Phần 1: Tại sao tàu biển trong tương lai sẽ chạy bằng điện (phần 1)
Tiếp tục phát triển pin có thể sạc lại
Để một hệ thống truyền động điện trở nên “đáng giá” trên một con tàu, do đó pin phải trở nên hiệu quả hơn đáng kể. Công việc đang được thực hiện trong lĩnh vực này: Với “SAVe Energy”, Rolls-Royce đã phát triển một hệ thống pin mới để điện khí hóa tàu biển, dự kiến sẽ được tung ra thị trường vào năm 2019. Công ty đã phát triển và sản xuất các hệ thống lưu trữ năng lượng kể từ đó 2010, nhưng trước đây, pin đến từ các nhà cung cấp bên ngoài. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng SAVe Energy được cho là có hiệu quả cao – và đặc biệt linh hoạt: Nó có thể được sử dụng trong các tàu biển chạy hoàn toàn bằng điện hoặc hybrid, phà, tàu du lịch và tàu chở hàng. Với động cơ diesel hoặc khí đốt hóa lỏng, hệ thống này cũng hỗ trợ và giảm lượng khí thải. Ban đầu, SAVe Energy sẽ được giao cho công ty vận tải biển Prestfjord của Na Uy. Rolls-Royce dự kiến sẽ tăng: Chỉ trong năm 2019,
Công nghệ truyền động thay thế
Ngoài ra còn có các lựa chọn thay thế thân thiện với môi trường khác cho dầu diesel, chẳng hạn như khí tự nhiên hóa lỏng (LNG), thải ra ít chất ô nhiễm và carbon dioxide hơn khi đốt cháy. Nhưng LNG cũng có một số nhược điểm: Một mặt, một cơ sở hạ tầng phù hợp sẽ phải được phát triển tại các cảng và trên tàu. Mặt khác, khí đốt cũng là nhiên liệu hóa thạch và do đó không có sẵn vô hạn. Ngoài ra, khí có thể thoát ra giữa quá trình sản xuất và sử dụng trên tàu, được gọi là trượt khí mêtan. Khí metan có tác dụng gấp 25 lần khí CO2 về khí hậu và góp phần lớn vào hiệu ứng nhà kính, Liên minh Bảo tồn Thiên nhiên và Đa dạng Sinh học của Đức (NABU) cho biết. Hiện tại, khoảng 200 trong số 50.000 tàu viễn dương đang chạy bằng LNG hoặc đang chuẩn bị làm như vậy. Vào cuối năm 2018, Aida Nova của Aida Cruises sẽ là tàu du lịch đầu tiên đi bằng khí đốt tự nhiên hóa lỏng. Các công ty vận tải biển khác cũng đang lên kế hoạch cho tàu du lịch với hệ thống truyền động LNG. Royal Caribbean có trụ sở tại Hoa Kỳ có kế hoạch đi hai tàu du lịch với pin nhiên liệu trong tương lai. Họ đốt khí tự nhiên hóa lỏng làm nhiên liệu.
Tập đoàn công nghệ ABB và nhà sản xuất pin nhiên liệu Ballard cũng đang ủng hộ pin nhiên liệu, nhưng với một động cơ sạch thay thế. Chúng chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Năng lượng này sau đó truyền tới động cơ điện. Không có sự đốt cháy và không có khí thải. ABB và Ballard muốn làm cho công nghệ hiện có cũng có thể sử dụng được cho các tàu lớn hơn. Mặc dù có công suất điện 3 megawatt và 4.000 mã lực, hệ thống này sẽ không lớn hơn động cơ đốt trong. Các công ty đang tập trung ban đầu vào các tàu chở khách lớn. Tuy nhiên, vẫn chưa có lịch trình thời gian đáng tin cậy cho dự án. Ballard có nhiều kế hoạch hơn: từ năm 2021, chiếc phà chạy bằng năng lượng hydro đầu tiên trên thế giới “HySeas III” sẽ đi giữa hai hòn đảo của Scotland sử dụng pin nhiên liệu của nhà sản xuất Canada.
Thuyền năng lượng mặt trời cũng ở trên mặt nước: các catamarans “SolarWave” và “Tûranor PlanetSolar” thu năng lượng của chúng từ các tế bào quang điện trên tàu. Năm 2012, “Tûranor PlanetSolar” cũng là con thuyền chạy bằng năng lượng mặt trời đầu tiên đi vòng quanh thế giới. Cuộc hành trình kéo dài 585 ngày.
Những thách thức chính
Để có nhiều tàu điện hơn trong tương lai, một thách thức chính cần phải vượt qua: Pin để lưu trữ điện phải hiệu quả hơn nhiều. Đến nay, mật độ năng lượng của chúng vẫn còn quá thấp. Điều đó có nghĩa là pin không thể lưu trữ đủ năng lượng so với kích thước và trọng lượng của chúng. Các con tàu viễn dương lớn phải di chuyển một quãng đường lớn với một lần sạc pin – pin cho việc này nói chung vẫn quá lớn và quá nặng.
Ngoài ra, các cổng cần có cơ sở hạ tầng sạc. Đây đã là một vấn đề với điện ven bờ, vì các tàu du lịch cần điện liên tục cho các hoạt động trên thuyền khi cập cảng. Thông thường, chúng tạo ra điều này bằng động cơ và các đơn vị điện phụ – và thải ra các chất ô nhiễm. Sẽ thân thiện với môi trường hơn nhiều nếu mua điện trực tiếp tại cảng. Tuy nhiên, những công trình điện ven bờ như thế này vẫn còn hiếm. Do đó, các cổng sẽ phải đầu tư rất nhiều tiền cho thiết bị sạc. Pin vẫn còn quá đắt đối với nhiều công ty vận chuyển. Theo DST, một trung tâm phát triển công nghệ hàng hải và hệ thống giao thông ở Đức, pin là thành phần đắt tiền nhất trên một con tàu điện.
Tuy nhiên, hệ thống truyền động điện vẫn có thể sử dụng cho phà và tàu nội địa. Chúng được gắn vào đế thường xuyên và có thể đổi pin trong hộp đựng hoặc sạc lại pin trong thời gian ngắn mỗi khi cập bến và sạc hoàn toàn qua đêm.
Tàu điện và tàu hybrid đang được sử dụng
Một số tàu hybrid và tàu điện hoàn toàn đã được sử dụng. Họ đang ở đâu – và họ đã có khả năng đi được những khoảng cách nào?
Công nghệ kết hợp trên phà và tàu du lịch
Bốn chiếc phà của cái được gọi là “đường chim bay” giữa Đức và Đan Mạch đã chạy bằng công nghệ hybrid. Hệ dẫn động kết hợp giữa động cơ đốt trong và hệ thống truyền động điện. Theo công ty vận tải, điều này làm giảm lượng khí thải CO2 lên đến 15%. “Vision of the Fjords” trên Nærøyfjord của Na Uy cũng là một con tàu lai: điện để truyền động đến từ máy phát điện diesel và từ pin. Chúng có công suất 600 kWh. Pin được sạc khi con tàu đang đi bằng năng lượng dư thừa từ động cơ diesel và khi nó được cập cảng, bằng năng lượng thủy điện sạch. Con tàu có thể đi trong ba giờ với năng lượng từ pin.
Tàu thám hiểm “MS Roald Amundsen” của công ty vận tải Na Uy Hurtigruten sẽ được hạ thủy vào năm 2019 với tư cách là tàu thám hiểm đầu tiên có hệ dẫn động hybrid. Pin Lithium-ion sẽ cho phép con tàu chạy trong ít nhất 30 phút bằng năng lượng điện. Lợi ích cho hành khách là họ lướt trong yên lặng hoàn toàn dọc theo bờ biển của Na Uy và sau đó dọc theo các tảng băng trôi ở Nam Cực mà không có khí thải.
Phà và tàu container hoàn toàn bằng điện
Đến nay, chủ yếu là phà và tàu khách nhỏ trên các tuyến đường thủy nội địa chạy hoàn toàn bằng điện. Họ chỉ đi thuyền những quãng đường ngắn và cập bến thường xuyên. Do đó, các bộ lưu trữ năng lượng có thể được sạc lại nhanh hơn. Tại Na Uy, chiếc phà chở phương tiện đầu tiên trên thế giới đã hoạt động theo lịch trình thường xuyên kể từ năm 2015. Chiếc “Ampere” dài 80 mét chạy qua lại trên Sognefjord giữa Lavik và Oppedal 34 lần mỗi ngày. Mỗi lần, nó chạy sáu km, gần như im lặng và không có khí thải. Chiếc phà được phát triển bởi Siemens cùng với nhà đóng tàu người Na Uy Fjellstrand. Các gói với pin lithium-ion được lắp đặt trên tàu và ở cả hai cảng. Mỗi trong số này có dung lượng 1.600 pin ô tô. Tại mỗi điểm dừng 10 phút, pin của phà được sạc trong thời gian ngắn và được sạc hoàn toàn qua đêm. Nguồn điện là từ một nhà máy thủy điện. Nhờ thiết kế bằng nhôm nhẹ, Ampere chỉ bằng một nửa trọng lượng của một chiếc phà thông thường, mặc dù có pin nặng 11 tấn. Nó tiết kiệm một triệu lít dầu diesel mỗi năm và chi phí vận hành thấp hơn khoảng 80%. Lượng khí thải CO2 của nó chỉ bằng 5% so với lượng khí thải của một chiếc phà thông thường.
Một chiếc phà chạy hoàn toàn bằng điện cũng đã hoạt động trên sông Mosel ở Đức kể từ mùa xuân năm 2018. “Sankta Maria II” chuyên chở 45 hành khách và 6 ô tô. Một phần điện năng được tạo ra bởi 15 mô-đun năng lượng mặt trời và được lưu trữ trong hai khối pin. Chúng có công suất 252 kilowatt giờ. Điều này cho phép phà chạy trong 6,5 giờ. Phà điện cũng đi trên các con sông khác: trên Ruhr ở Witten, Đức, hai con tàu chạy bằng điện đang được sử dụng và ở Berlin, bốn chiếc phà chạy bằng năng lượng mặt trời “FährBär 1 đến 4” đã đi trên sông Spree từ năm 2014. Amsterdam muốn cấm tất cả các tàu và phà chở khách chạy bằng động cơ diesel ra khỏi các kênh rạch của thành phố vào năm 2025.
Trung Quốc có chiếc tàu container chạy hoàn toàn bằng điện đầu tiên – ban đầu là tàu thử nghiệm trên sông Châu Giang ở miền Nam Trung Quốc. Nó được lên kế hoạch chỉ sử dụng trên các tuyến đường thủy nội địa, vì con tàu có thể đi được quãng đường chỉ 80 km. 1.000 pin lithium-ion trên tàu nặng 26 tấn và đạt công suất 2.400 kilowatt giờ. Na Uy cũng đang làm việc trên một tàu container điện: Từ đầu những năm 2020, “Birkeland” sẽ vận chuyển hóa chất và phân bón từ các nhà máy của nhà sản xuất Yara đến cảng ở Brevik. Công ty sử dụng xe tải cho việc này hiện tại – khoảng 40.000 chuyến mỗi năm. Tàu sẽ vận chuyển 120 container.
Công ty Hà Lan Port-Liner cũng đang đóng các tàu chở hàng chạy hoàn toàn bằng điện. Họ sẽ đi trên các tuyến đường thủy nội địa, bao gồm cả đến cảng Rotterdam. Chúng có thể di chuyển trong 34 giờ với một lần sạc pin. Pin được đựng trong các thùng chứa được trao đổi đơn giản tại cảng, có nghĩa là chúng không phải được sạc ngay lập tức. Port-Liner có kế hoạch sản xuất 15 tàu điện cho Hà Lan và Bỉ trong những năm tới.
Infineon đóng góp như thế nào vào việc vận chuyển bằng điện?
Trong tương lai, nhiều hàng hóa hơn và nhiều hành khách hơn sẽ được vận chuyển trên tàu điện. Điều này làm tăng nhu cầu đối với các thiết bị bán dẫn công suất. Với những điều này, Infineon thúc đẩy sự phát triển của khả năng di chuyển bằng điện cũng trên mặt nước. Các con tàu không thể chạy bằng điện nếu không có các thiết bị bán dẫn công suất trong hệ thống truyền lực của chúng. Các nhà sản xuất khác nhau sử dụng bộ chuyển đổi với các thành phần từ Infineon trong hệ thống và động cơ của họ. Chúng chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin thành dòng điện xoay chiều cho động cơ.
Tàu điện và tàu hybrid cần pin hiệu quả hơn và nhẹ hơn để có một bước đột phá. Trong khi mật độ năng lượng đã tăng lên đáng kể trong 30 năm qua, nó vẫn chưa đủ để cung cấp năng lượng cho các tàu lớn trong những chặng đường dài. Infineon giúp khắc phục trở ngại này: Các đơn vị pin ngày càng nhỏ hơn và nhẹ hơn, do hiệu quả của hệ thống đang được cải thiện. Chúng được sử dụng tốt hơn với cái được gọi là cân bằng pin. Điều đó có nghĩa là chúng hoạt động hiệu quả hơn. Cân bằng pin có thể tăng dung lượng và tuổi thọ của pin lên hơn mười phần trăm.
Nhưng sự phát triển của cơ sở hạ tầng sạc và công nghệ để sạc pin nhanh hơn là rất quan trọng. Ở đây, các sản phẩm từ Infineon cũng có thể giúp ích: Chúng có thể giảm đáng kể thời gian sạc, chẳng hạn như nhờ vào các vật liệu sáng tạo như cacbua silic (SiC). Cacbua silicon có thể xử lý tải và điện áp cao hơn silicon – và nó cần ít không gian lắp đặt hơn trong hệ thống vì công suất tiêu tán thấp hơn.
Quan điểm
Biến đổi khí hậu, quy định, chi phí: Trong những năm tới, vận tải biển sẽ phải thay đổi hệ thống truyền động thân thiện với môi trường. Đây là lý do tại sao chúng ta sẽ thấy ngày càng có nhiều phà và tàu chở khách chạy bằng điện. Tuy nhiên, tàu được sử dụng trong nhiều thập kỷ. Thông thường, tàu chở hàng hoạt động trong 30 năm, tàu nội địa khoảng 45 năm và tàu khách thường hoạt động lâu hơn. Nói cách khác, sẽ mất một thời gian trước khi các công ty vận chuyển thay thế chúng. Hơn 7.300 tàu chở hàng đang được sử dụng chỉ riêng ở EU. Công ty đóng tàu điện người Hà Lan Port-Liner giả định rằng sẽ mất khoảng 50 năm cho đến khi tất cả chúng được thay thế bằng các mẫu tàu điện – ít nhất là với tốc độ hiện tại. Các chuyên gia dự đoán rằng sẽ phải mất ít nhất 20 năm nữa chúng ta mới thấy những con tàu viễn dương chạy hoàn toàn bằng điện đầu tiên. Các động cơ thay thế hoạt động càng tốt, điều này sẽ xảy ra càng nhanh. Nếu mật độ pin tăng lên và pin hoạt động hiệu quả hơn, nhiều tàu trong tương lai sẽ ra khơi nhẹ nhàng và thân thiện với môi trường.
Nói cách khác, điện cũng sẽ dẫn động chân vịt của con tàu trong tương lai. Nhưng sự phát triển vẫn tiếp tục; tiếp theo, sẽ không cần thuyền trưởng trên tàu. Các kế hoạch cụ thể cho việc này đã có: Birkeland, tàu chở container từ công ty Yara của Na Uy, sẽ sớm ra khơi với một thủy thủ đoàn nhỏ – sau đó tự lái. Vào năm 2030, chưa đầy 550 năm sau Columbus, những con tàu thép khổng lồ đầu tiên có thể được lái vào tương lai một cách tự động và bằng điện.
Phần 1: Tại sao tàu biển trong tương lai sẽ chạy bằng điện (phần 1)
