Μέσα στο Gotland Horizon X: Μεγάλο καταμαράν με δυνατότητα μεταφοράς υδρογόνου

Σχήμα 1. Το Gotland Horizon X θα είναι το πρώτο καταμαράν μεγάλης κλίμακας στον κόσμο ικανό να λειτουργεί με καύσιμο 100% υδρογόνο (ευγενική προσφορά της Austal).

Με την αυξανόμενη έμφαση στον μετριασμό της κλιματικής αλλαγής και την πρόοδο προς τον στόχο μηδενικών εκπομπών του Διεθνούς Ναυτιλιακού Οργανισμού (IMO) για το 2050, ο θαλάσσιος τομέας δέχεται έντονες πιέσεις για απαλλαγή από τον άνθρακα. Σήμερα, οι θαλάσσιες μεταφορές εκπέμπουν σχεδόν ένα δισεκατομμύριο τόνους CO2 ετησίως, που αντιπροσωπεύουν περίπου το 2-3% όλων των εκπομπών άνθρακα που σχετίζονται με την ενέργεια παγκοσμίως.

Σημαντική πρόοδος έχει σημειωθεί την τελευταία δεκαετία στη μείωση των εκπομπών από μικρά εμπορικά και παράκτια πλοία μέσω συστημάτων πρόωσης πλήρως ηλεκτρικών και ντιζελοηλεκτρικών (DEP). Ωστόσο, η απαλλαγή από τις εκπομπές άνθρακα μεγαλύτερων ποντοπόρων και φορτηγών πλοίων που ταξιδεύουν εκατοντάδες ή και χιλιάδες μίλια μεταξύ στάσεων έχει αποδειχθεί πιο δύσκολη.

Το 2025, η Siemens Energy, η σουηδική εταιρεία πορθμείων Gotlandsbolaget και η παγκόσμια ναυπηγική εταιρεία Austal με έδρα την Αυστραλία, έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς την αντιμετώπιση αυτής της πρόκλησης με την ανάπτυξη του Gotland Horizon X: ενός καταμαράν υψηλής ταχύτητας που στοχεύει στην παροχή μηδενικών εκπομπών CO2 κατά τη διέλευση μεταξύ του νησιού Gotland και της ηπειρωτικής Σουηδίας.

Το πλοίο θα διαθέτει τους αεριοστροβίλους υψηλής απόδοσης SGT-400 της Siemens Energy σε διαμόρφωση συνδυασμένου κύκλου. Οι αεριοστρόβιλοι και οι ατμοστρόβιλοι θα κινούν πίδακες νερού Kongsberg και θα παρέχουν τα ηλεκτρικά φορτία του πλοίου μέσω λήψεων ισχύος (PTO) στο κύριο κιβώτιο ταχυτήτων.

Το πλοίο θα λειτουργεί με απόδοση καυσίμου σχεδόν 50% – ξεπερνώντας σημαντικά τις παραδοσιακές μηχανές ντίζελ θαλάσσης. Επιπλέον, η δυνατότητα πολλαπλών καυσίμων που διαθέτει ανοίγει τη δυνατότητα λειτουργίας με LNG, bio-LNG, μεθανόλη, βιοντίζελ και 100% υδρογόνο στο μέλλον, ανοίγοντας το δρόμο για θαλάσσιες μεταφορές μηδενικών εκπομπών.

Μεταφορές μηδενικών εκπομπών

Το Gotlandsbolaget στοχεύει στην επίτευξη δρομολογίων με πορθμεία χωρίς ορυκτά καύσιμα μεταξύ του νησιού Gotland και της ηπειρωτικής Σουηδίας, χωρίς καμία επίπτωση στους χρόνους διέλευσης έως το 2045, ένας στόχος που έχει χαρακτηριστεί ως «Προορισμός Μηδέν».
Η εταιρεία διατύπωσε την πρώτη της ιδέα για ένα πλοίο χαμηλών εκπομπών το 2009. Έκτοτε, η Gotland Tech Development έχει εργαστεί για την ενσωμάτωση και την προώθηση των τελευταίων τεχνολογικών εξελίξεων στη ναυτιλία με στόχο τη μείωση των εκπομπών CO2. Ενώ ο μακροπρόθεσμος στόχος είναι η χρήση τεχνολογιών πρόωσης με βάση το υδρογόνο, οι τρέχουσες σχεδιαστικές ιδέες επιδιώκουν λύσεις που επιτρέπουν τη χρήση καυσίμων χαμηλών εκπομπών άνθρακα μέχρι να αναπτυχθεί μια ολοκληρωμένη αλυσίδα εφοδιασμού καυσίμου υδρογόνου.

Το 2021, αυτές οι εξελίξεις οδήγησαν στην κυκλοφορία των πρώτων πρωτότυπων πλοίων μηδενικών εκπομπών της Gotlandsbolaget: της σειράς Horizon. Περαιτέρω εργασίες κορυφώθηκαν με το όραμα να γίνεται πραγματικότητα με την παραγγελία τον Φεβρουάριο του 2025 από την Austal για το καταμαράν υψηλής ταχύτητας Gotland Horizon X, έτοιμο για χρήση με υδρογόνο, πολλαπλών καυσίμων.

Το Horizon X έχει προγραμματιστεί να τεθεί σε λειτουργία το 2029 και θα μπορεί να μεταφέρει 400 αυτοκίνητα και 1.500 επιβάτες. Με μέγιστη ταχύτητα 30 κόμβων, το πλοίο θα διασχίσει τα ~140 χιλιόμετρα σε λίγο περισσότερο από τρεις ώρες.

Σχήμα 2. Διάταξη μηχανοστασίου στο Gotland Horizon X, που δείχνει τον σταθμό παραγωγής ενέργειας συνδυασμένου κύκλου (ευγενική προσφορά της Austal)

Σχεδιασμός συστήματος πρόωσης και μηχανοστασίου

Το μηχανοστάσιο του Gotland Horizon X είναι παράγωγο της ιδέας Ocean Green Hybrid Combined Cycle της Siemens Energy, η οποία είναι μια λύση πρόωσης χαμηλών εκπομπών ρύπων που παρουσιάστηκε το 2022.

Κάθε κύτος του καταμαράν θα περιέχει έναν σταθμό παραγωγής ενέργειας συνδυασμένου κύκλου που θα βασίζεται σε έναν αεριοστρόβιλο Siemens Energy SGT-400, με εγγυημένη ισχύ εξόδου 13 MW σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 10-20°C (όπως φαίνεται στο Σχήμα 2). Ο SGT-400 είναι ένας δοκιμασμένος αεριοστρόβιλος ελαφράς βιομηχανίας που λανσαρίστηκε το 1997. Σήμερα, υπάρχουν πάνω από 400 μονάδες σε λειτουργία παγκοσμίως, με περισσότερες από 7 εκατομμύρια ώρες λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένων πολλών σε υπεράκτια περιβάλλοντα.

Ο αεριοστρόβιλος είναι εγκατεστημένος σε μια υποβάθιση που στεγάζει τη δεξαμενή λιπαντικού λαδιού και όλα τα απαραίτητα βοηθητικά συστήματα, δημιουργώντας μια συμπαγή μονάδα με απλή εγκατάσταση. Μόνο οι φιάλες πυροσβεστήρα και το ψυγείο λιπαντικού λαδιού βρίσκονται εκτός συσκευασίας.

Βασιζόμενη στην εμπειρία και τα σχέδια που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου, η Siemens Energy συνεργάστηκε στενά με την DNV τα τελευταία δύο χρόνια για να διασφαλίσει τη συμμόρφωση με τις απαιτήσεις για τη ναυτιλία. Σήμερα, ο ίδιος ο πυρήνας του αεριοστροβίλου, το πλήρες πακέτο και το σύστημα ελέγχου έχουν λάβει έγκριση τύπου για θαλάσσιες εφαρμογές από την DNV.

Η απορριπτόμενη θερμότητα στα καυσαέρια του αεριοστροβίλου ανακτάται χρησιμοποιώντας μια γεννήτρια ατμού μίας μόνο διέλευσης (OTSG), η οποία παρέχει ατμό έως και 55 bar και θερμοκρασία εισόδου σχεδιασμού 510°C για την κίνηση ενός ατμοστρόβιλου συμπύκνωσης 5,3 MW. Επιλέχθηκε ένας OTSG λόγω του χαμηλού βάρους, του συμπαγούς μεγέθους και της μειωμένης κατανάλωσης νερού αναπλήρωσης σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς θαλάσσιους λέβητες.

Ενώ είναι πιο συμβατικό για αυτόν τον τύπο διαμόρφωσης συνδυασμένου κύκλου να κινούνται γεννήτριες και να τροφοδοτούνται με ισχύ ηλεκτρικοί κινητήρες πρόωσης (γνωστοί στις θαλάσσιες εφαρμογές ως συνδυασμένος κινητήρας αερίου-ηλεκτρισμού και ατμού ή COGES), για το Gotland Horizon X, για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης και τη μείωση του βάρους, τόσο οι αεριοστρόβιλοι όσο και οι ατμοστρόβιλοι θα κινούν πίδακες νερού μέσω μιας διάταξης κιβωτίου ταχυτήτων.

Το πακέτο αεριοστροβίλου περιλαμβάνει ένα κιβώτιο ταχυτήτων που μειώνει την ταχύτητα του ηλεκτροστροβίλου από τις ονομαστικές 9.500 σ.α.λ. στις 1.800 σ.α.λ. Ένα δεύτερο «κύριο» κιβώτιο ταχυτήτων μειώνει στη συνέχεια την ταχύτητα από τις ονομαστικές 1.800 σ.α.λ. στην ταχύτητα που απαιτείται από τους πίδακες νερού. Μια παρόμοια διάταξη χρησιμοποιείται και στα πακέτα ατμοστροβίλων. Οι αεριοστρόβιλοι κινούν κατευθυνόμενους πίδακες νερού, ενώ οι ατμοστρόβιλοι κινούν πίδακες νερού ενίσχυσης. Αυτή η ιδέα παρέχει συνολικά 36,4 MW ισχύος άξονα στα κύρια κιβώτια ταχυτήτων με συνολική απόδοση καυσίμου κοντά στο 50%.

Για την τροφοδοσία των ηλεκτρικών φορτίων του πλοίου, τα κύρια κιβώτια ταχυτήτων είναι εξοπλισμένα με PTI/PTO 1 MW, που συμπληρώνονται από ένα Σύστημα Αποθήκευσης Ενέργειας Μπαταρίας (BESS) και παλινδρομικά βοηθητικά σετ γεννητριών. Μια σύνδεση στην ξηρά επιτρέπει μια περίοδο παρκαρίσματος με το σύστημα κρύο και χωρίς τις γεννήτριες σε λειτουργία.

Επειδή ο αεριοστρόβιλος είναι εγκατεστημένος μέσα στο δικό του αεριζόμενο ακουστικό περίβλημα για προστασία από θόρυβο και πυρασφάλεια, μειώνεται η απαγωγή θερμότητας στο χώρο του μηχανοστασίου. Ο αέρας καύσης και ο αέρας εξαερισμού του θαλάμου διοχετεύονται από έξω στο συγκρότημα αεριοστροβίλου, με κατάλληλο φιλτράρισμα και σίγαση για να εξασφαλιστεί η αξιόπιστη λειτουργία των αεριοστροβίλων και η άνεση των επιβατών.

Σχήμα 3. Κύριο σχηματικό διάγραμμα του ενεργειακού συστήματος του πλοίου. Ευγενική παραχώρηση εικόνας από τη Siemens Energy

Απόδοση εκπομπών και λειτουργία υδρογόνου

Η ευελιξία των καυσίμων και οι χαμηλές εκπομπές ρύπων ήταν δύο από τους κύριους παράγοντες πίσω από την απόφαση της Gotlandbolaget να χρησιμοποιήσει αεριοστροβίλους SGT-400 στο Horizon X.

Ως στάνταρ, το SGT-400 είναι εξοπλισμένο με σύστημα καύσης ξηρών χαμηλών εκπομπών (DLE). Οι μονάδες για το Gotland Horizon X θα είναι διπλού καυσίμου και θα μπορούν να λειτουργούν με LNG και ντίζελ, ενώ παράλληλα θα επιδεικνύουν συμμόρφωση με τις απαιτήσεις εκπομπών NOx Tier III του IMO (<2g/kWh) για τους κύκλους λειτουργίας E2 και E3 χωρίς την ανάγκη συστήματος επιλεκτικής καταλυτικής αναγωγής (SCR).

Οι αεριοστρόβιλοι λειτουργούν με συνεχή φλόγα και σχετικά μεγάλο χρόνο παραμονής εντός του καυστήρα. Η ολίσθηση μεθανίου είναι αμελητέα, με τα επίπεδα να αναμένεται να είναι κάτω από 0,014 g/kWh όταν ο αεριοστρόβιλος λειτουργεί μεταξύ 50% και 100% της μέγιστης συνεχούς ονομαστικής του τιμής (MCR).

Πρόσφατες δοκιμές σε εγκαταστάσεις καύσης έδειξαν ότι, με ένα τροποποιημένο μπεκ ψεκασμού καυσίμου, το σύστημα καύσης μπορεί να λειτουργεί με μεθανόλη.

Ο μακροπρόθεσμος στόχος είναι το Gotland Horizon X να λειτουργεί με καύσιμο 100% υδρογόνο.

Τα χαρακτηριστικά καύσης υδρογόνου διαφέρουν από αυτά του φυσικού αερίου, με ευρύτερα όρια ευφλεκτότητας και υψηλότερες ταχύτητες φλόγας, γεγονός που επιδεινώνει τον κίνδυνο ανάφλεξης. Χωρίς σημαντικές τροποποιήσεις, τα τυπικά συστήματα καύσης DLE σε αεριοστροβίλους συνήθως περιορίζονται σε 20-50% υδρογόνο κατ' όγκο αναμεμειγμένο με φυσικό αέριο.

Οι εργασίες της Siemens Energy για την ανάπτυξη ενός συστήματος καύσης 100% ικανού για καύση υδρογόνου ξεκίνησαν πριν από μια δεκαετία και πλέον. Το 2023, ο στόχος του 100% επιτεύχθηκε στο SGT-400 κατά τη διάρκεια του χρηματοδοτούμενου από την ΕΕ έργου επίδειξης HYFLEXPOWER στη Γαλλία. Πρόσθετες δοκιμές θα πραγματοποιηθούν τα επόμενα χρόνια στο πλαίσιο του επόμενου έργου HyCoFlex στην ίδια τοποθεσία.

Ο νέος καυστήρας θα είναι ικανός να λειτουργεί όχι μόνο με 100% υδρογόνο, αλλά και με 100% φυσικό αέριο (ή LNG) και οποιοδήποτε μείγμα υδρογόνου και αερίου/LNG ενδιάμεσα, ενώ παράλληλα θα πληροί τις απαιτήσεις του IMO για τα NOx χωρίς SCR. Ο καυστήρας είναι ελαφρώς μακρύτερος από την τυπική παραλλαγή DLE, αλλά μπορεί να εξοπλιστεί εκ των υστέρων με ελάχιστες αλλαγές στον πυρήνα του αεριοστροβίλου.

Τεχνολογία για την απαλλαγή των ωκεανοπόρων πλοίων από τον άνθρακα

Οι ναυτιλιακές μεταφορές μεγάλων αποστάσεων ευθύνονται επί του παρόντος για το μεγαλύτερο μέρος του αποτυπώματος εκπομπών του ναυτιλιακού τομέα. Καθώς αυτά τα πλοία υποχρεούνται να ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις και να παραμένουν μακριά από λιμάνια για μεγάλα χρονικά διαστήματα, τα υβριδικά σχέδια πρόωσης με δυνατότητες εναλλακτικών καυσίμων αντιπροσωπεύουν την πιο πρακτική επιλογή για την απαλλαγή από τον άνθρακα.

Η κύρια πρόκληση της εφαρμογής υβριδικών τεχνολογιών σε αυτά τα σκάφη είναι η ανάγκη εξοικονόμησης χώρου για τη μεγιστοποίηση της μεταφορικής ικανότητας αγαθών και καυσίμων (λόγω των χαμηλότερων πυκνοτήτων καυσίμων των καυσίμων χαμηλών εκπομπών άνθρακα σε σύγκριση με το HFO και άλλα ναυτιλιακά ντίζελ). Ενώ η επιχειρηματική σκοπιμότητα για την εγκατάσταση ενός συστήματος ντίζελ ή αερίου-ηλεκτρικού ρεύματος, εξοπλισμού βελτίωσης ισχύος και μπαταριών παραμένει δύσκολη, τα οικονομικά στοιχεία βελτιώνονται.

Ιδιαίτερα στα πλοία μεταφοράς LNG, η ιδέα Ocean Green, που χρησιμοποιεί έναν υβριδικό συνδυασμένο κύκλο με ηλεκτρική πρόωση (όπως το σύστημα που θα εγκατασταθεί στο Gotland Horizon X), είναι ιδιαίτερα εφαρμόσιμη. Η συμπαγής διάταξη του μηχανοστασίου και το μειωμένο βάρος επιτρέπουν αύξηση 7-11% στη χωρητικότητα μεταφοράς φορτίου, με αποτέλεσμα μείωση έως και 17% στο κόστος μεταφοράς ανά μονάδα φορτίου σε σύγκριση με ένα συμβατικό δίχρονο πλοίο μεταφοράς LNG 174.000 m3 ή ένα μικρότερο δεξαμενόπλοιο.

Η χρήση κυψελών καυσίμου υδρογόνου σε υβριδικά συστήματα κερδίζει επίσης έδαφος ως οδός απαλλαγής από τον άνθρακα μακροπρόθεσμα. Η Siemens Energy συνεργάζεται επί του παρόντος με εταίρους για την εφαρμογή κυψελών καυσίμου υδρογόνου σε θαλάσσια σκάφη διαφόρων τύπων και μεγεθών.

Χρησιμοποιώντας την εγγενή ευελιξία και την αποδοτικότητα καυσίμου ενός αεριοστροβίλου, το Gotland Horizon X είναι ένα πραγματικά γρήγορο πλοίο πολλαπλών καυσίμων, που προσφέρει χαμηλές εκπομπές CO2 και NOx χωρίς να θυσιάζει την ταχύτητα διέλευσης ή τη χωρητικότητα επιβατών και φορτίου. Το πλοίο παρέχει ένα κλιμακωτό σχέδιο για σχεδιασμό πλοίων υψηλής απόδοσης και βιώσιμης ανάπτυξης. Ανοίγει το δρόμο για ποντοπόρα πλοία μηδενικών εκπομπών – επιταχύνοντας τη μετάβαση του κλάδου σε ένα μέλλον χαμηλών εκπομπών άνθρακα.

Το νέο Kamewa S-4L Waterjet

Η Kongsberg Maritime λάνσαρε τη νέα σειρά υδροπλάνων Kamewa S-4L με σύμβαση για την προμήθεια συστημάτων πρόωσης για το ταχύπλοο Horizon X της επόμενης γενιάς της Gotlandsbolaget. Το πλοίο θα διαθέτει δύο υδροπλάνους S160-S4L και δύο μονάδες ενίσχυσης S100-S4LB, σηματοδοτώντας την πρώτη εμπορική εγκατάσταση της νέας σειράς S-4L.

Οι βασικές βελτιώσεις περιλαμβάνουν ένα διπλό σύστημα κάδου και ακροφυσίου διεύθυνσης, σχεδιασμένο για να βελτιώνει τον χειρισμό σε χαμηλές ταχύτητες και την απόδοση πρόσδεσης, μειώνοντας τους χρόνους ανακύκλωσης και την κατανάλωση καυσίμου. Η σειρά S-4L διατηρεί επίσης έναν μέσο χρόνο μεταξύ γενικών επισκευών (MTBO) 25.000 ωρών ή πέντε ετών.