Lộ trình 30 năm hướng tới hoạt động cảng không phát thải
Các cảng châu Âu đang đối mặt với nhiệm vụ ngày càng cấp bách là giảm thiểu lượng khí thải carbon trong toàn bộ hoạt động khai thác trên đất liền và trên biển, không chỉ do các chính sách về khí hậu mà còn do những lo ngại về chất lượng không khí tại địa phương. Thách thức này tuy lớn nhưng vẫn có thể kiểm soát được, miễn là có chiến lược và lộ trình triển khai rõ ràng. Dưới đây là quan điểm của Michale Barnard đã được Interlift tổng hợp và dịch chi tiết tới bạn đọc.
Quan điểm của tôi rất đơn giản. Tất cả các phương tiện và thiết bị mặt đất sẽ được điện khí hóa. Tất cả các tàu cảng sẽ được điện khí hóa. Tất cả các tuyến vận tải nội địa sẽ được điện khí hóa. Hầu hết các tuyến vận tải biển ngắn sẽ được điện khí hóa. Vận tải đường dài sẽ là loại hình lai giữa pin và điện, hoạt động trong vùng biển quốc gia và cảng bằng nguồn điện từ pin, được kết nối với nguồn điện trên bờ khi lưu trú và thường sử dụng pin container được sạc tại cảng container thay vì hoàn toàn bằng pin tích hợp.
Chuỗi bài này được khởi xướng bởi một nhóm người hỏi tôi liệu mô hình mà đồng tác giả Rish Ghatikar và tôi đã áp dụng cho vận chuyển hàng hóa đường bộ ở Hoa Kỳ có áp dụng được không, với pin đệm và càng nhiều năng lượng mặt trời càng tốt được lắp đặt trên mái nhà, mái che nắng và các cánh đồng gần đó. Câu trả lời là có, với một số biến thể.
MT CO2e cho vận chuyển toàn cầu đến năm 2100, của Michael Barnard, TFIE Strategy Inc.
Tôi đã đề cập đến tất cả những vấn đề này trước đây, nhưng đã đến lúc đưa ra một kịch bản cho một cảng cỡ trung làm ví dụ, một phần vì thấy thú vị khi xem nó có thể diễn ra như thế nào. Tôi đã từng làm điều này trước đây đối với ngành hàng không, sử dụng 120 MW năng lượng mặt trời của Sân bay Edmonton và đưa ra một chiến lược xây dựng nhiều phần từ điện khí hóa sân bay và hàng không . Tôi cũng đã đề cập đến điện khí hóa phương tiện mặt đất tại cảng , sau khi dành thời gian làm việc với Sahar Rashibeigi, người đứng đầu bộ phận khử cacbon tại cảng của bộ phận APM Terminals của Maerk. Dự báo của tôi về quá trình khử cacbon trong vận tải biển đến năm 2100 dựa nhiều vào điện từ pin để đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng của nước, phần còn lại được cung cấp bởi nhiên liệu sinh học. Nhưng một dự báo về quá trình điện khí hóa cảng và vận tải biển trong vài thập kỷ đối với một cảng là một bài tập thú vị, ít nhất là đối với tôi.
Để minh họa rõ hơn về lộ trình khử cacbon đầy tham vọng nhưng khả thi, chúng ta nên xem xét một cảng cỡ trung bình ở châu Âu, có quy mô và chức năng tương đương với Amsterdam hoặc Ghent. Một cảng như vậy thường xử lý khoảng 75 triệu tấn hàng hóa mỗi năm, bao gồm container, hàng rời và hàng Ro-Ro (roll on, roll off). Lưu lượng giao thông của cảng này rất đa dạng, với khoảng 5.500 lượt tàu biển ghé cảng mỗi năm, cùng với hàng nghìn lượt xà lan di chuyển nội địa qua các mạng lưới sông và kênh đào được kết nối. Sự đa dạng này - bao gồm xà lan nội địa, tàu biển ngắn như tàu container trung chuyển và phà Ro-Ro, và tàu biển xanh lớn bao gồm tàu container biển sâu và tàu chở hàng rời - chính xác là điều khiến một cảng như vậy trở thành đại diện cho nhiều trung tâm hàng hải cỡ trung bình của châu Âu, khiến nơi đây trở thành ứng cử viên lý tưởng để khám phá các lộ trình khử cacbon.
Đọc thêm:
Quy trình tái chế pin thế hệ mới
Để hiểu được sự chuyển dịch sâu sắc của quá trình giảm phát thải carbon, điều cần thiết là phải phác họa rõ ràng tình trạng hiện tại của cảng. Hoạt động cảng hiện nay vẫn phụ thuộc rất nhiều vào thiết bị và phương tiện chạy bằng dầu diesel, cả trong bãi container và trong các hoạt động xử lý hàng hóa. Một đội tàu điển hình có thể bao gồm khoảng 20 xe cẩu tự hành chạy bằng dầu diesel hoặc cần trục giàn cao su, thiết yếu cho việc di chuyển container trong cảng. Mỗi máy móc này tiêu thụ khoảng 19 lít dầu diesel mỗi giờ, một con số được minh họa bằng dữ liệu vận hành từ các cơ sở container rộng lớn của Hamburg. Bên cạnh đó là khoảng 50 xe đầu kéo diesel của cảng, được giao nhiệm vụ di chuyển container quanh bãi. Các cần cẩu di động, xe nâng và xe nâng hàng cũng hoạt động chủ yếu bằng dầu diesel, xử lý hàng hóa thông thường và hàng rời một cách hiệu quả, nhưng lại góp phần đáng kể vào ô nhiễm không khí và phát thải carbon tại địa phương. Ngoài các phương tiện của chính quyền cảng, hàng ngàn xe tải hạng nặng bên ngoài đến hàng ngày để nhận hoặc giao hàng, lượng khí thải của chúng làm trầm trọng thêm các tác động môi trường tại địa phương.
Đội tàu cảng của cảng, mặc dù nhỏ, nhưng lại có lượng khí thải lớn không cân xứng. Thông thường, sẽ có khoảng ba tàu kéo cảng, rất cần thiết để điều khiển an toàn các tàu lớn hơn vào và ra khỏi bến. Mỗi tàu kéo, được đánh giá từ 60 đến 70 tấn lực kéo neo, hàng năm đốt cháy khoảng 150 tấn dầu diesel hàng hải, tương đương với khoảng 1,75 GWh năng lượng cho mỗi tàu mỗi năm. Các tàu cảng nhỏ hơn - tàu hoa tiêu, tàu neo đậu và tàu bảo trì - cũng chủ yếu dựa vào dầu diesel. Ngoài ra, thường có ít nhất một dịch vụ phà thường xuyên hoạt động trên các tuyến đường ngắn, có thể đến một thành phố ven biển gần đó, tiêu thụ khoảng một đến hai triệu lít dầu diesel hàng hải mỗi năm, tương đương với khoảng 10 đến 20 GWh năng lượng hàng năm. Những tàu cảng này, liên tục di chuyển và rất cần thiết cho hoạt động hàng ngày, là ứng cử viên hàng đầu cho quá trình điện khí hóa sớm hoặc các công nghệ đẩy không phát thải thay thế do chu kỳ hoạt động tương đối ngắn và có thể dự đoán được của chúng.
Ứng dụng xe nâng ở cảng biển
Lượng khí thải đáng kể tại các cảng cũng phát sinh từ các tàu neo đậu tại bến. Hiện nay, các tàu ghé cảng thường chạy động cơ diesel phụ trợ liên tục để tạo ra điện trên tàu, cần thiết cho các hệ thống như chiếu sáng, làm mát container và duy trì khu nhà ở của thủy thủ đoàn. Để hiểu rõ hơn, một tàu container lớn điển hình neo đậu tiêu thụ khoảng hai đến bốn tấn nhiên liệu mỗi ngày, tương đương với khoảng bốn đến tám megawatt giờ năng lượng điện nếu lấy từ nguồn điện sạch trên bờ. Trên khắp một cảng cỡ trung bình tiêu biểu, tổng lượng nhiên liệu phụ trợ hàng năm từ tất cả các tàu ghé cảng có thể lên tới khoảng 2.500 tấn diesel, tương đương với khoảng 10 GWh mỗi năm sản xuất điện mà nếu không có điện trên bờ có thể cung cấp. Ngoài ra, tổng lượng nhiên liệu cung cấp tại một cảng như vậy là khoảng nửa triệu tấn mỗi năm, chủ yếu là dầu nhiên liệu nặng, điều này nhấn mạnh lượng khí thải gián tiếp đáng kể liên quan đến thương mại hàng hải được tạo điều kiện thuận lợi bởi các hoạt động của cảng.
Hiện nay, mức tiêu thụ điện trực tiếp của cảng vẫn còn tương đối khiêm tốn, thường dao động từ 10 đến 20 GWh mỗi năm. Nguồn năng lượng này hỗ trợ các hoạt động như văn phòng, cần cẩu điện hiện có, phích cắm container lạnh (reef container) và chiếu sáng khu vực. Một số cảng tiên tiến ở châu Âu đã đáp ứng được 15–20% nhu cầu điện năng thông qua hệ thống điện mặt trời trên mái nhà hoặc mái che, cho thấy việc áp dụng năng lượng tái tạo hiện có nhưng còn hạn chế, và sẽ cần được mở rộng đáng kể khi quá trình khử cacbon diễn ra. Thực tế, việc điện khí hóa các phương tiện cảng, tàu thuyền và tàu ghé cảng trong tương lai thông qua các hệ thống điện bờ rộng khắp sẽ làm tăng đáng kể nhu cầu điện nói chung, đòi hỏi phải có kế hoạch chiến lược và đầu tư cẩn thận vào công suất năng lượng tái tạo mới và cơ sở hạ tầng lưới điện.
Vì mục đích của loạt bài này, tôi quyết định sử dụng biểu đồ Sankey về dòng năng lượng tính bằng GWh tiêu thụ hàng năm sẽ là một minh họa hữu ích. Như thường lệ với các dòng năng lượng nặng hóa thạch, năng lượng bị loại bỏ vượt xa đáng kể các dịch vụ năng lượng hữu ích. Tình hình sẽ tệ hơn rất nhiều nếu cần cẩu cảng, tòa nhà và nhiều thiết bị khác chưa được điện khí hóa. Tôi sẽ cập nhật các dòng năng lượng này cho từng mức tăng để cho thấy nhu cầu năng lượng giảm như thế nào, đồng thời bổ sung thêm nguồn năng lượng gió và mặt trời. Lưu ý, tôi đã thực hiện một biểu đồ bao gồm nhiên liệu tàu cho các chuyến đi biển, và không có gì ngạc nhiên khi dòng năng lượng đó lấn át phần còn lại. Biểu đồ Sankey này không bao gồm toàn bộ nhiên liệu tàu, chỉ bao gồm mức tiêu thụ năng lượng cảng cho nguồn điện phụ trợ.
Tổng cộng, các hoạt động hiện tại này tạo ra lượng khí thải carbon dioxide hàng năm từ 200.000 đến 300.000 tấn cho một cảng quy mô này, bao gồm lượng khí thải từ xe chạy bằng dầu diesel, tàu thuyền trong cảng và nguồn điện phụ trợ từ tàu neo đậu. Mức phát thải cơ sở đáng kể này vừa là thách thức vừa là cơ hội. Việc loại bỏ hoàn toàn lượng khí thải này, mặc dù đầy tham vọng, có thể đạt được thông qua một chiến lược được phân giai đoạn cẩn thận, kết hợp điện khí hóa, nguồn điện trên bờ, hệ thống lưu trữ pin tiên tiến và tích hợp đáng kể các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió ngoài khơi và điện mặt trời.
Sự phức tạp của hoạt động hiện tại của cảng, cùng với mật độ năng lượng cao đòi hỏi bởi thiết bị hạng nặng và tàu thuyền, cho thấy rõ ràng rằng các bước đi được lên kế hoạch tỉ mỉ và từng bước một là rất cần thiết. Mỗi giai đoạn của hành trình này phải cân bằng giữa đầu tư vào cơ sở hạ tầng và công nghệ với các giải pháp đã được chứng minh, khả năng kinh tế và tính liên tục trong hoạt động, đảm bảo cảng duy trì khả năng cạnh tranh đồng thời tiến tới mục tiêu phi carbon hóa hoàn toàn trong những thập kỷ tới. Các bài viết tiếp theo sẽ đề cập đến các bước tăng dần trong năm năm, xây dựng quá trình chuyển đổi theo thời gian.
