, HAPs, PM.
Tuy nhiên, quá trình ô xy hóa không chỉ diễn ra với các thành phần khí xả nói trên, mà còn có thể xảy ra với Sox hay NOx mà sản phẩm của phản ứng này có thể gây hại đối với môi trường, ví dụ:
2SO2 + O2 = 2SO3
SO3 + H2O = H2SO4 (Sulfuric Acid)
5. Kết luận
Sử dụng LNG làm nhiên liệu tàu thủy mang triển vọng mới về kiểm soát khí nhà kính trong nỗ lực chung toàn cầu cũng như của IMO, tuy nhiên LNG vẫn chưa phải là loại nhiên liệu sạch, vẫn có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, bên cạnh đó nguy cơ nhiên liệu xót lại thoát ra môi trường vẫn tiềm ẩn, cần có nhiều giải pháp để cải thiện. Nhưng xa hơn, khi nhiên liệu sạch, nhiên liệu tổng hợp phổ biến hơn thì các động cơ sử dụng LNG hiện nay sẽ hoàn toàn đáp ứng, như là một bước đi tắt đón đầu của ngành công nghiệp động cơ tàu thủy.

Tài liệu tham khảo

[1] Managing Methane Slip – Technical Paper, MAN Energy Solutions
[2] Module 5 - Propulsion and Power Generation of LNG driven vessels, “Principles of Marine Main Engine running on LNG” 2015, Ioannis Bakas, HeLeNGi Technical Manager.
[3] WinGD X-DF – The leading solution for LNG propulsion, Wuxi, 2019
[4] Website: http://en.wikipedia.org/wiki/Marine_LNG_Engine
[5] Emission Control Technology for Stationary Internal Combustion Engines, Manufacturers of Emission Controls Association, 2015.