[Tin công nghệ] Công nghệ mới làm giảm tiêu thụ nhiên liệu cho đội tàu biển

Theo thống kê, hiện nay đội tàu thế giới hàng năm tiêu thụ khoảng 300 triệu tấn nhiên liệu (NL), thải ra khoảng 960 triệu tấn khí CO2 và 9 triệu tấn khí SO2. Với xu hướng phát triển vận tải biển và theo đó là nhịp độ tăng trưởng đội tàu (cả về số lượng và kích cỡ tàu) của các nước như hiện nay thì lượng tiêu thụ NL cũng như khí thải xả ra môi trường sẽ tăng lên rất nhanh chóng. IMO và các tổ chức bảo vệ môi trường luôn kêu gọi tìm kiếm các giải pháp và công nghệ mới ứng dụng cho tàu biển để tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các chủ tàu luôn tìm cách giảm mức tiêu thụ NL của tàu thông qua các biện pháp quản lý và biện pháp kỹ thuật, bởi chi phí NL là chi phí chiếm tỷ trọng cao nhất trong khai thác tàu.

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mức tiêu thụ NL và lượng khí thải COx, SOx, NOx. Tuy nhiên, có 04 yếu tố chủ yếu sau:
- Tình trạng kỹ thuật của động cơ, hệ động lực và hệ vỏ tàu-chân vịt;
- Tình trạng biển (sóng, gió);
- Chất lượng NL sử dụng;
- Khí hậu vùng biển khai thác tàu (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm của không khí).

Qua nhiều nghiên cứu cho thấy, ảnh hưởng của yếu tố thứ nhất và thứ hai là lớn nhất. Tuy nhiên, do yếu tố thứ hai không tác động thường xuyên (chỉ khi cấp của sóng lớn hơn cấp 5 Bopho mà thôi), nên có thể nói yếu tố thứ nhất ảnh hưởng thường xuyên nhất.

Để giảm thiểu tác động của yếu tố thứ nhất đến tiêu hao NL và ô nhiễm môi trường, các nhà khoa học, các nhà thiết kế chế tạo hệ động lực, vỏ tàu, chân vịt và các hãng sơn hàng hải đã không ngừng nghiên cứu để ứng dụng các công nghệ mới, các giải pháp kỹ thuật tiên tiến vào sản phẩm của mình.

Về hệ động lực

Các nhà chế tạo động cơ và hệ động lực đã nỗ lực cải tiến các bộ phận, chi tiết của động cơ, hệ trục và chân vịt... nhằm cải thiện quá trình cháy trong động cơ, tăng hiệu suất sử dụng năng lượng NL. Hãng MAN B&W chế tạo động cơ có xilanh đường kính lớn tới 980 mm, số xilanh từ 13-18 chiếc/máy. Trục cam được chia thành hai phần lai hai nhóm xilanh riêng, mặc dù loại máy này vẫn là loại một hàng xilanh (in-line); thứ tự nổ được sắp xếp tối ưu hóa... Hãng tập trung vào nâng cấp thiết kế dựa trên các yếu tố:
- Nghiên cứu điều chỉnh đầu phía sau cùng (aft end) của trục cơ máy chính;
- Kích thước của bệ đỡ chặn;
- Bố trí các tua-bin tăng áp, gió quét và bầu góp khí xả.

Hãng Wartsila - Sulzer cũng đã chế tạo được động cơ có công suất lên tới 80.080 KW, số xilanh là 14 với đường kính 960 mm. Đặc biệt, Hãng này đã phát minh ra hệ thống RT-flex để cung cấp nhiên liệu cho máy, điều khiển hoạt động các xupap xả, điều khiển gió khởi động và các động cơ trợ động đảo chiều máy. Để thực hiện các công việc này đối với những động cơ truyền thống là sử dụng các cam và hệ thống bánh răng, còn đối với hệ thống RT-flex thì toàn bộ được điều khiển bằng hệ thống điều khiển điện tử WECS-9500.

Đây là một hệ thống modul có các cụm vi xử lý cho từng xilanh của động cơ và các cụm vi xử lý đúp điều khiển và giám sát chung cho toàn bộ động cơ. Ngoài ra, loại động cơ lắp hệ thống RT-flex cũng kết hợp với việc sử dụng công nghệ TriboPack, loại công nghệ có các phương pháp thiết kế mới cho sơ mi xilanh và piston động cơ như: xilanh có nhiều mức bôi trơn, bề mặt sơ mi có độ cứng và vật liệu thay đổi, sử dụng các ống cách nhiệt đặt trong xilanh, dùng vòng chống mài bóng ở phần trên sơ mi, cách làm mát piston...

Do sử dụng kết hợp giữa hệ thống RT-flex và TriboPack mà có thể tạo ra các dải công suất lớn, nâng hiệu quả kinh tế khai thác động cơ rất cao, mà cụ thể là tiết kiệm NL, chu kỳ bảo dưỡng kéo dài, động cơ làm việc tin cậy và phát huy hết công suất, đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường...

Một bộ phận đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tàu thủy là chân vịt. Các nhà chế tạo chân vịt thường xuyên đưa ra những mẫu thiết kế chân vịt mới. Trong một năm hãng Wartsila đã đưa ra 150 mẫu thiết kế chân vịt cánh cố định (FPP) và cánh có thể điều chỉnh (CPP) loại kích thước lớn và 250 mẫu thiết kế cho chân vịt FPP có đường kính nhỏ hơn 3,5m.

Trong những loại đó, hình dáng đầu cánh chân vịt luôn được quan tâm và gần đây, người ta đã tạo hình đầu cánh chân vịt như hình dạng đầu thỏi son tô môi. Đồng thời, khi nghiên cứu về chân vịt, các nhà chế tạo cũng phải xem xét đến cấu tạo của bánh lái đi kèm với loại chân vịt đó để sao cho hiệu suất đẩy đạt được là lớn nhất.

Về trạng thái bề mặt vỏ

Trạng thái nhẵn, phẳng của vỏ tàu ngâm trong nước có ảnh hưởng rất lớn tới tiêu thụ NL, vận tốc tàu, và do đó sẽ ảnh hưởng đến cước cho thuê tàu và doanh thu khai thác. Sau khi tàu xuống đà, cùng với tình trạng kỹ thuật của hệ động lực ngày càng xấu đi, thì tình trạng bề mặt của vỏ tàu, chân vịt cũng sẽ tăng độ gồ ghề do các sinh vật biển (hà, rong rêu...) và nhớt bẩn (slime) bám vào và lớp sơn phủ bề mặt (phần ướt của vỏ tàu) cũng bị hư hỏng. Trạng thái này làm tăng rất nhanh lực cản (ma sát) vỏ tàu trong môi trường nước biển. Nếu muốn duy trì được vận tốc tàu thì cần tăng công suất động cơ - đồng nghĩa với việc tăng tiêu thụ NL và tăng lượng khí thải (các nghiên cứu cho thấy hà bám làm tăng tới 40% lực cản, rong rêu làm tăng 10% và nhớt bẩn làm tăng 1-2%).

Đối với người khai thác tàu, hiệu quả kinh tế được thể hiện qua một số chỉ tiêu, như: giảm chi phí NL; duy trì và cải thiện tốc độ tàu; giảm chi phí và thời gian lên đà sửa chữa... Ngoài ra, theo yêu cầu của công ước quốc tế, còn phải giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường nước biển (độc tố tách ra từ sơn chống hà vỏ tàu, các loại chất thải khác), môi trường khí quyển (giảm các loại khí thải NOx, COx, SOx).
Để đáp ứng được hai yêu cầu là giảm chi phí NL và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, các hãng sơn hàng hải đã liên tục đưa ra thị trường những loại sơn chống hà không chứa độc tố. Bên cạnh việc hạn chế ô nhiễm môi trường nước biển, thì loại sơn này còn có những tính năng vượt trội:
- Thời gian sử dụng lâu dài: loại INTERSLEEK 700 duy trì được trong vòng 10 năm, INTERSLEEK 900 duy trì được trên 10 năm.
- Chống hà và giảm lớp nhớt bẩn cực tốt, ngay cả khi tàu đỗ.
- Lượng sơn phủ trên bề mặt vỏ tàu ít (có ý nghĩa quan trọng với các tàu cao tốc).
- Chi phí bảo quản, bảo dưỡng cũng như thời gian trên đà ít hơn các loại sơn khác.
- Khả năng rã hà khi tàu chạy cực tốt. Đặc biệt là duy trì được tốc độ tàu (khi giữ nguyên vòng quay/công suất máy chính sử dụng), giảm lượng NL tiêu thụ và lượng khí thải trong quá trình khai thác.

Theo báo cáo của một số tàu trong số 200 tàu đã dùng sơn INTERSLEEK 700, bình quân các tàu đã giảm được 4% mức tiêu thụ NL so với khi dùng sơn SPC với cùng các điều kiện khai thác tương đối giống nhau (tuyến đi, lượng hàng bình quân chuyên chở, điều kiện sóng gió, khí hậu...).

Có thể nói, sơn INTERSLEEK 900 là loại sơn có nhiều tính năng ưu việt nhất trong các loại sơn chống hà (CH) hiện nay. Từ việc tạo ra bề mặt nhẵn bóng, giảm ma sát, khả năng CH và chống nhớt bẩn cao, khả năng rã hà khi chạy cao... đã làm giảm tiêu thụ NL và khí thải của tàu. Ngoài ra, khi dùng loại sơn này, chi phí sửa chữa và bảo dưỡng sẽ thấp hơn do: trước 60 tháng chỉ cần sơn dặm; sau 60 tháng chỉ cần sơn phủ thêm một lớp có độ dày 100 micron; không tốn nhiều chi phí để xử lý bằng nước phun hoặc hạt mài; chu kỳ lên đà có thể linh hoạt đến 60 tháng, thời gian nằm đà ngắn hơn...

Tuy nhiên, do đơn giá của loại sơn này hiện tương đối cao, do vậy sẽ kinh tế nhất khi dùng nó cho các loại tàu đóng mới hoặc có tuổi < 7, các tàu có tải trọng lớn, tàu container, tàu dầu. Theo tính toán, mặc dù đầu tư ban đầu dùng sơn INTERSLEEK 700/900 lớn (cho diện tích ngâm nước của vỏ tàu), nhưng nếu so với hiệu quả tiết kiệm được (về tiêu thụ NL, chi phí lên đà) thì việc hoàn phí chênh lệch đầu tư (so với loại sơn SPC, có cùng thời hạn 60 tháng) sẽ đạt được trong vòng 1,5-2 năm, thời gian sử dụng của INTERSLEEK 700/900 là 10-12 năm. Do vậy loại sơn này ngày càng được các chủ tàu lớn trên thế giới lựa chọn.

Hãng sơn Sigma Coatings cũng đã nghiên cứu về hệ sơn CH từ lâu. Loại sơn CH không độc tố mới nhất mà Hãng này đưa ra có tên SigmaGlide, cũng có nhiều đặc tính ưu việt.

Khi dùng SigmaGlide, độ nhám bề mặt bình quân AHR khoảng 70 micron; thời hạn sử dụng khoảng 10 năm; khả năng chống hà, rêu và rã hà khi tàu chạy tốc độ cao (thậm chí khi tàu chạy 5 hải lý/h đã rã được hà); khả năng chống va đập cao. So sánh với hệ sơn CH không chứa thiếc (tin-free) cùng hãng Sigma, gồm Sigma Multiguard, Cover 515, AlphaGen20 khi sơn trên một diện tích 2.500m2 thì hệ sơn CH không chứa thiếc phải cần đến 2.793kg, trong khi SigmaGlide chỉ cần 1.702kg. Như vậy sẽ giảm trọng lượng vỏ tàu sau khi sơn - Đây là điều có ý nghĩa rất lớn đối với các tàu cao tốc, tàu chiến, tàu container có tải trọng và tốc độ lớn.

Nếu xem xét ba kỳ lên đà liên tiếp, và so sánh việc sử dụng SigmaGlide (dùng sơn cho cả sườn đứng và đáy tàu) với hai loại sơn Sigma AlphaGen20 (thường dùng để sơn các sườn đứng) và SigmaEcofleet 20 (thường sơn đáy tàu) cho thấy: Từ lần sơn đầu tiên, đến các kỳ lên đà tiếp theo, nếu dùng hai loại Sigma AlphaGen20 và SigmaEcofleet 20 thì đều phải làm sạch vỏ và sơn lại toàn bộ. Nếu dùng SigmaGlide thì chỉ cần làm sạch vỏ tàu bằng nước, sau đó sơn dặm những điểm bị tróc sơn mà thôi; đến kỳ thứ ba, lúc đó mới kiểm tra lại bề mặt vỏ tàu và sẽ quyết định có phải sơn lại toàn bộ hay không-Như vậy sẽ tiết kiệm được rất nhiều chi phí làm sạch, tiền sơn, thời gian nằm đà... qua các kỳ sửa chữa.

Sơn SigmaGlide cũng được dùng để sơn chân vịt (bằng đồng), mục đích là giảm "độ trượt", không cần vệ sinh chân vịt khi tàu dừng lâu, giảm tiếng ồn và độ rung, và đặc biệt là giảm tiêu thụ NL.
Cũng như sơn INTERSLEEK 700/900, đơn giá (và do đó là vốn đầu tư ban đầu) của SigmaGlide tương đối cao. Tuy nhiên, theo tính toán của các nghiên cứu và tổng kết từ những báo cáo thực tế của các tàu sử dụng SigmaGlide, so với hệ sơn SPC thì tiết kiệm được tiêu thụ NL khoảng 2-4%, từ đó tăng tính kinh tế khai thác tàu và làm giảm lượng khí thải ra môi trường. Bằng việc tính toán chi tiết cho thấy thời gian hoàn số tiền chênh lệch của vốn đầu tư ban đầu (so với loại sơn SPC, có thời hạn 60 tháng) sẽ nằm trong những năm đầu tiên.

Hiện nay, các loại sơn CH mới của Hãng IP và Sigma đều có chứng chỉ của cơ quan đăng kiểm, đáp ứng được yêu cầu của công ước quốc tế về bảo vệ môi trường biển và khí quyển, và đã thực sự mang lại lợi ích kinh tế cho các chủ tàu.

Tóm lại, với nhu cầu phát triển ngày càng tăng của đội tàu biển thế giới, với các quy định về bảo vệ môi trường ngày càng chặt chẽ, nguồn NL truyền thống ngày càng khan hiếm và giá NL ngày càng tăng, cạnh tranh về cước vận tải biển tăng dần..., thì việc ứng dụng các công nghệ và giải pháp kỹ thuật mới là một trong những biện pháp hữu hiệu và quan trọng để tăng tính kinh tế và an toàn cho việc khai thác đội tàu biển Việt Nam và thế giới.