Động cơ hydro trên tàu Kyo Maru hoạt động như thế nào?

Động cơ hydro trên tàu Kyo Maru hoạt động như thế nào?

Nhật Bản thử nghiệm tàu chở dầu chạy bằng động cơ hydro

Ngày 25/9, tàu chở dầu ven biển Kyo Maru của Nhật Bản chạy khoảng 33 km trong gần hai giờ trên vịnh Osaka bằng hệ thống sử dụng động cơ hydro. Nippon Foundation, đơn vị tài trợ dự án, công bố cuộc thử nghiệm giúp giảm khoảng 1,2 tấn CO₂ so với trường hợp sử dụng nhiên liệu hóa thạch thông thường.

Ảnh vệ tinh tiết lộ Triều Tiên đóng tàu chiến lớn nhất từ trước đến nay

Điểm đáng quan tâm nằm ở cách con tàu biến năng lượng của hydro thành lực đẩy. Kiko Maru không sử dụng động cơ hydro để quay trực tiếp trục chân vịt như cách động cơ diesel truyền thống thường làm. Thay vào đó, hydro được đốt trong động cơ bốn thì tốc độ cao để chạy máy phát điện. Điện sau đó được đưa tới các mô tơ điện, từ đó quay hai trục chân vịt và đẩy tàu di chuyển.

Nói cách khác, chuỗi năng lượng của Kyo Maru có thể hiểu đơn giản là: hydro được đưa vào động cơ, động cơ kéo máy phát điện, điện cấp cho mô tơ, mô tơ quay trục chân vịt.

Nippon Foundation gọi đây là tàu sử dụng hệ thống đẩy điện hybrid tương thích với động cơ hydro. Tàu được thiết kế với hai hệ thống điện đẩy và hai trục chân vịt.

Cách bố trí này tách quá trình tạo năng lượng khỏi quá trình tạo lực đẩy. Nhờ đó, nhà thiết kế có thể thay đổi nguồn phát điện mà không phải thiết kế lại toàn bộ hệ truyền động tới chân vịt.

Động cơ hydro thực chất làm nhiệm vụ gì?

Trái tim của hệ thống thử nghiệm là động cơ hydro bốn thì tốc độ cao do Yanmar Power Solutions phát triển. Đây là động cơ đốt trong, khác với pin nhiên liệu hydro. Hydro được đưa vào buồng đốt cùng không khí, sau đó hỗn hợp được đốt để sinh công cơ học. Công cơ học này được dùng để vận hành máy phát điện.

Trong phiên bản sử dụng phương pháp đánh lửa mồi, một lượng nhỏ nhiên liệu mồi tạo điều kiện để hỗn hợp hydro và không khí bắt cháy.

Nippon Foundation cho biết động cơ thử nghiệm trên bờ sử dụng HVO, tức dầu thực vật đã qua xử lý hydro, làm nhiên liệu mồi. Hydro và không khí được trộn trước rồi đưa vào quá trình cháy. Động cơ sáu xi lanh thuộc chương trình này bắt đầu thử nghiệm trên bờ từ năm 2024.

Điều này cũng làm rõ một điểm dễ gây nhầm khi nói Kyo Maru là tàu sử dụng “động cơ chỉ chạy bằng hydro”. Khái niệm mà Nippon Foundation sử dụng là động cơ hydro chuyên dụng theo phương thức đánh lửa mồi. Vì vậy, “hydro chuyên dụng” ở đây mô tả nhiên liệu chính của động cơ, không có nghĩa hệ thống hoàn toàn không cần một nguồn hỗ trợ cho quá trình đánh lửa.

Nippon Foundation cho biết đây là cuộc trình diễn đầu tiên trên thế giới đối với tàu trang bị loại động cơ hydro chuyên dụng sử dụng phương thức đánh lửa mồi, theo khảo sát của tổ chức này tính đến tháng 9/2026.

Vì sao tàu vẫn cần pin lithium ion?

Nếu động cơ hydro đã tạo được điện, câu hỏi tiếp theo là tại sao Kiko Maru còn phải mang theo một hệ thống pin lithium ion. Câu trả lời nằm ở đặc tính vận hành của tàu.

Công suất mà chân vịt cần không cố định. Khi tàu tăng tốc, đổi trạng thái vận hành hoặc tải điện trên tàu thay đổi nhanh, nhu cầu điện cũng thay đổi theo. Động cơ đốt trong không phải lúc nào cũng tăng hoặc giảm công suất tức thời theo đúng mức tải tối ưu. Do đó Pin trở thành bộ đệm giữa nguồn phát và tải.

Uyeno Transtech cho biết hệ thống pin lithium ion được trang bị nhằm bù cho khả năng phản ứng tải bị giảm khi sử dụng động cơ hydro, đồng thời tối ưu mức tiêu thụ nhiên liệu.

Có thể hình dung pin giống một hồ chứa điện năng. Khi nhu cầu tăng nhanh, pin có thể hỗ trợ nguồn điện. Khi công suất phát lớn hơn nhu cầu tức thời, hệ thống có thể quản lý năng lượng để duy trì chế độ vận hành phù hợp.

Nhờ đó, động cơ không phải liên tục thay đổi vòng tua hoặc công suất chỉ để chạy theo từng biến động nhỏ của tải.

Đây chính là lý do Kiko Maru được gọi là tàu điện hybrid. “Hybrid” ở đây không đơn giản là tàu dùng hai loại nhiên liệu, mà nằm ở sự phối hợp giữa máy phát điện và hệ thống pin để cung cấp điện cho hệ thống đẩy. Nippon Foundation xác nhận cấu hình của tàu là “máy phát điện cộng pin” kết hợp với hệ thống đẩy điện hai mô tơ, hai trục.

Hai mô tơ điện mới là bộ phận trực tiếp đẩy tàu

Khâu cuối cùng của chuỗi năng lượng nằm ở mô tơ điện. Điện từ hệ thống phát điện và pin được đưa tới hai mô tơ. Mỗi mô tơ kết nối với một trục chân vịt. Khi mô tơ quay, trục quay theo và chân vịt tạo lực đẩy cho tàu.

Theo thông số được công bố trong tài liệu của Hiệp hội Phòng chống tai nạn hàng hải Nhật Bản, Kiko Maru sử dụng hệ thống đẩy điện gồm hai máy, công suất tối đa 1.650 kW mỗi máy.

Việc sử dụng mô tơ điện còn tạo ra một lợi thế khác: nguồn phát điện có thể linh hoạt hơn.

Trong hoạt động thông thường, tàu có thể tạo điện từ các máy phát điện hiện hữu. Khi thử nghiệm hydro, hệ thống phát điện hydro đặt trên boong được đưa vào chuỗi cung cấp điện.

Uyeno Transtech từng mô tả Kiko Maru là nền tảng thử nghiệm cho mô hình kết hợp hydro với hệ thống đẩy điện, trong đó điện được tạo ra rồi mới cấp cho mô tơ để tàu di chuyển.

Điều này giúp thử nghiệm nguồn năng lượng mới mà không phải để động cơ hydro trực tiếp gánh toàn bộ yêu cầu cơ khí của hệ trục chân vịt.

Động cơ hydro được đặt trong container trên boong

Một chi tiết khác của Kyo Maru nằm ở vị trí lắp hệ thống hydro. Nippon Foundation cho biết động cơ phát điện hydro và hệ thống cung cấp nhiên liệu được thiết kế thành một gói dạng container dài 40 feet, tương đương khoảng 12,2 m, để đặt trên boong tàu. Gói thiết bị bao gồm cả hệ thống chứa hydro áp suất cao phục vụ thử nghiệm.

Cách tiếp cận dạng mô đun giúp nhóm nghiên cứu thử nghiệm công nghệ trên một tàu thương mại cỡ lớn mà không nhất thiết phải đặt toàn bộ hệ thống hydro sâu bên trong buồng máy ngay từ giai đoạn đầu. Đây cũng là vấn đề liên quan trực tiếp đến an toàn.

Hydro có đặc tính vật lý khác dầu diesel và dầu nặng. Do đó, vị trí chứa nhiên liệu, thông gió, phát hiện rò rỉ, cách ly nguồn cháy và quy trình xử lý sự cố đều phải được tính toán riêng.

ClassNK đã cấp phê duyệt nguyên tắc cho thiết kế tàu chở dầu 5.000 kl tương thích với động cơ hydro và hệ thống đẩy điện hybrid. Tổ chức đăng kiểm này đánh giá thiết kế dựa trên các quy định dành cho tàu sử dụng nhiên liệu thay thế và yêu cầu an toàn đối với hydro. Dự án vì vậy không dừng ở việc chế tạo một động cơ.

Nhóm nghiên cứu còn phát triển hệ thống cung cấp nhiên liệu, thiết kế tàu, tài liệu xử lý hydro và chương trình đào tạo thủy thủ cũng như nhân viên hỗ trợ trên bờ.

Kyo Maru thực tế lớn đến đâu?

Một số nguồn quốc tế gần đây mô tả Kiko Maru là tàu “4.800 DWT”. Con số này không nên nhầm với tổng dung tích của tàu.

Theo thông số chính thức từ Nippon Foundation, Kyo Maru có tổng dung tích khoảng 4.500 GT, sức chở khoảng 5.000 kl và chiều dài 104,93 m. Tàu được hạ thủy ngày 14/2/2025 tại nhà máy Nagasaki của Fukuoka Shipbuilding. Tài liệu kỹ thuật khác ghi tổng dung tích cụ thể của tàu là 4.443 GT và trọng tải khoảng 4.998 DWT.

Vì vậy, cách gọi “tàu hydro 4.800 tấn” có thể gây nhầm giữa hai đại lượng khác nhau là tổng dung tích và trọng tải. Trong bài này, thông số khoảng 4.500 GT được sử dụng theo công bố chính thức của Nippon Foundation. 33 km thử nghiệm cho bài toán vận tải biển năm 2050. Quãng đường khoảng 33 km và thời gian hai giờ chưa đủ để chứng minh hydro có thể lập tức thay thế nhiên liệu hóa thạch trên các tuyến vận tải biển thương mại.

Giá nhiên liệu, khả năng lưu trữ hydro, không gian dành cho bồn chứa, hệ thống tiếp nhiên liệu tại cảng và tiêu chuẩn an toàn vẫn là những vấn đề cần giải quyết trước khi công nghệ có thể được triển khai ở quy mô lớn.

Nhưng cuộc thử nghiệm Kyo Maru trả lời được một câu hỏi kỹ thuật quan trọng: một tàu chở dầu ven biển cỡ lớn có thể tích hợp động cơ đốt hydro với kiến trúc điện hybrid và vận hành trên biển thực tế.

Nippon Foundation cho biết chuyến đi ngày 25/9 giảm khoảng 1,2 tấn CO₂ so với sử dụng nhiên liệu hóa thạch thông thường. Tổ chức này đang triển khai chương trình Zero Emission Ships với mục tiêu hỗ trợ quá trình giảm phát thải của vận tải biển nội địa Nhật Bản vào năm 2050. Kiko Maru vì vậy có thể được xem như một phòng thử nghiệm nổi.

Thay vì đặt cược toàn bộ vào một công nghệ, con tàu kết hợp ba thành phần đã có vai trò rõ ràng: động cơ hydro tạo năng lượng, pin lithium ion điều tiết năng lượng và mô tơ điện biến điện năng thành lực đẩy.

Nếu mô hình này chứng minh được độ bền, an toàn và hiệu quả kinh tế trong thời gian dài hơn, kiến trúc điện hybrid có thể giúp ngành hàng hải thử nghiệm nhiều nguồn năng lượng ít carbon mà không phải thay đổi toàn bộ hệ thống đẩy của tàu.