داخل غوتلاند هورايزون إكس: قارب كاتاماران كبير جاهز للهيدروجين

الشكل 1. ستكون سفينة Gotland Horizon X أول سفينة كاتاماران كبيرة الحجم في العالم قادرة على العمل بوقود الهيدروجين بنسبة 100٪ (بإذن من شركة Austal).

مع تزايد التركيز على التخفيف من آثار تغير المناخ والتقدم نحو هدف المنظمة البحرية الدولية المتمثل في الوصول إلى صافي انبعاثات صفرية بحلول عام 2050، يواجه القطاع البحري ضغوطاً شديدة لخفض انبعاثات الكربون. واليوم، ينبعث من النقل البحري ما يقرب من مليار طن من ثاني أكسيد الكربون سنوياً، وهو ما يمثل حوالي 2-3% من إجمالي انبعاثات الكربون المرتبطة بالطاقة على مستوى العالم.

لقد تحقق تقدم كبير خلال العقد الماضي في خفض الانبعاثات من السفن التجارية والساحلية الصغيرة عبر أنظمة الدفع الكهربائية بالكامل وأنظمة الدفع الكهربائية التي تعمل بالديزل. ومع ذلك، فقد ثبت أن إزالة الكربون من السفن الأكبر حجماً العابرة للمحيطات وسفن الشحن التي تقطع مئات أو حتى آلاف الأميال بين المحطات أكثر صعوبة.

في عام 2025، اتخذت شركة سيمنز للطاقة، وشركة تشغيل خطوط العبارات السويدية جوتلاندسبولاجيت، وشركة بناء السفن العالمية الأسترالية أوستال، خطوة كبيرة إلى الأمام في مواجهة هذا التحدي من خلال تطوير جوتلاند هورايزون إكس: وهي عبارة عن كاتاماران عالي السرعة يهدف إلى توفير عبور خالٍ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بين جزيرة جوتلاند والبر الرئيسي السويدي.

ستُزود السفينة بتوربينات غازية عالية الكفاءة من طراز SGT-400 من شركة سيمنز للطاقة، ضمن نظام دورة مركبة. وستقوم التوربينات الغازية والبخارية بتشغيل نفاثات المياه من شركة كونغسبيرغ، وتوفير الطاقة الكهربائية للعبّارة عبر مآخذ الطاقة (PTOs) الموجودة على علبة التروس الرئيسية.

ستعمل السفينة بكفاءة استهلاك وقود تقارب 50%، متفوقةً بذلك بشكل ملحوظ على محركات الديزل البحرية التقليدية. إضافةً إلى ذلك، تتيح قدرتها على استخدام أنواع وقود متعددة إمكانية تشغيلها مستقبلاً بالغاز الطبيعي المسال، والغاز الطبيعي المسال الحيوي، والميثانول، والديزل الحيوي، والهيدروجين النقي، مما يمهد الطريق أمام النقل البحري الخالي من الانبعاثات.

النقل الخالي من الانبعاثات

تهدف شركة Gotlandsbolaget إلى تحقيق عبور عبارات خالٍ من الوقود الأحفوري بين جزيرة جوتلاند والبر الرئيسي السويدي دون أي تأثير على أوقات العبور بحلول عام 2045، وهو هدف يُعرف باسم "الوجهة صفر".
وضعت الشركة أول تصور لها لسفينة منخفضة الانبعاثات عام ٢٠٠٩. ومنذ ذلك الحين، عملت شركة غوتلاند لتطوير التكنولوجيا على دمج أحدث التطورات التكنولوجية في مجال الشحن وتعزيزها بهدف خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. وبينما يتمثل الهدف طويل الأجل في استخدام تقنيات الدفع القائمة على الهيدروجين، فإن مفاهيم التصميم الحالية تسعى إلى إيجاد حلول تسمح باستخدام أنواع الوقود منخفضة الكربون إلى حين تطوير سلسلة إمداد متكاملة لوقود الهيدروجين.

في عام 2021، أدت هذه التطورات إلى إطلاق أولى سفن شركة غوتلاندسبولاجيه النموذجية عديمة الانبعاثات: سلسلة هورايزون. وقد تُوِّجت الجهود اللاحقة بتحويل الرؤية إلى واقع ملموس مع تقديم طلبية في فبراير 2025 إلى شركة أوستال لبناء سفينة غوتلاند هورايزون إكس، وهي سفينة كاتاماران عالية السرعة متعددة الوقود وجاهزة للعمل بالهيدروجين.

من المقرر أن تدخل سفينة هورايزون إكس الخدمة في عام 2029، وستكون قادرة على نقل 400 سيارة و1500 راكب. وبسرعة قصوى تبلغ 30 عقدة، ستقطع السفينة مسافة 140 كيلومترًا تقريبًا في ما يزيد قليلاً عن ثلاث ساعات.

الشكل 2. تخطيط غرفة المحرك في غوتلاند هورايزون إكس، يوضح محطة توليد الطاقة ذات الدورة المركبة (بإذن من شركة أوستال).

تصميم نظام الدفع وغرفة المحرك

غرفة محركات Gotland Horizon X هي مشتقة من مفهوم دورة Ocean Green الهجينة المركبة من شركة Siemens Energy، وهو حل دفع منخفض الانبعاثات تم تقديمه في عام 2022.

سيحتوي كل هيكل من هياكل القارب ذي الهيكلين على محطة توليد طاقة تعمل بنظام الدورة المركبة، وتعتمد على توربين غازي من طراز Siemens Energy SGT-400، بقدرة إنتاجية مضمونة تبلغ 13 ميغاواط عند درجة حرارة محيطة تتراوح بين 10 و20 درجة مئوية (كما هو موضح في الشكل 2). يُعدّ توربين SGT-400 توربينًا غازيًا صناعيًا خفيفًا ذا كفاءة عالية، وقد تم إطلاقه عام 1997. ويوجد اليوم أكثر من 400 وحدة منه قيد التشغيل حول العالم، مع أكثر من 7 ملايين ساعة تشغيل، بما في ذلك العديد منها في البيئات البحرية.

يتم تركيب التوربين الغازي على قاعدة سفلية تضم خزان زيت التشحيم وجميع الأنظمة المساعدة اللازمة، مما يُشكل وحدة مدمجة سهلة التركيب. ولا يوجد خارج العبوة سوى أسطوانات طفاية الحريق ومبرد زيت التشحيم.

استنادًا إلى الخبرة والتصاميم المستخدمة في صناعة النفط والغاز، عملت شركة سيمنز للطاقة بشكل وثيق مع شركة DNV على مدار العامين الماضيين لضمان الامتثال لمتطلبات الملاحة البحرية. واليوم، حصلت التوربينة الغازية الأساسية، والمجموعة الكاملة، ونظام التحكم على اعتماد DNV للاستخدامات البحرية.

تُستعاد الحرارة المهدرة في عادم التوربينات الغازية باستخدام مولد بخار ذي دورة واحدة (OTSG)، والذي يوفر بخارًا بضغط يصل إلى 55 بارًا ودرجة حرارة مدخل تصميمية تبلغ 510 درجة مئوية لتشغيل توربين بخاري مكثف بقدرة 5.3 ميجاواط. وقد تم اختيار مولد البخار ذي الدورة الواحدة (OTSG) نظرًا لخفة وزنه وصغر حجمه وانخفاض استهلاكه لمياه التغذية مقارنةً بالغلايات البحرية التقليدية.

في حين أنه من الأكثر شيوعًا لهذا النوع من تكوين الدورة المركبة تشغيل المولدات وتزويد الطاقة لمحركات الدفع الكهربائية (المعروفة في التطبيقات البحرية باسم الغاز والكهرباء والبخار المدمج، أو COGES)، فإن مشروع Gotland Horizon X، من أجل زيادة الكفاءة وتقليل الوزن، سيشغل كل من التوربينات الغازية والتوربينات البخارية نفاثات المياه من خلال ترتيب علبة التروس.

تتضمن مجموعة التوربينات الغازية علبة تروس تُخفّض سرعة توربين الطاقة من 9500 دورة في الدقيقة إلى 1800 دورة في الدقيقة. ثم تقوم علبة تروس رئيسية ثانية بتخفيض السرعة من 1800 دورة في الدقيقة إلى السرعة المطلوبة لتشغيل نفاثات الماء. ويُستخدم ترتيب مماثل في مجموعات التوربينات البخارية. تُشغّل التوربينات الغازية نفاثات الماء القابلة للتوجيه، بينما تُشغّل التوربينات البخارية نفاثات الماء المعززة. يوفر هذا التصميم طاقة إجمالية قدرها 36.4 ميغاواط لعمود الدوران في علب التروس الرئيسية، مع كفاءة استهلاك وقود إجمالية تقارب 50%.

لتزويد السفينة بالطاقة الكهربائية، زُودت علب التروس الرئيسية بوحدات نقل طاقة بقدرة 1 ميغاواط، بالإضافة إلى نظام تخزين طاقة البطاريات ومجموعات مولدات احتياطية ترددية. ويتيح اتصال السفينة بالكهرباء من الشاطئ إمكانية إيقاف تشغيلها مؤقتًا مع بقاء النظام باردًا ودون تشغيل المولدات.

نظراً لتركيب التوربين الغازي داخل غلاف عازل للصوت مزود بتهوية خاصة به للحماية من الضوضاء والحريق، يتم تقليل انبعاث الحرارة إلى حجرة المحرك. ويتم توجيه هواء الاحتراق وهواء تهوية الغلاف من الخارج إلى وحدة التوربين الغازي، مع توفير أنظمة ترشيح وكتم صوت مناسبة لضمان التشغيل الموثوق للتوربينات الغازية وراحة الركاب.

الشكل 3. رسم تخطيطي رئيسي لنظام الطاقة في السفينة. الصورة مقدمة من شركة سيمنز للطاقة.

أداء الانبعاثات وتشغيل الهيدروجين

كانت مرونة الوقود وانخفاض الانبعاثات من بين العوامل الرئيسية وراء قرار شركة جوتلاندبولاجيت باستخدام توربينات الغاز SGT-400 في مشروع هورايزون إكس.

يأتي محرك SGT-400 مزودًا بشكل قياسي بنظام احتراق جاف منخفض الانبعاثات (DLE). ستكون وحدات مشروع غوتلاند هورايزون إكس ثنائية الوقود، قادرة على العمل بالغاز الطبيعي المسال والديزل، مع استيفائها لمتطلبات المنظمة البحرية الدولية (IMO) من المستوى الثالث لانبعاثات أكاسيد النيتروجين (أقل من 2 غ/كيلوواط ساعة) لدورتي التشغيل E2 وE3 دون الحاجة إلى نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي (SCR).

تعمل التوربينات الغازية بلهب مستمر وفترة بقاء طويلة نسبياً داخل غرفة الاحتراق. ويُعتبر تسرب غاز الميثان ضئيلاً، حيث من المتوقع أن تكون مستوياته أقل من 0.014 غرام/كيلوواط ساعة عندما تعمل التوربينة الغازية بنسبة تتراوح بين 50% و100% من قدرتها القصوى المستمرة.

أظهرت الاختبارات الحديثة التي أجريت على منصة الاحتراق أنه باستخدام حاقن وقود معدل، يمكن لنظام الاحتراق أن يعمل على الميثانول.

الهدف طويل المدى هو أن تعمل مركبة غوتلاند هورايزون إكس بوقود الهيدروجين بنسبة 100%.

تختلف خصائص احتراق الهيدروجين عن خصائص احتراق الغاز الطبيعي، إذ يتميز الهيدروجين بنطاق اشتعال أوسع وسرعات لهب أعلى، مما يزيد من خطر الارتداد اللهبي. وبدون تعديلات جوهرية، تقتصر أنظمة الاحتراق القياسية للغازات في التوربينات الغازية عادةً على نسبة تتراوح بين 20 و50% من الهيدروجين مخلوطًا بالغاز الطبيعي.

بدأت شركة سيمنز للطاقة جهودها لتطوير نظام احتراق يعمل بالهيدروجين بنسبة 100% منذ أكثر من عقد. وفي عام 2023، تحقق هذا الهدف على محرك SGT-400 خلال مشروع HYFLEXPOWER التجريبي الممول من الاتحاد الأوروبي في فرنسا. وستُجرى اختبارات إضافية خلال السنوات القليلة المقبلة ضمن مشروع HyCoFlex اللاحق في الموقع نفسه.

ستكون غرفة الاحتراق الجديدة قادرة على العمل ليس فقط بالهيدروجين النقي، بل أيضاً بالغاز الطبيعي النقي (أو الغاز الطبيعي المسال) وأي مزيج من الهيدروجين والغاز/الغاز الطبيعي المسال بينهما، مع استيفاء متطلبات المنظمة البحرية الدولية بشأن أكاسيد النيتروجين دون الحاجة إلى نظام الاختزال التحفيزي الانتقائي. غرفة الاحتراق أطول قليلاً من النسخة القياسية DLE، ولكن يمكن تحديثها بإجراء تعديلات طفيفة على قلب التوربين الغازي.

تقنيات لإزالة الكربون من السفن العابرة للمحيطات

تُشكّل عمليات الشحن لمسافات طويلة حاليًا الجزء الأكبر من انبعاثات قطاع النقل البحري. ونظرًا لأن هذه السفن مُلزمة بقطع مسافات طويلة والبقاء بعيدًا عن الموانئ لفترات طويلة، فإن تصميمات الدفع الهجينة التي تعتمد على أنواع وقود بديلة تُمثّل الخيار الأمثل لخفض الانبعاثات الكربونية.

يتمثل التحدي الرئيسي لتطبيق التقنيات الهجينة على هذه السفن في ضرورة الحفاظ على المساحة لزيادة سعة نقل البضائع والوقود إلى أقصى حد (نظراً لانخفاض كثافة الوقود منخفض الكربون مقارنةً بزيت الوقود الثقيل وأنواع الديزل البحرية الأخرى). ورغم أن الجدوى الاقتصادية لتركيب نظام ديزل أو غاز-كهربائي، ومعدات تكييف الطاقة، والبطاريات لا تزال صعبة، إلا أن الجدوى الاقتصادية آخذة في التحسن.

يُعدّ مفهوم "أوشن غرين"، الذي يستخدم دورة هجينة مركبة مع دفع كهربائي (مثل النظام الذي سيتم تركيبه على متن "غوتلاند هورايزون إكس")، مناسبًا للغاية، لا سيما في ناقلات الغاز الطبيعي المسال. يسمح التصميم المدمج لغرفة المحرك والوزن المخفّض بزيادة سعة نقل البضائع بنسبة تتراوح بين 7 و11%، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف الشحن بنسبة تصل إلى 17% مقارنةً بناقلات الغاز الطبيعي المسال التقليدية ثنائية الأشواط بسعة 174,000 متر مكعب أو ناقلات أصغر.

يكتسب استخدام خلايا وقود الهيدروجين في الأنظمة الهجينة زخماً متزايداً كمسار لخفض الانبعاثات الكربونية على المدى الطويل. وتعمل شركة سيمنز للطاقة حالياً مع شركاء لتطبيق خلايا وقود الهيدروجين على السفن البحرية بمختلف أنواعها وأحجامها.

بفضل مرونة وكفاءة التوربينات الغازية في استخدام أنواع الوقود المتعددة، تُعدّ غوتلاند هورايزون إكس عبّارة سريعة متعددة الوقود، تتميز بانخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين دون التأثير على سرعة العبور أو سعة الركاب والبضائع. وتُقدّم هذه السفينة نموذجًا قابلًا للتطوير لتصميم سفن عالية الأداء ومستدامة، ممهدةً الطريق أمام سفن عابرة للمحيطات عديمة الانبعاثات، ومسرّعةً بذلك انتقال الصناعة إلى مستقبل منخفض الكربون.

جهاز كاميوا إس-4 إل الجديد للقطع المائي

أطلقت شركة Kongsberg Maritime سلسلة محركات الدفع المائي الجديدة Kamewa S-4L بعقد لتزويد أنظمة الدفع لعبّارة Gotlandsbolaget عالية السرعة من الجيل التالي، Horizon X. وستحتوي العبّارة على محركين نفاثين مائيين من طراز S160-S4L ووحدتي تعزيز من طراز S100-S4LB، مما يمثل أول تركيب تجاري لسلسلة S-4L الجديدة.

تشمل التحسينات الرئيسية نظام دلو مزدوج وفوهة توجيه، مصمم لتحسين المناورة عند السرعات المنخفضة وكفاءة الرسو، مما يقلل من أوقات الدوران واستهلاك الوقود. كما تحافظ سلسلة S-4L على متوسط وقت بين عمليات الصيانة الشاملة (MTBO) يبلغ 25000 ساعة أو خمس سنوات.