Внутри Gotland Horizon X: большой катамаран, готовый к эксплуатации с водородным топливом.

Рисунок 1. Gotland Horizon X станет первым в мире крупномасштабным катамараном, способным работать на 100% водородном топливе (предоставлено компанией Austal).

В условиях растущего внимания к смягчению последствий изменения климата и продвижению к достижению цели Международной морской организации (ИМО) по нулевым выбросам к 2050 году, морской сектор находится под сильным давлением в плане декарбонизации. Сегодня морской транспорт ежегодно выбрасывает в атмосферу почти миллиард тонн CO2, что составляет примерно 2-3% от всех выбросов углерода, связанных с энергетикой, во всем мире.

За последнее десятилетие был достигнут существенный прогресс в сокращении выбросов от малых коммерческих и прибрежных судов за счет использования полностью электрических и дизель-электрических силовых установок. Однако декарбонизация более крупных океанских и грузовых судов, совершающих переходы на сотни и даже тысячи миль между остановками, оказалась более сложной задачей.

В 2025 году компания Siemens Energy, шведский оператор паромных линий Gotlandsbolaget и австралийская глобальная судостроительная компания Austal сделали значительный шаг вперед в решении этой проблемы, разработав Gotland Horizon X: высокоскоростной катамаран, цель которого — обеспечить нулевой уровень выбросов CO2 при пересечении острова Готланд и материковой части Швеции.

На судне будут установлены высокоэффективные газовые турбины SGT-400 компании Siemens Energy в комбинированном цикле. Газовые и паровые турбины будут приводить в движение водометы Kongsberg и обеспечивать электропитание парома через отборы мощности (PTO) на главном редукторе.

Судно будет работать с топливной эффективностью, близкой к 50%, что значительно превосходит показатели традиционных судовых дизельных двигателей. Кроме того, его многотопливная функциональность открывает возможности для работы на СПГ, био-СПГ, метаноле, биодизеле и 100% водороде в будущем, прокладывая путь к морскому транспорту с нулевым уровнем выбросов.

Транспорт с нулевым уровнем выбросов

Цель Gotlandsbolaget — к 2045 году обеспечить бесперебойное паромное сообщение между островом Готланд и материковой частью Швеции без увеличения времени в пути, что получило название «Нулевая отдача» (Destination Zero).
В 2009 году компания разработала свою первую концепцию судна с низким уровнем выбросов. С тех пор Gotland Tech Development работает над внедрением и продвижением новейших технологических достижений в судоходстве для сокращения выбросов CO2. Хотя долгосрочная цель состоит в использовании водородных двигательных установок, текущие концепции проектирования предполагают решения, позволяющие использовать низкоуглеродное топливо до тех пор, пока не будет создана полная цепочка поставок водородного топлива.

В 2021 году эти разработки привели к созданию первых концептуальных судов Gotlandsbolaget с нулевым уровнем выбросов: серии Horizon. Дальнейшая работа завершилась воплощением этой идеи в реальность: в феврале 2025 года компания Austal разместила заказ на многотопливный, готовый к использованию водорода высокоскоростной катамаран Gotland Horizon X.

Судно Horizon X планируется ввести в эксплуатацию в 2029 году. Оно сможет перевозить 400 автомобилей и 1500 пассажиров. Развивая максимальную скорость в 30 узлов, судно сможет преодолеть расстояние около 140 километров чуть более чем за три часа.

Рисунок 2. Схема машинного отделения парохода Gotland Horizon X, демонстрирующая парогазовую установку (предоставлено компанией Austal).

Проектирование силовой установки и машинного отделения

Машинное отделение Gotland Horizon X является производной от концепции гибридного комбинированного цикла Ocean Green от Siemens Energy, представляющей собой решение для силовой установки с низким уровнем выбросов, представленное в 2022 году.

В каждом корпусе катамарана будет размещена парогазовая установка на базе газовой турбины Siemens Energy SGT-400 с гарантированной выходной мощностью 13 МВт при температуре окружающей среды 10-20°C (как показано на рисунке 2). SGT-400 — это проверенная газовая турбина для легкой промышленности, выпущенная в 1997 году. Сегодня в мире эксплуатируется более 400 таких установок, наработавших более 7 миллионов часов, в том числе и в морских условиях.

Газовая турбина установлена на подставке, в которой размещается бак со смазочным маслом и все необходимые вспомогательные системы, что создает компактный и простой в монтаже блок. Только баллоны с огнетушителем и охладитель смазочного масла расположены вне блока.

Опираясь на опыт и разработки, применяемые в нефтегазовой отрасли, компания Siemens Energy в течение последних двух лет тесно сотрудничала с DNV для обеспечения соответствия требованиям морского применения. Сегодня основная газовая турбина, весь комплект и система управления имеют сертификат соответствия DNV для морского применения.

Тепло, выделяемое газовой турбиной на выходе, рекуперируется с помощью парогенератора прямого действия (OTSG), который обеспечивает подачу пара под давлением до 55 бар и расчетной температурой на входе 510 °C для привода конденсационной паровой турбины мощностью 5,3 МВт. Парогенератор прямого действия был выбран из-за его малого веса, компактных размеров и сниженного потребления подпиточной воды по сравнению с традиционными судовыми котлами.

Хотя для такого типа комбинированного цикла более традиционно используется привод генераторов и подача энергии для электродвигателей (в морских приложениях известные как комбинированные газоэлектрические и паровые двигатели, или COGES), для максимальной эффективности и снижения веса на Gotland Horizon X как газовые, так и паровые турбины будут приводить в движение водометы через редуктор.

Газотурбинный агрегат включает в себя редуктор, который снижает скорость вращения силовой турбины с номинальных 9500 об/мин до 1800 об/мин. Затем второй «главный» редуктор снижает скорость с номинальных 1800 об/мин до скорости, необходимой для работы водометов. Аналогичная схема используется в паротурбинных агрегатах. Газовые турбины приводят в движение управляемые водометы, а паровые турбины — дополнительные водометы. Эта концепция обеспечивает суммарную мощность 36,4 МВт на валу, передаваемую на главные редукторы, при общей топливной эффективности, близкой к 50%.

Для обеспечения электропитания судна главные редукторы оснащены приводами отбора мощности мощностью 1 МВт, дополненными системой накопления энергии на основе аккумуляторных батарей (BESS) и вспомогательными поршневыми генераторными установками. Подключение к берегу позволяет проводить консервацию системы в холодном состоянии без работающих генераторов.

Благодаря тому, что газовая турбина установлена в собственном вентилируемом звукоизолирующем кожухе для защиты от шума и огня, снижается отвод тепла в машинное отделение. Воздух для сгорания и вентиляционный воздух кожуха подаются снаружи в блок газовой турбины, при этом обеспечивается соответствующая фильтрация и шумоподавление для гарантирования надежной работы газовых турбин и комфорта пассажиров.

Рисунок 3. Принципиальная схема энергетической системы судна. Изображение предоставлено компанией Siemens Energy.

Показатели выбросов и работа на водороде

Гибкость в выборе топлива и низкий уровень выбросов были двумя основными факторами, побудившими компанию Gotlandbolaget использовать газовые турбины SGT-400 на проекте Horizon X.

В стандартной комплектации SGT-400 оснащен системой сгорания с низким уровнем выбросов (DLE). Агрегаты для Gotland Horizon X будут двухтопливными и смогут работать на СПГ и дизельном топливе, демонстрируя при этом соответствие требованиям IMO Tier III по выбросам NOx (<2 г/кВт·ч) для рабочих циклов E2 и E3 без необходимости использования системы селективного каталитического восстановления (SCR).

Газовые турбины работают с непрерывным пламенем и относительно длительным временем пребывания в камере сгорания. Выбросы метана незначительны, и ожидается, что их уровень будет ниже 0,014 г/кВт·ч, когда газовая турбина работает на 50–100% от своей максимальной номинальной мощности (MCR).

Недавние испытания на стенде для контроля сгорания показали, что при использовании модифицированной топливной форсунки система сгорания может работать на метаноле.

Долгосрочная цель состоит в том, чтобы космический аппарат Gotland Horizon X работал на 100% водородном топливе.

Характеристики сгорания водорода отличаются от характеристик сгорания природного газа: более широкие пределы воспламеняемости и более высокие скорости распространения пламени, что усугубляет риск обратного воспламенения. Без существенных модификаций стандартные системы сгорания DLE на газовых турбинах обычно ограничены 20-50% водорода по объему, смешанного с природным газом.

Работа компании Siemens Energy над разработкой системы сжигания, способной на 100% использовать водород, началась более десяти лет назад. В 2023 году цель в 100%-ном режиме была достигнута на установке SGT-400 в рамках демонстрационного проекта HYFLEXPOWER, финансируемого ЕС, во Франции. Дополнительные испытания будут проводиться в течение следующих нескольких лет в рамках последующего проекта HyCoFlex на той же площадке.

Новая камера сгорания сможет работать не только на 100% водороде, но и на 100% природном газе (или СПГ), а также на любой промежуточной смеси водорода и газа/СПГ, при этом соответствуя требованиям ИМО по выбросам NOx без использования системы SCR. Камера сгорания немного длиннее стандартного варианта DLE, но может быть модернизирована с минимальными изменениями в конструкции сердечника газовой турбины.

Технологии для декарбонизации океанских судов

В настоящее время на долю дальнемагистральных морских перевозок приходится большая часть выбросов в морском секторе. Поскольку этим судам приходится преодолевать большие расстояния и длительное время находиться вдали от портов, гибридные силовые установки с возможностью использования альтернативных видов топлива представляют собой наиболее практичный вариант декарбонизации.

Основная проблема применения гибридных технологий на этих судах заключается в необходимости экономии пространства для максимизации грузоподъемности и запасов топлива (из-за более низкой плотности низкоуглеродистого топлива по сравнению с мазутом и другими судовыми дизельными двигателями). Хотя экономическая целесообразность установки дизель- или газоэлектрической системы, оборудования для преобразования энергии и аккумуляторов по-прежнему вызывает сомнения, экономические показатели улучшаются.

В частности, для танкеров-газовозов концепция Ocean Green, использующая гибридный комбинированный цикл с электрической силовой установкой (подобная той, что будет установлена на Gotland Horizon X), является весьма применимой. Компактная компоновка машинного отделения и уменьшенный вес позволяют увеличить грузоподъемность на 7-11%, что приводит к снижению удельных затрат на перевозку до 17% по сравнению с обычным двухтактным танкером-газовозом вместимостью 174 000 м3 или танкером меньшего размера.

Использование водородных топливных элементов в гибридных системах также набирает популярность в качестве долгосрочного пути декарбонизации. В настоящее время Siemens Energy сотрудничает с партнерами для применения водородных топливных элементов на морских судах различных типов и размеров.

Благодаря присущей газовой турбине гибкости и эффективности использования топлива, Gotland Horizon X представляет собой скоростной паром, способный работать на нескольких видах топлива, обеспечивая низкий уровень выбросов CO2 и NOx без ущерба для скорости пересечения или пассажировместимости и грузоподъемности. Судно служит масштабируемой моделью для высокоэффективного и экологичного проектирования судов. Оно прокладывает путь к созданию океанских судов с нулевым уровнем выбросов, ускоряя переход отрасли к низкоуглеродному будущему.

Новый водоструйный станок Kamewa S-4L

Компания Kongsberg Maritime представила свою новую серию водометных двигателей Kamewa S-4L, заключив контракт на поставку силовых установок для скоростного парома нового поколения Horizon X компании Gotlandsbolaget. Паром будет оснащен двумя водометами S160-S4L и двумя вспомогательными двигателями S100-S4LB, что станет первой коммерческой установкой новой серии S-4L.

Ключевые усовершенствования включают в себя систему с двумя ковшами и управляемым соплом, разработанную для повышения эффективности маневрирования на низких скоростях и стыковки, сокращения времени простоя и расхода топлива. Серия S-4L также поддерживает средний интервал между капитальными ремонтами (MTBO) на уровне 25 000 часов или пяти лет.