Tại sao lại cung cấp năng lượng cho phà cự ly ngắn bằng Hydro hóa lỏng?
Phà chở khách MF Hydra ở Na Uy là tàu đầu tiên trên thế giới chạy bằng Hydro hóa lỏng (LH₂). Nhiên liệu Hydro được vận chuyển bằng xe tải từ Đức - và không ai muốn nói nó đến từ đâu.
Ngày 24 tháng 4 năm 2025
Tuyến đường này có thể dễ dàng được cung cấp điện bằng pin, nhưng vì một lý do nào đó, đơn vị vận hành phà Norled đã quyết định vận hành bằng hydro hóa lỏng được vận chuyển từ Đức. (Ảnh: PaperHuman, CC BY 4.0)
Ngành vận tải biển toàn cầu là tác nhân đáng kể gây ra biến đổi khí hậu. Trong những năm gần đây, đã có sự quan tâm đáng kể đến nhiên liệu vận tải biển thay thế có nguồn gốc từ hydro xanh — như methanol hoặc amoniac. Nhưng bản thân hydro thì sao? Hydro xanh có phải là nhiên liệu vận tải biển phù hợp không? Và nếu có, thì vai trò của nó trong ngành vận tải biển trung hòa khí hậu trong tương lai là gì?
Tất nhiên, ngành vận tải biển đang hoạt động trong những hoàn cảnh rất khác nhau. Các tàu chở khách nhỏ hoạt động trên quãng đường ngắn sẽ cần các giải pháp khác với tàu chở container vượt đại dương với quãng đường dài vài nghìn km.
Đối với vận chuyển hành khách trên quãng đường ngắn, phà chạy bằng pin điện đã cung cấp một giải pháp cho phép cung cấp năng lượng cho tàu bằng điện tái tạo. Phà chạy bằng pin điện cũng có lợi thế là tránh được ô nhiễm không khí, thường xảy ra ở những khu vực đông dân cư.
Phà chạy bằng pin điện lớn nhất, Bastø Electric, có thể chở tới 600 hành khách và di chuyển quãng đường khoảng 10 km gần Oslo ở Na Uy. Kỷ lục về quãng đường dài nhất mà một tàu chạy bằng pin điện từng di chuyển thuộc về phà Ellen của Đan Mạch, đã di chuyển được 92 km chỉ với một lần sạc pin vào năm 2022.
Tuy nhiên, pin có giới hạn. Do mật độ năng lượng trên trọng lượng thấp nên chúng quá nặng đối với các tàu lớn hơn và quãng đường dài hơn. Và trong khi công nghệ trong tương lai chắc chắn sẽ tăng phạm vi hoạt động và kích thước của các tàu chạy bằng pin, thì có vẻ như các tàu chở container lớn chạy bằng pin sẽ không thể vượt đại dương.
Các nhiên liệu thay thế như methanol và amoniac có thể cung cấp mật độ năng lượng cần thiết. Ngày nay, cả hai loại hóa chất này hầu như đều được làm hoàn toàn từ nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, chúng có thể được chiết xuất từ hydro xanh và gián tiếp cung cấp năng lượng cho tàu bằng năng lượng tái tạo.
Methanol có ưu điểm là tương tự như các loại nhiên liệu hiện có và do đó dễ triển khai hơn, nhưng cần có nguồn carbon bền vững. Mặt khác, amoniac không chứa carbon, nhưng công nghệ này mang tính thử nghiệm hơn. Amoniac khó bắt lửa, quá trình đốt cháy có thể gây ra khí thải NOx và N₂O, amoniac là một loại khí cực kỳ độc hại và do đó, có nguy cơ an toàn rất lớn. Tuy nhiên, việc thảo luận về ưu và nhược điểm của amoniac và methanol là chủ đề của một thời điểm khác.
Bản thân hydro nằm ở đâu trong bức tranh này? Hydro có mật độ năng lượng cao trên trọng lượng — cao hơn bất kỳ loại nhiên liệu nào khác. Nhưng nó có mật độ năng lượng rất thấp trên thể tích.
Để sử dụng hydro làm nhiên liệu, nó có thể được nén hoặc hóa lỏng. Nhưng ngay cả ở dạng hóa lỏng đặc nhất, hydro vẫn chứa ít năng lượng trên thể tích hơn amoniac, methanol hoặc các loại nhiên liệu khác.
Nếu có bất cứ điều gì, Hydro có thể phục vụ Thị trường Vận tải biển cỡ trung
Do các đặc tính của nó, nếu hydro được sử dụng làm nhiên liệu vận chuyển, thì rất có thể nó sẽ được sử dụng trong phân khúc vận tải biển cỡ trung. Các tàu có kích thước và phạm vi quá lớn để được cung cấp năng lượng bằng pin, nhưng cũng không phải là những tàu lớn nhất, những tàu này sẽ được phục vụ tốt hơn bởi các tàu chở năng lượng có mật độ năng lượng thể tích cao hơn.
Có khả năng việc sử dụng trực tiếp nhiên liệu hydro sẽ không đóng vai trò chính nào trong vận tải biển, vì nó chịu áp lực từ hai phía. Pin cải tiến sẽ ngày càng bao phủ các phân khúc vận tải biển cỡ nhỏ đến trung bình và một khi cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu cho các loại nhiên liệu như methanol có sẵn cho các tàu lớn nhất, thì có thể sẽ không còn nhiều chỗ ở giữa.
Công ty vận tải biển Đan Mạch DFDS ít nhất đã xem xét các tùy chọn chạy bằng hydro cho các tàu của mình. Vào năm 2020, DFDS đã công bố kế hoạch chuyển đổi một phà giữa Copenhagen ở Đan Mạch và Oslo ở Na Uy — khoảng cách khoảng 500 km — sang chạy bằng hydro. Tuy nhiên, dự án đã bị gác lại sau khi DFDS không nhận được sự hỗ trợ từ chương trình tài trợ của EU.
DFDS dường như không đặc biệt háo hức tiếp tục khai thác hydro làm nhiên liệu. Trong thông cáo báo chí năm 2024, công ty viết: "DFDS gần đây đã triển khai chương trình 'Tàu của ngày mai', trong đó sẽ có hai tàu chở methanol, hai tàu chở điện và hai tàu chở amoniac được bổ sung vào đội tàu của công ty trong sáu năm tới".
Đáng chú ý là hydro không có trong danh sách đó, nhưng DFDS đã thực hiện một nghiên cứu khả thi để chuyển đổi một tàu khác — Magnolia Seaways — hoạt động giữa Esbjerg ở Đan Mạch và Immingham ở Vương quốc Anh (khoảng 600 km).
Mặc dù không rõ liệu bất kỳ dự án nào trong số này có bao giờ được thực hiện hay không, nhưng chúng nằm trong phạm vi và quy mô trung bình mà hydro có thể đóng vai trò nếu nó được sử dụng.
Một công ty Hà Lan có tên là AMS Barging vận hành hai tàu container có hydro nén, H2 Ba
1 và 2, kết nối các cảng ở Hà Lan, Bỉ và Đức. Vì các tuyến đường này nằm trên sông hoặc gần bờ biển, nên người ta có thể tự hỏi liệu công nghệ hoán đổi pin có thể được sử dụng hay không. Tuy nhiên, việc thử nghiệm giải pháp chạy bằng hydro trên các tuyến đường như vậy có vẻ không hoàn toàn vô lý.
Hydro nén cũng là loại mà công ty phà Na Uy Torgatten Nord muốn sử dụng cho hai phà mới hiện đang được đóng. Torgatten Nord có kế hoạch sử dụng phà chạy bằng hydro trên tuyến đường nối đất liền Na Uy với quần đảo Lofoten (khoảng 90 km).
Hydro nén vẫn có mật độ năng lượng tương đối thấp trên mỗi thể tích. Nói cách khác: nó cần nhiều không gian cho các bể chứa. Một giải pháp thay thế để đạt được mật độ năng lượng theo thể tích ít nhất là gần với các loại nhiên liệu khác là hydro hóa lỏng hoặc LH₂. Để hóa lỏng hydro, cần phải làm lạnh hydro xuống nhiệt độ rất thấp (-253°C / -423°F). Điều đó đi kèm với những thách thức bổ sung đáng kể.
Trong nghiên cứu khả thi cho Magnolia Seaways, DFDS viết: "Mặc dù hydro hóa lỏng cung cấp mật độ năng lượng cao nhất, cả về thể tích và trọng lượng, nhưng việc lưu trữ nó luôn đi kèm với tổn thất đáng kể do hiệu ứng bay hơi đối với việc lưu trữ lâu dài. Ngoài ra, hóa lỏng rất tốn năng lượng và cơ sở hạ tầng cần thiết để tiếp nhiên liệu và hậu cần phức tạp hơn nhiều so với lưu trữ khí. Hơn nữa, do nhiệt độ rất thấp, nhà máy hóa lỏng không thể thích ứng nhanh với những thay đổi về công suất. Ví dụ, việc khởi động một nhà máy như vậy mất khoảng một tuần để đạt được hoạt động ổn định, trái ngược với vài phút đối với máy nén. Nhiệt độ thấp làm tăng thêm một số rủi ro về rò rỉ, chẳng hạn như nứt vỡ do ứng suất nhiệt của vật liệu."
Từ Khí bay hơi đến Khí nhà kính
Hiệu ứng bay hơi đã đề cập cần được giải thích thêm. Nếu một loại khí được làm lạnh và hóa lỏng, không thể tránh khỏi, một phần khí sẽ hóa lỏng trở lại do trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. DFDS đề cập rằng điều này gây ra tổn thất đáng kể, nhưng đó không phải là vấn đề duy nhất.
Nhiên liệu hydro thường được quảng cáo với tuyên bố rằng việc sử dụng nó làm nguồn năng lượng chỉ thải ra hơi nước. Tuy nhiên, bản thân khí hydro cũng có thể thải ra và hydro là khí nhà kính gián tiếp.
Để thân thiện với khí hậu, các tàu chạy bằng hydro cần tránh bất kỳ lượng khí thải hydro đáng kể nào. Tuy nhiên, với hydro hóa lỏng và việc sản xuất khí sôi không thể tránh khỏi của nó, điều này trở nên khó khăn. Khí sôi có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho tàu trong khi tàu đang hoạt động, nhưng hiệu ứng sôi không dừng lại khi tàu neo đậu tại cảng. Bất kỳ khí hydro nào tạo ra mà không được sử dụng trực tiếp, hóa lỏng lại hoặc đốt cháy sẽ góp phần gây ra biến đổi khí hậu.
Khí sôi cũng được tạo ra trong quá trình vận chuyển hydro hóa lỏng và trong các hệ thống lưu trữ. Một ấn phẩm của các nhà nghiên cứu tại Đại học Columbia về khí thải hydro lưu ý rằng khí thải do sôi có thể đặc biệt gây ra vấn đề đối với việc giao xe tải chở hydro đến các trạm tiếp nhiên liệu nhỏ: "So với hệ thống đường ống, phương pháp này vừa kém quan trọng hơn về mặt quy mô vừa dễ rò rỉ hơn, chủ yếu là do tổn thất do sôi".
Có lẽ công bằng khi nói rằng hydro hóa lỏng đi kèm với nhiều thách thức. Nếu thực hiện sai cách, LH₂ thực sự có thể gây ra nhiều vấn đề hơn là giải quyết.
MF Hydra, Phà đầu tiên trên thế giới chạy bằng LH₂
Norled là đơn vị điều hành phà chở khách tại Na Uy. Từ năm 2023, Norled đã vận hành MF Hydra, con tàu đầu tiên trên thế giới chạy bằng hydro hóa lỏng, để vận chuyển hành khách qua Jøsenfjorden gần Stavanger.
Khi MF Hydra đi vào hoạt động, Cục Đường bộ Công cộng Na Uy (NPRA, Statens Vegvesen) đã viết: "MF Hydra chạy bằng hydro lỏng không phát thải".
Để có nguồn hydro lỏng không phát thải, Norled đã ký thỏa thuận với Linde, một công ty hóa chất có trụ sở chính tại Đức. Vào tháng 3 năm 2021, Linde đã viết trong một thông cáo báo chí: "Hydro lỏng sẽ được cung cấp từ máy điện phân 24MW mới của Linde tại Khu phức hợp hóa chất Leuna ở Đức, nơi sẽ sử dụng công nghệ PEM (Màng trao đổi proton) để sản xuất hydro xanh. Linde cũng sẽ xây dựng và lắp đặt thiết bị lưu trữ, phân phối và an toàn hydro trên bờ và trên tàu".
Ý tưởng về một nhà điều hành phà ở Na Uy sẽ lấy hydro xanh từ một nhà máy ở Đức có vẻ khó hiểu. Nếu có, người ta sẽ mong đợi điều ngược lại.
Tại Đức, người ta dự kiến rằng đất nước này sẽ dựa vào nguồn nhập khẩu để đáp ứng nhu cầu hydro trong tương lai. Với mật độ dân số tương đối đông đúc, người ta thường cho rằng không thể xây dựng đủ năng lượng tái tạo để cung cấp năng lượng cần thiết cho sản xuất hydro xanh trong nước quy mô lớn.
Na Uy thường được coi là nhà cung cấp hydro xanh hoặc hydro xanh tiềm năng cho các ngành công nghiệp của Đức. Tuy nhiên, các kế hoạch về đường ống và xuất khẩu hydro xanh quy mô lớn từ Na Uy sang Đức đã bị hủy bỏ gần đây.
Việc Norled lựa chọn một nhà cung cấp Đức có thể liên quan đến thực tế là hydro hóa lỏng là
không dễ dàng để có được. Không có nhiều cơ sở hóa lỏng hydro, và không có cơ sở nào ở Na Uy.
Leuna là một khu phức hợp hóa chất ở miền đông nước Đức. Linde vận hành một nhà máy hóa lỏng hydro ở Leuna, đã được mở rộng trong những năm gần đây. Nhà máy của Linde ở Leuna cũng là một nhà cung cấp quan trọng cho các trạm nạp hydro cho ô tô chạy bằng pin nhiên liệu ở Đức.
Nhưng phần lớn Linde không cung cấp hydro xanh từ nhà máy của mình ở Leuna. Công ty vận hành một máy cải cách hơi nước sản xuất hydro từ khí hóa thạch. Bên cạnh việc hóa lỏng hydro, Linde còn cung cấp hydro xám đó cho người tiêu dùng trong khu phức hợp hóa chất Leuna thông qua mạng lưới đường ống địa phương.
Vào tháng 8 năm 2024, một vụ rò rỉ từ một xe kéo hydro tại nhà máy hóa lỏng của Linde ở Leuna đã gây ra một vụ nổ. Sau sự cố, nhiều trạm nạp hydro ở Đức đã không hoạt động vì các xe kéo hydro cùng loại đã ngừng hoạt động do các cân nhắc về an toàn.
Trong những tháng tiếp theo, cả ba chủ sở hữu ô tô chạy bằng pin nhiên liệu ở Đức đều phải chịu những bất tiện lớn. Họ thường phải di chuyển quãng đường dài hơn để tiếp nhiên liệu cho những chiếc xe không phát thải của mình bằng hydro xám bẩn làm từ khí hóa thạch. (Tất nhiên, tôi chỉ đùa thôi. Có khoảng 2.000 xe ô tô chạy bằng pin nhiên liệu được đăng ký tại Đức, giúp họ chiếm thị phần ấn tượng khoảng 0,004 phần trăm.)
Cho đến gần đây, Linde vẫn có kế hoạch mở rộng sản xuất hydro xám và xây dựng một nhà máy cải cách hơi nước mới. Theo một bài báo trên tờ báo địa phương Mitteldeutsche Zeitung vào đầu năm 2021, các kế hoạch cho nhà máy cải cách hơi nước mới đã bị hủy bỏ, thay vào đó, Linde công bố kế hoạch xây dựng một máy điện phân 24 Megawatt tại Leuna. Ngay sau đó, Linde công bố quan hệ đối tác với Norled.
Ban đầu, máy điện phân của Linde dự kiến sẽ bắt đầu sản xuất vào năm 2022. Nhưng điều đó đã không xảy ra. Vào tháng 6 năm 2023, đài truyền hình công cộng Đức MDR đưa tin rằng nhà máy vẫn chưa hoạt động, nhưng Linde từ chối bình luận về sự chậm trễ này.
Công nghệ cho máy điện phân của Linde đến từ công ty ITM Power của Anh. Theo báo cáo của MDR, báo cáo thường niên năm 2022 của ITM có đề cập đến một số lý do: "Thật không may, việc bàn giao dự án này đã bị trì hoãn do một số yếu tố, bao gồm hạn chế về chuỗi cung ứng, thay đổi về yêu cầu của Leuna tại địa điểm và cả sự chậm trễ trong sản xuất và thử nghiệm".
Máy điện phân của Linde hiện có hoạt động không? Đó là câu hỏi mà không ai muốn hoặc có thể trả lời. Linde vẫn chưa trả lời các câu hỏi về dự án của mình. Norled, công ty ban đầu trả lời một số câu hỏi của tôi, đã không trả lời các câu hỏi tiếp theo về nguồn hydro thực tế của mình.
InfraLeuna, công ty quản lý khu phức hợp hóa chất, tránh đưa ra câu trả lời rõ ràng và viết: "Nhà máy điện phân 24 MW sẽ được đưa vào vận hành dần dần từ năm 2025".
Dự án máy điện phân của Linde đã nhận được 15 triệu Euro thông qua trợ cấp công. Tuy nhiên, ngay cả tổ chức chịu trách nhiệm về các khoản trợ cấp này, Bộ Kinh tế tại tiểu bang Saxony-Anhalt, cũng không thể hoặc không muốn trả lời các câu hỏi về tình trạng của dự án và giới thiệu tôi đến Linde.
Mặc dù rất khó để xác định liệu các máy điện phân của Linde đã hoạt động hay chưa, nhưng chắc chắn chúng không hoạt động vào năm 2023. Tuy nhiên, sau khi MF Hydra bắt đầu vận chuyển hành khách vào năm 2023, công ty hóa chất đã viết trong một thông cáo báo chí: "Linde đang cung cấp hydro sạch cho nhà điều hành phà Norled cho MF Hydra chạy bằng pin nhiên liệu".
Nếu máy điện phân của Linde ở Leuna không hoạt động và Linde đang vận chuyển hydro từ Leuna đến phà ở Na Uy, thì hydro sạch đó đến từ đâu?
Tôi không thể nhận được câu trả lời cho câu hỏi đó. Có khả năng Linde mua hydro sạch từ các nhà cung cấp khác. Cũng có khả năng Linde sản xuất hydro sạch ở nơi khác và sử dụng một số hình thức kế toán để cung cấp hydro sạch trên danh nghĩa. Tuy nhiên, do không có câu trả lời rõ ràng từ bất kỳ bên liên quan nào, nên vẫn chỉ là suy đoán.
Xe tải vận chuyển LH₂ từ Đức đến Na Uy
Tôi cũng hỏi Norled về cách thức vận chuyển hydro thực sự từ Đức đến Na Uy. "Chúng tôi có một chuyến giao hàng bằng xe tải cứ ba tuần một lần", người phát ngôn của Norled, Cathrine Gjertsen viết. "Khi phát triển MF Hydra, chúng tôi được thông báo rằng việc sản xuất hydro ở Na Uy sẽ diễn ra trong tương lai gần và kế hoạch là bắt đầu sử dụng hydro lỏng từ một nhà cung cấp của Na Uy. Thật không may, vẫn chưa có hoạt động sản xuất hydro lỏng nào ở Na Uy".
Xe tải vận chuyển hydro từ Leuna ở Đức đến bến phà, nằm ở thành phố Hjemeland, cần phải di chuyển hơn 1.300 km (khoảng 800 dặm). Xem xét những khó khăn đã biết trong việc xử lý tổn thất bốc hơi trong quá trình vận chuyển và lưu trữ LH2 và thực tế là một chiếc xe kéo đã rò rỉ hydro tại nhà máy hóa lỏng của Linde ở Leuna, người ta có thể tự hỏi dấu chân phát thải thực tế của quá trình vận chuyển đó là bao nhiêu.
Mục đích là gì?
Ít nhất là về mặt công khai, Norled có vẻ hài lòng với con tàu chạy bằng hydro, từng đoạt giải thưởng của mình: "Sau lần đầu tiên
Sau vài tháng hoạt động, con tàu tiên phong MF 'Hydra' đã chứng minh rằng việc sử dụng hydro lỏng trên tàu là khả thi và hiệu quả. Kinh nghiệm cho thấy đây là công nghệ và nhiên liệu có thể đảm bảo vận chuyển đường biển ngắn ở Na Uy không phát thải khi pin không phải là lựa chọn".
Đây là một tuyên bố khó hiểu. Hydro hóa lỏng gần như chắc chắn không hiệu quả lắm. Biến điện thành hydro và chuyển đổi nó trở lại thành điện trong pin nhiên liệu chắc chắn sẽ gây ra tổn thất cao hơn so với các giải pháp pin-điện. Hóa lỏng và tái khí hóa gây ra tổn thất bổ sung.
Hơn nữa, Norled dường như lập luận rằng LH₂ là công nghệ phù hợp "khi pin không phải là lựa chọn".
MF Hydra chỉ hoạt động trên các tuyến đường dài khoảng 4-5 km. Có vẻ khó tin khi những tuyến đường đó không thể được phục vụ hiệu quả hơn bằng phà chạy bằng pin-điện. Và Norled hẳn có nhiều kinh nghiệm với nó.
Vào năm 2015, phà chạy bằng pin-điện đầu tiên trên thế giới MF Ampere đã bắt đầu vận chuyển hành khách qua Sognefjord, kết nối các thành phố Lavik và Oppedal. Với khoảng cách khoảng bảy km, tuyến đường đó đã dài hơn tuyến đường mà MF Hydra phục vụ. MF Ampere do Norled sở hữu và điều hành.
Hiện vẫn chưa rõ mục đích của con tàu đầu tiên trên thế giới chạy bằng hydro hóa lỏng là gì. Những chiếc phà chạy bằng pin điện lớn hơn vận chuyển nhiều hành khách hơn trên các tuyến đường dài hơn đã tồn tại. Cả nhà điều hành phà Norled lẫn Cục Đường bộ Công cộng Na Uy (NPRA, Statens Vegvesen), đơn vị cung cấp kinh phí cho MF Hydra, đều không muốn bình luận về mục đích của nó.
Tác giả: Hanno Böck
