Nhật Bản ra mắt động cơ khí thương mại đầu tiên trên thế giới đồng đốt 30% hydro

Thực tế thương mại, không còn là ý tưởng trong phòng thí nghiệm

Cuối năm 2025, Kawasaki Heavy Industries âm thầm mở nhận đơn đặt hàng cho một cỗ máy đánh dấu bước chuyển căn bản trong cách ngành phát điện công nghiệp tiếp cận quá trình chuyển dịch năng lượng. Công ty bắt đầu nhận đơn thương mại cho động cơ khí quy mô lớn đầu tiên trên thế giới được thiết kế để chạy bằng hỗn hợp nhiên liệu chứa 30 phần trăm hydro theo thể tích, phần còn lại là khí tự nhiên. Tổ máy thuộc dòng công suất 8 megawatt này, được phát triển trên nền tảng dòng KG đã được Kawasaki khẳng định, đánh dấu bước chuyển từ công nghệ thử nghiệm sang thiết bị có thể triển khai, đi kèm chế độ bảo hành, lịch bảo dưỡng và thông số kỹ thuật xác định.

Việc ra mắt diễn ra sau chiến dịch kiểm chứng vận hành kéo dài 11 tháng tại cơ sở Kobe của Kawasaki, từ tháng 10/2024 đến tháng 9/2025. Trong giai đoạn này, các kỹ sư đưa động cơ vào những điều kiện công nghiệp thực tế thay vì các thông số được kiểm soát trong phòng thí nghiệm, kiểm tra phản ứng của hệ thống trước những thay đổi về tải, nhiệt độ và áp lực vận hành. Việc hoàn tất thành công các thử nghiệm này giúp Kawasaki chuyển từ trình diễn sang thương mại hóa, đưa cấu hình đồng đốt hydro thành tính năng tiêu chuẩn của sản phẩm thay vì một dự án thiết kế riêng.

Thiết kế giải pháp 30 phần trăm

Ngưỡng hydro 30 phần trăm là sự dung hòa được tính toán cẩn trọng giữa giảm phát thải và khả năng tương thích với hạ tầng. Phân tử hydro có kích thước nhỏ nhất trong tự nhiên, có thể thoát qua những vòng đệm vốn giữ được khí mê-tan, đồng thời bắt cháy trong dải hỗn hợp nhiên liệu-không khí rộng hơn đáng kể so với khí tự nhiên. Những đặc tính này đặt ra các thách thức kỹ thuật riêng về độ ổn định của quá trình đốt, độ bền vật liệu và an toàn vận hành.

Để ứng phó với các rủi ro này, thiết kế của Kawasaki tích hợp các cảm biến chuyên dụng phát hiện rò rỉ hydro, được bố trí dọc đường dẫn nhiên liệu, kết hợp với hệ thống thổi khí nitơ có thể làm sạch đường ống nhiên liệu khi khởi động, dừng máy hoặc xảy ra sự cố. Buồng đốt có các kênh làm mát được thiết kế lại để xử lý mức nhiệt cao hơn do hydro tạo ra, ngăn mỏi kim loại và hiện tượng giòn hóa có thể xảy ra khi hydro tương tác với một số hợp kim theo thời gian. Thời điểm phun nhiên liệu và tỷ lệ không khí-nhiên liệu được các hệ thống kỹ thuật số nâng cấp kiểm soát chính xác nhằm ngăn hiện tượng cháy ngược, tình trạng nguy hiểm khi ngọn lửa lan ngược vào nguồn cấp nhiên liệu.

Về phát thải, phương pháp dùng nhiên liệu pha trộn mang lại lợi ích có thể đo lường. Dữ liệu thử nghiệm cho thấy chuyển từ khí tự nhiên nguyên chất sang hỗn hợp chứa 30 phần trăm hydro giúp giảm khoảng 10 phần trăm lượng khí thải carbon dioxide trong quá trình vận hành. Hệ thống vẫn đáp ứng các giới hạn phát thải oxit nitơ tiêu chuẩn nhờ phun nhiên liệu áp suất cao và quản lý nhiệt, qua đó giải quyết lo ngại rằng quá trình đốt nóng hơn của hydro sẽ làm tăng lượng NOx.

Lợi thế cải tạo

Có lẽ điểm đáng chú ý nhất trong đợt ra mắt của Kawasaki không nằm ở số đơn hàng mới có thể thu hút, mà ở số thiết bị hiện có có thể nâng cấp. Kể từ khi ra mắt năm 2011, nền tảng dòng KG đã ghi nhận hơn 240 đơn hàng trên toàn thế giới; nhiều tổ máy hiện đang vận hành tại các cơ sở công nghiệp và nhà máy điện phân tán. Kawasaki xác nhận các thế hệ động cơ trước đây cũng có thể được cải tạo để đáp ứng cùng cấu hình đồng đốt hydro, giúp những cơ sở được xây dựng từ một thập kỷ trước để chạy hoàn toàn bằng khí tự nhiên kéo dài tuổi thọ vận hành, đồng thời từng bước giảm cường độ phát thải carbon.

Lộ trình cải tạo này mang đến giải pháp thực tế cho bài toán khai thác tài sản mà các đơn vị vận hành nhà máy điện đang đối mặt. Thay vì phải thay mới toàn bộ đội thiết bị mới có thể sử dụng nhiên liệu sạch hơn, phương án nâng cấp cho phép khử carbon từng bước khi nguồn cung hydro được cải thiện và chi phí giảm xuống. Tỷ lệ pha trộn 30 phần trăm đặc biệt phù hợp với chiến lược chuyển đổi này vì hỗn hợp có thể lưu chuyển qua mạng lưới phân phối và bồn chứa hiện có với một số điều chỉnh hạn chế, tránh phải xây dựng lại toàn bộ hạ tầng đường ống như sẽ cần thiết nếu nồng độ hydro cao hơn.

Tiến triển song song trên biển

Trong khi động cơ phát điện cố định được đưa ra thị trường, Kawasaki cùng các đối tác cũng đạt một cột mốc tương tự trong lĩnh vực động lực hàng hải. Tháng 10/2025, một liên danh gồm Kawasaki, Yanmar Power Solutions và Japan Engine Corporation hoàn tất điều mà họ mô tả là đợt vận hành trên bờ đầu tiên trên thế giới của động cơ hàng hải chạy bằng hydro. Cuộc trình diễn sử dụng hệ thống cấp nhiên liệu hydro hóa lỏng mới được phát triển tại nhà máy của Japan Engine để xác nhận khả năng đốt ổn định ở công suất định mức trong các động cơ bốn kỳ, tốc độ trung bình.

Sáng kiến hàng hải không chỉ giới hạn ở động cơ phụ trợ. Japan Engine đang phát triển động cơ hydro hai kỳ, tốc độ thấp, dùng làm động lực chính cho tàu chở hàng cỡ lớn; các thử nghiệm ban đầu dự kiến diễn ra vào mùa xuân năm 2026. Cả ba loại động cơ đều sử dụng kiến trúc nhiên liệu kép, cho phép thủy thủ đoàn chuyển đổi giữa hydro và dầu diesel hàng hải thông thường tùy theo mức độ sẵn có của nhiên liệu tại từng cảng. Khả năng dự phòng này đáp ứng thực tế rằng hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro sẽ còn phân bố không đồng đều trong nhiều năm tới.

Hydro lỏng là chìa khóa thiết yếu để hiện thực hóa một xã hội năng lượng bền vững, và chúng tôi từ lâu đã cam kết xây dựng nền tảng công nghệ để hỗ trợ mục tiêu đó.

Kei Nomura, Giám đốc điều hành cấp cao của Ban Chiến lược Hydro thuộc Kawasaki, đưa ra phát biểu này liên quan đến cuộc trình diễn hàng hải, khái quát chiến lược rộng hơn của tập đoàn, kết nối hoạt động phát triển động cơ với các khoản đầu tư song song vào chuỗi cung ứng nhiên liệu.

Xây dựng chuỗi cung ứng nhiên liệu

Việc động cơ tương thích với hydro được đưa ra thị trường tạo ra nhu cầu tức thời về mạng lưới cung ứng nhiên liệu, trong khi mạng lưới này vẫn đang được xây dựng. Nhật Bản nhập khẩu gần như toàn bộ năng lượng sơ cấp, còn hoạt động hậu cần hydro quy mô lớn chỉ mới bắt đầu hình thành. Trọng tâm của nỗ lực này là Nhà ga LH2 Kawasaki đang được xây dựng tại Ogishima, thành phố Kawasaki; công trình khởi công vào tháng 11/2025.

Dự kiến bắt đầu hoạt động vào khoảng năm 2030, nhà ga này sẽ là cơ sở nhập khẩu hydro lỏng quy mô thương mại đầu tiên của Nhật Bản. Trọng tâm của cơ sở là bồn đông lạnh có sức chứa khoảng 50.000 mét khối hydro hóa lỏng, được các đối tác mô tả là lớn nhất thế giới, cùng hệ thống tiếp nhận tàu, tái hóa khí và điều phối xe tải. Nhà ga được thiết kế để tiếp nhận hydro sản xuất ở nước ngoài, qua đó khắc phục những hạn chế địa lý khiến tiềm năng năng lượng tái tạo trong nước của Nhật Bản bị giới hạn.

Bổ trợ cho nhà ga, Kawasaki đang hợp tác với Japan Suiso Energy phát triển tàu chở hydro hóa lỏng mới có sức chứa khoảng 40.000 mét khối. Sức chở của tàu này lớn gấp 32 lần tàu trình diễn Suiso Frontier trước đó, vốn vận chuyển lô hàng hydro hóa lỏng thử nghiệm đầu tiên từ Australia đến Nhật Bản năm 2022. Tàu và nhà ga được kỳ vọng sẽ tạo nền tảng cho chuỗi cung ứng hydro quốc tế, có khả năng cung cấp nhiên liệu cho cả cơ sở tiếp nhiên liệu ven biển lẫn nhà máy điện trong đất liền.

Nguồn vốn công và bối cảnh thị trường

Cả động cơ nhà máy điện lẫn hệ thống động lực hàng hải đều nằm trong khuôn khổ chính sách khí hậu rộng hơn của Nhật Bản. Công tác phát triển được Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới (NEDO) hỗ trợ thông qua Quỹ Đổi mới Xanh, được Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp (METI) cấp vốn khoảng 2.000 tỷ yen (xấp xỉ 13 tỷ USD) nhằm hỗ trợ mục tiêu trung hòa carbon quốc gia vào năm 2050.

Nguồn hỗ trợ công này giúp các công ty giải quyết những thách thức kỹ thuật khó thu hút vốn qua các kênh thị trường thông thường, bao gồm thử nghiệm độ bền dài hạn của van hydro và xây dựng quy trình đào tạo về xử lý nhiên liệu đông lạnh an toàn. Nguồn vốn cũng tạo vùng đệm cho các công nghệ giúp giảm phát thải nhưng chưa chắc đã cạnh tranh được về chi phí với nhiên liệu hóa thạch truyền thống.

Đợt ra mắt của Kawasaki diễn ra trong bối cảnh thị trường động cơ khí tự nhiên toàn cầu đang tăng trưởng. Các nhà phân tích ngành dự báo thị trường này sẽ đạt 8,97 tỷ USD vào năm 2032, với tốc độ tăng trưởng kép hằng năm 5,9 phần trăm. Châu Á - Thái Bình Dương hiện chiếm ưu thế với 45 phần trăm thị phần, tiếp theo là Bắc Mỹ với 35,6 phần trăm và châu Âu với 29 phần trăm. Việc bổ sung khả năng đồng đốt hydro giúp Kawasaki đón đầu nhu cầu từ các đơn vị vận hành muốn đầu tư thiết bị có khả năng thích ứng với nguồn nhiên liệu đang thay đổi trong tương lai, thay vì trở nên lỗi thời khi các quy định môi trường ngày càng chặt chẽ.

Kiểm chứng thực tế cho những đơn vị tiên phong

Với các nhà quản lý cơ sở và đơn vị vận hành đội tàu, câu hỏi trước mắt là liệu những công nghệ này có thể giúp giảm phát thải ngay hôm nay hay không. Câu trả lời phần lớn phụ thuộc vào mức độ sẵn có của hydro. Cho đến khi các nhà ga nhập khẩu, tàu chở và mạng lưới phân phối trong nước đạt quy mô lớn, những khách hàng đầu tiên mua động cơ KG sẽ phải lựa chọn giữa việc 확보 nguồn hydro địa phương còn hạn chế với giá cao, chỉ chạy bằng khí tự nhiên và không sử dụng khả năng dùng hydro đã trả tiền, hoặc đơn giản là chờ hạ tầng hoàn thiện.

Khi hydro sạch trở nên sẵn có, lợi ích môi trường sẽ thể hiện rõ. Nhà máy điện khí đốt hỗn hợp chứa 30 phần trăm hydro phát thải ít carbon dioxide hơn trên mỗi kilowatt-giờ so với nhà máy dùng khí tự nhiên nguyên chất, với điều kiện hydro được sản xuất bằng phương pháp phát thải carbon thấp. Tương tự, động cơ tàu tương thích với hydro có thể giảm phát thải trên các tuyến hàng hải đông đúc khi hoạt động tiếp nhiên liệu trở nên phổ biến. Tuy nhiên, lợi ích trước mắt nằm ở tính linh hoạt. Các nhà máy và tàu hiện có có thể chuyển sang nhiên liệu sạch hơn khi nguồn cung xuất hiện, tránh nguy cơ tài sản bị mắc kẹt do phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch trong nhiều thập kỷ.

Điểm chính

• Kawasaki Heavy Industries bắt đầu nhận đơn thương mại cho động cơ khí đồng đốt 30% hydro đầu tiên trên thế giới vào cuối năm 2025, sau 11 tháng thử nghiệm vận hành tại cơ sở Kobe
• Động cơ dòng KG thuộc phân khúc công suất 8 megawatt có thể đốt hỗn hợp nhiên liệu chứa tối đa 30% hydro theo thể tích cùng khí tự nhiên, giúp giảm khoảng 10% lượng khí thải CO2 so với khi chỉ dùng khí tự nhiên
• Hơn 240 động cơ dòng KG hiện có, được đặt hàng từ năm 2011, có thể được cải tạo để đồng đốt hydro, kéo dài tuổi thọ tài sản và cho phép khử carbon từng bước
• Các hệ thống an toàn chuyên dụng gồm cảm biến phát hiện rò rỉ hydro được bố trí phân tán và cơ chế thổi khí nitơ để kiểm soát rủi ro liên quan đến kích thước phân tử nhỏ và dải bắt cháy rộng của hydro
• Chương trình phát triển động cơ hàng hải song song đã thử nghiệm thành công động cơ hydro bốn kỳ, tốc độ trung bình; động cơ hai kỳ, tốc độ thấp dùng làm động lực chính cho tàu chở hàng dự kiến được thử nghiệm vào mùa xuân năm 2026
• Nhà ga LH2 Kawasaki tại Ogishima, dự kiến đi vào hoạt động năm 2030, sẽ có bồn chứa hydro lỏng dung tích 50.000 mét khối để hỗ trợ hạ tầng nhập khẩu
• Công tác phát triển được tài trợ thông qua Quỹ Đổi mới Xanh của Nhật Bản, với nguồn vốn 2.000 tỷ yen nhằm hỗ trợ mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050