Giàn khoan ngoài khơi có thể chạy bằng metanol xanh không?
Một nghiên cứu khả thi cho việc khử cacbon trong các hoạt động khoan ngoài khơi đã được tiến hành. Điều quan trọng là sử dụng các động cơ đã được chứng minh tốt có khả năng hoạt động bằng metanol và dầu diesel với các đặc tính hiệu suất tương đương.
Jan Hoffmann / Tập đoàn Noble
Tập đoàn Noble gần đây đã kết thúc một nghiên cứu mang tính khái niệm về việc chuyển đổi các giàn khoan ngoài khơi sang sử dụng metanol xanh. Nỗ lực được trình bày chi tiết trong bài viết này là một phần trong nỗ lực khử cacbon của công ty trong lĩnh vực ngoài khơi.
Nhu cầu ngày càng tăng đối với nhiên liệu ít carbon.Các lĩnh vực vận tải biển và quốc tế sử dụng nhiên liệu gốc dầu để cung cấp năng lượng cho hầu hết các tàu trên thế giới hiện nay. Tham vọng giảm lượng khí thải đang gia tăng khi nhu cầu hàng hóa toàn cầu tăng lên.
Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) đặt kỳ vọng giảm 20% đến 30% lượng phát thải khí nhà kính (GHG) vào năm 2030 để thúc đẩy kịch bản không có khí thải vào năm 2050, Hình 1. Ngành công nghiệp ngoài khơi tìm kiếm các giải pháp khử cacbon để đáp ứng khung pháp lý mới nổi từ IMO, nhu cầu hàng hóa ngày càng tăng để tiêu thụ năng lượng lớn hơn và nhu cầu mở rộng quy mô công nghệ carbon thấp.
Hình 1. Dòng thời gian của hành động pháp lý đã được thực hiện và hành động dự kiến cần thiết để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu vào năm 2050. Nguồn: Tổ chức Hàng hải Quốc tế.
Cắt giảm lượng khí carbon dioxide tới 95%.Việc áp dụng các công nghệ carbon thấp sẽ bao gồm sự kết hợp giữa trang bị thêm tài sản hiện có và xây dựng tài sản mới để thay thế các đơn vị cũ theo thời gian. Với tuổi thọ của tàu và giàn khoan dài, sự đổi mới là rất quan trọng trong việc phát triển các thiết kế phù hợp và công nghệ ngắn hạn trong khi các chuỗi cung ứng tương ứng được thiết lập. Trong lĩnh vực vận chuyển, có thể trang bị thêm các động cơ hiện có dựa trên một số tùy chọn nhiên liệu được trình bày trong Bảng 1.
Dựa trên Bảng 1, thị trường sẽ phát triển thông qua sự kết hợp của nhiều kịch bản khác nhau. Bất kể tình huống nào, metanol xanh hoặc tái tạo đều đóng vai trò quan trọng trong việc cắt giảm lượng khí thải carbon dioxide, so với nhiên liệu thông thường (dầu và LNG). Viện Metanol ước tính metanol tái tạo có thể cắt giảm tới 95% lượng khí thải carbon dioxide, giảm tới 80% oxit nitơ và loại bỏ lượng khí thải oxit lưu huỳnh và các chất dạng hạt.
Đổi mới trở thành nhà khoan dầu ngoài khơi hàng đầu. Để theo đuổi các giải pháp năng lượng bền vững và giảm tác động đến môi trường, Noble quyết định khám phá thêm việc sử dụng metanol xanh, một loại nhiên liệu tái tạo có tiềm năng to lớn để khử cacbon cho các hoạt động ngoài khơi.
Quá trình này bắt đầu với câu hỏi: “Có thể đưa metanol lên giàn khoan từ góc độ an toàn, vận hành và khả thi không?” Noble bắt đầu trả lời câu hỏi này bằng cách tiến hành một nghiên cứu khả thi về việc nâng cấp giàn khoan tự nâng trong môi trường khắc nghiệt ở khu vực Na Uy, nhấn mạnh việc tích hợp metanol xanh như một thành phần chính trong quá trình chuyển đổi hướng tới một tương lai xanh hơn, Hình 2.
Hình 2. Hình minh họa giàn khoan metanol xanh nâng cấp của Tập đoàn Noble.
Khi hình thành khái niệm thiết kế metanol xanh mang tính cách mạng, Noble đã ước tính khả năng tiết kiệm carbon dioxide lên tới 80% đến 90%, tùy thuộc vào một số yếu tố vận hành.
Thiết kế giàn khoan metanol xanh.Bước đầu tiên là điều tra bối cảnh pháp lý liên quan đến nhiên liệu thay thế được sử dụng trên giàn khoan ngoài khơi và các hoạt động ngoài khơi nói chung.
Các cuộc họp ban đầu được tổ chức với các bên liên quan chính, chẳng hạn như Tập đoàn, chính quyền Quốc gia treo cờ và các cơ quan quản lý địa phương khác nhau. Các cuộc thảo luận tập trung vào tính khả thi của việc tích hợp metanol vào hoạt động của giàn khoan và hiểu biết về những sai lệch cần thiết so với giao thức đã được thiết lập trong lĩnh vực hàng hải.
Tất cả các bên đều bày tỏ sự quan tâm sâu sắc đến khái niệm này và dự án đã nhận được phản hồi tích cực ngay từ giai đoạn đầu này. Kết luận là ý tưởng này có thể thực hiện được và nhìn chung các hướng dẫn và quy định hiện hành của Class và IMO sẽ được áp dụng.
Sau đó, Noble tiến hành nghiên cứu sâu về thiết kế và sửa đổi cần thiết để đưa metanol vào giàn khoan tự nâng đang hoạt động ở Na Uy. Cùng với một công ty tư vấn thiết kế đã được thành lập, công ty đã khám phá các khía cạnh kỹ thuật và hậu cần của việc nâng cấp như vậy, kết hợp kinh nghiệm từ các dự án metanol khác trong lĩnh vực hàng hải.
Chìa khóa của nghiên cứu khả thi là việc thay thế cả bốn động cơ bằng động cơ mới có khả năng chạy hiệu quả bằng metanol. Ngoài ra, việc thiết kế và lắp đặt các bể chứa metanol và hệ thống đường ống hiện đại sẽ rất quan trọng để hạn chế tác động đến giàn khoan và đảm bảo tích hợp liền mạch.
Công nghệ động cơ.Các nhà máy điện trên giàn khoan là không thể thiếu để vận hành an toàn. Động cơ thường chạy ở mức tải thấp hơn để có thể dự trữ đủ khi cần cho tải cao điểm cao hơn. Sự thay đổi tải này có thể gây ra thách thức do đặc tính của nhiên liệu thay thế. Con lai của Noble
Các giàn khoan đã được lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng, cho phép động cơ vận hành hiệu quả hơn, bao gồm cả việc tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng thải từ các hệ thống khoan phía trên.
Gần đây, công nghệ động cơ sử dụng metanol đã phát triển với tốc độ chóng mặt. Một số nhà cung cấp lớn trên thị trường hiện nay có động cơ có thể cung cấp sự thay đổi nhiên liệu liền mạch giữa metanol và dầu diesel. Tính linh hoạt của nhiên liệu là yếu tố then chốt nhưng nó cũng có thể bị hạn chế bởi các vấn đề về chuỗi cung ứng.
Động cơ giàn khoan sử dụng nhiên liệu thí điểm diesel để cho phép đốt cháy metanol. Cần hạn chế sử dụng dầu diesel ở mức tối thiểu để có thể giảm đáng kể lượng khí thải. Nhiên liệu thí điểm có thể dễ dàng được thay thế bằng dầu diesel sinh học (HVO), cho phép giảm lượng khí thải tối đa từ giàn khoan. Do chi phí của HVO tăng lên, nên có tỷ lệ metanol càng cao càng tốt.
Việc chuyển đổi các động cơ hiện có sang hoạt động bằng metanol là không thể; do đó, nghiên cứu khả thi đã phải xem xét việc thay thế hoàn toàn động cơ của giàn khoan bằng động cơ mới. Các động cơ mới sẽ phải có khả năng hoạt động hiệu quả bằng cả metanol và dầu diesel để đảm bảo giải pháp tối ưu cho giàn khoan trong mọi tình huống vận hành.
Do yêu cầu vận hành liên tục nên hiệu suất động cơ phải không bị ảnh hưởng ở cả chế độ diesel và metanol. Một số nhà cung cấp động cơ cung cấp động cơ sử dụng sẵn metanol và dự án thiết kế giàn khoan metanol đã nhận được hỗ trợ kỹ thuật đáng kể từ phân khúc này của ngành.
Xe tăng.Một thách thức quan trọng trong việc sử dụng metanol làm nguồn nhiên liệu cho giàn khoan là mật độ thấp hơn của nó, dẫn đến nhu cầu sử dụng dầu diesel nhiều hơn gấp đôi so với khối lượng tương đương. Để động cơ chạy ở cả chế độ metanol và diesel, các thùng chứa cần chứa cả hai loại nhiên liệu đồng thời tuân thủ các yêu cầu thiết kế theo quy định đối với các rào chắn, vòng cách ly và hệ thống thông gió. Do đó, nghiên cứu khả thi liên quan đến việc thiết kế và lắp đặt các bể chứa metanol tiên tiến, đường ống và hệ thống đường ống vách đôi.
Trong quá trình này, Noble đã đánh giá nhiều thiết kế khác nhau và phát triển một giải pháp cải tiến phù hợp để giảm thiểu tác động và thời gian lắp đặt, kết hợp với việc tận dụng tối ưu thiết kế giàn khoan và không gian sẵn có trên tàu.
Đánh giá hoạt động.Việc sử dụng thêm nhiên liệu xanh sẽ ảnh hưởng đến thiết kế giàn khoan, chủ yếu do trọng lượng tăng thêm của động cơ, bình chứa và thiết bị liên quan dùng metanol. Theo đó, nghiên cứu khả thi cũng đánh giá tác động của trọng lượng bổ sung đến khả năng chịu tải thay đổi trên boong của giàn khoan và khả năng thực hiện các kịch bản tải trước tối đa ở những vị trí đầy thách thức. Có thể đạt được việc điều chỉnh trọng lượng bổ sung bằng cách tối ưu hóa việc quản lý hàng tồn kho, thiết bị khoan và các chất lỏng khác trên tàu.
Kết quả.Nghiên cứu khả thi mang lại một số phát hiện thú vị:
Có thể nâng cấp giàn khoan để có thể sử dụng metanol xanh.
Rõ ràng là việc chuyển đổi như vậy đi kèm với một khoản đầu tư đáng kể.
Còn nhiều tiến bộ cần đạt được trong việc đảm bảo nguồn cung cấp metanol xanh đáng tin cậy.
Thiết kế ý tưởng cung cấp tùy chọn sử dụng metanol xanh, metanol hóa thạch, dầu diesel thông thường và dầu diesel sinh học, giúp tối đa hóa tính linh hoạt của nhiên liệu và giảm phát thải liên quan sau khi chuyển đổi như vậy.
Thông qua việc tích hợp metanol xanh vào các hoạt động ngoài khơi, các bên liên quan có thể giảm tác động môi trường và đóng góp vào các mục tiêu rộng lớn hơn của các chương trình chuyển đổi năng lượng và khử cacbon. Trong tương lai, việc tiếp tục đầu tư và đổi mới vào công nghệ xanh sẽ là điều cần thiết để hiện thực hóa một tương lai bền vững hơn cho các hoạt động ngoài khơi.
Quan điểm của Noble về tính bền vững.Noble đã áp dụng chiến lược khử cacbon 360o, dựa trên ba trụ cột:
Nâng cấp dữ liệu và kỹ thuật,
Hoạt động bền vững,
Sự hợp tác của khách hàng
Các chuyên gia kỹ thuật, bao gồm nhóm Đổi mới và Giải pháp khử cacbon của Noble, dẫn dắt các nỗ lực khử cacbon, chiến lược bền vững và các mục tiêu giảm phát thải của công ty. Họ làm việc trong một loạt các giải pháp bao gồm nâng cấp hiệu quả năng lượng, kế hoạch quản lý năng lượng, phân tích dữ liệu, thử nghiệm nhiên liệu thay thế và các giải pháp đổi mới để giảm lượng khí thải GHG trong ngành công nghiệp ngoài khơi.
Noble có nhiều kinh nghiệm về năng lượng trên bờ, hệ thống lai tạo, khử xúc tác chọn lọc, phần mềm tiết kiệm năng lượng và nhiên liệu sinh học bền vững (ví dụ: HVO/diesel tái tạo). Để theo đuổi quá trình khử cacbon, những giải pháp này mang lại tiềm năng tối ưu hóa đáng kể; tuy nhiên, cũng rõ ràng rằng cách duy nhất để khử cacbon hoàn toàn cho khu vực ngoài khơi là khám phá các nguồn nhiên liệu trên tàu cung cấp giải pháp thay thế trung hòa cacbon hoặc không phát thải.
NHIÊN LIỆU THAY THẾ – TỔNG QUAN
Ngành hàng hải đang tích cực khám phá việc sử dụng nhiên liệu xanh thay thế, cho cả các giải pháp đóng mới và trang bị thêm, chủ yếu được thúc đẩy bởi bối cảnh pháp lý. Khi thảo luận về nhiên liệu thay thế, điều quan trọng là phải phân biệt giữa nhiên liệu không phát thải và nhiên liệu trung tính carbon.
Dưới đây là tổng quan ngắn gọn về các loại nhiên liệu xanh thay thế quan trọng định hình tương lai của ngành hàng hải:
Nhiên liệu sinh học.Khi nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguồn sinh khối tái tạo, dầu diesel sinh học và ethanol sinh học mang lại những lựa chọn bền vững. Một trong những ưu điểm chính là chúng có thể được pha trộn với các nhiên liệu hàng hải thông thường hoặc được sử dụng độc lập.
Do nhu cầu về nguyên liệu bền vững, chúng thường đi kèm với mức giá đáng kể cũng như các vấn đề về nguồn cung tiềm ẩn. Nhiên liệu sinh học có thể mang lại tính trung hòa carbon, dựa trên nguyên liệu thô của chúng.
Khí tự nhiên hóa lỏng (LNG).LNG được coi là nhiên liệu chuyển tiếp và hiện tại không có kỳ vọng rằng LNG xanh sẽ trở thành nhiên liệu của tương lai. Có những thách thức cố hữu trong việc lưu trữ LNG; tuy nhiên, công nghệ động cơ đã có sẵn. Việc trang bị thêm để sử dụng LNG đòi hỏi phải có động cơ chuyên dụng và kho chứa nhiên liệu.
Hydro là nhiên liệu không phát thải, chỉ tạo ra hơi nước và nhiệt trong quá trình đốt cháy. Việc sử dụng hydro tinh khiết là một thách thức do mật độ thấp, gây khó khăn cho việc an toàn, bảo quản và sử dụng. Tuy nhiên, hydro xanh là thành phần chính của bất kỳ loại nhiên liệu thay thế nào trong tương lai.
Amoniac.Sự phát triển của amoniac làm nhiên liệu không chứa carbon, được sản xuất thông qua quá trình điện phân sử dụng năng lượng tái tạo, cũng đang gia tăng. Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức cần vượt qua trước khi amoniac có thể trở thành giải pháp thay thế khả thi trong các ứng dụng hàng hải.
Những trở ngại bao gồm những cân nhắc đáng kể về an toàn, những thiếu sót về lưu trữ và cơ sở hạ tầng. Quá trình đốt cháy amoniac trong động cơ vẫn đang được nghiên cứu vì đặc tính bắt lửa của nó còn nhiều thách thức.
Metanol xanh là nhiên liệu xanh chiếm ưu thế do các đặc tính thuận lợi của nó, bao gồm bảo quản và xử lý dễ dàng ở điều kiện môi trường xung quanh, mật độ năng lượng cao nhất trong số các chất thay thế và đặc tính đốt cháy tốt cần một lượng nhỏ nhiên liệu thí điểm.
Khi được sản xuất từ các nguồn tái tạo như sinh khối và hydro tái tạo, metanol xanh mang lại lượng khí thải và tính trung hòa carbon thấp hơn. Một số nhà cung cấp động cơ đã cung cấp các động cơ đã được chứng minh tốt có khả năng hoạt động bằng metanol và dầu diesel với các đặc tính hiệu suất tương đương. Điều này chắc chắn cần thiết trong các ứng dụng ngoài khơi, nơi tải trung bình thấp và biến động công suất cao là điều kiện cố hữu trong hoạt động khoan.
Giới thiệu về tác giả
Jan Hoffmann
Tập đoàn Noble
Jan Hoffner là kỹ sư cơ khí cao cấp tại Noble Corporation, với hơn 25 năm kinh nghiệm trong ngành về các thiết kế mới, cải tiến và các dự án hàng hải nói chung. Ông bắt đầu sự nghiệp của mình với A.P. Moller-Maersk, làm việc trong các dự án xây dựng mới nhằm phát triển các hãng vận chuyển LNG. Năm 2011, ông Hoffner gia nhập Maersk Drilling để tham gia vào các thiết kế thế hệ tiếp theo cho tàu khoan. Hiện nay, với tư cách là một kỹ sư dày dạn kinh nghiệm, anh là thành viên của nhóm Đổi mới và Giải pháp khử cacbon tại Noble Drilling, mang đến các giải pháp carbon thấp, định hướng giá trị cho khách hàng của Noble.
