Tàu chở hàng rời tự dỡ MV Yampu vừa được đưa vào khai thác thương mại tại Nam Úc với hệ động lực diesel - điện kết hợp bộ pin dung lượng lớn. Giải pháp cho phép con tàu hoạt động hoàn toàn bằng điện trong khoảng 40% thời gian, qua đó giảm đáng kể nhiên liệu và phát thải trong hoạt động vận chuyển vật liệu phục vụ sản xuất xi măng. 
Điện khí hóa tuyến vận chuyển 2,7 triệu tấn đá vôi mỗi năm
Giảm phát thải đối với vận tải biển đang trở thành một trong những bài toán khó của quá trình chuyển đổi năng lượng. Nếu những phương tiện nhỏ hoặc tàu hoạt động trên tuyến ngắn đã bắt đầu có thể chuyển sang sử dụng hoàn toàn bằng điện, việc điện khí hóa các tàu vận tải hàng nặng vẫn gặp nhiều trở ngại do nhu cầu năng lượng lớn, trọng lượng pin và hạn chế của hạ tầng sạc tại cảng.
Trong bối cảnh đó, MV Yampu đang cho thấy một cách tiếp cận: Kết hợp động cơ diesel với hệ thống pin dung lượng lớn, từng bước giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch thay vì chờ đợi điều kiện để chuyển ngay sang tàu thuần điện.
MV Yampu được CSL Group đóng cho nhà sản xuất vật liệu xây dựng Adbri, phục vụ riêng cho hoạt động vận chuyển đá vôi tại Nam Úc.
Con tàu dài 125 m, có sức chở khoảng 11.900 tấn, Yampu có thể đảm nhiệm vận chuyển khoảng 2,7 triệu tấn đá vôi thô mỗi năm.
Khoảng cách vận chuyển đường biển mỗi chiều khoảng 68 km và con tàu dự kiến thực hiện khoảng 227 chuyến khứ hồi mỗi năm. Đây là tuyến vận tải có tần suất hoạt động cao, vì vậy việc giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ trên mỗi chuyến có thể tạo ra hiệu quả đáng kể khi tính trên toàn bộ vòng đời khai thác.
Trung tâm của hệ thống động lực trên Yampu là hệ thống diesel - điện do Công ty Công nghệ Wärtsilä của Phần Lan phát triển.
Con tàu được trang bị hệ thống pin hàng hải có dung lượng 6.758 kWh, tương đương khoảng 6,76 MWh. Riêng hệ thống pin có trọng lượng khoảng 131 tấn.
Khác với tàu chạy hoàn toàn bằng điện, Yampu không phụ thuộc duy nhất vào nguồn năng lượng từ pin. Hệ thống được thiết kế để phối hợp giữa động cơ diesel, máy phát điện, pin và hệ thống truyền động điện tùy theo từng giai đoạn vận hành.
Nhờ đó, tàu có thể hoạt động hoàn toàn bằng điện trong khoảng 40% thời gian khai thác. Khi cập cảng Birkenhead, hệ thống pin được kết nối với lưới điện trên bờ để sạc.
Ngay cả trong những thời điểm động cơ diesel vẫn phải hoạt động, pin có thể hỗ trợ cung cấp năng lượng khi nhu cầu công suất tăng cao, qua đó giảm tải cho động cơ và giúp hệ thống vận hành hiệu quả hơn.
Đây cũng là lý do mô hình hybrid được xem như một giải pháp chuyển tiếp khả thi đối với một số tuyến vận tải biển hạng nặng. Thay vì phải trang bị ngay một hệ thống pin đủ lớn để cung cấp năng lượng cho toàn bộ hành trình, tàu có thể sử dụng pin ở những giai đoạn phù hợp và duy trì động cơ diesel cho phần còn lại.
Theo số liệu được công bố, Yampu có thể giảm hơn 500.000 lít dầu diesel tiêu thụ mỗi năm. Tổng lượng phát thải được cho là giảm khoảng 40%, trong khi khả năng vận chuyển hàng hóa tăng khoảng 35%.
Điểm này đặc biệt đáng chú ý đối với vận tải nguyên liệu xây dựng. Đá vôi, quặng, cát và nhiều loại vật liệu rời có khối lượng rất lớn nhưng giá trị trên mỗi đơn vị khối lượng không cao. Vì vậy, hiệu quả vận chuyển có ảnh hưởng trực tiếp tới chi phí và lượng phát thải trong toàn bộ chuỗi cung ứng.
Yampu còn được thiết kế theo dạng tàu tự dỡ hàng. Thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào thiết bị bốc dỡ tại cảng, hệ thống trên tàu có thể đưa đá vôi ra khỏi khoang hàng với công suất lên tới 1.500 tấn/giờ.
Một phễu chứa được thiết kế để tự phân phối đá vôi trong khoang, hạn chế công việc san chỉnh hàng hóa bằng phương pháp thủ công. Khi cập cảng, hệ thống tự dỡ tiếp tục giúp giảm nhu cầu sử dụng cần cẩu và các thiết bị bốc xếp hạng nặng trên bờ.
Như vậy, hiệu quả của con tàu không chỉ đến từ thay đổi hệ động lực mà còn từ việc tối ưu toàn bộ chu trình vận chuyển, từ hành trình trên biển đến khâu xếp dỡ vật liệu.
Nút thắt của tàu hàng chạy điện
Dù được trang bị bộ pin gần 6,8 MWh, MV Yampu hiện chưa thể vận hành hoàn toàn bằng điện.
Một trong những nguyên nhân quan trọng không nằm ở bản thân con tàu mà ở hạ tầng trên bờ.
Để một tàu hàng gần 12.000 tấn hoạt động liên tục trên lịch trình vận tải công nghiệp, hệ thống sạc phải có khả năng truyền một lượng điện rất lớn trong khoảng thời gian tàu neo đậu tương đối ngắn. Hạ tầng sạc nhanh công suất và điện áp cao cần thiết tại Klein Point hiện chưa đáp ứng được yêu cầu này.
Ngoài ra, nếu tăng dung lượng pin đủ để con tàu thực hiện toàn bộ hành trình trong mọi điều kiện tải, khối lượng hệ thống lưu trữ năng lượng cũng tăng lên đáng kể. Điều đó không chỉ làm tăng chi phí đầu tư mà còn chiếm phần tải trọng vốn có thể dành cho hàng hóa.
Đây là khác biệt cơ bản giữa điện khí hóa phương tiện đường bộ và tàu vận tải hàng nặng. Đối với tàu biển, việc bổ sung hàng trăm tấn pin phải được cân nhắc trực tiếp với tải trọng hàng hóa, tầm hoạt động, thời gian sạc và hiệu quả kinh tế của mỗi chuyến đi.
Vì vậy, trong khi hydro và amoniac đang được nghiên cứu như những lựa chọn cho các tuyến hàng hải đường dài, pin điện được đánh giá có nhiều tiềm năng hơn đối với các tuyến ngắn, cố định và có khả năng xây dựng hạ tầng sạc tại những cảng thường xuyên khai thác.
Trường hợp của Yampu hội tụ khá rõ những điều kiện này, tàu chỉ hoạt động trên một tuyến vận chuyển cố định giữa mỏ đá và nhà máy xi măng, hành trình tương đối ngắn và lịch trình có thể dự đoán trước. Điều đó tạo điều kiện để bố trí việc sạc pin phù hợp với chu kỳ xếp, vận chuyển và dỡ hàng.
CSL và Adbri đặt mục tiêu trong tương lai có thể đưa con tàu tiến tới vận hành hoàn toàn bằng điện khi hạ tầng sạc trên bờ được hoàn thiện và mật độ năng lượng của pin tiếp tục được cải thiện.
Thực tế, tàu điện hoàn toàn đã xuất hiện trong vận tải hành khách và một số tuyến vận tải biển ngắn. Tuy nhiên, chuyển đổi những tàu chuyên chở hàng nghìn đến hàng chục nghìn tấn hàng hóa đặt ra yêu cầu lớn hơn nhiều về dung lượng pin và hạ tầng năng lượng.
Bởi vậy, Yampu đáng chú ý không phải vì đã loại bỏ hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch, mà bởi con tàu cho thấy một lộ trình thực tế hơn: điện khí hóa một phần, đồng thời thiết kế phương tiện để sẵn sàng nâng cấp khi công nghệ pin và hạ tầng sạc phát triển.
Đối với ngành vận tải vật liệu xây dựng, cách tiếp cận này cũng cho thấy giảm phát thải không nhất thiết phải chờ tới khi xuất hiện một công nghệ hoàn toàn mới. Việc kết hợp hệ động lực hybrid, tối ưu tải trọng, tự động hóa xếp dỡ và khai thác tuyến vận tải cố định đã có thể tạo ra mức giảm đáng kể về nhiên liệu và phát thải ngay trong điều kiện công nghệ hiện nay.
