Máy phát điện diesel hàng hải phải đáp ứng những tiêu chuẩn nào cho tàu thuyền?

Giới Thiệu Về MARPOL Phụ Lục VI Của IMO Và Bộ Quy Tắc Kỹ Thuật Về NOx

Phụ lục VI của MARPOL theo Tổ chức Hàng hải Quốc tế áp đặt các quy định nghiêm ngặt trên phạm vi toàn cầu đối với khí thải từ động cơ tàu biển, đặc biệt nhắm vào các oxit nitơ (NOx), oxit lưu huỳnh (SOx) và chất hạt (PM). Quy định này lần đầu tiên được ban hành vào năm 2005 và đã trải qua nhiều lần cập nhật kể từ đó. Các quy tắc chủ yếu áp dụng cho các động cơ lớn hơn 130 kW công suất đầu ra, với các mức tiêu chuẩn NOx khác nhau tùy thuộc vào thời điểm động cơ được chế tạo hoặc lắp đặt. Khi giới hạn quốc tế về lưu huỳnh giảm mạnh vào năm 2020 xuống chỉ còn 0,50% hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu hàng hải, các công ty vận tải biển buộc phải đầu tư mạnh vào các công nghệ như hệ thống làm sạch khí thải (scrubber) hoặc chuyển hoàn toàn sang các nhiên liệu thay thế như khí tự nhiên hóa lỏng (LNG). Sự thay đổi về mặt quy định này đã tạo ra một cuộc chuyển mình lớn trên thị trường toàn ngành hàng hải.

Vai trò của Tổ chức Hàng hải Quốc tế trong việc quản lý khí thải từ máy phát điện diesel hàng hải

Tổ chức Hàng hải Quốc tế làm việc để chuẩn hóa các quy định về phát thải cho tất cả 175 quốc gia mà tổ chức này đại diện. Điều này có nghĩa là các tàu trên toàn thế giới phải trải qua những bài kiểm tra tương tự, được chứng nhận theo cách thức tương đương và đối mặt với việc thực thi nhất quán khi nói đến động cơ diesel hàng hải của chúng. Quy tắc Kỹ thuật NOx của tổ chức yêu cầu các nhà sản xuất phải chứng minh động cơ của họ đáp ứng các tiêu chuẩn thông qua việc phê duyệt kiểu, trong đó xem xét cách các thiết bị này thực sự vận hành trong điều kiện thực tế. Các công ty phải cung cấp thông tin chi tiết về lượng khí thải từ động cơ của họ dưới các mức tải khác nhau. Những yêu cầu này giúp phối hợp nỗ lực với các tổ chức như Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ, tạo ra sự hợp tác thuận lợi hơn giữa các tiêu chuẩn toàn cầu và quy định địa phương. Khi các quy định quốc tế và quốc gia phù hợp với nhau hơn, việc tuân thủ trở nên dễ dàng hơn đối với các đơn vị vận hành tàu biển trên toàn thế giới.

Các tiêu chuẩn phát thải định hình thiết kế và vận hành máy phát điện diesel hàng hải như thế nào

Các máy phát điện diesel hàng hải hiện đại ngày nay cần phải tuân thủ các tiêu chuẩn nghiêm ngặt ở mức Tier III, do đó các nhà sản xuất đã bắt đầu bổ sung những hệ thống như giảm phát thải xúc tác chọn lọc, buồng đốt được thiết kế tốt hơn và kiểm soát chính xác hơn quá trình phun nhiên liệu. Tất cả những cải tiến này đã làm giảm đáng kể lượng khí thải oxit nitơ, khoảng 80 phần trăm ít hơn so với động cơ cũ theo nghiên cứu của Raju và các đồng nghiệp vào năm 2021. Một thay đổi lớn khác là việc chuyển sang sử dụng nhiên liệu diesel siêu thấp lưu huỳnh trở thành tiêu chuẩn phổ biến trong toàn ngành. Nhiên liệu sạch hơn này giúp cắt giảm lượng khí thải bụi mịn khoảng ba phần tư mà không làm ảnh hưởng đến độ tin cậy hoạt động hàng ngày của các thiết bị này trên biển.

Hệ thống Phân loại Tier: Từ Tuân thủ Tier 1 đến Tier 3

So sánh Giới hạn Khí thải Tier 1, Tier 2 và Tier 3 cho Động cơ Diesel Hàng hải

Động cơ diesel hàng hải được chia thành ba nhóm khác nhau theo lượng phát thải oxit nitơ do Tổ chức Hàng hải Quốc tế quy định. Nhóm đầu tiên bao gồm các động cơ sản xuất trước năm 2000, khi chúng có thể phát thải lên tới 14,4 gam trên mỗi kilowatt giờ NOx. Sau năm 2011, tiêu chuẩn Tier 2 đã giảm mức phát thải cho phép xuống còn khoảng một nửa con số đó, ở mức 7,7 g/kWh nhờ các kỹ thuật đốt cháy cải tiến. Tiếp đến là quy định Tier 3 có hiệu lực từ năm 2016, áp dụng cụ thể tại một số khu vực nhất định, nơi tàu thuyền hiện phải giới hạn lượng phát thải NOx chỉ còn 2,0 g/kWh. Điều này thể hiện mức giảm ấn tượng khoảng 80% so với mức cho phép trong giai đoạn đầu. Các động cơ mới hơn thường sử dụng hệ thống khử chọn lọc NOx bằng xúc tác hoặc công nghệ tuần hoàn khí xả để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt này. Khi xét đến giới hạn vật chất dạng hạt (particulate matter), câu chuyện cũng tương tự: giảm từ 0,40 g/kWh theo tiêu chuẩn Tier 1 xuống chỉ còn 0,10 g/kWh ở động cơ Tier 3.

Tầng	Giới hạn NOx (g/kWh)	Giới hạn PM (g/kWh)	Thời Gian Triển Khai
Cấp bậc 1	≤ 14,4	≤ 0,40	2000–2011
Cấp độ 2	≤ 7,7	≤ 0.20	2011–2016
Cấp độ 3	≤ 2.0	≤ 0.10	2016–hiện tại

Yêu Cầu Tuân Thủ Tiêu Chuẩn Tier 3 Tại Các Khu Vực Kiểm Soát Phát Thải (ECAs)

Các tàu hoạt động trong các khu vực kiểm soát phát thải như bờ biển Bắc Mỹ và Biển Baltic cần phải đáp ứng tiêu chuẩn Tier 3, nghĩa là giảm lượng khí oxit nitơ xuống 80% so với các động cơ cũ hơn thuộc Tier 1. Hầu hết các chủ tàu lựa chọn một trong hai hướng giải quyết yêu cầu này. Một số chọn lắp đặt hệ thống khử chọn lọc xúc tác trên các máy phát hiện có, trong khi những người khác chuyển sang sử dụng lai động cơ chạy bằng khí tự nhiên hóa lỏng. Quy định về hàm lượng lưu huỳnh tại các khu vực này cũng nghiêm ngặt không kém, với giới hạn tối đa là 0,10%. Để tuân thủ, các tàu hoặc đốt nhiên liệu lưu huỳnh thấp đặc biệt hoặc đầu tư vào công nghệ bộ lọc tốn kém để làm sạch khí thải trước khi thải ra khỏi ống khói.

Nghiên Cứu Trường Hợp: Triển Khai Tiêu Chuẩn Tier 3 Trên Các Tàu Hoạt Động Trong Khu Vực Kiểm Soát Phát Thải Bắc Mỹ

Năm 2023, các nhà nghiên cứu đã xem xét 24 tàu chở hàng hoạt động trong khu vực ECA Bắc Mỹ và phát hiện ra một điều thú vị. Khi nâng cấp động cơ lên tiêu chuẩn Tier 3, lượng khí thải oxit nitơ giảm khoảng 92% so với các mẫu động cơ cũ hơn thuộc Tier 1. Tuy nhiên, có một trở ngại đối với nhiều chủ tàu. Khoảng một phần ba trong số họ phải chi trả nhiều hơn cho việc sửa chữa do các hệ thống mới hiện đại này cần thay bộ lọc SCR định kỳ. Những chi phí phát sinh này dao động từ khoảng mười tám nghìn đến bốn mươi lăm nghìn đô la mỗi năm. Dù vậy, cuộc kiểm tra của Tổ chức Hàng hải Quốc tế năm ngoái cho thấy phần lớn các công ty đều tuân thủ quy định, với khoảng 89 trên mỗi 100 tàu đáp ứng yêu cầu. Những tàu không tuân thủ sẽ phải đối mặt với mức phạt nghiêm trọng, trung bình khoảng ba trăm hai mươi nghìn đô la cho mỗi lần vi phạm. Để quản lý tốt hơn các hệ thống phức tạp này, ngày càng nhiều doanh nghiệp hàng hải đang chuyển sang sử dụng phần mềm bảo trì dự đoán, giúp duy trì hoạt động đúng cách của các hệ thống xử lý sau khi thải và giảm thiểu sự cố bất ngờ trong các hoạt động quan trọng.

Đánh giá Khả năng Áp dụng Tiêu chuẩn Tier 4 cho Máy phát Điện Diesel Hàng hải

Quy định Final Tier 4: Bắt nguồn từ các tiêu chuẩn động cơ trên đất liền

Các tiêu chuẩn khí thải Tier 4 ban đầu là yêu cầu đối với động cơ phi đường bộ sử dụng trên đất liền, buộc các nhà sản xuất phải giảm lượng oxit nitơ và vật chất hạt bằng cách áp dụng các công nghệ xử lý sau mới. Tổ chức Hàng hải Quốc tế vẫn chưa áp dụng các tiêu chuẩn này cho tàu biển, nhưng hiện đang có những cuộc thảo luận về việc áp dụng một số khái niệm tương tự vào các quy định hàng hải trong tương lai. Tuy nhiên, việc chuyển trực tiếp các giải pháp trên đất liền sang tàu thuyền gặp nhiều thách thức thực tế do giới hạn không gian và các yêu cầu kỹ thuật khác biệt tại biển.

Các thách thức công nghệ khi áp dụng yêu cầu Tier 4 vào ứng dụng hàng hải

Việc áp dụng các hệ thống tương đương Tier 4 lên máy phát điện diesel hàng hải không hề đơn giản. Các bộ phận xử lý sau như thiết bị khử chọn lọc xúc tác (SCR) và bộ lọc hạt diesel (DPF) chiếm thêm khoảng 18 đến 25 phần trăm diện tích so với các cấu hình Tier 3. Hơn nữa, những thành phần này gặp khó khăn trong việc duy trì độ bền khi phải chịu điều kiện khắc nghiệt tại biển. Một báo cáo gần đây từ Thị trường động cơ diesel hàng hải Bắc Mỹ cũng chỉ ra một điểm khá quan trọng: nước biển thấm vào khắp nơi trên tàu, và những rung động liên tục làm hao mòn thiết bị nhanh hơn. Cụ thể với chất xúc tác SCR, tuổi thọ của chúng giảm khoảng 40% so với thiết bị tương tự sử dụng trên đất liền. Điều này hoàn toàn hợp lý khi xem xét môi trường hàng hải gây ảnh hưởng lớn đến các hệ thống cơ khí theo thời gian.

Tranh luận ngành: Liệu Tier 4 có thực tế đối với các hệ thống máy phát điện diesel hàng hải?

Ngành hàng hải hiện đang khá chia rẽ về vấn đề này. Khi chúng tôi xem xét kết quả khảo sát từ các đơn vị vận hành, khoảng 62 phần trăm cho biết thiết kế tàu hiện tại đơn giản là không có đủ không gian để phân phối điện năng phù hợp với các hệ thống đáp ứng tiêu chuẩn Tier 4. Những người ủng hộ quy định này khẳng định rằng chúng thực sự sẽ thúc đẩy việc sử dụng động cơ lai (hybrid), nhưng những người làm việc trực tiếp lại lo ngại về tần suất phải vệ sinh bộ lọc hạt diesel cứ sau mỗi 450 đến 500 giờ hoạt động. Loại bảo trì định kỳ như vậy thực sự làm gián đoạn lịch trình công việc. Cũng có hy vọng ở các tùy chọn xử lý khí thải dạng mô-đun, mặc dù phần lớn các chuyên gia đồng ý rằng chúng vẫn cần thêm khoảng hai đến ba năm thử nghiệm thực tế trên biển trước khi có thể được triển khai rộng rãi trên toàn đội tàu.

Chứng nhận và Khung pháp lý cho Động cơ Đốt trong Kiểu Nén Dùng trên Tàu thủy

Phân loại của EPA đối với Động cơ Đốt trong Kiểu Nén Dùng trên Tàu thủy theo Công suất Đầu ra

Các động cơ đốt trong kiểu nén dùng trong hàng hải được phân vào các hạng mục khác nhau dựa trên công suất đầu ra để Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát phát thải cụ thể. Đối với các động cơ sản sinh hơn 37 kilowatt, có những quy định khắt khe hơn về khí oxit nitơ và vật chất dạng hạt theo các quy định đã đặt ra đối với động cơ không sử dụng trên đường bộ. Những động cơ lớn hơn mà chúng ta thấy trong các hoạt động vận tải biển thương mại cần phải áp dụng một số công nghệ khá tinh vi chỉ để duy trì sự tuân thủ các yêu cầu này. Các hệ thống như tuần hoàn khí xả hoặc các thiết lập giảm chọn lọc chất xúc tác trở thành những bổ sung cần thiết đối với các tàu muốn hoạt động trong giới hạn pháp lý đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả khi làm việc trên biển.

Quy trình chứng nhận đối với máy phát điện diesel hàng hải theo quy định liên bang của Hoa Kỳ

Quy trình chứng nhận của Hoa Kỳ yêu cầu các bài kiểm tra khá nghiêm ngặt đối với ứng dụng hàng hải, bao gồm tất cả các chu kỳ vận hành cụ thể mà tàu thuyền thực sự trải qua khi hoạt động trên mặt nước. Điều đó có nghĩa là phải kiểm tra khả năng hoạt động của động cơ dưới các tải trọng biến đổi và mô phỏng những gì xảy ra khi chúng tiếp xúc với điều kiện nước biển thực tế trong thời gian dài. Theo các quy định liên bang mới nhất, nhà sản xuất cần chứng minh rằng họ đáp ứng các tiêu chuẩn trong ít nhất 80 phần trăm công suất mà động cơ tuyên bố cung cấp. Quá trình này cũng bao gồm một số điểm kiểm tra quan trọng. Trước tiên là việc phê duyệt các công nghệ điều khiển động cơ khác nhau trước khi bắt đầu sản xuất. Sau đó là tính đến mức độ suy giảm tự nhiên của các bộ phận để lượng phát thải vẫn nằm trong giới hạn cho phép trong suốt toàn bộ vòng đời 10.000 giờ của thiết bị. Toàn bộ quy trình này đảm bảo rằng các động cơ hàng hải đã được chứng nhận vẫn hoạt động ổn định ngay cả sau nhiều năm vận hành liên tục trong môi trường khắc nghiệt.

Sự hài hòa giữa các yêu cầu quy định trong nước và quốc tế

Các tiêu chuẩn EPA Tier 4 đang yêu cầu giảm khoảng 90 phần trăm lượng khí thải NOx so với các thiết bị cũ thuộc Tier 1. Trong khi đó, tại Tổ chức Hàng hải Quốc tế, họ đã và đang nỗ lực kiểm soát cả SOx và NOx thông qua các quy định tại Phụ lục VI của MARPOL. Các máy phát điện diesel dùng trên tàu biển ngày nay thường được trang bị tùy chọn nhiên liệu kép và các hệ thống xử lý mô-đun có thể đáp ứng những yêu cầu khác nhau này. Đối với các công ty sản xuất động cơ cần hoạt động trên toàn thế giới, việc hài hòa các phương pháp thử nghiệm và mục tiêu phát thải không chỉ mang tính hỗ trợ mà về cơ bản là điều bắt buộc nếu họ muốn duy trì khả năng cạnh tranh ở các khu vực khác nhau mà không phải liên tục thiết kế lại sản phẩm từ đầu.

Câu hỏi thường gặp

Mục tiêu chính của Phụ lục VI MARPOL là gì?

Mục tiêu chính của Phụ lục VI MARPOL là giảm ô nhiễm không khí từ động cơ tàu biển bằng cách kiểm soát lượng khí thải oxit nitơ (NOx), oxit lưu huỳnh (SOx) và vật chất dạng hạt (PM).

Tại sao tiêu chuẩn khí thải Tier 3 lại quan trọng?

Tiêu chuẩn khí thải Tier 3 quan trọng vì chúng giảm đáng kể lượng khí thải NOx khoảng 80% so với các tiêu chuẩn cũ hơn, đảm bảo không khí sạch hơn và tuân thủ trong các khu vực kiểm soát khí thải (ECAs).

Các chủ tàu gặp phải những thách thức gì với tiêu chuẩn Tier 4?

Các chủ tàu gặp phải thách thức với tiêu chuẩn Tier 4 do giới hạn về không gian và nhu cầu bảo trì thường xuyên các bộ lọc hạt diesel, điều này có thể làm gián đoạn lịch trình hoạt động.

Các nhiên liệu thay thế như LNG giúp đáp ứng tiêu chuẩn khí thải như thế nào?

Các nhiên liệu thay thế như khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) giúp đáp ứng tiêu chuẩn khí thải bằng cách tạo ra lượng khí thải ít hơn so với các nhiên liệu hàng hải truyền thống, hỗ trợ việc tuân thủ các giới hạn về lưu huỳnh và oxit nitơ.