Dentro del Gotland Horizon X: un gran catamarán preparado para hidrógeno

Figura 1. Gotland Horizon X será el primer catamarán a gran escala del mundo capaz de operar con combustible 100% de hidrógeno (cortesía de Austal).

Con un enfoque creciente en la mitigación del cambio climático y el avance hacia el objetivo de cero emisiones netas de la Organización Marítima Internacional (OMI) para 2050, el sector marítimo se encuentra bajo una intensa presión para descarbonizarse. Actualmente, el transporte marítimo emite cerca de mil millones de toneladas de CO2 al año, lo que representa aproximadamente entre el 2 % y el 3 % de todas las emisiones de carbono relacionadas con la energía a nivel mundial.

En la última década se han logrado avances sustanciales en la reducción de emisiones de pequeñas embarcaciones comerciales y costeras mediante sistemas de propulsión totalmente eléctricos y diésel-eléctricos (DEP). Sin embargo, la descarbonización de buques transoceánicos y de carga de mayor tamaño, que recorren cientos o incluso miles de kilómetros entre escalas, ha resultado más difícil.

En 2025, Siemens Energy, el operador de ferry sueco Gotlandsbolaget y la empresa de construcción naval global con sede en Australia, Austal, dieron un importante paso adelante para abordar este desafío con el desarrollo del Gotland Horizon X: un catamarán de alta velocidad que tiene como objetivo proporcionar una travesía con cero emisiones de CO2 entre la isla de Gotland y el continente sueco.

El buque incorporará turbinas de gas de alta eficiencia SGT-400 de Siemens Energy en una configuración de ciclo combinado. Las turbinas de gas y vapor impulsarán los chorros de agua Kongsberg y suministrarán las cargas eléctricas del ferry mediante tomas de fuerza (PTO) en la caja de engranajes principal.

El buque operará con una eficiencia de combustible cercana al 50%, superando con creces el rendimiento de los motores diésel marinos tradicionales. Además, su capacidad multicombustible abre la posibilidad de operar con GNL, bioGNL, metanol, biodiésel e hidrógeno puro en el futuro, allanando el camino para un transporte marítimo sin emisiones.

Transporte de cero emisiones

Gotlandsbolaget se propone lograr cruces de ferry sin combustibles fósiles entre la isla de Gotland y el continente sueco sin impacto en los tiempos de cruce para 2045, un objetivo denominado "Destino Cero".
La compañía formuló su primer concepto de buque de bajas emisiones en 2009. Desde entonces, Gotland Tech Development ha trabajado para incorporar y promover los últimos avances tecnológicos en el transporte marítimo para reducir las emisiones de CO2. Si bien el objetivo a largo plazo es utilizar tecnologías de propulsión basadas en hidrógeno, los conceptos de diseño actuales buscan soluciones que permitan el uso de combustibles bajos en carbono hasta que se desarrolle una cadena de suministro completa de hidrógeno.

En 2021, estos avances dieron lugar al lanzamiento de los primeros barcos conceptuales de cero emisiones de Gotlandsbolaget: la serie Horizon. El trabajo posterior culminó en la realización de esta visión con el pedido, en febrero de 2025, a Austal del catamarán de alta velocidad Gotland Horizon X, multicombustible y preparado para hidrógeno.

El Horizon X está previsto que entre en servicio en 2029 y tendrá capacidad para 400 vehículos y 1500 pasajeros. Con una velocidad máxima de 30 nudos, el barco completará la travesía de unos 140 kilómetros en poco más de tres horas.

Figura 2. Disposición de la sala de máquinas del Gotland Horizon X, que muestra la central de ciclo combinado (cortesía de Austal)

Diseño del sistema de propulsión y de la sala de máquinas

La sala de máquinas del Gotland Horizon X es un derivado del concepto de ciclo combinado híbrido Ocean Green de Siemens Energy, que es una solución de propulsión de bajas emisiones introducida en 2022.

Cada casco del catamarán albergará una central eléctrica de ciclo combinado basada en una turbina de gas Siemens Energy SGT-400, con una potencia garantizada de 13 MW a una temperatura ambiente de 10-20 °C (como se muestra en la Figura 2). La SGT-400 es una turbina de gas industrial ligera de eficacia probada, lanzada en 1997. Actualmente, hay más de 400 unidades en funcionamiento en todo el mundo, con más de 7 millones de horas de funcionamiento, muchas de ellas en entornos marinos.

La turbina de gas está instalada sobre una base que alberga el tanque de aceite lubricante y todos los sistemas auxiliares necesarios, creando una unidad compacta y de fácil instalación. Solo las botellas del extintor y el enfriador de aceite lubricante se encuentran fuera del embalaje.

Basándose en la experiencia y los diseños utilizados en la industria del petróleo y el gas, Siemens Energy ha colaborado estrechamente con DNV durante los últimos dos años para garantizar el cumplimiento de los requisitos marinos. Actualmente, la turbina de gas principal, el paquete completo y el sistema de control cuentan con la homologación de DNV para aplicaciones marinas.

El calor residual del escape de la turbina de gas se recupera mediante un generador de vapor de paso único (OTSG), que proporciona vapor a una presión de hasta 55 bar y una temperatura de entrada de diseño de 510 °C para impulsar una turbina de vapor de condensación de 5,3 MW. Se seleccionó un OTSG por su bajo peso, tamaño compacto y menor consumo de agua de reposición en comparación con las calderas marinas tradicionales.

Si bien lo más convencional es que este tipo de configuración de ciclo combinado impulse generadores y suministre energía a motores de propulsión eléctricos (conocidos en aplicaciones marinas como motores combinados de gas, electricidad y vapor o COGES), para que Gotland Horizon X maximice la eficiencia y reduzca el peso, tanto las turbinas de gas como las turbinas de vapor impulsarán chorros de agua a través de una disposición de caja de engranajes.

El paquete de turbina de gas incluye una caja de engranajes que reduce la velocidad de la turbina de potencia de 9500 rpm nominales a 1800 rpm. Una segunda caja de engranajes principal reduce la velocidad de 1800 rpm nominales a la requerida por los chorros de agua. Una configuración similar se utiliza en los paquetes de turbina de vapor. Las turbinas de gas impulsan chorros de agua orientables, mientras que las turbinas de vapor impulsan chorros de agua de refuerzo. Este concepto proporciona un total de 36,4 MW de potencia en el eje a las cajas de engranajes principales, con una eficiencia de combustible general cercana al 50 %.

Para alimentar las cargas eléctricas del buque, las cajas de engranajes principales están equipadas con PTI/PTO de 1 MW, complementadas con un Sistema de Almacenamiento de Energía en Baterías (BESS) y grupos electrógenos auxiliares alternativos. Una conexión a tierra permite un periodo de inactividad con el sistema frío y sin que los generadores funcionen.

Dado que la turbina de gas está instalada dentro de su propio recinto acústico ventilado para protección contra el ruido y el fuego, se reduce la disipación de calor hacia el compartimento de la sala de máquinas. El aire de combustión y el aire de ventilación del recinto se canalizan desde el exterior hacia el conjunto de la turbina de gas, con la filtración y el silenciamiento adecuados para garantizar el funcionamiento fiable de las turbinas de gas y la comodidad de los pasajeros.

Figura 3. Esquema principal del sistema energético del barco. Imagen cortesía de Siemens Energy.

Rendimiento de emisiones y funcionamiento con hidrógeno

La flexibilidad del combustible y las bajas emisiones fueron dos de los principales impulsores de la decisión de Gotlandbolaget de utilizar turbinas de gas SGT-400 en Horizon X.

El SGT-400 viene equipado de serie con un sistema de combustión de bajas emisiones secas (DLE). Las unidades del Gotland Horizon X serán de doble combustible y podrán operar con GNL y diésel, cumpliendo a la vez con los requisitos de emisiones de NOx Tier III de la OMI (<2 g/kWh) para los ciclos de trabajo E2 y E3, sin necesidad de un sistema de reducción catalítica selectiva (SCR).

Las turbinas de gas funcionan con una llama continua y un tiempo de residencia relativamente largo en la cámara de combustión. El escape de metano es insignificante, con niveles esperados inferiores a 0,014 g/kWh cuando la turbina de gas opera entre el 50 % y el 100 % de su capacidad nominal continua máxima (MCR).

Pruebas recientes en plataformas de combustión han demostrado que, con un inyector de combustible modificado, el sistema de combustión puede funcionar con metanol.

El objetivo a largo plazo es que Gotland Horizon X funcione con combustible 100% de hidrógeno.

Las características de la combustión del hidrógeno difieren de las del gas natural, con límites de inflamabilidad más amplios y velocidades de llama más altas, lo que agrava el riesgo de retroceso de llama. Sin modificaciones significativas, los sistemas de combustión DLE estándar en turbinas de gas suelen limitarse a un 20-50 % de hidrógeno por volumen mezclado con gas natural.

El trabajo de Siemens Energy para desarrollar un sistema de combustión 100 % compatible con hidrógeno comenzó hace más de una década. En 2023, se alcanzó el objetivo del 100 % en el SGT-400 durante el proyecto de demostración HYFLEXPOWER, financiado por la UE, en Francia. Se realizarán pruebas adicionales en los próximos años como parte del proyecto HyCoFlex en la misma ubicación.

La nueva cámara de combustión podrá funcionar no solo con hidrógeno al 100 %, sino también con gas natural (o GNL) al 100 % y cualquier mezcla intermedia de hidrógeno y gas/GNL, cumpliendo al mismo tiempo los requisitos de la OMI sobre NOx sin necesidad de un sistema SCR. La cámara de combustión es ligeramente más larga que la versión DLE estándar, pero puede modernizarse con modificaciones mínimas en el núcleo de la turbina de gas.

Tecnología para descarbonizar los buques oceánicos

El transporte marítimo de larga distancia representa actualmente la mayor parte de la huella de emisiones del sector marítimo. Dado que estos buques deben recorrer largas distancias y permanecer fuera de los puertos durante largos periodos, los diseños de propulsión híbridos con capacidad para combustibles alternativos representan la opción más práctica para la descarbonización.

El principal reto de aplicar tecnologías híbridas a estos buques es la necesidad de conservar espacio para maximizar la capacidad de transporte de mercancías y combustible (debido a la menor densidad de combustible de los combustibles bajos en carbono en comparación con el HFO y otros diésel marinos). Si bien la justificación económica para instalar un sistema diésel o gas-eléctrico, equipos de acondicionamiento de energía y baterías sigue siendo difícil, la rentabilidad está mejorando.

En particular, en los metaneros, el concepto Ocean Green, que utiliza un ciclo combinado híbrido con propulsión eléctrica (como el sistema que se instalará en el Gotland Horizon X), es muy aplicable. La distribución compacta de la sala de máquinas y el peso reducido permiten un aumento del 7-11 % en la capacidad de carga, lo que se traduce en una reducción de hasta el 17 % en los costes unitarios de flete en comparación con un metanero convencional de dos tiempos de 174 000 m³ o un petrolero más pequeño.

El uso de pilas de combustible de hidrógeno en sistemas híbridos también está cobrando impulso como vía de descarbonización a largo plazo. Siemens Energy colabora actualmente con socios para aplicar pilas de combustible de hidrógeno en buques marinos de diversos tipos y tamaños.

Gracias a la flexibilidad y eficiencia de combustible inherentes a una turbina de gas, el Gotland Horizon X es un auténtico ferry rápido multicombustible que ofrece bajas emisiones de CO2 y NOx sin sacrificar la velocidad de travesía ni la capacidad de pasajeros y carga. El buque ofrece un modelo escalable para el diseño de buques sostenibles y de alto rendimiento. Sienta las bases para buques transoceánicos de cero emisiones, acelerando la transición de la industria hacia un futuro con bajas emisiones de carbono.

El nuevo chorro de agua Kamewa S-4L

Kongsberg Maritime lanzó su nueva serie de propulsores de agua Kamewa S-4L con un contrato para suministrar sistemas de propulsión para el ferry de alta velocidad de próxima generación de Gotlandsbolaget, Horizon X. El ferry contará con dos propulsores de agua S160-S4L y dos unidades de refuerzo S100-S4LB, lo que marca la primera instalación comercial de la nueva serie S-4L.

Las mejoras clave incluyen un sistema de doble cucharón y boquilla de dirección, diseñado para mejorar la maniobrabilidad a baja velocidad y la eficiencia de atraque, reduciendo los tiempos de respuesta y el consumo de combustible. La serie S-4L también mantiene un tiempo medio entre revisiones (MTBO) de 25.000 horas o cinco años.