Động cơ amoniac hàng hải đầu tiên trên thế giới: Cuộc cách mạng xanh trên đại dương
Ngày 08 tháng 7 năm 2026
Annie Nguyễn
Bước ngoặt lịch sử cho ngành hàng hải
Ngày 23 tháng 8 năm 2024, một sự kiện đã thay đổi cục diện ngành vận tải biển toàn cầu: chiếc tàu kéo Sakigake – vốn trước đây chạy bằng LNG – được bàn giao cho chủ tàu sau khi được cải tạo để lắp đặt động cơ đốt trong chạy bằng amoniac đầu tiên trên thế giới. Đây là thành quả của IHI Power Systems (IPS), công ty con thuộc Tập đoàn IHI Nhật Bản, sau nhiều năm nghiên cứu và phát triển.
Động cơ piston 6 xi-lanh, mã hiệu 6L28ADF, có đường kính xi-lanh 280mm, hành trình 390mm, tốc độ định mức 750 vòng/phút, công suất 1.618 kW và áp suất hiệu dụng trung bình 1,8 MPa. Động cơ đáp ứng quy chuẩn IMO Tier II khi chạy diesel và IMO Tier III khi chạy amoniac – một thành tựu mà chưa hãng nào trên thế giới đạt được trước đó. Ngày 7 tháng 7 năm 2026, IHI Power Systems chính thức công bố kết quả thử nghiệm đầy đủ, khẳng định đây là động cơ amoniac thương mại đầu tiên được cấp chứng nhận kiểu loại (type approval) từ ClassNK – tổ chức phân cấp tàu biển hàng đầu Nhật Bản.
Tại sao amoniac được chọn làm nhiên liệu tương lai?
Amoniac (NH₃) không chứa carbon, do đó khi đốt cháy không phát thải CO₂. So với hydro, amoniac có ưu thế vượt trội về mật độ năng lượng theo thể tích: 12,7 MJ/L so với chỉ 8,5 MJ/L đối với hydro lỏng và gần 0 đối với hydro khí nén ở áp suất thường. Amoniac cũng dễ hóa lỏng ở nhiệt độ -33°C (áp suất khí quyển) hoặc áp suất 10 bar ở nhiệt độ phòng, thuận tiện cho vận chuyển và lưu trữ so với hydro yêu cầu nhiệt độ -253°C hoặc áp suất cực cao (350-700 bar).
Tuy nhiên, sử dụng amoniac trong động cơ đốt trong đặt ra những thách thức chưa từng có. Nhiệt độ tự bắt lửa của amoniac là 630°C – cao hơn nhiều so với diesel (250°C) và methane (537°C). Năng lượng đánh lửa tối thiểu của amoniac lên tới 170 mJ, gấp hơn 700 lần so với diesel (0,24 mJ) và hơn 600 lần so với methane (0,28 mJ). Tốc độ lan truyền ngọn lửa của amoniac chỉ 7 cm/s, bằng 1/10 so với diesel và 1/5 so với methane. Khoảng cháy (tỷ lệ hỗn hợp dễ cháy trong không khí) của amoniac hẹp hơn (15-28% thể tích) so với methane (4,6-14,6%).
Để giải quyết những rào cản này, IPS đã áp dụng công nghệ phun nhiên liệu mồi (pilot fuel) – tương tự như động cơ LNG hai nhiên liệu. Một lượng nhỏ diesel được phun trực tiếp vào buồng đốt để tạo ra ngọn lửa mồi, đốt cháy hỗn hợp khí amoniac đã được nạp sẵn qua đường ống nạp. Phương pháp này đòi hỏi tối ưu hóa tỷ số nén hình học, cải tiến hệ thống nạp và xả, mở rộng hệ thống cấp khí nhiên liệu và tăng cường hệ thống cung cấp nhiên liệu mồi.
Hiệu suất vượt trội và giảm phát thải ngoạn mục
Trong chu trình thử nghiệm động cơ hàng hải (E3 mode), tỷ lệ nhiên liệu (fuel share ratio) – tức tỷ lệ nhiệt lượng giữa amoniac và diesel – đạt trên 95% ở chế độ vận hành amoniac. Điều này có nghĩa chỉ dưới 5% nhiên liệu là diesel, phần còn lại hoàn toàn là amoniac. Tuy nhiên, ở mức tải thấp, cần nhiều nhiên liệu mồi hơn để đốt cháy, nên tỷ lệ này giảm xuống.
Một thách thức khác là phát thải N₂O (nitrous oxide) – một khí nhà kính có hiệu ứng mạnh gấp 265 lần CO₂. Dù lượng phát thải nhỏ, N₂O có thể làm giảm đáng kể hiệu quả giảm phát thải tổng thể. IPS đặt mục tiêu N₂O ≤ 100 ppm với tỷ lệ nhiên liệu ≥ 80%, tương ứng mức giảm GHG ít nhất 50%. Kết quả thử nghiệm đã vượt xa kỳ vọng: đạt mức giảm phát thải khí nhà kính trên 90% (có tính đến cả N₂O), thậm chí trong các chuyến hải trình thử nghiệm thực tế, con số này lên tới 95% so với dầu nặng truyền thống. Điều này đồng nghĩa IPS đã hoàn thành mục tiêu IMO 2040 (giảm ít nhất 70%) ngay từ năm 2024.
An toàn và quản lý rủi ro amoniac
Amoniac là chất độc hại, con người có thể ngửi thấy mùi ở nồng độ 5-53 ppm. Ngưỡng giới hạn tiếp xúc theo Hiệp hội Vệ sinh Lao động Nhật Bản là 25 ppm. Do đó, nồng độ amoniac xung quanh động cơ (như buồng máy) phải được duy trì dưới 25 ppm.
Thách thức lớn là khí amoniac thừa có thể lọt qua khe hở của vòng piston vào cacte (blow-by gas), sau đó rò rỉ ra ngoài qua hộp trục cam và hệ thống van. IPS đã thiết kế một hệ thống thông gió cacte với quạt hút hoạt động liên tục, duy trì áp suất âm bên trong cacte để ngăn khí amoniac thoát ra môi trường. Hệ thống tách dầu (oil mist separator) giúp loại bỏ amoniac trước khi khí thải được đưa ra ngoài. Nhiên liệu amoniac được cấp đến động cơ qua đường ống hai lớp (double-walled piping) như trên các động cơ gas truyền thống, ngăn rò rỉ từ các mối nối.
Kết quả đo lường trong quá trình vận hành thực tế cho thấy: trong khi nồng độ amoniac trong cacte có thể lên tới vài chục phần trăm, nồng độ xung quanh động cơ (khoang máy) là 0 ppm – không phát hiện mùi. Điều này khẳng định hiệu quả tuyệt đối của giải pháp kỹ thuật trong việc đảm bảo an toàn cho thủy thủ đoàn.
Hành trình từ nghiên cứu đến thương mại hóa
Dự án là một phần trong Quỹ Đổi mới Xanh của Tổ chức Phát triển Công nghệ và Năng lượng Mới Nhật Bản (NEDO), với sự tham gia của các tập đoàn hàng đầu. IPS đã cải tạo động cơ LNG hai nhiên liệu 6L28AHX-DF để đáp ứng các yêu cầu cho nhiên liệu amoniac, bao gồm tăng tỷ số nén, tối ưu hóa hệ thống nạp/xả và nâng cấp hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Tàu kéo Sakigake – vốn đưa vào vận hành năm 2017 với công nghệ LNG – được chọn làm nền tảng thử nghiệm. Tháng 1/2024, hai động cơ amoniac được bàn giao và lắp đặt trên tàu. Ngày 23/8/2024, tàu được bàn giao cho chủ tàu, chính thức trở thành tàu thương mại chạy bằng amoniac đầu tiên trên thế giới. Các chuyến hải trình thử nghiệm và phân tích dữ liệu vận hành thực tế đã được tiến hành, với kết quả giảm phát thải 95% so với dầu nặng.
Triển vọng và tương lai của công nghệ
Thành công này không chỉ là chiến thắng của IHI mà còn là minh chứng cho năng lực công nghệ của Nhật Bản trong cuộc đua phi carbon hóa ngành hàng hải. IPS tiếp tục phát triển động cơ phát điện cho tàu chở amoniac (dự kiến đưa vào vận hành năm 2026) và động cơ đẩy cho các tàu biển cỡ lớn.
Các thách thức còn lại bao gồm tối ưu hóa hiệu suất ở chế độ tải thấp, giảm tiêu thụ nhiên liệu mồi, kiểm soát phát thải N₂O triệt để hơn, và xây dựng hạ tầng cung cấp amoniac xanh (sản xuất từ năng lượng tái tạo) trên toàn cầu. Tuy nhiên, với nền tảng đã có, ngành hàng hải đang đứng trước ngưỡng cửa của một kỷ nguyên mới, nơi amoniac xanh có thể thay thế 6 triệu thùng dầu nặng tiêu thụ mỗi ngày trên các tuyến vận tải biển thế giới.
