走进哥特兰地平线X号：大型氢动力双体船
随着人们越来越重视减缓气候变化，并朝着国际海事组织（IMO）2050年净零排放目标迈进，海运业面临着巨大的脱碳压力。目前，海运每年排放近10亿吨二氧化碳，约占全球能源相关碳排放量的2-3%。
过去十年，通过全电动和柴电推进（DEP）系统，小型商用船舶和近海船舶的减排取得了显著进展。然而，对于航程数百甚至数千英里的远洋货轮而言，实现脱碳则更为困难。
2025 年，西门子能源公司、瑞典渡轮运营商 Gotlandsbolaget 和总部位于澳大利亚的全球造船公司 Austal 通过开发 Gotland Horizon X 号，在应对这一挑战方面迈出了重要一步：这艘高速双体船旨在提供哥特兰岛和瑞典大陆之间的零二氧化碳排放渡轮服务。
该船将采用西门子能源公司的SGT-400高效燃气轮机，以联合循环方式运行。燃气轮机和蒸汽轮机将驱动康士伯喷水推进器，并通过主齿轮箱上的动力输出装置（PTO）为渡轮提供电力。
该船的燃油效率将接近50%，显著优于传统的船用柴油发动机。此外，其多燃料能力使其未来能够使用液化天然气（LNG）、生物液化天然气（bio-LNG）、甲醇、生物柴油以及100%氢气，从而为零排放海上运输铺平道路。
零排放交通
Gotlandsbolaget 的目标是到 2045 年实现哥特兰岛和瑞典大陆之间无化石燃料渡轮航行，且不影响航行时间，这一目标被命名为“零排放目的地”。
该公司于2009年提出了首个低排放船舶概念。自那时起，哥特兰科技发展公司一直致力于将最新的航运技术应用于船舶设计，以减少二氧化碳排放。虽然其长期目标是采用氢动力推进技术，但目前的设计理念着眼于在建立完整的氢燃料供应链之前，尽可能使用低碳燃料。
2021年，这些进展促成了哥特兰航运公司首批零排放概念船——地平线系列的推出。进一步的努力最终使这一愿景成为现实，该公司于2025年2月向奥斯塔公司订购了可使用多种燃料并具备氢燃料动力的哥特兰地平线X高速双体船。
Horizon X号计划于2029年投入使用，可运载400辆汽车和1500名乘客。该船最高航速为30节，航行约140公里仅需三个多小时。
图 2. Gotland Horizon X 发动机舱布局图，显示了联合循环发电装置（图片由 Austal 提供）
推进系统和机舱设计
Gotland Horizon X 发动机舱是西门子能源公司 Ocean Green 混合动力联合循环概念的衍生产品，该概念是一种于 2022 年推出的低排放推进解决方案。
双体船的每个船体都将配备一台基于西门子能源SGT-400燃气轮机的联合循环发电装置，在10-20°C的环境温度下，保证输出功率为13兆瓦（如图2所示）。SGT-400是一款成熟的轻型工业燃气轮机，于1997年推出。如今，全球已有400多台该型号机组投入运行，累计运行时间超过700万小时，其中许多机组应用于海上环境。
燃气轮机安装在底座上，底座内设有润滑油箱和所有必要的辅助系统，形成一个结构紧凑、安装简便的单元。只有灭火器钢瓶和润滑油冷却器位于单元外部。
西门子能源凭借在石油和天然气行业积累的经验和设计，在过去两年中与DNV紧密合作，确保产品符合船舶应用要求。如今，核心燃气轮机、整套设备以及控制系统均已获得DNV的船舶应用型式认可。
燃气轮机排气中的废热通过直流蒸汽发生器（OTSG）回收，该发生器可提供压力高达55巴、设计入口温度为510°C的蒸汽，驱动一台5.3兆瓦的冷凝式汽轮机。选择OTSG的原因在于其重量轻、结构紧凑，且与传统船用锅炉相比，补水量更少。
虽然这种类型的联合循环配置更常见于驱动发电机并为电力推进电机供电（在船舶应用中被称为燃气-电力和蒸汽联合循环，或 COGES），但为了最大限度地提高效率并减轻重量，Gotland Horizon X 的燃气轮机和蒸汽轮机都将通过齿轮箱装置驱动喷水推进器。
燃气轮机组件包含一个齿轮箱，可将动力涡轮的额定转速从 9,500 rpm 降至 1,800 rpm。第二个“主”齿轮箱随后将转速从额定转速 1,800 rpm 降至水射流所需的转速。蒸汽轮机组件也采用类似的结构。燃气轮机驱动可转向水射流，而蒸汽轮机驱动增压水射流。该设计方案可为主驱动齿轮箱提供总计 36.4 MW 的轴功率，整体燃油效率接近 50%。
为满足船舶的电力需求，主齿轮箱配备了1兆瓦的动力输出轴/动力换向器（PTI/PTO），并辅以电池储能系统（BESS）和往复式辅助发电机组。岸电连接可使船舶在停泊期间保持系统冷态且发电机不运转。
由于燃气轮机安装在独立的通风隔音罩内，以达到隔音和防火的目的，因此向机舱散失的热量得以减少。燃烧空气和隔音罩通风空气均从外部通过管道引入燃气轮机组件，并经过适当的过滤和消音处理，以确保燃气轮机的可靠运行和乘客的舒适性。
图 3. 船舶能源系统主要示意图。图片由西门子能源公司提供。
排放性能和氢能运行
燃料灵活性和低排放是哥特兰石油公司决定在 Horizon X 上使用 SGT-400 燃气轮机的两大主要驱动因素。
SGT-400标配干式低排放（DLE）燃烧系统。哥特兰地平线X项目的机组将采用双燃料设计，可使用液化天然气（LNG）和柴油，并在E2和E3工况下满足国际海事组织（IMO）Tier III氮氧化物排放要求（<2克/千瓦时），无需选择性催化还原（SCR）系统。
燃气轮机采用连续火焰运行，燃烧室内的气体停留时间相对较长。甲烷泄漏量可忽略不计，预计当燃气轮机在其最大连续额定功率 (MCR) 的 50% 至 100% 范围内运行时，甲烷泄漏量将低于 0.014 克/千瓦时。
最近的燃烧试验台测试表明，通过改进燃油喷射器，燃烧系统可以使用甲醇运行。
长期目标是让哥特兰地平线 X 号列车 100% 使用氢燃料运行。
氢气的燃烧特性与天然气不同，其可燃范围更宽，火焰传播速度更快，这加剧了回火的风险。如果不进行重大改造，燃气轮机上的标准直接液化（DLE）燃烧系统通常只能使用体积比为20%至50%的氢气与天然气混合燃烧。
西门子能源公司十多年前就开始研发100%氢气燃烧系统。2023年，在欧盟资助的法国HYFLEXPOWER示范项目中，SGT-400燃气轮机实现了100%氢气燃烧的目标。未来几年，作为后续HyCoFlex项目的一部分，将在同一地点进行更多测试。
新型燃烧器不仅能够使用100%氢气，还能使用100%天然气（或液化天然气）以及介于两者之间的任何氢气与天然气/液化天然气混合燃料，同时无需选择性催化还原（SCR）即可满足国际海事组织（IMO）的氮氧化物排放标准。该燃烧器比标准DLE型号略长，但只需对燃气轮机核心进行少量改动即可进行改装。
用于远洋船舶脱碳的技术
目前，远洋运输占海运业碳排放的大部分。由于这些船舶需要长途航行，且长时间远离港口，因此采用具备替代燃料能力的混合动力推进设计是实现脱碳最切实可行的方案。
将混合动力技术应用于这些船舶的主要挑战在于，需要节省空间以最大限度地提高货物和燃料的载货量（因为低碳燃料的燃料密度低于重油和其他船用柴油）。尽管安装柴油或燃气电力系统、电力调节设备和电池的商业可行性仍然有限，但经济效益正在逐步改善。
尤其在液化天然气运输船上，采用混合动力联合循环推进系统（例如即将安装在“哥特兰地平线X”号上的系统）的“海洋绿色”概念非常适用。紧凑的机舱布局和更轻的重量可使载货量提高7%至11%，与传统的17.4万立方米二冲程液化天然气运输船或小型油轮相比，单位运输成本最多可降低17%。
从长远来看，氢燃料电池在混合动力系统中的应用也日益受到重视，被视为一种有效的脱碳途径。西门子能源目前正与合作伙伴携手，将氢燃料电池应用于各种类型和尺寸的船舶。
哥特兰地平线X号利用燃气轮机固有的燃料灵活性和效率，是一款真正的多燃料高速渡轮，在不牺牲航速或客货运力的前提下，实现了低二氧化碳和氮氧化物排放。该船为高性能、可持续船舶设计提供了一个可扩展的蓝图，并为零排放远洋船舶铺平了道路，加速了航运业向低碳未来的转型。
新型卡梅瓦S-4L水刀
Kongsberg Maritime 推出了其新型 Kamewa S-4L 喷水推进器系列，并与 Gotlandsbolaget 签订合同，为其下一代高速渡轮 Horizon X 提供推进系统。该渡轮将配备两台 S160-S4L 喷水推进器和两台 S100-S4LB 增压装置，标志着新型 S-4L 系列的首次商业安装。
主要改进包括双铲斗和转向喷嘴系统，旨在提高低速操控和对接效率，从而缩短周转时间和降低燃油消耗。S-4L系列发动机的平均大修间隔时间（MTBO）也保持在25,000小时或五年。
