Nghiên cứu đánh giá phân tích hiệu suất kỹ thuật các phương thức vận chuyển hydro bằng đường biển

Ngày nhận bài: 12/11/2025; Ngày sửa bài: 26/11/2025; Ngày chấp nhận đăng: 09/12/2025

http://doi.org/10.64588/jc.09.12.2025

Tóm tắt

Nghiên cứu này thực hiện đánh giá toàn diện hiệu suất kỹ thuật của các phương thức vận chuyển hydro bằng đường biển thông qua phân tích chỉ số đánh giá hiệu quả sử dụng trọng tải của tàu. Trên cơ sở thu thập và xử lý dữ liệu kỹ thuật từ các tàu thương mại và dự án tàu khái niệm thuộc 5 nhóm công nghệ chính, nghiên cứu xác định phạm vi phân tích cho các tàu có lượng chiếm nước từ 25.000 đến 80.000 DWT. Nghiên cứu kết luận amoniac và methanol là các giải pháp tối ưu hơn so với các phương pháp vận chuyển khác như CGH₂, LH_2, hay LOHC cho vận chuyển hydro quy mô thương mại, là cơ sở kỹ thuật quan trọng cho công tác thiết kế tàu và hoạch định chiến lược vận tải hydro đường biển.

Từ khóa: Vận chuyển hydro bằng đường biển; các phương thức vận chuyển hydro; đánh giá hiệu suất kỹ thuật; hiệu quả sử dụng trọng tải; hydro nén (CGH₂); hydro hóa lỏng (LH₂); chất mang hữu cơ lỏng (LOHC); methanol; amoniac.

Abstract

This study conducts a comprehensive assessment of the technical performance of maritime hydrogen transportation methods through an analysis of the ship deadweight utilization efficiency index. Based on the collection and processing of technical data from commercial vessels and concept ship projects across five major technology groups, the study defines the analysis scope for ships with deadweight tonnage ranging from 25,000 to 80,000 DWT. The research concludes that ammonia and methanol represent more optimal solutions compared to other transportation methods such as CGH2, LH₂, or LOHC for commercial-scale hydrogen carriage, providing a critical technical foundation for ship design and strategic planning of maritime hydrogen transportation.

Keywords: Maritime hydrogen transport; hydrogen transport methods; technical performance evaluation; deadweight utilization efficiency; compressed Gas Hydrogen (CGH₂); liquid Hydrogen (LH₂); liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC); methanol; ammonia.

1. Đặt vấn đề

Chiến lược của IMO đặt ra mục tiêu cắt giảm 50% lượng phát thải khí nhà kính từ tổ hợp năng lượng tàu biển vào năm 2050. Trong bối cảnh đó, các vấn đề về giảm phát khí thải, sử dụng nhiên liệu thay thế [3], cũng như việc triển khai hydro "xanh" làm nhiên liệu cùng toàn bộ chuỗi công nghệ sản xuất và cung ứng đang thu hút sự quan tâm đáng kể [1, 2, 4]. Do các cơ sở sản xuất hydro "xanh" thường phân bố xa khu vực tiêu thụ [5], nhu cầu vận chuyển hàng hải loại nguyên liệu này được dự báo sẽ gia tăng mạnh mẽ trong tương lai. Mặc dù đã có một số nghiên cứu về ứng dụng hydro làm nhiên liệu cho tàu biển [6], các vấn đề then chốt như đóng mới tàu chuyên chở hydro và lựa chọn phương pháp vận chuyển đường biển tối ưu vẫn còn là lĩnh vực ít được khám phá.

Trong quá trình tổ chức chuỗi cung ứng hydro (bao gồm vận chuyển và lưu trữ), trạng thái vật lý của hydro có thể cần được thay đổi nhiều lần nhằm mục đích tăng mật độ năng lượng, kéo dài thời gian bảo quản, hoặc đáp ứng các yêu cầu cụ thể về công nghệ sản xuất, ứng dụng, quy mô lô hàng [7]. Tương tự các sản phẩm khác, hydro có thể được vận chuyển và lưu trữ ở các dạng thức sau: Dạng khí nén (CGH₂), dạng hóa lỏng (LH₂), dạng liên kết hóa học: thông qua các chất mang hữu cơ lỏng (LOHC) [8], amoniac (NH₃) hoặc methanol (CH₃OH). Mỗi dạng thức này sở hữu các đặc tính vật lý và hóa học riêng biệt, đòi hỏi những giải pháp kỹ thuật chuyên biệt để đảm bảo xử lý an toàn và hiệu quả, từ đó quyết định trực tiếp đến kiểu tàu. Chi phí vận chuyển đóng vai trò then chốt trong việc thiết lập chuỗi cung ứng cho bất kỳ sản phẩm hoặc nguyên liệu nào [9]. Trong bối cảnh thị trường nhiên liệu hydro chưa phát triển, việc đánh giá chi phí này chủ yếu dựa trên các mô hình kinh tế - kỹ thuật hay nói cách khác phải hiểu rõ kiểu tàu được sử dụng để vận chuyển từng dạng hydro khác nhau. Một chỉ số khách quan để so sánh hiệu quả của các loại tàu này là trọng tải tàu theo lượng chiếm nước, được định nghĩa là tỷ lệ giữa khối lượng hàng hóa thực tế vận chuyển được và lượng chiếm nước của tàu. Việc ứng dụng chỉ số này cho phép thực hiện một phân tích so sánh toàn diện về năng lực vận tải của các phương án vận chuyển hydro bằng đường biển - một chủ đề còn rất ít được nghiên cứu. Do đó, mục tiêu chính của nghiên cứu này là xác định phương pháp vận chuyển hydro bằng đường biển tối ưu dưới góc độ đánh giá trọng tải.

Trong khi hoạt động vận chuyển amoniac và methanol bằng đường biển đã có lịch sử hàng thập kỷ [3] thì việc vận chuyển hydro hóa lỏng (LH₂) mới chỉ được thử nghiệm trên duy nhất tàu Suiso Frontier. Các phương thức vận chuyển hydro nén (CGH₂) hoặc dưới dạng LOHC cho đến nay vẫn chưa được triển khai thương mại. Để xác định kiểu tàu cho hydro dạng amoniac và methanol, có thể dựa vào cơ sở dữ liệu về đội tàu hiện hữu. Trong khi đó, đối với CGH₂ và LH₂, cần phải tham chiếu từ các dự án tàu khái niệm đã được công bố. Tuy nhiên, một nghiên cứu cho thấy, dữ liệu thống kê hiện có không cho phép so sánh đồng bộ giữa tất cả các công nghệ, cũng như không thiết lập được mối quan hệ rõ ràng giữa quy mô lô hàng thương mại và các đặc tính kỹ thuật - khai thác của tàu. Thực tế này dẫn đến nhu cầu cấp thiết phải xác định dải kích thước tiêu chuẩn và ngưỡng lượng chiếm nước (giới hạn dưới/trên) cho các tàu vận chuyển hydro ở các dạng thức khác nhau, nhằm tạo cơ sở cho việc so sánh một cách chính xác. Để đạt được mục tiêu này, nghiên cứu được triển khai theo hai giai đoạn chính: (1) Phân tích chi tiết các thiết kế tàu hiện có và khái niệm cho việc vận chuyển các dạng hydro khác nhau và (2) So sánh hiệu quả của chúng thông qua chỉ số trọng tải trong từng nhóm trọng tải tương đồng.

2. Phân tích các phương thức vận chuyển hydro bằng đường biển

2.1. Vận chuyển hydro nén (CGH₂) bằng đường biển

Một trong những phương pháp cơ bản để tăng mật độ năng lượng của hydro là nén khí. Ở áp suất 100 bar, mật độ hydro tăng 73 lần (từ 0,08987 kg/m³ lên 6,59 kg/m³); tại 200 bar, mật độ tăng 154 lần (13,919 kg/m³); tại 300 bar, tăng 240 lần (21,6 kg/m³). Phương pháp vận chuyển này đang được hiện thực hóa, minh chứng bằng dự án tàu CGH₂ đầu tiên trên thế giới - H₂Neo - do công ty Úc Provaris Energy (trước đây là Global Energy Ventures) phát triển. Thiết kế tàu cỡ Handymax này có hệ thống chứa hàng làm việc ở áp suất 250 bar, với sức chứa 430 tấn hydro (Hình 1a). Tháng 12/2022, dự án đã được tổ chức phân cấp ABS cấp Chứng chỉ Nguyên tắc thiết kế (Approval in Principle). Hiện tại, dự án đang trong giai đoạn hoàn thiện hồ sơ kỹ thuật và chuẩn bị đóng tàu, với công ty Clarksons PLC (nước Anh) đảm nhận vai trò lựa chọn nhà máy đóng tàu. Tổ hợp động lực của tàu, bao gồm động cơ lai hai nhiên liệu với hai chân vịt cố định, đang được phát triển bởi công ty Wärtsilä Marine Power. Cách tiếp cận khái niệm để xác định dải kích thước tàu vận chuyển chở hydro nén (CGH₂). Do thông số kỹ thuật chi tiết của tàu H₂Neo chưa được công bố đầy đủ, việc đánh giá đặc tính tàu CGH₂ có thể dựa trên kinh nghiệm từ các dự án tàu chở khí thiên nhiên nén (CNG) - vốn sử dụng các cụm bình chứa áp suất (Hình 1b). Trong nghiên cứu [10] đã xem xét ba cỡ tiêu chuẩn chính của cụm bình chứa khí áp suất trong thiết kế tàu biển, khác biệt không đáng kể về thể tích, kích thước đường tính và số lượng bình trong một cụm, cũng như một số đặc tính của bình chứa (độ dày thành, đường kính ống…).

Số liệu từ Bảng 1 cho thấy mật độ khối lượng của phương pháp lưu trữ này (tỷ lệ khối lượng hydro trên khối lượng hệ thống lưu trữ) chỉ đạt 1,21 - 2,36%. Điều này phản ánh khối lượng bản thân hệ thống bình chứa là rất lớn so với khối lượng hàng hóa thực tế.

Bảng 1. Đặc điểm cụm bình chứa và hydro được lưu trữ ở áp suất 200 bar

* Mật độ hydro ở áp suất 200 bar và nhiệt độ 293.15 K là 13.91 kg/m³.*

Giá trị tải trọng hữu ích (payload) của các tàu chở hydro nén (CGH₂) thuộc các nhóm trọng tải khác nhau, có mối quan hệ hàm số với kích thước và áp suất vận hành của hệ thống lưu trữ, được tổng hợp chi tiết trong Bảng 2 và minh họa trực quan tại Hình 2. Trong nghiên cứu này, cụm loại 1 - đặc trưng bởi đường kính bình chứa nhỏ nhất và khả năng chịu áp suất làm việc cao nhất - đã được lựa chọn làm nguyên mẫu (prototype) cho hệ thống chứa hàng trong các tính toán tiếp theo. Sự lựa chọn này dựa trên ưu thế về độ bền và an toàn ở áp suất cao, một yếu tố then chốt trong thiết kế hệ thống vận chuyển hydro thể khí.

Bảng 2. Các kích thước chính và đặc điểm khối lượng của hệ thống lưu trữ hydro nén (CGH₂) trên tàu

*: Tại đây và trong các Bảng 3 - 6 tiếp theo, cách phân loại tàu theo PIANC được áp dụng.
**: Áp suất trong hệ thống là 200 bar.

Một trong các thông số kỹ thuật then chốt đối với hệ thống lưu trữ hydro nén là áp suất vận hành. Trong đó, giá trị không vượt quá 200 bar được xem là một lựa chọn tối ưu, dựa trên hai cơ sở chính. Thứ nhất là đảm bảo an toàn vì áp suất này nằm trong ngưỡng có thể kiểm soát được đối với công nghệ chế tạo và vận hành bình chịu áp hiện đại, giúp giảm thiểu rủi ro kỹ thuật và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Thứ 2, tính tương thích hạ tầng: Giá trị 200 bar đạt được sự tương thích tối ưu với áp suất làm việc phổ biến của các kho chứa hydro ngầm [11]. Việc đồng bộ hóa áp suất giữa hệ thống trên bờ và trên tàu mang lại một lợi thế vận hành quan trọng: Nó đơn giản hóa đáng kể quy trình bốc dỡ hàng hóa. Toàn bộ quá trình vận chuyển hydro từ kho lên tàu thông qua hệ thống đường ống áp suất cao và máy nén tăng áp được tối ưu nhờ chênh lệch áp suất tối thiểu giữa hai hệ thống, từ đó giảm thiểu năng lượng tiêu thụ cho máy nén và nâng cao hiệu quả tổng thể của chuỗi cung ứng.

Đồng thời, chỉ số trọng tải riêng (specific deadweight) đang có xu hướng tăng lên rõ rệt khi quy mô tàu (lượng chiếm nước) gia tang (Hình 3b), qua đó khẳng định tính hiệu quả theo quy mô (economies of scale) của phương pháp vận chuyển hydro nén.

2.2. Vận chuyển hydro hóa lỏng (LH₂) bằng đường biển

Lịch sử nghiên cứu và phát triển các dự án tàu chở hydro hóa lỏng (LH₂) đã bắt đầu từ khá sớm. Một nghiên cứu tiên phong vào năm 1998 của các kỹ sư Nhật Bản [12] đã giới thiệu hai thiết kế khái niệm ấn tượng cho tàu vận chuyển LH₂, với kiểu thân catamaran và hệ thống chứa hàng khác biệt (Hình 4). Cả hai thiết kế đều sử dụng bể chứa hàng loại B (theo phân loại của IMO), tự chịu lực và được lắp đặt cố định trong thân tàu.

Bảng 3. Thông số kỹ thuật chính và so sánh thiết kế

Sức chứa hàng của hai thiết kế đều có dung tích hệ thống chứa hàng lên đến 200.000 m³, tương đương khoảng 14.000 tấn hydro lỏng. Sức chứa này được tính toán dựa trên công suất nhà máy sản xuất, hành trình vận chuyển (bao gồm tổn thất bay hơi). Tổng công suất của hệ động lực lên đến 60 MW để đáp ứng nhu cầu vận hành. Tàu được thiết kế cho tuyến đường dài 6.000 hải lý, với tốc độ cao từ 20 - 25 knot để hoàn thành chuyến đi trong vòng 10 ngày. Thiết kế catamaran (hai thân) được lựa chọn để đảm bảo tính ổn định cho một con tàu có kích thước lớn, tốc độ cao, đồng thời duy trì mớn nước nông - một yêu cầu xuất phát từ tỷ trọng cực thấp của hàng hóa (LH₂). Tỷ lệ bay hơi (Boil-off Rate - BOR) thì hệ thống cách nhiệt được thiết kế để đạt tỷ lệ bay hơi tự nhiên trong khoảng 0,2% đến 0,4% mỗi ngày. Các thiết kế này đã đặt nền móng quan trọng cho các dự án hiện đại ngày nay, như tàu Suiso Frontier, minh chứng cho tính khả thi ngày càng tăng của việc vận chuyển LH₂ quy mô thương mại.

Sau giai đoạn gián đoạn kéo dài kể từ năm 1998, làn sóng nghiên cứu mới về tàu LH₂ đã được khởi động lại vào giữa những năm 2000, dẫn đầu bởi một loạt dự án khái niệm từ Tập đoàn Kawasaki Heavy Industries (KHI) [13]. Quá trình nghiên cứu và phát triển lâu dài cuối cùng đã cho ra đời thiết kế tàu chở LH₂ với sức chứa 160.000 m³. Thiết kế mang tính bước ngoặt này đã chính thức nhận được Chứng nhận Nguyên tắc thiết kế (Approval in Principle - AIP) từ tổ chức phân cấp ClassNK vào tháng 4/2022 (Hình 5a), đánh dấu một bước tiến quan trọng trong hành trình hiện thực hóa vận tải hydro lỏng quy mô thương mại. Kích thước tổng thể: Chiều dài lớn nhất 346 m, chiều rộng 57 m và mớn nước 9,5 m. Hệ thống chứa hàng có sức chứa lên đến 160.000 m³ (đã tính toán đến tổn thất bay hơi), được phân bổ qua 4 bể chứa riêng biệt. Tàu ứng dụng một hệ thống cách nhiệt hiệu suất cao mới được phát triển gần đây, được thiết kế để tối ưu hóa việc kiểm soát tỷ lệ bay hơi (BOR). Tuy nhiên, chi tiết kỹ thuật cụ thể của giải pháp cách nhiệt này chưa được công bố rộng rãi trong các nguồn tài liệu mở. Tổ hợp năng lượng của tàu sử dụng nồi hơi và tuabin hơi nước, được cung cấp nhiên liệu chính bằng lượng hydro bay hơi (boil-off gas) từ hàng hóa. Bên cạnh đó, tàu được trang bị một hệ thống cung cấp nhiên liệu hydro hoàn chỉnh, tích hợp các thiết bị then chốt như máy nén khí để xử lý hydro, thiết bị trao đổi nhiệt và các thiết bị phụ trợ khác, đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn.

Vào năm 2019, các công ty Equinor, Wilhelmsen, DNV GL và Moss Maritime đã giới thiệu một dự án khái niệm chung về tàu tiếp nhiên liệu hydro lỏng (Hình 6b) với các thông số kỹ thuật chính: Chiều dài lớn nhất: 137,0 m, chiều rộng: 19,8 m, tổng công suất tổ hợp năng lượng: 6 MW, sức chứa hàng: 9.000 m³ (2 bể x 4.500 m³), trọng tải: 500 tấn, số lượng bể chứa: 2 bể loại C theo phân loại của IMO, tầm hoạt động: 20.000 hải lý với tốc độ: 15 knot. Việc sử dụng các bể chứa áp lực, tự chịu lực, lắp đặt bên trong loại C, chịu được áp suất bên trong lên đến 5 bar, điều này cho phép lưu trữ hydro đã bay hơi (boil-off gas) bên trong thay vì phải xả bỏ, từ đó có thể sử dụng hoặc tái hóa lỏng lượng khí này, nâng cao hiệu quả và an toàn. Bể chứa hàng được sử dụng ở đây là một bình chịu áp có vỏ kép, hút chân không và chứa vật liệu cách nhiệt nhiều lớp (Multi-Layer Insulation) nhằm giảm thiểu truyền nhiệt bức xạ. Lớp polyurethane dày 300 mm, đóng vai trò như một biện pháp dự phòng để duy trì cân bằng nhiệt bên trong bể chứa trong trường hợp mất chân không trong khoảng không giữa các vỏ. Bên ngoài, các bể chứa được bao phủ bởi một lớp mũ bảo vệ (cowling) - một tấm chắn để bảo vệ bể chứa khỏi hơi ẩm và tia cực tím. Khoảng không giữa các bể chứa và lớp mũ bảo vệ bên ngoài được làm đầy bằng khí nitơ ở áp suất cao hơn 1 bar một chút và thành phần khí quyển trong khoảng không này phải được giám sát liên tục.

Nghiên cứu [14] giới thiệu một dự án tàu chở khí LH₂ quy mô lớn với trọng tâm vào phân tích kết cấu và các giải pháp kỹ thuật. Thiết kế xoay quanh 4 bể chứa hình trụ có tổng dung tích lên tới ~280.000 m³ với chiều dài 370 m, chiều rộng 75 m, chiều chìm 10 m. Năng lực vận chuyển: 20.000 tấn hydro. Lượng chiếm nước: 232.000 tấn. Sử dụng các tuabin hơi nước chạy bằng khí với tổng công suất ~50 MW, sử dụng khí hydro bay hơi (Boil-off Gas) từ hàng hóa. Áp suất hơi trong hệ thống chứa hàng có thể được duy trì ở mức 0,5 MPa, một thông số có ảnh hưởng đáng kể đến khối lượng kết cấu bể chứa và từ đó quyết định đến kích thước tổng thể và lượng chiếm nước của tàu.

Dự án mang tính đổi mới và hướng tới tương lai nhất là tàu C-Job, kết quả hợp tác giữa C-Job Naval Architects và LH₂ Europe (Hình 6) với chiều dài lớn nhất 141,75 m, chiều rộng 34,90 m, chiều chìm 5,8 m. Sức chứa hàng: 37.500 m³ (được chia làm 3 bể, mỗi bể 12.500 m³). Sử dụng pin nhiên liệu hydro với tổng công suất khoảng 5 MW, đây là một bước tiến vượt bậc so với công nghệ tuabin hơi nước truyền thống. Tốc độ 14 knot và được vận hành bởi 14 thuyền viên.

Gần đây nhất, vào ngày 01/02/2024, Tập đoàn TotalEnergies (Pháp) và Công ty GTT đã nhận được chứng nhận Nguyên tắc thiết kế (Approval in Principle) từ Bureau Veritas cho một dự án tàu chở khí LH₂ với sức chứa 150.000 m³. Dự án này đặc biệt ở chỗ sử dụng hệ thống chứa hàng công nghệ màng chắn (membrane technology) của GTT, một công nghệ đã được chứng minh trong ngành vận chuyển LNG và nay được áp dụng cho hydro lỏng. Tiếc là, các thông tin chi tiết về kết cấu tàu và tổ hợp năng lượng vẫn chưa được công bố rộng rãi. Các dự án này minh chứng cho xu hướng phát triển đa dạng và không ngừng đổi mới trong lĩnh vực vận chuyển hydro lỏng bằng đường biển, từ các thiết kế quy mô lớn sử dụng công nghệ truyền thống đến những giải pháp tiên phong thân thiện với môi trường.

Cách tiếp cận các khái niệm để xác định dải kích thước tàu vận chuyển hydro hóa lỏng (LH₂): Đối với tàu được trang bị hệ thống chứa hàng sử dụng bể Loại C, trọng tải nằm trong khoảng 1,24% đến 8,68%. Đối với tàu được trang bị bể loại B (kiểu hình cầu tự chịu lực MOSS hoặc kết cấu tương tự), trọng tải nằm trong khoảng 6,56% đến 12,55%. Với các dự án được phát triển kỹ lưỡng hơn thường cho thấy các con số bảo thủ hơn: Suiso Frontier (tàu đang vận hành): 1,24% - giá trị thấp nhất phản ánh các ràng buộc trong vận hành thực tế. Tàu tiếp nhiên liệu của MOSS Maritime (thiết kế chi tiết): 5,33% - cách tiếp cận cân bằng từ nhà phát triển công nghệ LNG giàu kinh nghiệm. Các dự án khái niệm: Lên đến 8,68% - Mức tối ưu lý thuyết không có các hạn chế thực tế. Trong tất cả các dự án được nghiên cứu, chỉ có dự án LH₂ của Công ty GTT (Pháp) công bố ứng dụng công nghệ lưu trữ hydro kiểu màng chắn (Membrane), tuy nhiên không có thêm dữ liệu nào về đặc tính của hệ thống đang phát triển trong các nguồn thông tin mở. Phần lớn các tàu chở khí LNG (Liquefied Natural Gas) hiện nay đều được trang bị hệ thống màng chắn của GTT, điều này cho phép ước tính trọng tải riêng của các tàu chở hydro cỡ lớn dựa trên thông tin hiện có về các tàu LNG. Các thông số chính của các tàu LH₂ được trình bày trong Bảng 4.

Bảng 4. Các kích thước chính và đặc điểm khối lượng của hệ thống lưu trữ hydro lỏng (LH₂) trên tàu

*: Ở áp suất khí quyển và nhiệt độ -253,1°C.

Trong Hình 7 trình bày các đặc tính về trọng tải hữu ích theo hydro của các tàu LH₂, phụ thuộc vào kích cỡ tiêu chuẩn và lượng chiếm nước của chúng.

2.3. Vận chuyển hydro bằng đường biển ở dạng liên kết hóa học thông qua chất mang hữu cơ lỏng (LOHC)

Một LOHC lý tưởng không chỉ có khả năng lưu trữ mật độ hydro cao mà cần đáp ứng các tiêu chí sau [15]: Tính ổn định hóa học cao, tốc độ phản ứng hydro hóa/khử hydro nhanh, chi phí thiết bị và năng lượng cho quá trình hydro hóa/khử hydro thấp, độ an toàn cao, tương thích với công nghệ và cơ sở hạ tầng hiện có. Các LOHC thường được nghiên cứu bao gồm: hỗn hợp benzen (C₆H₆) và cyclohexan (C₆H₁₂), Toluene (C₇H₈), Naphthalen (C₁₀H₈), N-etylcarbazol (C₁₄H₁₃N), Dibenzyl toluene (DBT). Theo nghiên cứu [16], sau khi phân tích toàn diện các đặc tính kỹ thuật, dibenzyl toluene (DBT) được xác định là chất mang triển vọng nhất cho vận chuyển hydro quy mô lớn. Bởi vì DBT không được phân loại là chất nguy hiểm theo Bộ luật Quốc tế về Vận chuyển hàng hóa nguy hiểm bằng đường biển (IBC Code). Với khối lượng riêng từ 1.035 - 1.045 tấn/m³, DBT có thể được vận chuyển bằng các tàu chở dầu thông thường thuộc mọi nhóm trọng tải. Nghiên cứu [16] xác định tỷ lệ lưu trữ hydro của DBT là: T tỷ lệ giữa khối lượng hydro được lưu trữ và khối lượng chất mang lỏng (dibenzyl toluene - H18-DBT) là 0,0575:1. Thông số này cho phép xác định mối quan hệ giữa trọng tải cần thiết cho chất mang hữu cơ so với trọng tải hữu ích thực tế theo hydro, được trình bày chi tiết trong Bảng 5 và Hình 8 của nghiên cứu.

Bảng 5. Các kích thước chính và trọng tải hữu ích theo hydro của các loại tàu chở dầu khác nhau để vận chuyển chất mang hữu cơ lỏng (DBT)

2.4. Vận chuyển hydro bằng đường biển dưới dạng Amoniac (NH₃)

Amoniac được vận chuyển thương mại bằng các tàu chở khí hóa lỏng (LPG). Ở trạng thái vận chuyển, amoniac được duy trì ở dạng lỏng dưới áp suất gần khí quyển và nhiệt độ làm lạnh sâu dưới điểm sôi (-33,4^oC). Quá trình hóa lỏng giúp giảm thể tích amoniac hơn 800 lần, mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội. Áp suất ngưng tụ thấp cho phép sử dụng tất cả các loại tàu chở khí LPG hiện có. Quy trình Haber-Bosch cho phép sản xuất amoniac với hiệu suất 100% và mức tiêu thụ điện năng trung bình ~3.200 kWh [16]. Trong đó, để thu được 0,1563 kg hydro cần có 1 kg NH₃. Như vậy, có thể xác định sức chứa thực tế theo amoniac của các tàu chở khí LPG và trọng tải hữu ích tương ứng theo hydro cho dải kích thước tiêu chuẩn của các tàu chở khí LPG thuộc mọi nhóm trọng tải (Bảng 6, Hình 9).

Bảng 6. Các kích thước chính và trọng tải hữu ích theo hydro của các loại tàu chở khí LPG khác nhau để vận chuyển amoniac

*Ghi chú: Áp dụng phân loại theo PIANC

2.5. Vận chuyển hydro bằng đường biển dưới dạng Methnol (CH₃OH)

Việc vận chuyển methanol được thực hiện bằng các tàu chở hóa chất tức là các tàu chở hàng rời được đóng mới hoặc cải tạo để chuyên chở các mặt hàng hóa chất nguy hiểm. Theo IBC Code: Methanol được phân loại là chất độc hại thuộc Danh mục Y [17, 18] phải được vận chuyển trên các tàu chở hóa chất loại 3. Theo định nghĩa từ [17], đây là tàu chở hóa chất được thiết kế để chuyên chở các sản phẩm gây ra mối đe dọa đủ nghiêm trọng đối với môi trường và an toàn, trên tàu đó cần phải áp dụng các biện pháp đặc biệt để nâng cao khả năng sống sót của tàu khi bị hư hỏng. Việc vận chuyển methanol Methanol được vận chuyển từ các bến cảng đến người tiêu dùng bằng Tàu Product tanker. Tàu Product tanker là một tàu chở hàng rời được đóng mới hoặc cải tạo để chuyên chở các mặt hàng hóa chất nguy hiểm. Theo nghiên cứu [16], tỷ lệ giữa khối lượng hydro được lưu trữ và khối lượng methanol là 0,111:1. Điều này cho phép xác định tỷ lệ giữa trọng tải yêu cầu của tàu đối với methanol so với trọng tải hữu ích của nó theo hydro (Bảng 7, Hình 10).

Bảng 7. Các kích thước chính và trọng tải hữu ích theo hydro của các loại tàu chở hóa chất để vận chuyển methanol

*Ghi chú: Áp dụng phân loại theo PIANC

3. Đánh giá phương thức vận chuyển hydro bằng đường biển tối ưu

Nghiên cứu cho thấy, để vận chuyển hydro có thể sử dụng các loại tàu khác nhau với những đặc điểm kết cấu và công nghệ riêng biệt. Để so sánh chính xác, dải lượng chiếm nước được xem xét cần được giới hạn trong phạm vi cho phép so sánh giữa tất cả các loại tàu - cụ thể là từ 25.000 đến 80.000 tấn lượng chiếm nước (Hình 11). Như vậy, các phương pháp vận chuyển hydro bằng đường biển có thể được xếp hạng theo tiêu chí giảm dần trọng tải riêng theo hydro như sau:

1. Tàu chở khí LPG (Amoniac - NH₃) - Phyd/Δ đạt 7,99 - 11,28%;

2. Tàu chở hóa chất (Methanol - CH₃OH) - Phyd/Δ đạt 7,9 - 8,8%;

3. Tàu chở dầu (Chất mang hữu cơ lỏng - Dibenzyl Toluene (DBT)) - Phyd/Δ đạt 4,09 - 4,56%;

4. Tàu chở khí vận chuyển hydro hóa lỏng (LH₂) - Phyd/Δ đạt 1,24 - 5,33 %;

5. Tàu chở khí vận chuyển hydro nén (CGH₂) - Phyd/Δ chỉ đạt 0,84 - 0,89 %.

Dựa trên phân tích từ Hình 11, có thể rút ra các kết luận quan trọng sau: Tổng công suất tối đa, trọng tải hữu ích theo hydro không vượt quá 9.000 tấn trong dải lượng chiếm nước đến 80.000 tấn.

- Đối với Hydro nguyên chất & LOHC: Giới hạn tối đa chỉ 3.000 tấn hydro.

- Đối với lô hàng nhỏ (≤ 500 tấn hydro): Sử dụng tàu LH₂ hoặc CGH₂ chuyên dụng, hiệu quả tương đương ở mức 50 - 54 nghìn tấn DWT.

- Đối với lô hàng trung bình (500 - 3.000 tấn hydro): Dưới 37.000 tấn DWT thì tàu chở hóa chất vận chuyển methanol cho hiệu suất tốt nhất. Trên 37.000 tấn DWT: Tàu chở khí LPG vận chuyển amoniac vượt trội hơn.

-  Đối với lô hàng lớn (3.000 - 9.000 tấn hydro): Bắt buộc sử dụng amoniac hoặc methanol, trong đó amoniac thể hiện hiệu suất cao hơn ở quy mô lớn.

- Vận chuyển amoniac quy mô rất lớn (> 9.000 - 10.000 tấn hydro) bị giới hạn bởi: Thiếu tàu chở khí LPG có DWT đủ lớn trên thị trường và Giới hạn kỹ thuật của đội tàu hiện hữu

4. Kết luận

Nghiên cứu này đã phân tích các thiết kế tàu hiện có và khái niệm cho việc vận chuyển hydro ở các trạng thái vật lý khác nhau và dưới dạng liên kết hóa học. Bằng cách thiết lập mối quan hệ giữa quy mô lô hàng hydro - có tính đến các đặc tính cụ thể với các đặc điểm kỹ thuật và vận hành của tàu vận chuyển cho từng phương pháp lưu trữ trên tàu khả thi, nghiên cứu đã xác định được phương pháp vận chuyển hydro tối ưu bằng đường biển dựa trên tiêu chí trọng tải riêng, áp dụng cho các tàu vận tải có lượng chiếm nước từ 25.000 đến 80.000 tấn.

Trong phạm vi lượng chiếm nước được nghiên cứu, các tàu chở khí LPG và tàu chở hóa chất để vận chuyển amoniac và methanol tương ứng được chứng minh là các phương án tối ưu về mặt trọng tải riêng. Ngược lại, các thiết kế tàu khái niệm cho vận chuyển hydro "nguyên chất" (dạng nén hoặc hóa lỏng) cho thấy hiệu suất thấp nhất. Phương pháp sử dụng chất mang hữu cơ lỏng (LOHC) chiếm vị trí trung gian về hiệu quả.

Những kết quả đạt được từ nghiên cứu có thể được ứng dụng để xác định chi phí vận chuyển hydro dựa trên trạng thái vật lý và loại tàu sử dụng. Do đó, chúng có giá trị tham khảo quan trọng cho cả giai đoạn sơ bộ trong các nghiên cứu kinh tế lẫn trong khuôn khổ nghiên cứu tiền dự án về khái niệm tàu vận chuyển hydro chuyên dụng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Buyanov, A. S., Reuckij, A. S. (2023), Formirovanie metodologicheskogo podhoda k processu opredeleniya uglerodnogo sleda transportnoj uslugi s ispol’zovaniem koefficientov energoeffektivnosti sudna, Nauchno  tekhnicheskij sbornik Rossijskogo morskogo registra sudohodstva 70/71, 13-28.
[2]. Buyanov, A. S., YAkimov, V. V., Reuckij, A. S. (2023), Koefficient energoeffektivnosti kak instrumentopredeleniya uglerodnogo sleda ot raboty morskih sudov ledovyh klassov, Nauchno  tekhnicheskij sbornik Rossijskogo morskogo registra sudohodstva 72/73, 21-31.
[3]. Buyanov, A. S., Leonova, O. N., Reuckij, A. S. (2021), Analiz opyta primeneniya metanola i etanola v kachestve topliva na sudah, Nauchno  tekhnicheskij sbornik Rossijskogo morskogo registra sudohodstva 64/65, 91-97.
[4]. Heid B. et al Five charts on hydrogen’s role in a net-zero future McKinsey & Company, Web. 20 Sept. 2023.
[5]. Berger RProsperity at Risk: For a New Strategy in Energy Policy/R. Berger et al. (2022): 1-7.
[6]. Di Lullo, Giovanni, et al. (2022), Large-scale long-distance land-based hydrogen transportation systems: A com parative techno-economic and greenhouse gas emission assessment, International Journal of Hydrogen Energy 47.83, 35293.35319.
[7]. SHamraj F. A. (2022), Dostupnye segodnya tekhnologii hraneniya i transportirovki vodoroda, Delovoj zhurnal NEFTEGAZ.RU 11, 50-55.
[8]. Makaryan, I. A., Sedov, I. V., Maksimov, A. L. (2020), Hranenie vodoroda s ispol’zovaniem zhidkih organicheskih nositelej (obzor), ZHurnal prikladnoj himii 93.12, 1716-1733.
[9]. Buyanov, A. S. (2021), Metody ocenki stoimosti perevozki gruzov morskim transportom v usloviyah ogranichen nogo informacionnogo obespecheniya, Transport Rossijskoj Federacii 3(94), 22-27.
[10]. Vlas’ev, M. V., Demeshko, G. F. (2018), Formirovanie morskoj transportno- tekhnologicheskoj sistemy perevoz ki szhatogo prirodnogo gaza (CNG-tekhnologiya), Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo centra Spec. vyp. 2, 160-168.
[11]. Safarova, E. A., Filippova, D. S., Stolyarov, V. E. (2021), Osobennosti ekspluatacii ob”ektov podzemnogo hraneniya gaza pri sovmestnom hranenii metana i vodoroda, Nauchnyj zhurnal Rossijskogo gazovogo obshchestva 3, 58-63.
[12]. Abe, A. (1996), Studies of the large scale transportation of the liquid Hydrogen, Proceedings of the 11th World Hydrogen Energy Conference 2, 1145-1154.
[13]. Kamiya, S., Nishimura, M., Harada, E. (2015), Study on introduction of CO₂ free energy to Japan with liquid hydrogen, Physics Procedia 67, 11-19.
[14]. Alkhaledi, A. N., Sampath, S., Pilidis, P. (2022), A hydrogen fuelled LH₂ tanker ship design, Ships and Offshore Structures 17.7, 1555-1564.
[15]. Modisha, P. M. et al. (2019), The prospect of hydrogen storage using liquid organic hydrogen carriers, Energy & fuels 33.4, 2778-2796.
[16]. Abdin Z. (2021), Large-scale stationary hydrogen storage via liquid organic hydrogen carriers, Iscience 24.9, 1-23.
[17]. Mezhdunarodnyj Kodeks postrojki i oborudovaniya sudov, perevozyashchih opasnye himicheskie gruzy nalivom (Kodeks MKKH). SPb.: ZAO “CNIIMF”, 1997.
[18]. Mezhdunarodnaya Konvenciya po predotvrashcheniyu zagryazneniya s sudov (MARPOL 73/78), Prilozhenie II: Pravila predotvrashcheniya zagryazneniya vrednymi veshchestvami, perevozimymi nalivom. SPb.: AO “CNIIMF”, 2017.