Nhóm nghiên cứu Việt và Nauy sử dụng hydro kích hoạt động cơ chạy bằng amoniac

Điểm khởi đầu của một ý tưởng hay

Vào những năm 1940, một đội xe buýt tại Bỉ đã lần đầu tiên được cải tạo để chạy bằng amoniac. "Amoniac từng được sử dụng làm nhiên liệu trong Thế chiến thứ hai, khi xăng dầu trở nên khan hiếm", PGS David Emberson, Khoa Công nghệ Hàng hải, Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy (NTNU), cho biết trong bài viết trên website của trường.

Amoniac (NH₃) là một phân tử đơn giản, gồm một nguyên tử nitơ liên kết với ba nguyên tử hydro. Dù lượng thông thường trong môi trường không ảnh hưởng đến sức khỏe con người, việc tiếp xúc với nồng độ amoniac cao có thể gây tổn thương da, mắt, họng và phổi, dẫn đến ho và bỏng hóa chất. Phơi nhiễm với nồng độ amoniac rất cao cũng có thể gây tổn thương phổi, thậm chí tử vong. "Đó thực sự là một ý tưởng khá điên rồ bởi amoniac là một loại khí rất độc hại", PGS David Emberson cho biết.

Nhưng trong cuộc sống, những ý tưởng đột phá thường bắt nguồn từ những tình huống như vậy. Nếu tình trạng thiếu nhiên liệu đã khơi nguồn cho sự phát triển của động cơ amoniac thời chiến tranh, thì ngày nay, nhu cầu về các hệ thống động lực không phát thải carbon lại thôi thúc các nhà nghiên cứu lật lại vấn đề này.

Hiện nay, vận tải biển chiếm khoảng 11 - 12% tổng lượng phát thải từ hoạt động giao thông trên toàn thế giới. Để đạt mục tiêu cắt giảm 50% lượng phát thải vào năm 2050 so với mức năm 2008 theo theo thỏa thuận của Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO), ngành vận tải biển cần triển khai rộng rãi các giải pháp thay thế động cơ sử dụng dầu diesel.

Đó là lý do amoniac - nhiên liệu không chứa carbon và không tạo ra khí thải carbon dioxide (CO₂) trong quá trình sử dụng - ngày càng được ngành vận tải biển quan tâm với kỳ vọng đây sẽ là một giải pháp thay thế nhiên liệu dầu mỏ và thân thiện hơn với khí hậu. Tuy nhiên, vấn đề nằm ở chỗ, dù không trực tiếp phát thải, các động cơ amoniac hiện nay vẫn cần sử dụng nhiên liệu mồi như khí than, nhiên liệu sinh học và dầu diesel để hỗ trợ quá trình đốt cháy.

Giải thích cụ thể về vấn đề này, nhóm nghiên cứu cho biết, amoniac có ưu điểm là chất rất dồi dào và phổ biến, có thể được sản xuất bằng năng lượng tái tạo, song nhược điểm của chất này là có đặc tính bắt lửa kém và không dễ dàng tự duy trì quá trình cháy.

Để vận hành động cơ chạy bằng amoniac, người ta thường phải sử dụng kết hợp thêm một loại nhiên liệu khác nhằm hỗ trợ quá trình đánh lửa. Những động cơ như vậy được gọi là động cơ nhiên liệu kép (dual-fuel engine). Chẳng hạn, chiếc xe buýt ở Bỉ vào Thế chiến thứ hai đã phải kết hợp thêm hỗn hợp nhiên liệu chứa tới 40% khí than mới có thể duy trì quá trình cháy ổn định.

Sử dụng hydro làm nhiên liệu mồi để đánh lửa

Với tiền đề là các nghiên cứu tìm cách giảm thiểu lượng nhiên liệu mồi cần thiết trong hệ thống động cơ nhiên liệu kép trước đây, PGS Emberson và cộng sự đã tiếp tục áp dụng những kỹ thuật tương tự để khảo sát khả năng sử dụng hydro làm nhiên liệu mồi cho động cơ amoniac để giải quyết vấn đề trên.

Nếu xét riêng acmonica và hydro, mỗi chất đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Hydro là nhiên liệu cũng không chứa carbon và có thể được tạo ra từ chính amoniac, song lại "rất khó nén, lưu trữ và vận chuyển, đòi hỏi phải có hệ thống lưu trữ hydro riêng hoặc thiết bị trên tàu để tách hydro từ amoniac khi cần thiết", PGS Emberson cho biết. Thêm vào đó, quá trình đốt cháy hydro không tạo ra carbon nhưng có thể sản sinh các oxit nitơ (NOₓ) - những chất gây tác động rất nghiêm trọng đến môi trường. "Với ô tô chạy bằng hydro như Toyota Mirai, việc sử dụng một bình chứa hydro áp suất 700 bar còn khả thi. Nhưng áp dụng công nghệ này cho những con tàu, dù lớn dù nhỏ, lại là chuyện gần như không thể thực hiện được", PGS Emberson giải thích.

Trong khi đó, dù có độc tính, amoniac có thể được lưu trữ ở mức áp suất vừa phải hơn, không dễ cháy nổ, chứa nhiều năng lượng hơn trên mỗi lít và phù hợp hơn với hoạt động vận tải đường dài.

Đó là lý do sau khi nghiên cứu, nhóm của PGS Emberson đi đến kết luận: sử dụng một lượng nhỏ hydro để kích hoạt quá trình cháy của amoniac là phương án kết hợp hợp lý để có thể tận dụng những đặc tính nổi bật của cả hai loại nhiên liệu trên.

Hydro có thể được thu hồi bằng cách cracking amoniac, tức phân tách phân tử amoniac thành hydro và nitơ. Quá trình này có thể diễn ra ngay trên tàu, giúp giảm nhu cầu vận chuyển một lượng lớn hydro vốn khó lưu trữ và vận chuyển.

Để giảm nhu cầu năng lượng cho công đoạn phân tách - một phần quan trọng trong quá trình phát triển công nghệ, nhóm của PGS Emberson tiếp tục tập trung vào phương pháp phun nhiên liệu trực tiếp. Theo cách làm này, nhiên liệu được phun vào buồng đốt thay vì trộn lẫn với amoniac ngay từ đường nạp - điểm khác biệt giữa nghiên cứu mới của nhóm với các công trình tương tự tại những phòng thí nghiệm khác cũng như các động cơ nhiên liệu kép đang được vận hành hiện nay.

Theo nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Duy tại Khoa Công nghệ Hàng hải và là đồng tác giả bài báo, điểm cốt lõi của nghiên cứu là việc tối ưu hóa cơ chế phun nhiên liệu, đồng thời phát triển các phương pháp ghi nhận quá trình này.

"Nếu có một đống lửa rất lớn và cần châm lửa, trước tiên bạn phải tạo ra những tia lửa nhỏ nhưng có cường độ và năng lượng rất cao", nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Duy giải thích. "Nguyên lý này cũng tương tự trong không gian nhỏ của buồng đốt phụ. Chúng tôi cung cấp hydro vào đó, với lượng càng ít càng tốt".

Một lượng nhỏ hydro được phun vào buồng đốt phụ (pre-chamber) bên trong động cơ, sau đó được đốt cháy bằng bugi. Ngọn lửa từ buồng đốt phụ sau đó phun ra ngoài, đốt cháy amoniac trong phần còn lại của động cơ, tương tự hoạt động của những khẩu súng phun lửa thu nhỏ.

Để đạt hiệu suất cao nhất, nhóm nghiên cứu tập trung điều chỉnh chính xác vị trí tương quan giữa vòi phun và kích thước các lỗ phun, tối ưu hóa cấu hình của những "súng phun lửa thu nhỏ", đồng thời phát triển các phương pháp tiên tiến để ghi lại và phân tích toàn bộ quá trình.

"Thông thường, khi động cơ đang vận hành, chúng ta không thể quan sát những gì diễn ra bên trong", nghiên cứu sinh Duc Duy Nguyen cho biết. "Nhưng với các kỹ thuật quang học được sử dụng trong nghiên cứu này, chúng tôi có thể quan sát bên trong động cơ và tìm hiểu những nguyên lý cơ bản của quá trình đốt cháy amoniac".

Cụ thể, nhóm nghiên cứu sử dụng hai loại camera khác nhau. Loại thứ nhất là camera ghi hình tốc độ cao, có khả năng ghi lại 36.000 khung hình mỗi giây. Thiết bị này quan sát ánh sáng phát ra từ phản ứng hóa học và ghi lại diễn biến của quá trình cháy với độ chi tiết rất cao. Loại thứ hai là camera ghi hình phát quang hóa học (chemiluminescence camera), có thể ghi lại những hiện tượng mắt thường không nhìn thấy được.

"Có rất nhiều biến số cần kiểm soát", Nguyễn Đức Duy cho biết. "Vấn đề không chỉ nằm ở lượng amoniac và hydro được phun vào động cơ mà còn ở thời điểm phun. Chúng tôi điều chỉnh thời điểm phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa, căn cứ vào vị trí của piston [bộ phận của một động cơ, có nhiệm vụ kết hợp với xi lanh và nắp máy để tạo thành buồng đốt] khi ở điểm trên cùng hoặc điểm dưới cùng".

Những hứa hẹn và thách thức của công nghệ hàng hải thế hệ mới

Sau một quá trình thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được nếu hydro được cung cấp theo phương thức phù hợp. chỉ cần một lượng hydro tương đương 7 - 8% hỗn hợp nhiên liệu là đủ để đốt cháy amoniac.

Những kết quả mới này có thể ảnh hưởng lớn đến khả năng ứng dụng công nghệ động cơ amoniac trong lĩnh vực hàng hải.

"Động cơ amoniac có thể không phải là giải pháp hoàn hảo, nhưng nhiều khả năng công nghệ này sẽ được ứng dụng trong một số lĩnh vực nhất định", PGS Emberson nhận định.

"Thực tế là, ngành hàng hải có khả năng vẫn sẽ tiếp tục sử dụng động cơ đốt trong và nhiên liệu hóa thạch trong thời gian dài sau này so với các lĩnh vực giao thông khác", PGS Emberson cho biết. Tuy vậy, nhóm nghiên cứu không nản lòng và đặt mục tiêu chuyển đổi ngành này sang sử dụng các loại nhiên liệu phát thải carbon thấp hoặc không phát thải carbon.

Anders Valland, Giám đốc nghiên cứu tại viện nghiên cứu đa ngành độc lập và phi lợi nhuận của Na Uy - SINTEF Ocean, đã theo dõi quá trình nghiên cứu này. "David Emberson và nhóm của ông ấy đang triển khai nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Hệ thống Năng lượng Hàng hải của chúng tôi. Chúng tôi cũng hợp tác với ông trong nhiều hướng nghiên cứu thú vị", ông Valland cho biết.

"Tuy nhiên, vẫn còn một chặng đường dài phía trước, bởi các kết quả nghiên cứu hiện phụ thuộc vào công nghệ phân tách amoniac trực tiếp trên đường cấp nhiên liệu (inline ammonia cracking). Đây vẫn là công nghệ đang trong quá trình phát triển và có thể chịu tác động từ các quy định liên quan đến việc sử dụng hydro làm nhiên liệu", ông Valland giải thích. "Hiện nay, những quy định đó vẫn chưa được thiết lập đầy đủ".

Theo PGS Emberson, một số vấn đề còn tồn đọng hiện nay là việc sản xuất nhiên liệu, phân phối nhiên liệu và tiếp nhiên liệu cho tàu; an toàn trên tàu và nguy cơ phát thải nitơ. "Ngoài ra, còn phải xem xét tác động của loại nhiên liệu này đối với công tác bảo dưỡng và tuổi thọ động cơ", ông chỉ ra một số thách thức trong thời gian tới.

Nhớ lại những chiếc xe buýt đầu tiên của Bỉ sử dụng amoniac làm nhiên liệu đã ngừng hoạt động sau khi Thế chiến thứ hai kết thúc, khi giá dầu diesel giảm và nguồn cung xăng dầu trở nên dồi dào hơn, PGS Emberson cho hay, "cuối cùng, cơ sở hạ tầng sẵn có đã chiếm ưu thế". "Thách thức với chúng ta hiện nay là phải bảo đảm các giải pháp thay thế trở nên hấp dẫn hơn, đồng thời có khả năng vận hành tương đương hoặc tốt hơn những công nghệ hiện tại [thì mới có thể thuyết phục mọi người sử dụng]".

Kim Dung tổng hợp

Nguồn:

Using hydrogen to spark ammonia engines into life. Norwegian SciTech News. https://norwegianscitechnews.com/2026/10/using-hydrogen-to-spark-ammonia-engines-into-life/

Ducduy Nguyen, James W. G. Turner, David Robert Emberson; Lean Ammonia Combustion in an Optically Accessible Combustion Chamber Using Hydrogen Jet Ignition. Energy Fuels. 13 August 2026; 40 (32): 17848–17863. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.6c02691

Ammonia. https://www.cdc.gov/chemical-emergencies/chemical-fact-sheets/ammonia.html